Multidisciplinary optimization approach to the conceptual design of a hybrid-electric aircraft

Nowadays aviation industries and research centers are working on the development of zero-emissions propulsive systems, to face the climate change problem. However, the complexity of the new technologies requires enhancing the aircraft design process, going beyond the classic synthesis procedure, or the retrofitting of existing aircraft. To accomplish this need, this work aims to develop a Multidisciplinary Optimization approach to be applied to the conceptual design of a hybrid-electric aircraft. The main goal is to investigate the benefits of optimizing the wing planform, and additional design parameters defined during the process, by maximizing the Payload Range Energy Efficiency. For each involved discipline, a proper method is proposed such that it guarantees a trade-off between computational time and model accuracy. Through the "Initial Guess Generation" loop, each model is validated based on a conventional aircraft and the reference hybrid one, to define the starting configuration. To develop the optimization loop, three different Extended Design Structure Matrices are defined to study the effects of different disciplines' management on the resulting design. All the considered architectures show a significant increment of the Maximum Take-Off Mass and a great variation in terms of stability constraint and zero-lift drag. A quasi-inverse trend is obtained by minimizing the MTOM, obtaining a consistent reduction of the PREE concerning the reference configuration. The final sensitivity studies conducted demonstrate a strong dependence on the initial guess configuration, and the type of state variables considered. Also, the results of the sensitivity analyses highlight how much the design might change when several variables and disciplines are coupled together.

Nell'ultimo decennio le industrie aeronautiche e i centri di ricerca stanno lavorando allo sviluppo di sistemi propulsivi a emissioni zero, per affrontare il problema del cambiamento climatico. Tuttavia, la complessità delle nuove tecnologie richiede di migliorare il processo di progettazione dei velivoli, superando la classica procedura di sintesi, o il retrofit di velivoli già esistenti. Per soddisfare questa esigenza, questo lavoro mira a sviluppare un approccio di ottimizzazione multidisciplinare da applicare alla progettazione concettuale di un velivolo ibrido-elettrico. L'obiettivo principale è quello di studiare i vantaggi dell'ottimizzazione della pianta alare e degli ulteriori parametri di progettazione definiti durante il processo. Questo massimizzando un indice di merito che indica quanta energia viene consumata a pari autonomia chilometrica e carico utile (PREE). Per ogni disciplina coinvolta viene sviluppato uno specifico metodo, garantendo un compromesso tra tempo computazionale e accuratezza del modello. Attraverso il ciclo "Initial Guess Generation", ogni modello viene validato sulla base di un velivolo convenzionale e di quello ibrido di riferimento, per definire la configurazione di partenza. Per lo sviluppo del ciclo di ottimizzazione, vengono definite tre diverse matrici di progettazione strutturale (XDSM) per studiare gli effetti delle modifiche nella gestione e nell’ordine delle discipline considerate. Tutte le architetture definite mostrano un incremento significativo del peso massimo al decollo e una variazione notevole sul vincolo di stabilità e sul coefficiente di resistenza parassita. Viceversa, minimizzando il peso massimo al decollo si verifica un andamento quasi inverso, ottenendo una consistente riduzione del PREE rispetto alla configurazione di riferimento. Infine, le analisi di sensibilità condotte dimostrano una forte dipendenza dalla configurazione iniziale e dal tipo di variabili di design considerate. Inoltre, i risultati degli studi di sensitività evidenziano quanto il risultato finale possa cambiare quando viene coinvolto un certo numero di variabili e di discipline tra loro accoppiate.