Strut-Braced Wing aircraft configuration: an aeroelastic assessment

Climate change is a serious problem. In the last century, globalization have brought to an extended employment of carbon-based fuels, which can be identified as the main reason for atmospheric pollution. All the transport sector is involved, with no exception for aviation. A massive intervention is required. In European Union (EU) several initiatives have been proposed to this aim, one of which is called Clean Sky 2. In this context, a project named U-HARWARD has been funded to investigate the use of innovative aerodynamic and aeroelastic designs by means of a multi-fidelity multi-disciplinary optimal approach. One of the tasks was to study a promising unconventional configuration: the Strut-Braced Wing (SBW). The idea behind this concept is to increase as much as possible the aerodynamic efficiency, by decreasing the induced drag. A (ultra-)high wing Aspect Ratio (AR) is used. However, this alone causes a significant increase in wing bending moment and, consequently, in wing weight. To keep limited weight, a strut can be exploited, whose function is to alleviate wing bending moment by preventing too high deformations. An overconstrained system, which is intrinsically complex, is obtained. Due to the unconventional nature of this configuration, along with high flexibility of such increased AR, unexpected aeroelastic behaviors could occur. After having created a suitable SBW model, the present thesis focuses on classical aeroelastic studies such as trim, gust response, divergence and flutter. When allowed, both linear and nonlinear analyses have been computed, highlighting the importance of considering nonlinearity when large displacements can be reached, as in this case. Finally, some parametric analyses have been investigated, to check which is the influence of wing and strut material, mass configuration, strut geometry and wing-strut attachment chordwise position on the results. SBW seems a promising configuration, allowing for very high ARs still reducing the weight with respect to Classical Tube and Wing (CTW) aricrafts. However, some attention must be posed on strut design: if it is too flexible, it looses its benefits, causing some unexpected deformations. To reduce the weight increment associated to a larger strut, composites can be employed, leading to a lighter yet stiff structure.

Il cambiamento climatico è un serio problema. Nell'ultimo secolo, la globalizzazione ha causato un ampio impiego di combustibili fossili, i quali possono essere identificati come la principale causa dell'inquinamento atmosferico. Tutto il settore dei trasporti è coinvolto, senza eccezione per l'aviazione. Un intervento massiccio è necessario. Nell'Unione Europea sono state proposte varie iniziative a questo scopo, una delle quali si chiama Clean Sky 2. In questo contesto, è stato finanziato un progetto chiamato U-HARWARD, il cui scopo è quello di studiare l'uso di design innovativi per l'aerodinamica e l'aeroelasticità, ricorrendo a un approccio multi-fedeltà multi-disciplinare di ottimo. Uno degli obiettivi del progetto era quello di studiare una configurazione non convenzionale apparsa promettente: lo Strut-Braced Wing (SBW). L'idea dietro a tale concetto è quella di aumentare il più possibile l'efficienza aerodinamica diminuendo la resistenza indotta. Per fare ciò, è stato introdotto un (ultra-)elevato allungamento alare, che tuttavia produrrebbe un aumento significativo del momento flettente per l'ala e di conseguenza del suo peso. Per ovviare questo problema, si è pensato di ricorrere a uno strut (montante o controvento), il quale ha lo scopo di alleviare i carichi nell'ala, trattenendola e limitandone le deformazioni. Si ha in questo modo un sistema iperstatico, il quale è intrinsecamente complicato. La natura non convenzionale di tale configurazione, congiuntamente all'alta flessibilità dovuta all'elevato allungamento alare, potrebbe avere degli effetti inaspettati sull'aeroelasticità del velivolo. Dopo aver creato un modello di SBW, la presente tesi si focalizza sulle classiche analisi aeroelastiche: trim, risposta a raffica, divergenza e flutter. Dove possibile, sono state svolte sia analisi lineari che nonlineari, perché strutture molto flessibili, come in questo caso, possono raggiungere grandi spostamenti. Infine, sono state svolte alcune analisi parametriche cambiando il materiale di ala e strut, la configurazione di massa, la geometria dello strut e la posizione in corda dell'attacco tra ala e strut. Lo SBW sembra effettivamente promettente, permettendo elevati allungamenti alari mantenendo comunque un peso ridotto rispetto alle configurazioni convenzionali. Tuttavia, bisogna fare attenzione al design dello strut: se troppo flessibile, lo strut non lavora correttamente, causando deformazioni inaspettate. D'altro canto, aumentarne le dimensioni significa aumentarne il peso. Ciò non rappresenta di per sé un problema. Infatti, utilizzando materiali compositi, si è visto che si ottiene una diminuzione significativa di peso pur mantenendo una rigidezza adeguata.