A virtual model of a CS23 aircraft with distributed electric propulsion for automated certification: implementation, validation and testing

All new or derivative aircraft must undergo a complex and expensive certification campaign, with different requirements set by EASA (European Union Aviation Safety Agency) that depends on the type of the aircraft. This thesis is part of the DIGACE (Digital Innovative Aircraft Certification) project, developed cooperatively with Università di Napoli Federico II, Politecnico di Milano and Politecnico di Torino within the framework of the PRIN program funded by the Italian Government. The project's goal is to implement a tool for the digitalization of the certification process for Normal-Category aeroplanes in the EASA CS-23 regulation, defined as those with a maximum takeoff weight of 8 618 kg and a maximum seating configuration of 19 passengers. The first part of the thesis consists of defining and implementing all the flight tests required by EASA in the Subpart B - Flight of the EASA CS-23 for the certification campaign in a simulation environment, using the Tecnam P2012 as the reference aircraft. The simulator is based in a MATLAB environment using SILCROAD (Simulation Library for Craft Object Advanced Dynamics), an object-oriented library developed by the Department of Aerospace Science and Technology, Politecnico di Milano. The implemented flight tests include takeoff, climb, climb after critical loss of thrust, balked landing, landing, wings-level stall in both straight and turning flight, and tests specifically designed for controllability. In order to accurately perform these scenarios, a guidance system has been developed that replicates the behavior of a human pilot ensuring realistic maneuvers and achieving performance comparable to the real aircraft. Subsequently, with the aim of exploring innovative aircraft design, a De Vries-Patterson method for aerodynamic performance of distributed propulsion on winged aircraft has been implemented in the library, considering a Tecnam P2012 with ten distributed engines, and selecting a set of flight tests in order to analyze the potential worst-case scenario in that propulsive configuration.

Tutti i velivoli nuovi o derivati devono sottoporsi a una complessa e costosa campagna di certificazione, con diversi requisiti stabiliti dall'EASA (European Union Aviation Safety Agency) che dipendono dal tipo di velivolo. Questa tesi rientra nel progetto DIGACE (Digital Innovative Aircraft Certification), sviluppato in collaborazione con l'Università di Napoli Federico II, il Politecnico di Milano e il Politecnico di Torino nell'ambito del programma di finanziamento italiano PRIN. L'obiettivo del progetto è implementare uno strumento per la digitalizzazione del processo di certificazione per aeroplani di categoria normale che rientrano nell'EASA CS-23, definiti come quelli con un peso massimo al decollo di 8 618 kg e una configurazione di posti a sedere massima di 19 passeggeri. La prima parte della tesi consiste nella definizione e implementazione di tutte le prove di volo richieste nella Subpart B - Flight dell'EASA CS-23 per la campagna di certificazione in un ambiente di simulazione, utilizzando il Tecnam P2012 come velivolo di riferimento. Il simulatore è basato su un ambiente MATLAB utilizzando SILCROAD (Simulation Library for Craft Object Advanced Dynamics), una libreria basata sulla programmazione ad oggetti sviluppata dal Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano. Le prove di volo implementate includono decollo, salita, salita dopo una perdita critica di spinta, atterraggio interrotto, atterraggio, stallo sia in volo rettilineo che in virata e prove di controllabilità. Per eseguire con precisione questi scenari, è stato sviluppato un sistema di guida che replica il comportamento di un pilota umano, garantendo manovre realistiche e ottenendo prestazioni comparabili con quelle del velivolo reale. Successivamente, con l'obiettivo di esplorare il design innovativo di velivoli, è stato implementato nel software un metodo di De Vries-Patterson per la modellazione dell'aerodinamica di un'ala soffiata, considerando un Tecnam P2012 con dieci motori distribuiti e selezionando un insieme di test di volo per analizzare il potenziale scenario peggiore corrispondente a questa configurazione propulsiva.