Conceptual and preliminary design of a double-wing hybrid-electric VTOL: aerodynamics of tandem configuration

The goal of this thesis is the conceptual and preliminary design of VELA (VTOL Experimental Light Aircraft), an airplane capable of vertical takeoff and landing with hybrid-electric propulsion. VELA, inspired by B Robotics W Srl, is optimised to represent the best trade-off between compactness and performance, to be used in place 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 layouts while, at the same time, greatly improve 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 the implementation of a double wing configuration 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 a methodology, developed by the Department of Aerospace Science and Technology at Politecnico di Milano was extended and modified by the author to take into account the peculiarities of the configuration and mission, including vertical takeoff and landing. The control logic and necessary modifications are exposed in the present work. An aerodynamic study is carried out in order to understand how the tandem wing configuration impacts on overall flight performance. Parametric studies are performed on wings relative positioning through the use of Xflr5® and OpenVSP® softwares. A preliminary longitudinal static stability discussion is also carried out. Finally, the focus is placed on VTOL capability, achieved by means of WEP (Wing Embedded Propellers) system. Starting from historical experience, an analysis is carried out on the main topics related to vertical flight: thrust vectoring and control in hovering.

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, immaginato da B Robotics W Srl, è ottimizzato per rappresentare il miglior compromesso tra compattezza e prestazioni, al fine di poter essere utilizzato, come sostituto di velivoli convenzionali, da privati e compagnie per trasporto regionale e urbano. L’introduzione di tecnologie ibrido-elettriche sui VTOL consente di ridurre sostanzialmente le emissioni rispetto a soluzioni a propulsione tradizionale, permettendo nel contempo un netto miglioramento delle prestazioni rispetto a configurazioni puramente elettriche. Questa soluzione rappresenta, dunque, la migliore opzione per una transizione verso un’aviazione a emissioni zero. Uno studio del mercato corrente, delle tecnologie disponibili e di diversi layout possibili, al fine di trovare la soluzione più compatta e al contempo più efficiente, porta a peculiari scelte di design, quali l’implementazione di una configurazione alare in tandem con motori affogati in ciascuna semiala, e due motori di coda orientabili. Particolare attenzione viene posta alla fase di dimensionamento e di ottimizzazione del velivolo. A tale scopo una metodologia di dimensionamento sviluppata dal Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano, è stata estesa e modificata dall’ autore per tenere conto delle peculiarità della configurazione e degli obiettivi di missione, comprendendo le fasi di decollo e atterraggio verticale. La logica di controllo e le necessarie modifiche apportate sono esposte nell’elaborato. Uno studio aerodinamico è stato svolto allo scopo di indagare come la configurazione ’tandem wing’ impatti sulle prestazioni complessive di volo del velivolo. Studi parametrici sul posizionamento relativo tra le ali sono stati compiuti utilizzando i softwares Xflr5® e OpenVSP® e, successivamente, una trattazione preliminare sul problema della stabilità statica longitudinale, è stata svolta basandosi sul ’modello delle due superfici’. Concludendo, è stata posta attenzione sulle capacità VTOL del velivolo, raggiunte mediante una soluzione del tipo WEP (Wing Embedded Propellers) e, partendo da esempi storici, sono stati analizzati anche i principali aspetti collegati al volo verticale: thrust vectoring e controllo in hovering.