Redundant longitudinal control in three-surface and back-tailed aircraft

This master’s thesis aims to develop a methodology to identify how redundancy in longitudinal control can impact aircraft performance, extending the study of previous work. The study starts by reconstructing an aircraft model using the Matlab Aircraft Intuitive Design tool [17] and analysing the stability and performance characteristics of the nominal aircraft. This is followed by the analysis about redundant longitudinal control. In particular, taking advantage of C.Spitale’s previous work [15] and article [2], a three-surface aircraft is analysed to assess how performance parameters vary as the aircraft’s geometric parameters change. Another methodology studied for longitudinal control redundancy involves the use of flaps for an aircraft in back-tailed configuration, showing the effect of its deflection on performance variable such as efficiency and power index. Both developed investigations study the aircraft under trim conditions with the optimization objective of minimizing the drag coefficient. The results are presented each time, comparing the improvements obtained with the parameters of the aircraft in traditional configuration. For the studies presented, Matlab [10] and Digital Datcom [6] software are used to calculate the coefficients characterizing the aircraft configuration given as input. This master’s thesis work shows that with the necessary assumptions and simplifications made, it is possible to obtain an improvement on performance due to redundancy on the longitudinal control. The validity of the approach and models developed allows application to all aircraft. It can be extended to produce a tool for the preliminary analysis of an aircraft in different configurations.

Questa tesi di laurea magistrale mira a sviluppare una metodologia per identificare come la ridondanza nel controllo longitudinale possa avere un impatto sulle prestazioni del velivolo, estendendo lo studio di lavori precedenti. Lo studio inizia con la ricostruzione di un modello di aereo utilizzando lo strumento Matlab Aircraft Intuitive Design [17] analizzando le caratteristiche di stabilitá e prestazionali del velivolo nominale. Segue l’analisi del controllo longitudinale ridondante. In particolare, sfruttando il precedente lavoro di C.Spitale [15] e l’articolo [2], viene analizzato un velivolo a tre superfici per valutare come variano i parametri delle prestazioni al variare dei parametri geometrici dell’aereo. Un’altra metodologia studiata per la ridondanza del controllo longitudinale prevede l’uso dei flap per un velivolo in configurazione back-tailed, mostrando l’effetto della loro deflessione su variabili prestazionali quali l’efficienza e l’indice di potenza. Entrambe le indagini sviluppate studiano il velivolo in condizioni di assetto trimmato con l’obiettivo di minimizzare il coefficiente di resistenza aerodinamica. I risultati vengono presentati di volta in volta, confrontando i miglioramenti ottenuti con i parametri dell’aereo in configurazione tradizionale. Per gli studi presentati sono stati utilizzati i software Matlab [10] e Digital Datcom [6] per calcolare i coefficienti che caratterizzano la configurazione del velivolo data in input. Questo lavoro di tesi dimostra che, con le dovute assunzioni e semplificazioni, è possibile ottenere un miglioramento delle prestazioni grazie alla ridondanza del controllo longitudinale. La validità dell’approccio e dei modelli sviluppati consente l’applicazione a tutti i velivoli. Può essere esteso per produrre uno strumento per l’analisi preliminare di un velivolo in diverse configurazioni.