Coupling buckling-driven and tailoring concepts to design a more efficient composite vertical tail

This thesis proposes a novel structural configuration for aircraft’s vertical tail with the purpose of increasing its efficiency. The vertical tail is often larger than necessary because it must be able to control the aircraft in asymmetric flight, which is the condition that follows an engine failure on a multi-engine aircraft. Since engine failures are very rare occurrences, the tail surface ends up generating unnecessary drag for most, if not all of the aircraft’s life. This thesis explores the possibility of designing the tail in such a way that the loads generated in asymmetric flight cause some of its structural members to buckle, thus reducing its torsional stiffness and therefore increasing its rotation, which is translated into an increase of the angle of attack. To analyze this innovative structural configuration that can potentially allow a smaller vertical tail surface, a semi-monocoque analytical model was developed for a preliminary analysis, followed by a finite element model of a representative vertical tail, which was used to conduct a numerical study. Through these procedures, an increase in the control effectiveness of the vertical tail of about 3% with respect to its initial performance was obtained, which would lead to an equal reduction in the tail’s surface.

Questa tesi propone una innovativa configurazione strutturale per il piano di coda verticale con lo scopo aumentarne l’efficienza. Il piano di coda verticale di un aereo è dimensionato in modo da essere in grado di controllare l'aereo in condizione di volo asimmetrico, ovvero a seguito di un guasto ad un motore a bordo di un aereo plurimotore. Poiché tali guasti sono eventi molto rari, la superficie della coda finisce per generare resistenza inutile per la maggior parte, se non tutta, la vita del velivolo. Questa tesi esamina la possibilità di progettare il piano di coda in modo tale per cui i carichi applicati ad essa in volo asimmetrico siano abbastanza grandi da causare l’instabilità di alcuni dei suoi elementi strutturali, riducendo così la sua rigidezza torsionale ed aumentandone la rotazione, che si traduce in un aumento dell’angolo di attacco. Per analizzare questa nuova configurazione strutturale, è stato sviluppato un modello analitico a semi-guscio per un'analisi preliminare, seguito da un modello a elementi finiti di un tipico piano di coda verticale. Da queste analisi è stato ottenuto un aumento del potere di controllo della coda verticale di circa 3% rispetto al suo valore iniziale, che porterebbe ad una uguale riduzione della superficie del piano di coda.