Modélisation aérodynamique du jet d’affaire le plus rapide du monde
L’image d’en-tête provient de flickr.com, source. Licence CC 2.0
En vue d’une étude d’aile déformable sur le Cessna Citation X, le LARCASE a développé un modèle aérodynamique de l’avion en utilisant OpenVSP, un logiciel de conception et de calcul aérodynamique à code source ouvert proposé par la NASA. Les polaires aérodynamiques obtenues en sortie ont ensuite été comparées à celles issues d’un simulateur de vol certifié : une différence maximale de 0,070 a pu être observée sur le coefficient de portance et de 0,006, sur le coefficient de traînée, pour des angles d’incidence inférieurs à 5 degrés.
Introduction
Depuis quelques années, de plus en plus sensible au réchauffement climatique qui affecte la planète, l’industrie aérospatiale s’engage à réduire ses émissions de gaz toxiques [1]. Particulièrement engagés, les chercheurs du Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité (LARCASE) travaillent sur les éventuelles méthodes qui permettront de réduire la consommation de carburant d’un avion [2-11]. L’une d’elles consiste à étudier les avantages et les inconvénients d’un avion à porter une aile déformable. Ce concept, développé par la NASA, a pour but d’adapter l’aile d’un avion au cours du vol afin de minimiser les forces de frottement. À ce jour, cette technique a fait l’objet d’études aérodynamiques encourageantes, notamment menées dans le cadre des projets CRIAQ 7.1 et MDO-505 auxquels le LARCASE a participé [12-16].
Le nouveau défi consiste à adapter cette technologie d’aile déformable sur un avion représentatif de ceux qui peuplent notre ciel, le jet d’affaire Cessna Citation X.
Méthodologie : Développement d’un modèle aérodynamique du Cessna Citation X au moyen de OpenVSP
Fig. 1 Modèle de performance établi par le LARCASE et modifications (en rouge) à y apporter
Le LARCASE dispose à la base d’un modèle de performance comme décrit en Fig. 1. Selon les conditions de vol définies en entrée, le modèle permet de calculer le débit de carburant qui serait utilisé par l’avion. Pour effectuer le calcul, le programme puise les informations relatives à l’avion dans des tables de données aérodynamiques et motoristes. Afin d’évaluer la quantité de carburant qui serait nécessaire au Cessna Citation X s’il était équipé d’un système déformable, nous devons modifier le programme présenté en Fig. 1 de manière à ce qu’il prenne en compte la géométrie proposée (aile Geow, fuselage Geof et empennage vertical Geov). Les tables aérodynamiques originales de l’avion doivent donc être remplacées par d’autres données dépendantes de la géométrie. Pour cela, la solution de remplacer les tables aérodynamiques par un modèle aérodynamique s’ouvre à nous.
Fig. 2 Aperçu de la numérisation du fuselage du Cessna Citation X
Les calculs aérodynamiques ont été effectués au moyen du solveur OpenVSP. Pour réaliser les calculs, ce logiciel à code source ouvert proposé par la NASA nécessite de renseigner la géométrie de l’avion. Cependant, celle-ci étant, en détail, confidentielle et non connu du grand public, il a été nécessaire de contourner ce problème. De ce fait, nous avons essayé d’extraire les formes externes de l’avion, à partir de photos et de plans, par un procédé de numérisation. Ce dernier consiste, à l’aide d’un logiciel dédié à la numérisation, de parcourir le plan de l’avion, en déterminant le contour par des points représentés par des croix bleue (Fig. 2). Finalement, lorsque l’ensemble du contour a été défini, le logiciel nous permet de connaitre les coordonnées de chacun des points. Une fois ces coordonnées obtenues, il est alors possible de les mettre à l’échelle en utilisant les longueurs de référence de l’avion, connues du grand public (envergure, hauteur longueur, etc.).
Avec ces renseignements, OpenVSP peut alors comprendre la géométrie de l’avion (Fig.3) et effectuer les calculs aérodynamiques correspondant à l’interaction entre l’air et cette géométrie.
Fig. 3 Modélisation du Citation X dans l’interface utilisateur du logiciel OpenVSP.
Résultats des simulations
Toute l’enveloppe de vol de croisière du Cessna Citation X a pu être couverte lors des simulations, soit : un nombre de Mach allant de 0,6 à 0,9 et un angle d’attaque, de -2° à 10°. La figure 4 présente une partie des résultats qui ont permis d’évaluer la qualité du modèle.
Fig. 4 Comparaison des coefficients de portance et de traînée obtenus par le modèle OpenVSP aux coefficients de références, issus du simulateur de vol.
Il est nécessaire de préciser que le logiciel OpenVSP estime les coefficients aérodynamiques de l’avion selon la méthode « Vortex-Lattice » (VLM). Cette méthode est considérée comme peu précise, car elle émet de nombreuses hypothèses pour permettre de simplifier les calculs et d’obtenir une résolution rapide. Toutefois, les résultats présentés en Fig.4 montrent que l’estimation obtenue est assez précise puisque les deux séries de données sont très proches. Les axes ont été normalisés par souci de confidentialité, sinon une différence maximale de 0,070 aurait pu être observée sur le coefficient de portance et de 0,006, sur le coefficient de traînée.
Conclusion
Les résultats obtenus jusqu’à présent dans ce projet d’évaluation de la possibilité d’une aile déformable pour le Cessna Citation X sont encourageants. En effet, au vu des résultats obtenus par OpenVSP, le modèle aérodynamique ici construit, capable de fournir des coefficients aérodynamiques CL et CD à partir de la géométrie du Cessna Citation X, a été validé. Ce modèle pourra dans une prochaine étape remplacer les tables aérodynamiques du modèle de performances.
Information supplémentaire
Pour plus d’information sur cette recherche, consulter l’article de conférence suivant :
Segui, G. Ghazi, R. Botez et Emily Thompson. « Design, Development and Validation of a Cessna Citation X Aerodynamic Model using OpenVSP Software», 2018 Modeling and Simulation Technologies Conference, AIAA AVIATION Forum, (AIAA 2018-3895).
