AeroSwitch project : development of the flight simulator of a distributed electric propulsion demonstrator

The present Master Thesis work is focused on the modeling and the application on a flight simulator of a distributed electric propulsion (DEP) model aircraft demonstrator. This work contributed to the validation campaign of the concept developed by Team AeroSwitch in response to 2020 aircraft design competition of AIAA, culminated with a recent patent application. Key element of AeroSwitch concept is the simulation of the behavior of a single-engine aircraft on a multi-engine one, in normal and emergency conditions, achieved with electric motors control. Model aircraft on which the current work is based was developed retrofitting an existing model and its aim was to demonstrate the validity of the AeroSwitch concept through specific flight test activities. The present work included the modeling of all demonstrator components on the flight simulator, together with the implementation of a control interface which replicated faithfully its working modes. Main objective of the simulator in the preliminary phases of prototype realization was to test the novel propulsive architecture and its designed control modes, to identify and solve potential issues. Simulator tests were carried out successfully and they allowed to tune some parameters which were fundamental to have a regular conduct of the other scheduled activities. Once completed the first task, before planning other applications for the simulator it was mandatory to understand in which aspects the developed model was faithful to the real airplane and in which ones instead improvements were needed. To comply this, it was carried out a comparison between the flight tests performed with the real airplane and the same tests replicated on the simulator. Once evaluated the model accuracy, a demonstration of the DEP potentialities and of simulator capabilities is provided showing the design and testing of a propulsive yaw control system, developed with the aim to replace the traditional rudder. The thesis therefore leaves an important tool useful to test new control laws targeted to the model aircraft demonstrator, ensuring higher safety and efficacy to the future test campaigns.

Il presente lavoro di tesi magistrale è incentrato sulla modellazione e l’impiego su un simulatore di volo di un aeromodello dimostratore a propulsione elettrica distribuita (DEP). Questo lavoro ha contribuito alla campagna di validazione del concetto sviluppato dal Team AeroSwitch in risposta alla competizione di progetto di velivolo indetta dalla AIAA nel 2020, culminato nel recente deposito di un brevetto. Elemento chiave del concetto AeroSwitch è la simulazione del comportamento di un aeroplano monomotore su un plurimotore, in condizioni normali e in emergenza, realizzata tramite il controllo dei motori elettrici. L’aeromodello sul quale è basato il lavoro corrente è stato realizzato convertendo un esemplare esistente e il suo scopo era dimostrare la validità del concetto AeroSwitch mediante specifiche attività di sperimentazione in volo. Il presente lavoro di tesi ha previsto la modellazione delle componenti dell’aeromodello dimostratore sul simulatore di volo, unita all’implementazione di un’interfaccia di controllo che ne replicasse fedelmente le modalità di funzionamento. Obiettivo principale del simulatore nelle prime fasi di realizzazione del prototipo era collaudare l’inedita architettura propulsiva e le modalità di controllo sviluppate, in modo da identificare e risolvere eventuali criticità. Le prove al simulatore sono state completate con successo e hanno consentito di tarare alcuni parametri fondamentali per un regolare svolgimento delle attività pianificate. Una volta completato il primo incarico, prima di affidare altri compiti al simulatore era fondamentale comprendere in quali aspetti il modello sviluppato replicasse fedelmente il comportamento dell’aeroplano reale e in quali invece erano necessari ulteriori sviluppi. Per raggiungere questo obiettivo è stata effettuata una comparazione tra le prove di volo effettuate con l’aeroplano reale e le stesse prove replicate sul simulatore. Una volta valutata l’accuratezza del modello, una dimostrazione delle potenzialità della DEP e delle capacità del simulatore viene fornita presentando la realizzazione e il collaudo di un sistema di controllo in imbardata propulsivo, sviluppato con l’obiettivo di sostituire interamente il timone tradizionale. La tesi lascia quindi un prezioso strumento utile per il collaudo di nuove leggi di controllo destinate all’aeromodello dimostratore, garantendo così maggiore sicurezza ed efficacia nelle future campagne di prova.