Sizing process development for surrogate modeling of 19-seaters hybrid electric DEP aircraft

The development of innovative solutions in powertrain and aircraft configuration, oriented to achieve a sustainable mobility in aeronautics, requires to revises the conceptual design process based, so far, on sizing tools and design criteria available from literature for conventional airplane. The implementation of Distributed Electric Propulsion (DEP) and hybrid-electric power supply systems in 19-seater aircraft seems to be well promising respectively for the increase in aircraft efficiency, reducing TO and LND distances, and for the reduction in greenhouse gas emissions and noise. The present work is oriented to update a preliminary sizing process initially developed for pure electric DEP aircraft to liquid-hydrogen hybrid solution. Some output provided by H2N procedure, will be then used as initial estimations or frozen parameters for Titan, a sizing tool developed at Politecnico di Milano for conceptual aircraft design for airplane with conventional or innovative layout. The purpose is to achieve the benefits coming from the implementation of distributed electric propulsion, initially not obtained by Titan code. The coupling of H2N tool with Titan, should allow to catch the reduction in wing surface coming from iterating Hyperion and NeoCASS (up to now only verified for retrofit of PE aircraft), with the versatility of Titan, that make it possible to size each single item for different aircraft categories. The results of the developed sizing process will be compared with the output provided by running Titan standalone for two different AC model: Initially the work has been carried out on Dornier 228 equipped with 20 electric motors, so that a comparison with the conventional solution is feasible. Then a study on UNIFIER19 case has been conducted, by updating the powertrain technology levels for the required time-horizon. The aim consists in develop a sizing approach to define a surrogate model for possible candidate aircrafts.

Negli anni recenti, la necessità di minimizzare l’impatto ambientale dovuto al trasporto aereo, insieme al miglioramento dei livelli tecnologici, hanno portato allo sviluppo di soluzioni innovative per la propulsione dei velivoli. L’impiego della propulsione elettrica distribuita e l’alimentazione ibrida-elettrica su velivoli a 19 posti hanno portato alla necessità di rivedere i criteri di dimensionamento preliminare, precedentemente basati su metodi semi-empirici e approcci validi per configurazioni convenzionali. Il presente lavoro è orientato ad aggiornare un processo di dimensionamento preliminare inizialmente sviluppato per velivoli puramente elettrici, a una alimentazione ibrida. I risultati preliminari forniti dalla procedura H2N verranno quindi utilizzati come stime iniziali o parametri fissati per Titan, uno strumento di dimensionamento, sviluppato presso il Politecnico di Milano, per la progettazione concettuale di aeroplani con configurazioni convenzionali o innovative. Lo scopo è quello di ottenere i benefici derivanti dall'implementazione della propulsione elettrica quali la riduzione della superficie alare e del peso massimo al decollo. I risultati verranno poi confrontati con quelli ottenuti dimensionando lo stesso velivolo processando solamente Titan, per due diversi aerei. Il primo è un velivolo a propulsione distribuita con 20 motori elettrici configurato sulla base del Dornier 228, in modo da rendere fattibile un confronto con la soluzione convenzionale. Successivamente è stato condotto uno studio sull’aereo candidato per il progetto UNIFIER 19, aggiornando i livelli di tecnologia per l'orizzonte temporale richiesto. L'obiettivo consiste nello sviluppare un approccio di dimensionamento per definire un criterio di progettazione surrogata per i possibili velivoli proposti.