Analysis and optimisation of the take-off manoeuvre for a three-surfaces aircraft with redundant longitudinal control

In the aeronautical field, the optimisation of the take-off trajectory is a pursued goal that allows increasing the expendability of an aircraft in terms of quantity of airports it can serve and reduction of its environmental impact. Among the possible strategy, a focus is made on the optimal longitudinal control and the choice of aircraft configuration, analysing the possibility to deploy a three-surfaces architecture to improve the distance in which the manoeuvre is completed. A flight mechanics model is built to permit the study of the take-off trajectory for a generic aircraft. The model is applied to a conventional twin-engine general aviation aircraft so that the optimal performance can be retrieved via a numerical procedure. The shortest distance and a robust distance, which is the best solution with minimum sensitivity on the control inputs, are found. The analysis is repeated for a possible modification of the baseline aircraft into a three-surfaces one with redundant longitudinal control, in which static stability and total control volume are preserved and mass and geometric proprieties are modified accordingly. Imposing boundary conditions as similar as possible, an improvement of about 7% is found on both the best achievable distance and the robust solution. A linear linkage between the control surfaces can be defined in a performance-driven or robust way. The latter allows, moreover, to minimise the risk of an excessive manoeuvre. In general, the optimal linkage in cruise is not suitable for a high-performance take-off.

In campo aeronautico, l’ottimizzazione della traiettoria di decollo è un obiettivo ricercato, in quanto permetterebbe di migliorare la fruibilità di un velivolo in termini di numero di aeroporti che possono accoglierlo e riduzione del suo impatto ambientale. Fra le possibili strategie, si indagano il controllo ottimo sul piano longitudinale e la scelta della configurazione del velivolo, analizzando la possibilità di adoperare un’architettura a tre superfici per ridurre la distanza in cui viene eseguita la manovra. Si formula un modello di meccanica del volo per studiare la traiettoria di decollo di un aereo generico. Il modello viene applicato ad un velivolo bimotore di aviazione generale per ottenere le prestazioni ottimali mediante una procedura numerica. Si trovano così una distanza minima ed una distanza robusta, ossia la miglior soluzione che presenta una sensibilità minima alle variazioni dei parametri di controllo. L’analisi si ripete per una possibile riconfigurazione dell’aereo base in un aereo a tre superfici con controllo longitudinale ridondante, in cui si preservano la stabilità statica e il rapporto volumetrico totale delle superfici di controllo, mentre le caratteristiche geometriche ed inerziali si modificano di conseguenza. Imponendo condizioni al contorno il più simile possibili, si trova un miglioramento di circa il 7% sia sulla distanza ottima che su quella robusta. Si definisce quindi un legame lineare fra le deflessioni delle superfici di controllo per ottenere un decollo di prestazione ed uno robusto. Quest’ultimo permette inoltre di minimizzare i rischi di un’azione di comando eccessivamente spinta. In generale, invece, il legame ottimo per il volo in crociera non è adatto per un decollo prestante.