Réduire l’impact environnemental des avions

Les moteurs d’avion brûlent de grandes quantités de kérosène, relâchant dans l’atmosphère des gaz à effet de serre comme le CO2 et d’autres substances toxiques, comme les oxydes d’azote (Nox), qui contribuent à la destruction de la couche d’ozone. L’Association internationale du transport aérien a chiffré à 2 % la contribution de l’industrie aéronautique aux émissions mondiales de CO2. Toutefois, cette même source estime que la forte croissance du trafic aérien pourrait augmenter cette contribution de 2 à 18 % d’ici 2037.

Au LARCASE, plusieurs stratégies sont étudiées depuis des années pour réduire les émissions des avions dans le cadre de la Chaire de recherche du Canada dans les technologies de modélisation et simulation des aéronefs, mais aussi en collaboration avec plusieurs partenaires industriels au Canada et au Mexique: Bell Helicopter Textron, Bombardier, CAE Inc., CMC Electronics, FLIR, Thales, Hydra Technologies (au Mexique) et autres. Nous travaillons aussi avec d’autres partenaires provenant des instituts de recherche: IAR-NRC, NASA (aux États-Unis), CIRA (en Italie) et des universités du Canada et d’ailleurs. Nous vous présentons ici les principales stratégies de notre recherche.

Analyses et tests en dynamique de vol, et commande pour la modélisation et la simulation des aéronefs

Afin de pouvoir évaluer l’efficacité des stratégies proposées, le LARCASE doit disposer de modèles expérimentaux fiables pour simuler le comportement des aéronefs. Ces modèles permettent aussi de réduire le nombre de tests de vol, ce qui représente une économie de temps et d’argent lors de la certification des avions.

Le LARCASE dispose de deux simulateurs de vol : le premier simule le Cessna Citation X – l’avion d’affaires le plus rapide dans le monde et l’autre, le CRJ-700, un avion commercial régional. Ces deux simulateurs ont été produits par CAE Inc. en collaboration avec les fabricants Cessna et Bombardier. Ces simulateurs sont équipés d’un logiciel de dynamique de vol, certifié au niveau D, soit le plus haut niveau de certification délivré par l’Administration d’aviation fédérale (Federal Aviation Administration). Les modèles aérodynamiques et de dynamique de vol conçus au LARCASE ont été validés avec des données de vol certifiées de ces simulateurs.

De plus, des technologies d’aéronefs déformables ont été aussi étudiées à l’aide de ces deux simulateurs de vol. Les performances (exprimées en termes de coefficients aérodynamiques) de ces technologies ont été comparées à celles des aéronefs de référence Cessna Citation X et CRJ-700 pour quantifier les gains apportés. De nouvelles méthodologies de commande ont aussi été développées.

Simulateur de vol du Cessna Citation X

Simulateur de vol du CRJ-700

Plus de détails sur ces aspects des recherches du LARCASE sont offerts dans les articles suivants :

Modélisation aérodynamique du jet d’affaire le plus rapide au monde

Méthodes originales pour déterminer la forme d’un profil d’aile

Validation d’un modèle de moteur de Cessna

Validation d’un modèle pour le compresseur d’un moteur Cessna

L’aile déformable : une technologie d’avenir pour l’aviation

Optimisation des trajectoires de vol au moyen du système de gestion de vol (FMS)

L’une des façons de réduire les émissions des avions est d’optimiser les trajectoires de vol en fonction du combustible et du temps de vol. Nous essayons d’optimiser les trajectoires de vol en régime de croisière, soit l’étape du vol où la majorité du combustible est consommée.

Pour ce type de recherche, on utilise le système de gestion de vol (FMS), un instrument avionique installé à bord de tous les avions. Au LARCASE, les FMS des 2 simulateurs de vol permettent de comparer les résultats des trajectoires que nous proposons aux trajectoires déjà programmées.

