Preliminary design of hybrid-electric VTOL air vehicle with multiple ducted fans

Modern aviation has been focusing on hybrid-electric propulsion since few years, trying to decrease atmospheric and acoustic pollution hence increasing social acceptance. New technologies enable also the investigation of new aircraft concepts like Electric Vertical Take-Off and Landing (eVTOL) for urban air mobility. The present work focuses on the preliminary design of a hybrid-electric Vertical Take-Off and Landing (VTOL) with multiple ducted fans, suggesting a theoretic sizing model and then implementing it on APD, a commercial preliminary design tool developed by PACE Aerospace Engineering and Information Technology GmbH. The mathematical model for electric ducted fans is developed from scratch starting from pure propulsion theory receiving flight condition and retrieving correspondent geometric and operational characteristics. In addition to the design condition, chosen to be vertical take-off, off-design thrust map is built and then used to simulate the mission. The targeted powertrain is completed with a turbogenerator, modelled as a simple turboshaft combined with an electric generator. After having designed it at cruise condition, a specific fuel consumption map is retrieved. A typical urban air mobility operational framework is considered when building the design mission, composed by vertical take-off, hover, cruise and vertical landing, as suggested by market analysis. Power requirement in vertical flight segments is also estimated. An example of the developed model application is proposed on APD, taking inspiration from existing prototypes on the market. It presents a hybrid electric powertrain with eight ducted fans and a full composite airframe. The mathematical model is coded on a customized version of APD, having implemented the missing engineering objects. The design mission is then simulated and analysed, eventually suggesting a feasible aircraft solution.

Negli ultimi anni, la propulsione ibrido-elettrica è stata al centro dell’aviazione mondiale: diminuendo l’impatto atmosferico e acustico, sarebbe possibile esplorare le sue applicazioni all’aviazione urbana e, in questo contesto, proporre nuovi concetti e configurazioni di velivoli elettrici come, ad esempio, i velivoli Vertical Take-Off and Landing (VTOL). La presente tesi si concentra sul design preliminare di un aereo VTOL ibrido elettrico multi-fan, suggerendo un approccio teorico di dimensionamento e applicandolo ad un caso studio su APD, un software commerciale sviluppato da PACE Aerospace Engineering and Information Technology GmbH per il dimensionamento preliminare di velivoli. Grazie al modello matematico sviluppato è possibile definire la geometria dei fan, la velocità rotazionale e la spinta al punto di design: quest’ultima viene inoltre studiata in diverse condizioni di volo per simulare un’intera missione. Il sistema propulsivo è completato dalle batterie e dal turbogeneratore, quest’ultimo modellato come turboshaft combinato a un generatore. La crociera è scelta come condizione dimensionante per il turbogeneratore ma, come per i fan, si propone una mappa di consumo specifico anche in altri punti di funzionamento. Viene quindi simulata una missione composta da decollo verticale, atterraggio verticale, hover e crociera (come suggerito dall’analisi di mercato nell’ottica della mobilità aerea urbana). È proposta inoltre una stima della potenza richiesta nei segmenti verticali. I modelli sviluppati sono successivamente applicati ad un caso studio su APD, traendo ispirazione da prototipi presenti attualmente sul mercato. Esso presenta otto fan distribuiti sulla fusoliera e sul bordo d’attacco dell’ala, alimentati da una catena propulsiva turboelettrica e una struttura totalmente in materiale composito. APD è stato customizzato a questo scopo: dopo aver implementato le componenti mancanti rappresentando il modello matematico precedentemente creato in modo da simulare la missione, viene infine suggerita una possibile soluzione di design preliminare.