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Tests en temps réel d’un démonstrateur d’aile déformable en soufflerie - Par : Michel Joel Tchatchueng Kammegne, Teodor Lucian Grigorie, Ruxandra Botez,

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


Ruxandra Botez
Ruxandra Mihaela Botez est professeure au département de génie de la production automatisée à l’ÉTS. Elle est spécialiste en modélisation et simulation de vols d’aéronefs, d’hélicoptères, de systèmes de vol, et d’ailes déformables.

Note de l’éditeur

Le concept de l’aile déformable est une avenue prometteuse pour réduire la traînée globale et ainsi diminuer la consommation de carburant et les émissions polluantes des avions. Les auteurs présentent ici un contrôleur de position des actionneurs dont la structure est modélisée par la technique de logique floue proportionnelle.

Introduction

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]. Parmi les solutions possibles, le concept de « l’aile déformable » est de plus en plus envisagé pour économiser le carburant et réduire les émissions. Différents types de concepts d’aile déformable sont expliqués en détail dans [2].

Ce projet s’inscrit dans la continuité d’un projet antérieur, Une aile déformable d’avion pour réduire la consommation de carburant qui présentait le modèle à échelle réduite d’une aile d’avion ATR-42, conçu, fabriqué, installé au Laboratoire de recherche en commande active, avionique, et aéroservoelasticité LARCASE et ensuite testé dans la chambre d’essais de la soufflerie Price-Païdoussis du LARCASE ([3], [4]).

Modèle de l’aile déformable

L’objectif principal du projet est la réduction de la traînée globale afin de réduire la consommation en carburant des avions. 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. La figure 1 présente le modèle du profil de l’aile.

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Figure 1 Modèle schématisé du profil de l’aile

Outre la présence d’un aileron au bout de l’aile, des actionneurs électriques sont utilisés afin de déformer l’extrados de l’aile. L’extrados de l’aile est fabriqué en matériaux composites. Sa structure interne a été optimisée numériquement avant sa fabrication. La figure 2 montre l’aile finalisée pour la réalisation des essais en soufflerie.

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Figure 2 Modèle de l’aile fabriqué et testé en soufflerie. À droite, modèle d’aile sans aileron. Au centre, modèle d’aile avec aileron. À gauche, structure interne du démonstrateur

Les actionneurs des ailes déformables sont généralement commandés par différents systèmes fonctionnant sous divers types de logique de contrôle; plusieurs logiques de contrôle ont été testées et réalisées au LARCASE ([5]-[16]).

Méthodologie

Dans cette recherche, les positions des actionneurs électriques sont asservies pour chaque cas de vol. L’asservissement est réalisé par le développement de lois de commande robustes et rapides. La structure de la boucle de régulation est présentée à la figure 3.

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Figure 3 Structure de la boucle de régulation

Cette boucle de régulation est constituée de trois sous-boucles. Sa particularité est la prise en considération du signal de l’encodeur afin de synchroniser le déplacement de l’actionneur (de la peau) avec le déplacement du signal du capteur de position (LVDT).
La boucle externe basée sur le capteur de position (LVDT) joue un double rôle :
* commande de la position de la partie déformable;
* compensation des jeux présents dans l’actionneur.

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Figure 4 Structure du contrôleur basée sur LVDT

La structure de la commande de la position des actionneurs est modélisée par la technique de logique floue proportionnelle (fuzzy proportionnel), dont les fonctions d’appartenance des variables d’entrée sont présentées à la figure 5.

La variable d’entrée du contrôleur est calculée par l’erreur entre la position désirée et celle mesurée. Les filtres sont introduits afin d’éliminer les bruits apparaissant dans les signaux mesurés (LVDT et encodeur).

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Figure 5. Fonction d’appartenance

Après avoir défini la logique de contrôle, nous l’avons implantée dans un système temps réel (unité de calcul) afin de la tester expérimentalement.

Essais effectués sur le modèle de l’aile déformable

La validation expérimentale a été réalisée tout d’abord sur le banc d’essais au LARCASE, en absence du vent. Par la suite, le démonstrateur a été testé dans la soufflerie du CNRC située à Ottawa, en présence du vent. La figure 6 montre le démonstrateur de l’aile installée dans la chambre d’essai de la soufflerie subsonique du CNRC. Les résultats de la commande obtenus en soufflerie sont présentés à la figure 7.

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Figure 6 Démonstrateur installé dans la chambre d’essais

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Figure 7 Déplacements des actionneurs

Le temps de réponse des actionneurs est d’environ 1,5 secondes par millimètre en présence du vent. Le dépassement est inférieur à 5 % de la valeur désirée et l’erreur statique est inférieure à 0,1 millimètre. L’erreur statique est en effet l’erreur finale entre la valeur désirée et la valeur mesurée, une fois le régime transitoire passé. L’erreur statique est donc calculée lorsque le système est complètement stable.

