Design of electric-powered aircraft for commercial transportation

Electric-powered aircraft introduce propulsion architectures so different from the old fuel-based ones that classic aeronautical design is deficient in terms of objectives and design methods. Thanks to these new technologies, parts of the air transport system can be rethought. This work proposes an exploration of new possible design objectives and related techniques, laying solid analytical foundations to design and analysis of aircraft with innovative electric propulsion and their integration into the air transport system. First, the development and validation of a new hybrid-electric aircraft conceptual design tool is shown. Second, a study on an innovative procedure for the optimal sizing of airport infrastructures in support to hybrid-electric transition is discussed. Third, models and tools for assessing the effect of hybrid-electric power-trains on the reduction of acoustic and chemical pollution are presented. Finally, the design of a zero-emission, liquid hydrogen-fuelled 19-seater aircraft for very short-haul air transportation is carried out, making use of the implemented methodologies and showing the benefits that such miniliner could bring to European citizens.

Gli aeroplani muniti di propulsione elettrica introducono delle differenze radicali nell’architettura propulsiva rispetto agli aeroplani convenzionali alimentati a combustibile. Tali differenze rendono impossibile l’utilizzo di metodi di progettazione classici e richiedono la definizione di nuovi obbiettivi di progetto. Grazie a queste nuove tecnologie, parte del sistema di trasporto aereo deve essere ripensato. Questa tesi descrive lo sviluppo di una serie di strumenti per la progettazione di aeroplani da trasporto commerciale muniti di propulsione elettrica. In primis, viene illustrato lo sviluppo e la validazione di un nuovo strumento per la progettazione concettuale di velivoli ibridi-elettrici. Poi, è proposta una originale procedura per il dimensionamento ottimo delle infrastrutture aeroportuali in supporto di una transizione verso la propulsione ibrido-elettrica. Infine sono mostrati dei modelli e degli strumenti per la stima degli effetti delle nuove architetture ibrido-elettriche sulle emissioni gassose e sul rumore. Queste procedure sono utilizzate per il dimensionamento di un rivoluzionario aeroplano da 19 posti per il trasporto a cortissima distanza, battezzato miniliner. Il miniliner è un aereo a zero emissioni da poter usare come un autobus per andare al lavoro o all’università. È propulso con delle celle a combustibile alimentate a idrogeno, presente a bordo in forma liquida. Questo velivolo potrebbe portare molti benefici al sistema di trasporto europeo, specialmente nelle aree dove il trasporto terrestre è poco sviluppato.