Active control and health monitoring of landing gear dynamics for the optimization of ground handling in aircraft

In aircraft ground handling, active anti-lock braking systems support the pilot to safely decelerate with elevated performance, while ensuring safety and robustness in the face of highly varying operating conditions. Up to now, instead, no active system is employed for the control of the lateral dynamics on ground, which is controlled by the pilot via differential brake and/or steering input. Aircraft ground handling strongly depends on three main variables. First, its structural parameters configuration, which strongly affects the aircraft lateral controllability, and the possibility for active systems to alter the ground handling properties. Second, the state-of-health of the landing gear components that are directly involved in the generation of the forces on ground, namely: shock absorber, tire and braking actuator. A fault or excessive wear of any of these components would induce unmodelled asymmetries and endanger the aircraft maneuverability. Third, the performance of the anti-lock braking controller, as a wheel-locking event would completely de-stabilize the aircraft dynamics, zeroing out its steerability. This Thesis focuses on aircraft ground handling, and designs methods for the optimization of the aircraft lateral controllability, new advanced anti-lock braking systems, and health monitoring schemes for the landing gear components, namely shock absorber and braking actuator. The work has been mostly carried out in collaboration with Leonardo Aircraft Division, a major Aerospace Italian company. The experimental analysis and testing phase of the proposed approaches was performed on high fidelity software and hardware-in-the-loop testing platforms, including the real aircraft, allowing us to prove the effectiveness of the proposed control methods and approaches.

In campo aeronautico, nel controllo a terra del velivolo, sistemi di assistenza alla frenata supportano attivamente il pilota durante le manovre di decelerazione, garantendo performance e livelli di sicurezza elevati anche a fronte di condizioni di operatività variabili. Diversamente, non vengono utilizzati sistemi attivi per il controllo della dinamica laterale che viene interamente gestita dal pilota attraverso lo sterzo o la coppia frenante differenziale. Il controllo a terra del velivolo, dipende da tre fattori principali. Il primo, è la configurazione strutturale del velivolo, da cui dipende la controllabilità laterale, quindi la capacità per i sistemi di controllo attivi di supportare il pilota durante la manovra. Il secondo, è lo stato di salute dei componenti fisici dei carrelli direttamente legati alla generazione delle forze a terra necessarie per il controllo del velivolo, ovvero: sospensione, pneumatici e sistema frenante. Un possibile guasto o usura eccessiva di ciascuno di questi componenti potrebbe comportare la presenza di asimmetrie difficilmente gestibili dal pilota, e quindi compromettere la manovrabilità del velivolo. Terzo, le performance del sistema di assistenza alla frenata. Infatti, l’eventuale bloccaggio delle ruote annullerebbe la possibilità di controllo della dinamica laterale, e de-stabilizzando completamente la controllabilità del velivolo con gravi ricadute sulla sicurezza della manovra. Questa tesi si focalizza sul controllo a terra del velivolo, e definisce metodi per l’ottimizzazione della controllabilità laterale, sistemi avanzati di supporto alla frenata, e schemi per il monitoraggio dello stato di salute dei componenti del carrello, ovvero: sospensioni, pneumatici, e sistema frenante. La tesi è stata svolta in collaborazione con Leonardo Divisione Velivoli, la più importante compagnia italiana nel campo aeronautico. L’analisi sperimentale e di testing è stata condotta utilizzando simulatori software di altissima fedeltà, piattaforme hardware in the loop, ed il velivolo reale, permettendo una validazione efficace gli approcci definiti.