Conceptual and preliminary design of a double-wing hybrid-electric VTOL

The objective of this thesis is the conceptual and preliminary concept of VELA (VTOL Experimental Light Aircraft), an airplane capable of vertical takeoff and landing with hybrid-electric propulsion. VELA, commissioned by B Robotics W Srl, is optimised to rapresent the best tradeoff between compactness and performance to be used instead of conventional vehicles by private citizens and companies for urban and regional transport. The introduction of hybrid-electric technologies on VTOLs makes it possible to substantially cut down emissions with respect to conventional solutions while at the same time greatly improving performance with respect to pure electric configurations. Because of this, such solution represents the best option for a transition towards zero emission aviation. A study on the current market, available technologies and possible configurations, with the purpose of finding the most compact and yet efficient solution, brings to peculiar design choices such as a the implementation of a double wing with in-wing ducted motors and tail tiltable motors. Particular attention is given to the optimization and design of the aircraft. To achieve this, a version of Hyperion®, developed by the Department of Aerospace Science and Thecnology of Politecnico di Milano and modified by the author of the thesis to take into account the peculiarities of the chosen configuration and mission including vertical takeoff and landing. The control logic and modifications are exposed in the following work. An analysis of the propulsive layout and a selection of specific systems is done with as a mean to furtherly optimize obtained configuration. At last, lofting of fuselage, cabin and internal compartments is carried out focusing users’ comfort and correct placement of all systems and components while keeping total airplane’s dimensions as small as reasonably possible. An analysis on the optimal center of gravity location is performed with the design and placement of a trycicle landing gear to assure equilibrium, stability, ease of use and safety in every condition.

L’obiettivo di questa tesi è il progetto concettuale e preliminare del VELA (VTOL Experimental Light Aircraft), un aereo a decollo e atterraggio verticale con propulsione ibrido-elettrica. Il velivolo sotto progetto, commissionato da B Robotics W Srl, è ottimizzato per rappresentare la migliore soluzione tra compattezza e prestazioni per essere utilizzato come sostituto di veicoli convenzionali da privati e compagnie per trasporto regionale e urbano. L’introduzione di tecnologie ibrido-elettriche sui VTOL permette di ridurre sostanzialmente le emissioni rispetto a soluzioni convenzionali permettendo allo stesso tempo un netto miglioramento delle prestazioni rispetto a configurazioni puramente elettriche. Per via di ciò, questa soluzione rappresenta la migliore opzione per una transizione verso un aviazione a emissioni zero. Uno studio del mercato corrente, tecnologie disponibili e di diverse configurazioni possibili, allo scopo di trovare la soluzione più compatta ma al contempo efficiente, porta a peculiari scelte di design quali l’implementazione di una doppia ala con motori affogati in esse più due motori di coda orientabili. Particolare attenzione viene posta alla fase di dimensionamento e ottimizzazione del velivolo. A tale scopo una versione di Hyperion®, sviluppato dal Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano e modificata dall' autore per tenere conto delle peculiarità della configurazione e missione comprensiva di fasi di decollo e atterraggio verticale. La logica di controllo e le modifiche fatte sono esposte nell’elaborato. Un analisi dell’ architettura del sistema propulsivo e una selezione di specifici sistemi è svolta allo scopo di ottimizzare ulteriormente la configurazione ottenuta. Infine, il dimensionamento di fusoliera, cabina e comparti interni è portato avanti al fine di accomodare pilota, passeggero e tutti i sistemi contenendo il più possibile le dimensioni totali dell’aereo. Uno studio sul corretto posizionamento del centro di gravità è compiuto insieme al progetto e collocamento del carrello a triciclo per assicurare equilibrio, stabilità, facilità d’uso e sicurezza in ogni condizione.