Une aile déformable d'avion pour réduire la consommation de carburant
Introduction – aile déformable
Pour l’année 2020, suivant le rapport de la Commission européenne en aéronautique, les nouveaux avions de ligne doivent réduire leurs émissions de dioxyde de carbone (CO2) de 50 % et celles d’oxyde d’azote (NOx) de 80 % par rapport aux niveaux enregistrés en 2005 [1].
Les procédures des approches interrompues ont été étudiées pour réduire la consommation du combustible sur les avions [2], [3]. Vu le nombre croissant d’appareils prévus pour les prochaines années, il est important pour l’industrie aéronautique de trouver des solutions efficaces pouvant contribuer à atteindre ces objectifs. Plusieurs pistes de solutions sont explorées par l’industrie aéronautique pour réduire :
- le poids des avions en utilisant des matériaux légers tels que les composites dans la fabrication des différentes composantes;
- la traînée présente dans la couche limite et ainsi, la consommation en carburant des avions.
Pour ce qui est de la première solution, on peut mentionner par exemple, la fabrication du fuselage (une des principales composantes de l’avion) en matériaux composites. Le composite est reconnu pour posséder de meilleures propriétés que celles de matériaux comme l’aluminium ou l’acier.
Le but de ce projet était d’améliorer l’écoulement laminaire sur l’extrados (la partie supérieure) de l’aile en réduisant la traînée afin de réduire la consommation de combustible.
Concernant le concept de l’aile déformable, l’idéal serait qu’une aile qui au départ était optimisée pour la croisière soit également optimisée pour toutes les autres phases de vol, comme le décollage et l’atterrissage. Le changement de forme pourrait être réalisé sous l’effet d’actionneurs implantés à l’intérieur de l’aile. Plusieurs paramètres de l’aile tels que la corde, la ligne de cambrure, l’envergure et l’épaisseur peuvent être modifiés pour réaliser le principe d’une aile déformable.
Description du modèle réduit d’aile déformable de l’avion de transport ATR-42
Notre projet concerne la deuxième solution; nous avons considéré le design et la fabrication d’une aile déformable équipée d’actionneurs et de capteurs développés dans le cadre d’un ancien projet, le CRIAQ MDO (Multi-Disciplinary Optimisation) 7.1.
Figure 1 – Aile de l’ATR-42 fabriquée.
La figure 1 présente l’aile à échelle réduite fabriquée de l’avion ATR-42. Deux lignes d’actionnement sont situées dans l’aile à 30 % et à 50 % de la corde. Une peau (skin) en composite déformable a été fabriquée pour ce projet et se situe entre 10 % et 70 % de la corde. La force que les actionneurs doivent appliquer sur la structure déformable dépend du nombre de lignes d’actionnement, du matériau utilisé pour réaliser la structure en composite et surtout des déformations nécessaires de la peau pour l’amélioration des performances aérodynamiques. Le nombre de lignes d’actionnement est limité à deux à cause de l’espace restreint à l’intérieur de l’aile. Le déplacement maximal déterminé par les calculs d’optimisation aérodynamiques est de 4 mm (0,16 po). Avec cette configuration, les différents profils aérodynamiques optimisés pour plusieurs conditions de vol ont été réalisés.
L’épaisseur de l’aile se modifie par le système d’actionnement montré à la figure 2.
Figure 2 – Détail du mécanisme d’actionnement.
Le but du projet consistait à évaluer la réduction de la traînée apportée par la technologie de l’aile déformable (figure 3).
Figure 3 – Profil d’aile de l’ATR-42.
L’idée principale était de minimiser la traînée pendant toutes les phases de vol. Un des moyens de réaliser cette minimisation de la traînée est de retarder la transition entre l’écoulement laminaire et l’écoulement turbulent. Ainsi on pourra obtenir une couche laminaire plus grande sur toute la partie supérieure de l’aile.
L’emplacement de la zone de transition sur l’aile est lié aux conditions de vol et à la position des actionneurs. Ainsi, pour chaque condition de vol, un profil optimisé de l’aile est réalisé en déplaçant les actionneurs. En même temps, la pression est calculée et mesurée par des capteurs de pression piézo-électriques.
L’asservissement des actionneurs a été réalisé par des lois de commande robustes et rapides. Deux boucles de commande (pour le courant et pour la position) ont été réalisées parallèlement par deux contrôleurs correspondants, (figure 4). La boucle interne commande « le courant » du moteur tandis que la boucle externe commande « la position » des actionneurs.
Les deux contrôleurs conçus et implantés sont linéaires de type proportionnel intégral dérivé (PID). Un PID est un algorithme ou une fonction qui prend en entrée l’erreur entre la consigne et la mesure de la variable contrôlée. En sortie, l’algorithme fournit le signal de commande nécessaire afin de réduire et d’annuler l’écart entre la consigne et la mesure de la variable contrôlée.
Les coefficients de ces contrôleurs ont été déterminés à partir du modèle numérique du système. Après avoir obtenu les valeurs des coefficients, les correcteurs ont été programmés avec le logiciel LabView pour assurer leur validation expérimentale.
Figure 4 – Boucle de commande pour l’aile déformable.
Résultats
Figure 5 – Position de l’actionneur (Bleue : Position désirée, Vert : Position mesurée, Rouge : Position simulée).
Comme montré à la figure 5, une source de tension programmable des actionneurs (moteurs électriques fonctionnant à courant continu) a été utilisée pour valider expérimentalement la loi de commande développée. La figure 6.a et 6.b présente les résultats du contrôle de la position pour un vol à Mach de 0,2 et des angles d’attaque de -1 degré et 0 degré. Vous trouverez les différents vols considérés pour cette recherche dans ([4]- [6]). Le potentiel de la technologie en terme de pourcentage de réduction de carburant est mis en exergue dans [7].
Figure 6.a – Courbe de pression (Bleu : simulation, Rouge : mesuré) pour une vitesse Mach = 0.2 et un angle d’attaque = -1.
figure 6.b – Courbe de pression (Bleu : simulation, Rouge : mesuré) pour une vitesse Mach = 0.2 et un angle d’attaque = 0.
Pour valider les résultats aérodynamiques, les courbes de pression obtenues par simulation pour 2 vols à 0,2 Mach et des angles d’attaque de l’aile de -1 degré et de 0 degré, respectivement, ont été comparées avec celles mesurées par des capteurs de pression en soufflerie. Les résultats de cette comparaison sont présentés aux figures 6.a et 6.b. Ces résultats montrent que les valeurs des pressions obtenues par simulation se superposent sur celles mesurées dans la soufflerie du LARCASE. Nous pouvons donc conclure que les valeurs obtenues par simulation correspondent aux valeurs expérimentales pour les vitesses et les angles d’attaque étudiés.
Figure 6 – Soufflerie subsonique Price-Païdoussis du LARCASE et positionnement de l’aile déformable dans la chambre d’essai.
Article de recherche
Nous vous invitons à consulter l’article de recherche suivant pour obtenir plus d’information sur ce projet :
Tchatchueng Kammegne, M. J., Grigorie, L. T., Botez, R. M., Koreanschi, A., 2016, “Design and Wind Tunnel Experimental Validation of a Controlled New Rotary Actuation System for a Morphing Wing Application,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, Vol. 230(1), pp. 132-145, doi: 10.1177/0954410015588573. (PDF)