Plus de détails sur ces aspects des recherches du LARCASE sont offerts dans les articles suivants :

Nouveau modèle atmosphérique pour l’optimisation des trajectoires de vol

Des trajectoires de décollage qui réduisent l’impact environnemental

L’algorithme de recherche en faisceau pour optimiser les trajectoires

Calculer la consommation de carburant pour optimiser la trajectoire de vol

Exemple de la variation du vecteur vent (vitesse et direction) en fonction de l’altitude et du lieu géographique

Analyses et tests aérodynamiques pour les ailes des aéronefs et les radars

Des essais aérodynamiques sont effectués depuis plusieurs années dans la soufflerie subsonique Price – Païdoussis sur des modèles à échelle réduite d’ailes ou sur des radars fournis par l’entreprise FLIR Systems. Les étudiants du LARCASE ont créé leur propre balance aérodynamique pour mesurer les forces et moments aérodynamiques qui s’exercent sur les ailes et les radars. Les technologies d’ailes déformables ont été aussi étudiées dans la soufflerie subsonique afin de comparer leurs performances aux ailes de référence.

La photo de la soufflerie suivante montre un modèle à échelle réduite d’une aile équipée de brins de laine pour la visualisation de l’écoulement de l’air.

Soufflerie subsonique Price – Païdoussis avec un modèle réduit d’une aile

Pour en connaître plus sur les recherches effectuées dans la soufflerie Price-Païdoussis, consultez les articles suivants :

Mesure de l’influence d’un aileron sur le comportement aérodynamique en soufflerie

Automatisation du changement d’angle d’une aile dans la soufflerie Price-Païdoussis du LARCASE

L’équipe du LARCASE a aussi acquis beaucoup d’expérience dans les technologies d’ailes déformables dans le cadre de deux projets d’envergure, CRIAQ 7.1 et CRIAQ MDO-505, principalement en collaboration avec Bombardier et Thales, où les ailes déformables ont été équipées de systèmes de commande dans le but de réduire la traînée, et ainsi la quantité de combustible consommé. Ces systèmes ont été testés dans la soufflerie subsonique de IAR-CNRC à Ottawa.

Tests en temps réel d’un démonstrateur d’aile déformable en soufflerie

Une aile déformable d’avion pour réduire la consommation de carburant

Un actionneur d’aile déformable novateur grâce à l’IA

Technologies de modélisation et simulation appliquées sur les systèmes autonomes de vol UAS-S4 et UAS-S45 d’Hydra Technologies

Une autre stratégie étudiée pour diminuer les émissions des avions est l’amélioration de leurs performances aérodynamiques au moyen de la technologie de l’aile déformable (bord de fuite, bord d’attaque, surface supérieure) ou de la déformation d’une autre surface (empennage horizontal ou vertical) sur les systèmes autonomes de vol (drones) d’Hydra Technologies. L’objectif est de réduire la traînée et ainsi le combustible consommé et ensuite de tester en vol cette technologie sur les drones avant de la tester sur les avions. Elle sera testée selon les conditions de vol, en temps réel, de même qu’en soufflerie, au moyen d’un système de commande liant les capteurs aux actionneurs.

Grâce aux données géométriques du UAS-S4 et du UAS-S45, gracieusement fournies par Hydra Technologies, l’équipe du LARCASE est en mesure de développer des simulateurs de vol haute-fidélité pour ces deux modèles. Ce travail pourrait ensuite être étendu à d’autres drones.

Les articles suivants présentent ces recherches plus en détail.

Améliorer les performances des drones en utilisant des simulateurs de vol

Un drone à ailes déformable pour augmenter l’aérodynamisme

Analyse d’un nouveau système de bord de fuite déformable – Substance (etsmtl.ca)

Système autonome de vol UAS-S4 d’Hydra Technologies

Système autonome de vol UAS-S45 d’Hydra Technologies

Une équipe dynamique et novatrice

Si ce domaine de recherche vous intéresse, n’hésitez pas à contacter la professeure Ruxandra Botez, responsable du LARCASE, pour obtenir plus d’informations sur les ouvertures disponibles du LARCASE.

L’équipe du LARCASE de l’ÉTS