Distributed electric propulsion for the design of novel aircraft configurations

L’applicazione della propulsione elettrica nel settore dell’aviazione risale a oltre un secolo fa, ma la sua adozione è stata inizialmente bloccata a causa delle limitazioni nelle capacità di stoccaggio dell’energia elettrica. Fu solo quando la tecnologia per immagazzinare l’energia elettrica diventò più efficiente che la propulsione elettrica fu reintrodotta nell’aviazione. Oltre alle barriere tecnologiche, la pressante necessità di sostenibilità ambientale e riduzione delle emissioni è stata la forza trainante, provocando un’impennata delle iniziative relative agli aerei elettrici. Un concetto chiave nella propulsione elettrica è la propulsione elettrica distribuita (DEP), che impiega più propulsori posizionati strategicamente sull'aereo per migliorare le prestazioni attraverso le interazioni aeropropulsive. Questo studio di dottorato si concentra sulla formulazione di metodologie di progettazione aeronautica che integrino il DEP nel processo di progettazione. Tradizionalmente, la progettazione degli aeromobili si basava sui dati statistici dei modelli precedenti, ma sistemi innovativi come il DEP rappresentano una sfida a causa della mancanza di set di dati storici. Affrontando questa lacuna, la ricerca ha presentato metodologie che integrano il DEP nelle fasi di progettazione iniziale, preliminare e concettuale, facilitando le prime valutazioni di questi nuovi concetti e determinando inizialmente le configurazioni più praticabili, in particolare per gli aerei a decollo e atterraggio convenzionali (CTOL). Un altro aspetto critico della ricerca è stato l'esplorazione delle interazioni aeropropulsive attraverso simulazioni numeriche a media fedeltà. Queste simulazioni sono fondamentali per perfezionare i codici di dimensionamento esistenti, consentendo loro di essere più accurati nel catturare le implicazioni aerodinamiche del DEP. L’integrazione innovativa di propulsione e cellula non solo offre vantaggi in termini di prestazioni, ma si traduce anche in un risparmio di massa strutturale. Quantificare questi benefici, tuttavia, rappresenta una sfida significativa. In risposta, questo studio introduce uno strumento di dimensionamento strutturale preliminare progettato per stimare le masse dei principali componenti della cellula alla luce di questo nuovo concetto di integrazione aeropropulsiva. La tesi approfondisce anche l'impatto del DEP sugli aerei a decollo e atterraggio verticale (VTOL). Implica il perfezionamento e la validazione di un codice di dimensionamento VTOL esistente rispetto a progetti consolidati e introduce una nuova metodologia per dimensionare questi complessi sistemi aeronautici. Attraverso questa ricerca poliedrica, lo studio contribuisce a far avanzare la comprensione e l’applicazione del DEP nella progettazione di aeromobili sia CTOL che VTOL, evidenziando il potenziale di trasformazione dell’elettrico.

Application of electric propulsion in aviation dates back over a century, yet its adoption was initially stalled due to the limitations in electric energy storage capabilities. It wasn't until the technology for storing electric energy became more efficient that electric propulsion was reintroduced in aviation. Apart from technological barriers, the pressing need for environmental sustainability and emission reduction has been the driving force, causing a surge in electric aircraft initiatives. A key concept in electric propulsion is the Distributed Electric Propulsion (DEP), which employs multiple propulsors placed strategically across the aircraft to enhance performance through aeropropulsive interactions. This doctoral study focuses on formulating aircraft design methodologies that integrate DEP into the design process. Traditionally, aircraft design has been informed by statistical data from previous models, but innovative systems like DEP present a challenge due to their lack of historical datasets. Addressing this gap, the research presented methodologies that integrate DEP into the initial, preliminary, and conceptual design stages, facilitating early evaluations of these novel concepts and determining the most viable configurations, particularly for conventional takeoff and landing (CTOL) aircraft initially. Another critical aspect of the research was the exploration of aeropropulsive interactions through medium fidelity numerical simulations. These simulations are key to refining existing sizing codes, enabling them to be more accurate in capturing the aerodynamic implications of DEP. The innovative integration of propulsion and airframe not only offers performance benefits but also results in structural mass savings. Quantifying these benefits, however, poses a significant challenge. In response, this study introduces a preliminary structural sizing tool designed to estimate the masses of major airframe components in the light of this new aeropropulsive integration concept. The thesis also delves into the impact of DEP on Vertical Takeoff and Landing (VTOL) aircraft. It involves refinement and validation of an existing VTOL sizing code against established designs and introduces a novel methodology for sizing these complex aircraft systems. Through this multifaceted research, the study contributes to advancing the understanding and application of DEP in both CTOL and VTOL aircraft designs, highlighting the transformative potential of electric.