Design and aerodynamic optimization of a thin-haul aircraft with distributed electric propulsion: ZETHA

This master thesis presents a comprehensive study on the design and aerodynamic optimization of a full electric thin-haul aircraft equipped with the innovative Distributed Electric Propulsion (DEP) technology. The research focuses on various crucial aspects, commencing with the Conceptual and Preliminary Design phases, which entail a thorough evaluation of the aircraft's performance parameters, ensuring compliance with rigorous flight mechanics requirements and achieving the performance set during the Pre-Conceptual Design. Subsequently, an initial structural sizing was performed for the purpose of preliminarily define the aircraft's masses through a load-based sizing approach based on the certification category. Aerodynamic optimization of the wing airfoil was pursued to enhance the aircraft's operational range and efficiency. It consists of a detailed investigation into the optimal airfoil performance, setting multiple weighted parameters to be optimized, with the aim of obtaining a high-performing airfoil for various flight phases, characterized by both high lift coefficient values and notable efficiency during the cruise phase. The obtained airfoil was studied using CFD to analyze its high-lift capabilities, both in a clean configuration and with the addition of a Fowler flap. Thus, the study addresses the influence of DEP propellers on the aircraft's wing. The interaction between the DEP system and the aerodynamic characteristics of the wing was analyzed, considering factors such as thrust distribution, flow patterns, and overall lift enhancement. In particular, it was approached by analyzing, using a low-fidelity method, the effects on the wing of the DEP considering a variable number of propellers. Subsequently, a mid-fidelity study was conducted, considering a single propeller and a wing section as a case study to obtain the optimal configuration in terms of lift coefficient enhancement. Overall, this research contributes to the advancement of electric aviation technology, offering valuable insights into the design and optimization of full electric thin-haul aircraft with the innovative DEP system. The results presented are expected to lay the groundwork for additional further analyses and advancements aimed to DEP implementation.

La tesi presentata consiste in uno studio approfondito sul design e sull'ottimizzazione aerodinamica di un velivolo elettrico a corto raggio, dotato della tecnologia innovativa di Propulsione Elettrica Distribuita (DEP). La ricerca si concentra su vari aspetti cruciali, partendo dalle fasi di Progettazione Concettuale e Preliminare, che comportano una valutazione approfondita dei parametri di performance dell'aeromobile, garantendo il rispetto dei rigorosi requisiti della meccanica del volo e ottenendo le prestazioni stabilite durante la Progettazione Preconcettuale. È stato quindi eseguito un dimensionamento strutturale iniziale allo scopo di definire preliminarmente le masse del velivolo attraverso un approccio dimensionale ai carichi basato sulla categoria di certificazione. È stata condotta un'ottimizzazione aerodinamica del profilo alare per migliorare l'efficienza, quindi l'autonomia, del velivolo. Ciò ha implicato un'indagine dettagliata sulle prestazioni ottimali del profilo, impostando più parametri pesati da ottimizzare, con l'obiettivo di ottenere un profilo alare ad alte prestazioni per le varie fasi di volo, caratterizzato da valori elevati del coefficiente di portanza e notevole efficienza durante la fase di crociera. Il profilo alare ottenuto è stato studiato utilizzando la CFD per analizzarne la massima portanza, sia in configurazione pulita che con l'aggiunta di un flap Fowler. Infine, lo studio approfondisce l'interazione tra il sistema DEP e le caratteristiche aerodinamiche dell'ala, considerando fattori come la distribuzione della spinta, l'analisi de flusso e l'incremento complessivo della portanza. In particolare, inizialmente l'interazione è stata studiata con un approccio a bassa fedeltà variando il numero di propulsori DEP. Quindi un'analisi a media fedeltà ha esaminato il caso di un singolo propulsore interagente con una sezione alare, allo scopo di ottenere la configurazione ottimale in termini di incremento di coefficiente di portanza. Complessivamente, il contributo di questa ricerca offre analisi e dati riguardanti il design e l'ottimizzazione aerodinamica di aeromobili elettrici a corto raggio con l'implementazione della DEP. Si prevede che i risultati presentati possano gettare le basi per ulteriori analisi e progressi, favorendo lo sviluppo di un'aviazione sostenibile.