Three - surface airplane with redundant longitudinal control: analysis and optimization of Trim including hinge moments

Since the 1980s, the three-surface configuration has been reevaluated to explore potential performance improvements and leverage its maneuverability characteristics. Theoretical studies have indicated that this configuration enhances performance by reducing induced drag, thereby enabling reduced fuel consumption. However, in recent decades, the aircraft design approach has primarily focused on partial revision or updating of established designs, aiming to reduce costs associated with research, development, and production. This thesis aims to investigate an innovative three-surface configuration with redundant longitudinal control, one located on the tail and the other on the canard. The objective of this study is to highlight the potential of such a configuration, demonstrating its advantages over the traditional two-surface configuration. The presence of redundant pitch control allows finding an optimal balance solution to minimize drag since the aircraft has an additional degree of freedom in the trim equations. A procedure is then defined to optimize the aircraft trim. Subsequently, based on the latter, an iteration is developed to optimize the geometric configuration by maximizing aerodynamic performance indices, such as aerodynamic efficiency. The work begins with the development of a dedicated Matlab tool for the analysis of a three-surface aircraft using the Digital Datcom program to extract relevant information about the aircraft's characteristics, such as stability and control derivatives. This tool is then employed in the aforementioned procedures, particularly in the iteration for geometry optimization. As this approach holds general validity, it can be applied to various types of aircraft to achieve optimized configurations. It may even evolve into a tool used in the conceptual and preliminary design of three-surface aircraft.

A partire dagli anni '80, la configurazione a tre superfici è stata rivalutata per esplorare possibili miglioramenti delle prestazioni e sfruttare le sue caratteristiche di manovrabilità. Studi teorici hanno indicato che questa configurazione migliora le prestazioni riducendo la resistenza indotta, consentendo così un consumo ridotto del carburante. Tuttavia, negli ultimi decenni, l'approccio al design degli aeromobili si è concentrato principalmente sulla revisione parziale o l'aggiornamento di progetti consolidati, mirando a ridurre i costi associati a ricerca, sviluppo e produzione. Questa tesi si propone di investigare una configurazione innovativa a tre superfici con controllo longitudinale ridondante, uno posizionato sulla coda e l'altro sul canard. L'obiettivo di questo studio è evidenziare il potenziale di una tale configurazione, dimostrando i suoi vantaggi rispetto alla configurazione tradizionale a due superfici. La presenza di un controllo di beccheggio ridondante consente di trovare una soluzione di equilibrio ottimale per minimizzare la resistenza, dato che l'aeromobile presenta un grado di liberta in più nelle equazioni di trim. Viene quindi definita una procedura per ottimizzare il trim del velivolo. Successivamente, sulla base di quest'ultima, viene elaborato un iter per ottimizzare la configurazione geometrica massimizzando gli indici di prestazione aerodinamica, quale ad esempio l'efficienza aerodinamica. Il lavoro inizia con lo sviluppo di uno strumento Matlab dedicato all'analisi di un aeromobile a tre superfici utilizzando il programma Digital Datcom per estrarre informazioni rilevanti sulle caratteristiche dell'aeromobile, come derivate di stabilità e controllo. Questo strumento viene poi utilizzato all'interno delle procedure sopra descritte, in particolare nell'iter per l'ottimizazione della geometria. Poiché questo approccio ha validità generale, può essere applicato a vari tipi di aeromobili per ottenere configurazioni ottimizzate. Potrebbe persino evolvere in uno strumento utilizzato nella progettazione concettuale e preliminare di aeromobili a tre superfici.