Finalement on peut tirer la conclusion que le contrôleur a grandi activement la région laminaire de l’écoulement.

Plus de détails sur les méthodologies utilisées pour l’optimisation aérodynamique des formes du démonstrateur, ainsi que sur son asservissement peuvent être obtenus à partir des références suivantes ([17]-[27]).

Information supplémentaire

Cette application du concept d’aile déformable s’inscrit dans le cadre du projet de recherche international MDO-505 du CRIAQ mené au sein du Laboratoire de recherche en commande active, avionique, et aéroservoelasticité (LARCASE) en collaboration avec les compagnies aéronautiques Bombardier Aéronautique et Thalès Canada. Des équipes de l’École de Polytechnique de Montréal et de l’IAR-CNRC ont aussi participé à la réalisation de ce projet ainsi que certains chercheurs italiens de l’Université Frederico II de Naples, de CIRA (Italian Aerospace Research Centre) et d’Alenia.

Pour plus d’information, consulter l’article de recherche suivant :
Tchatchueng Kammegne, M. J., Grigorie, L. T., Botez, R. M., 2015, « Design, Numerical Simulation and Experimental Testing of a Controlled Electrical Actuation System in a Real Aircraft Morphing Wing Model » The Aeronautical Journal, Vol. 119 (1219).

Auteurs

MJ Tchatchueng Kammegne

Michel Joel Tchatchueng Kammegne est assistant de recherche et étudiant au doctorat au  LARCASE de l’École de technologie supérieure (ÉTS). Ses intérêts de recherche portent sur la conception de modèles de systèmes électromécaniques, l’asservissement de machines électriques, le développement et l’implantation de  lois de commande ainsi que sur l’intégration de systèmes.

T Lucian GrigorieTeodor Lucian Grigorie est professeur adjoint à l’Université de Craiova en Roumanie, dans le département en génie électrique, énergétique et aérospatial. Il a réalisé des stages doctoraux et postdoctoraux à l’École de technologie supérieure (ÉTS) au LARCASE à partir de 2005. Depuis 2014, il est professeur associé à l’ÉTS.

 

r.botezRuxandra Mihaela Botez est professeure titulaire au département de génie de la production automatisée à l’École de technologie supérieure (ÉTS). Elle est la responsable du LARCASE et titulaire de la Chaire de recherche du Canada en technologies de modélisation et simulation des aéronefs.

 

 

[accordion title= »Références » close= »1″]

[1]       International Air Transport Association, 2009, The International Air Transport Association Roadmap, 3rd Edition, juin.

[2]      Barbarino, S., Bilgen, O., Ajaj, R.M, Firswell, M. I., Inman, D. J., 2011, “A Review of Morphing Aircraft”, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 22, pp. 823–877.

[3]       Kammegne, M.J.T., Grigorie, T.L., Botez, R.M., Koreanschi, A., 2014, “Design and Validation of a Position Controller in the Price-Païdoussis Wind Tunnel,” Proceeding of Modelling, Simulation and Control IASTED Conference, Innsbruck, Autriche, 17-19 février.

[4]        Kammegne, M.J.T., Grigorie, T.L., 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.

[5]      Botez, R. M., Molaret, P., Laurendeau, E., 2007, Laminar Flow Control on a Research Wing Project Presentation Covering a Three Year Period, Canadian Aeronautics and Space Institute Annual General Meeting, Toronto, Ont., Canada, 25-26 avril.

[6]       Grigorie, T. L., Popov, A. V., Botez, R. M., Mamou, M.,  Mébarki, Y.,  2011, « On–off and Proportional–Integral Controller for a Morphing Wing. Part 1: Actuation Mechanism and Control Design, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, Vol. 226 (2), pp. 131-145.

[7]       Grigorie, T. L., Popov, A. V., Botez, R. M., Mamou, M.,  Mébarki, Y., 2012, « On–Off and Proportional–Integral Controller for a Morphing Wing. Part 2: Control Validation–Numerical Simulations and Experimental Tests »,  Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, Vol. 226 (2), pp. 146-162.

[8]       Popov, A. V., Grigorie, L. T., Botez, R. M., Mébarki, Y., Mamou, M., 2010, « Modeling and Testing of a Morphing Wing in Open-Loop Architecture »,  Journal of Aircraft, Vol. 47 (3), pp. 917-923.

[9]       Grigorie, T. L., Botez, R. M.,  Popov, A. V., Mamou, M., Mébarki, Y., 2012, « A Hybrid Fuzzy Logic Proportional-Integral-Derivative and Conventional On-Off Controller for Morphing Wing Actuation using Shape Memory Alloy – Part 1: Morphing System Mechanisms and Controller Architecture Design »,  The Aeronautical Journal, Vol.  116 (1179), pp. 433-450.

