Design and validation of an electric aircraft system test infrastructure: the VSW128 velis electro iron bird

This thesis presents the complete design, development, and validation of an Iron Bird specifically tailored to the VSW128 Velis Electro, the first certified electric aircraft in aviation history. The Iron Bird serves as an integrated, modular test bench replicating the aircraft’s electrical, thermal, and control systems. Its primary objective is to support experimental verification, software development, and failure-mode analysis without the risks and constraints associated with in-flight testing. The work is comprehensive of mechanical and electrical design, system validation and compliance verification with aviation-grade standards, with the aim of obtaining in the future the certifications needed to run EASA recognized test campaigns. The design process includes the definition of custom mechanical structures and electrical layouts in order to guarantee accessibility, compactness and maintainability, and the implementation of hybrid connector solutions combining industrial-grade and aerospace-grade components. In addition to the legacy components, dedicated hardware and software was developed to facilitate the testing procedures, for example a custom switch panel for fault injection and a battery monitoring system simulator complete of user interface. A testing campaign was conducted to validate the functionality of every component, charging and discharging modes, with particular focus on the thermal performance of the battery cooling system under different State-of-Charge (SOC) and power discharge rate conditions. This work is completed by a computation of cost and time savings provided the Iron Bird employment in test campaigns. The developed Iron Bird not only supports the continued evolution of the Velis Electro program but also establishes a replicable framework for future electric systems development, contributing to the goal of advancing sustainable aviation technologies.

Questa tesi presenta la progettazione, lo sviluppo e la validazione di un Iron Bird concepito per il VSW128 Velis Electro, il primo velivolo elettrico certificato nella storia dell’aviazione. L’Iron Bird è stato pensato come banco prova integrato e modulare in grado di riprodurre fedelmente i sistemi elettrici, termici e di controllo del velivolo. Il suo obiettivo è fornire una piattaforma sperimentale sicura e flessibile per la verifica funzionale, lo sviluppo harware e software e l’analisi delle modalità di guasto, riducendo i rischi e le limitazioni operative associati alle prove in volo. Il lavoro comprende la progettazione meccanica ed elettrica, la validazione del sistema e la verifica di conformità agli standard aeronautici, con la prospettiva di ottenere in futuro le certificazioni necessarie per l’esecuzione di campagne di test riconosciute da EASA. Questo processo ha previsto la definizione di strutture meccaniche e configurazioni elettriche ottimizzate per garantire compattezza, accessibilità e manutenibilità, insieme\\ all’adozione di connessioni che combinano componenti di grado industriale e aeronautico. Oltre ai componenti derivati direttamente dal velivolo, sono stati sviluppati hardware e software dedicati a supporto delle attività di prova, tra cui uno switch panel personalizzato per l’iniezione controllata di guasti e un simulatore del sistema di gestione delle batterie (BMS) dotato di interfaccia utente. È stata inoltre condotta una campagna sperimentale volta a verificare la funzionalità dell’intero sistema, includendo le fasi di carica e scarica delle batterie, con particolare attenzione alle prestazioni termiche del sistema di raffreddamento in diverse condizioni di stato di carica e ratei di potenza. Il lavoro si conclude con una valutazione quantitativa dei benefici in termini di riduzione dei costi e dei tempi di sviluppo ottenuti mediante l’impiego dell’Iron Bird nelle campagne di prova. Il sistema realizzato non solo costituisce un elemento fondamentale per il continuo sviluppo del programma Velis Electro, ma rappresenta anche un modello replicabile per la la validazione di futuri sistemi elettrici aeronautici, contribuendo al progresso dell'aviazione sostenibile.