Design, construction and flight testing of a modular platform for studying airplanes with three-surface configuration and redundant longitudinal flight control

This master’s thesis is focused on the design, building and flight testing of a modular model aircraft for comparing two different configurations of the same aircraft, namely traditional configuration and three-surface configuration. In addition to the installation of a forward lifting surface (canard), the peculiarity of this novel configuration is that it is equipped with an additional control surface that allows for redundant longitudinal control. According to numerical studies, this technology leads to an increase in the aircraft lift-to-drag ratio for some flight regimes. The aim is to provide experimental data in support of the numerical simulations previously completed in other thesis works and that are current research topics of the Flight Mechanics Department of the Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali at Politecnico di Milano. The present work begins with the conceptual and preliminary design of the experimental model aircraft in traditional configuration, exploiting common design techniques. Using Digital Datcom software based tools, already developed and appropriately adapted to this project, the conversion of the aircraft to the three-surface configuration has been completed. This shares the same fuselage, wing, static margin and horizontal empennage volume coefficient with the nominal aircraft. The process continues with the detailed design and the consequent construction of the aircraft model by exploiting 3D printing. Finally, after having assembled the airplane and completed the ground tests, an entire flight test campaign has been completed with manual piloting by remote control. Primary objectives of these tests have been the characterization of the aircraft static stability and drag polar in both configurations. The results of these tests underlined an actual increase of the lift-to-drag ratio of the three-surface aircraft in specific flight conditions. The maximum lift-to-drag ratio increment is equal to + 19.8 % with respect to the nominal aircraft.

Questa tesi magistrale è incentrata nella progettazione, nella costruzione e nelle prove di volo di un aeromodello modulare per il confronto di due diverse configurazioni dello stesso velivolo, ovvero configurazione tradizionale e configurazione tre superfici. La particolarità di quest’ultima, oltre all’aggiunta di una superficie portante anteriore (canard), è quella di avere un’ulteriore superficie di controllo che consente di ottenere un controllo longitudinale ridondante. Stando agli studi numerici, tale tecnologia comporta un aumento dell’efficienza aerodinamica del velivolo per alcuni regimi di volo. L’obiettivo è quello di affiancare dati sperimentali alle simulazioni numeriche precedentemente svolte in altri lavori di tesi e oggetto di ricerca da parte del Dipartimento di Meccanica del Volo del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano. Il presente lavoro inizia con la progettazione concettuale e preliminare dell’aeromodello sperimentale in configurazione tradizionale utilizzando le comuni tecniche di progetto. Utilizzando gli strumenti basati sul programma Digital Datcom, già prodotti da precedenti lavori ed opportunatamente adattati a questo progetto, è stata effettuata la conversione del velivolo in configurazione tre superfici. Quest'ultimo presenta stessa fusoliera, ala, margine statico e coefficiente volumetrico degli impennaggi orizzontali del velivolo nominale. Si è proseguito con il progetto di dettaglio e la successiva realizzazione dell’aeromodello tramite stampa 3D. Infine, dopo aver assemblato il velivolo ed effettuato le prove a terra, è stata completata un’intera campagna di voli di prova con pilotaggio manuale tramite radiocomando. Oggetto primario di queste prove sono state la caratterizzazione della stabilità statica e della polare del velivolo in entrambe le configurazioni. I risultati di queste prove hanno evidenziato un effettivo incremento dell’efficienza aerodinamica del velivolo tre superfici in determinate condizioni di volo. L'incremento di efficienza aerodinamica massima misurato è pari a + 19.8 % rispetto al velivolo nominale.