Aerodynamic characterization of an airplane based on semi-empirical methods and its application to terminal maneuver simulation and analysis

The terminal phases of flight, particularly landing, are among the most critical, as the aircraft operates at low altitude and low speed, making it susceptible to external disturbances such as crosswinds. The development of software capable of simulating these phases represents a valuable alternative to flight tests, which are generally costly and must be conducted within strict safety limits. Numerical simulations, on the other hand, allow for the analysis of hazardous flight conditions, such as landings or takeoffs in strong crosswind conditions. This work focuses on the development of a flight dynamics simulator for fixed-wing aircraft, incorporating the nonlinear equations of motion coupled with a simplified landing gear model while also accounting for wind effects. A key contribution of this thesis is the development of a computational tool that estimates the aerodynamic characteristics of the aircraft using semi-empirical methods, generating an aerodynamic database that includes ground effect. The nonlinear characterization of aerodynamics is then integrated into the flight dynamics equations within the simulator. A basic control logic has been designed to manage the landing flare and the lateral deviation of the aircraft on the ground due to crosswind. Additionally, a separate control logic has been implemented for takeoff operations. A series of landing simulations have been conducted and presented in this thesis, aiming to design and validate these control strategies. Furthermore, parametric studies have been performed to evaluate the effects of varying crosswind intensities and the effects of varying approach speeds under steady wind conditions. The results demonstrate that safe landings are achievable even beyond the demonstrated crosswind limits and that, in crosswind conditions, higher approach speeds are advisable.

Le fasi terminali del volo, in particolare l’atterraggio, sono tra le più critiche, poiché l’aeromobile opera a bassa quota e a bassa velocità, risultando suscettibile a disturbi esterni come il vento al traverso. Lo sviluppo di software in grado di simulare queste fasi rappresenta un’alternativa valida alle prove di volo, che sono generalmente costose e devono essere condotte entro rigorosi limiti di sicurezza. Le simulazioni numeriche, invece, consentono di analizzare condizioni di volo pericolose, come atterraggi o decolli in presenza di forte vento al traverso. Questo lavoro si concentra sullo sviluppo di un simulatore della dinamica di volo per aeromobili ad ala fissa, che integra le equazioni non lineari del moto accoppiate a un modello semplificato del carrello di atterraggio, tenendo conto anche degli effetti del vento. Un contributo significativo di questa tesi è lo sviluppo di un tool computazionale che, attraverso metodi semi-empirici, stima le caratteristiche aerodinamiche dell’aeromobile, generando un database aerodinamico che include l’effetto suolo. La caratterizzazione non lineare dell’aerodinamica viene quindi integrata nelle equazioni della dinamica di volo del simulatore. È stata progettata una logica di controllo di base per gestire la richiamata dell’atterraggio e la deviazione laterale del velivolo a terra dovuta al vento al traverso. Inoltre, è stata implementata una logica di controllo dedicata alle operazioni di decollo. Una serie di simulazioni di atterraggio sono state condotte e presentate in questa tesi, con l’obiettivo di progettare e validare queste strategie di controllo. Inoltre, sono stati eseguiti studi parametrici per valutare gli effetti di diverse intensità di vento al traverso e gli effetti di diverse velocità di avvicinamento in condizioni di vento costante. I risultati dimostrano che è possibile effettuare atterraggi in sicurezza anche oltre i limiti di vento al traverso dimostrati e che, in presenza di vento al traverso, è consigliabile atterrare a velocità più elevate.