Aerodynamic study of three-surface aircraft with redundant longitudinal control

This thesis investigates the trimmed aerodynamic performance of two aircraft configurations derived from the same experimental platform: a conventional two-surface layout (\Two) and a three-surface configuration (\Three) featuring redundant longitudinal control. The goal is to assess whether the introduction of a third lifting surface and, most importantly, of a redundant longitudinal control provides significant benefits in terms of performance when compared with a traditional design. Furthermore, this thesis contributes to assessing the accuracy and possible limitations in the aerodynamic modeling of such an unconventional configuration. The study is based on aerodynamic data obtained from Computational Fluid Dynamics (\CFD) simulations performed using a panel-method solver. The resulting aerodynamic coefficients, parameterized with respect to the angle of attack and control surface deflections, are used as input for a trimming algorithm specifically developed for this thesis. For the \Two\ configuration, the equilibrium condition can be uniquely determined by prescribing the flight speed, whereas in the \Three\ case, the redundant control system requires an optimization approach, in which different objective functions can be chosen to determine the trimmed solutions. The performance of the two aircraft is compared in terms of trimmed polars, allowing for a direct assessment of the aerodynamic advantages of the three-surface configuration. The numerical results are then validated against experimental data from a dedicated flight test campaign. Although some discrepancies arise, the overall trends confirm the predicted improvements, and possible sources of error are identified and discussed. Concerning the aerodynamic model, the accuracy is consistent with the expectations, with a significant error in the estimates of both the parasitic and lift-induced components of drag. Furthermore, the software shows a greater inaccuracy for the \Three, probably due to the complexity added by the presence of the canard wake, which results in a large underestimate of the static margin. However, it is observed that the software copes to correctly capture the general trends, predicting a maximum increase of 34.9\% in lift-to-drag ratio, and of 5.00\% in the maximum lift coefficient. The conclusion drawn is that, especially for the preliminary stages of the design, the adopted numerical method offers an adequate trade-off between the accuracy and the necessary runtime of the simulations. The outcomes of this thesis contribute to the broader understanding of unconventional aircraft configurations, highlighting both the opportunities and challenges introduced by redundant longitudinal control, and offering valuable insights for future research and design studies.

La presente tesi analizza le prestazioni aerodinamiche in assetto trimmato di due configurazioni di velivolo sviluppate a partire dalla stessa piattaforma sperimentale: una configurazione convenzionale a due superfici portanti (\Two) e una configurazione a tre superfici (\Three), caratterizzata dalla presenza di un controllo longitudinale ridondante. L’obiettivo è valutare se l’introduzione di una terza superficie portante e, soprattutto, di un controllo longitudinale ridondante offra vantaggi concreti in termini di prestazioni rispetto a una configurazione tradizionale. Inoltre, la tesi offre un contributo nel definire l'accuratezza e le possibili limitazioni del modello aerodinamico usato per una tale configurazione non convenzionale. Lo studio si basa su dati aerodinamici ottenuti mediante simulazioni \CFD\ eseguite con un codice a pannelli. I coefficienti aerodinamici risultanti, funzione dell’angolo d’incidenza e delle deflessioni delle superfici di controllo, sono stati utilizzati come input per un algoritmo di trim sviluppato nell’ambito di questo lavoro. Per il \Two\ la condizione di equilibrio è univocamente determinata dalla velocità di volo, mentre per il \Three\ la presenza di ridondanza nei comandi richiede un approccio di ottimizzazione, in cui diverse funzioni obiettivo possono essere adottate per individuare lo stato di trim. Il confronto tra le due configurazioni, condotto attraverso le polari trimmate, consente una valutazione diretta dei benefici aerodinamici legati alla configurazione a tre superfici. I risultati numerici sono stati successivamente validati tramite i dati sperimentali di una campagna di prove di volo: sebbene siano emerse alcune discrepanze, le tendenze generali confermano i miglioramenti previsti, permettendo al contempo di discutere le possibili fonti di errore del modello numerico. A proposito del modello aerodinamico, quindi, la sua precisione è coerente con le aspettative, e si riscontra un errore significativo nella stima di entrambe le componenti parassita e indotta della resistenza. Inoltre, il software dimostra una riduzione di accuratezza per il \Three, presumibilmente per via dell'interazione tra la scia del canard con la fusoliera e l'ala, che porta a sottostimarne largamente il margine statico. Ad ogni modo, si può osservare la capacità del software di catturare comunque gli andamenti generali, registrando un aumento nell'efficienza aerodinamica massima del 34.9\% e nel massimo coefficiente di portanza del 5.00\%. Si conclude quindi che, specialmente per stadi preliminari della progettazione, il modello numerico adottato offre un compromesso adeguato tra precisione dei risultati e tempo di esecuzione delle simulazioni. I risultati ottenuti contribuiscono alla comprensione delle configurazioni aeronautiche non convenzionali, evidenziando le opportunità e le criticità legate al controllo longitudinale ridondante e fornendo spunti utili per futuri sviluppi di ricerca e progettazione.