Airplane landing simulation and tire wear optimization in crosswind conditions

Landing is one of the most critical phases of a flight: the aircraft is flying at low altitude and low airspeed, and may be subject to external disturbances, most notably crosswind. During the touchdown phase, the forces generated on tires cause significant wear. Hence, the scientific community has shown interest in optimizing the landing manoeuvre of an aircraft with the aim of minimizing tires wear. This work aimed to develop a landing manoeuvre simulator for a fixed wing aircraft to simulate the touchdown condition and its application to tire wear study. The effects of wind, with focus on crosswind, are included. The dynamic equations of a simplified landing gear model are implemented and coupled to the aircraft non-linear equations of motion. Emphasis has been given about friction forces, which are the main cause of tire wear. The simulator has been validated against several of preliminary test cases (drop tests, landings), confirming its successful and flexible implementation. The application of the simulator to tire wear studies is carried out implementing Archard's wear model, which states that wear is proportional to work dissipation induced by frictions forces. An optimization process has shown that, in crosswind conditions, aligning the aircraft with the runway direction and performing touchdown with low airspeed and low vertical speed, combined with an optimized setting of aileron and rudder controls, allows to minimize the effects of wear. As a validation effort, the sideslip angle at touchdown was added to the optimization variables, confirming that aligning the aircraft to the runway enables to reduce wear in the first instants after touchdown, but surprisingly showing that a slight misalignment might be beneficial over a larger time window. These last findings are promising, but still preliminary, and deserve deeper analyses to understand the dependence of this improvement on the forces which are generated following touchdown.

L'atterraggio è una delle fasi più critiche di un volo: il velivolo si trova a bassa quota e bassa velocità, e può essere soggetto all'azione di disturbi esterni, il vento in particolar modo. Durante il contatto al suolo, le forze che si generano sugli pneumatici ne causano una usura significativa. Per questo, la comunità scientifica mostra interesse verso l'ottimizzazione della manovra di atterraggio con lo scopo di minimizzare l'usura degli pneumatici. Questo lavoro mira alla realizzazione di un simulatore di atterraggio per un velivolo ad ala fissa, includendo gli effetti del vento al traverso, e alla sua applicazione al problema dell'usura degli pneumatici. Le equazioni della dinamica del carrello sono implementate e accoppiate con le equazioni di moto non lineari del velivolo. Particolare enfasi è stata data alla modellazione delle forze di attrito, in quanto causa principale dell'usura degli pneumatici. Il funzionamento del simulatore è stato validato attraverso diverse simulazioni numeriche (drop test, atterraggi), confermando la riuscita e la flessibilità dell'implementazione. L'applicazione del simulatore allo studio dell'usura degli pneumatici è stata realizzata implementando il modello di usura di Archard, che pone l'usura come proporzionale al lavoro dissipato dalle forze di attrito. Un processo di ottimizzazione ha mostrato come, in condizioni di vento al traverso, atterrare con il velivolo allineato alla pista, a bassa velocità e basso rateo di discesa, assieme ad un settaggio opportuno di alettoni e timone di direzione a seguito del contatto, permetta di contenere gli effetti dell'usura. Si è approfondita l'influenza dell'angolo di deriva al momento del contatto al suolo, confermando che la condizione di allineamento porta a minimizzare l'usura al primo contatto, ma mostrando che un piccolo disallineamento rispetto alla pista possa portare a effetti benefici su finestre temporali più prolungate. Questi ultimi risultati, pur promettenti, necessitano di ulteriori approfondimenti circa la dipendenza dalle forze che si generano sugli pneumatici nei secondi dopo il contatto.