Development of a Vertical Take-Off and Landing Aircraft Design Tool for the Application in a System of Systems Simulation Framework

Abstract

Systemarchitekturen und Anwendungsfälle in der Luftfahrt zeichnen sich durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Teilsysteme, Systeme und Betriebskonzepte oder -taktiken aus. Die Analyse der vielfältigen Auswirkungen auf Leistung und Effektivität aufgrund der vielschichtigen Wechselwirkungen erfordert Entwurf und Bewertung anhand einer System-of-Systems-Vorgehensweise. In dieser Arbeit wird ein Tool für den Konzeptentwurf von senkrecht startenden und landenden Luftfahrzeugen als Teil einer agentenbasierten Simulationsumgebung entwickelt, welche für den System-of-Systems-Flottenbetrieb verwendet wird. In diesem Zusammenhang wird das aufstrebende Luftfahrtsegment Urban Air Mobility für die Demonstration betrachtet, bei dem zwei grundverschiedene elektrische senkrecht start- und landefähige Luftfahrzeugarchitekturen (d. h. Multikopter und Kipprotorflugzeug) entworfen und hinsichtlich der Leistung und Effektivität bewertet werden. Dabei werden Sensitivitäten des Subsystem- und System-/Luftfahrzeugentwurfs sowie deren Auswirkungen auf System-of-Systems-Ebene aufgezeigt.

Aeronautical system architectures and aviation use cases feature complex interactions of several subsystems, systems and operational concepts or tactics. The evaluation of manifold impacts on performance and effectiveness due to the multi-level interdependencies necessitate system of systems design and assessment. In this thesis, a tool for conceptual design of vertical take-off and landing aircraft is developed as part of an agent-based simulation framework for system of systems fleet operations. For demonstration, the emerging aviation segment urban air mobility is considered, where two disparate electric vertical take-off and landing aircraft architectures (i.e., multirotor and tiltrotor) are designed and assessed regarding performance and effectiveness. Sensitivities of the subsystem and system/ aircraft design and their impacts on the system of systems level are shown.