Powertrain and trajectory optimization for electric regional aircraft: a comprehensive study

The increasing demand for air travel and its associated environmental impact necessitates the exploration of alternative propulsion technologies to reduce pollutant and greenhouse gas emissions. This thesis focuses on the electrification of regional aircraft as a solution to mitigate these adverse effects. Specifically, it investigates the optimization of powertrain and flight trajectories for the ATR 72-600 aircraft. The research begins by modeling the aircraft dynamics and developing a convex model for the propeller to enhance computational efficiency. The trajectory optimization is performed using CasADi and IPOPT. A key finding of this study is that optimizing the flight trajectory can lead to significant energy savings. This efficiency gain allows for the use of batteries with lower energy density, making the adoption of electric aircraft more viable. Additionally, the thesis includes the co-design of the battery, determining the optimal energy density and mass required for specific missions.

L'aumento della domanda di viaggi aerei e il conseguente impatto ambientale richiedono l'esplorazione di tecnologie di propulsione alternative per ridurre le emissioni di inquinanti e gas serra. Questa tesi si focalizza sull'elettrificazione degli aerei regionali come soluzione per mitigare questi effetti negativi, con un'attenzione particolare all'ottimizzazione del powertrain e delle traiettorie di volo per l'ATR 72-600. La ricerca inizia con la modellazione della dinamica dell'aeromobile e lo sviluppo di un modello convesso per l'elica, migliorando l'efficienza computazionale. L'ottimizzazione delle traiettorie viene effettuata utilizzando CasADi and IPOPT. Uno dei risultati principali di questo studio è che l'ottimizzazione della traiettoria di volo permette di ottenere significativi risparmi energetici. Questo miglioramento consente l'uso di batterie con densità energetica inferiore, rendendo più praticabile l'adozione di aerei elettrici. Inoltre, la tesi include il co-design della batteria, determinando la densità energetica e la massa ottimali per missioni specifiche.