[10]     Grigorie, T. L., Botez, R. M.,  Popov, A. V., Mamou, M., Mébarki, Y., 2012, « A Hybrid Fuzzy Logic Proportional-Integral-Derivative and Conventional On-Off Controller for Morphing Wing Actuation using Shape Memory Alloy, Part 2: Controller Implementation and Validation »,  The Aeronautical Journal, Vol. 116 (1179), pp. 451-465.

[11]     Grigorie, T. L., Botez, R. M.,  Popov, A. V., 2012, « Fuzzy Logic Control of a Smart Actuation System in a Morphing Wing », INTECH Open Access Publisher.

[12]     Grigorie, T. L., Popov, A. V., Botez, R. M., 2014, « Control Strategies for an Experimental Morphing Wing Model », Conference: AIAA’s Aviation Atlanta, GA, USA, DOI: 10.2514/6.2014-2187.

[13]     Grigorie, T. L., Popov, A. V., Botez, R. M., Mamou, M., Mébarki, Y., 2011, « Design and Experimental Validation of a combined PI and Bi-Positional Laws Controller for delaying the Transition from Laminar Flow to Turbulent Flow over a Morphing Wing », Informatics in Control, Automation and Robotics, pp. 51-76, Springer Edition.

[14]     Grigorie, T. L., Botez, R. M.,  Popov, A. V., Mamou, M., Mébarki, Y., 2010, « A Morphing Wing used Shape Alloy Actuators New Control Technique with Bi-Positional and PI Laws Optimum Combination – Part 1: Design Phase » Conference: ICINCO 2010, Proceedings of the 7th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics, Vol. 1, Funchal, Madeira, Portugal, 15-18 juin.

[15]     Sugar Gabor, O., Koreanschi, A., Botez, R. M., 2012, « Low–Speed Aerodynamic Characteristics Improvement of the ATR-42 Airfoil using a Wing Approach », IECON2012 Conference, Montréal, Canada, 25-28 octobre.

[16]     Mosbah, B. A., Flores Salinas, M., Botez, R. M., Dao, T. M., 2013, « New Methodology for Wind Tunnel Calibration », SAE International Journal of Aerospace, Vol. 6(2), pp. 761-766.

[17]     Koreanschi, A., Henia, M. B., Guillemette, O., Michaud, F., Tondji, Y., Sugar Gabor, O., Botez, R. M., Flores-Salinas, M., 2016, “Flutter Analysis of a Morphing Wing Technology Demonstrator: Numerical Simulation and Wind Tunnel Testing,” INCAS Bulletin.

[18]     Koreanschi, A., Sugar-Gabor, O., Botez, R. M., 2016, “Drag Optimization of a Wing Equipped with a Morphing Upper Surface,” Aeronautical Journal.

[19]   Tchatchueng Kammegne, M. J., Grigorie, L. T., Botez, R. M., 2015, “Design, Numerical Simulation and Experimental Testing of a Controlled Electrical Actuation System in a Real Aircraft Morphing Wing Model,” The Aeronautical Journal, Vol. 119(1219).

[20]     Tchatchueng Kammegne, M. J., Nguyen, D-H., Botez, R. M., Grigorie, T. L., 2015, « Control Validation of a Morphing Wing in an Open Loop Architecture », AIAA Aviation 2015, AIAA Modeling and Simulation Technologies  Conference, http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2015-2499, Dallas, TX, 22-26 juin.

[21]     Khan, S., Botez, R. M., Grigorie, L. T., 2015, « A New Method for Tuning PI Gains for Position Control of BLDC Motor Based Wing Morphing Actuators », AIAA Aviation 2015, AIAA Modeling and Simulation Technologies  Conference, http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2015-2497, Dallas, TX, 22-26 juin.

[22]     Nguyen, D. H., Khan, S., Tchatchueng Kammegne, M. J., Botez, R. M., 2015, “A Predictive PID Controller Design for an Actuator attached inside a Morphing Wing,” 62nd CASI Aeronautics Conference and AGM, 3rd GARDN Conference, Montreal, Que., Canada, 19-21 mai.

[23]     Tchatchueng Kammegne, M. J., Belhadj, H., Nguyen, D-H., Botez, R. M., 2015, “Nonlinear Control Logic for an Actuator to Morph a Wing: Design and Experimental Validation,” IASTED Modeling, Simulation and Control conference, Innsbruck, Austria, 16-17 février.

[24]     Tchatchueng Kammegne, J., Khan, S., Botez, R. M., 2015, “New Methodology for the Controller of an Electrical Actuator for Morphing a Wing,” The 23nd AIAA/ASME/AHS Adaptive Structures Conference, American Institute of Aeronautics and Astronautics AIAA Science and Technology Forum 2015, Kissimee, FL, United States, 5-9 janvier.

[25]     Vincent, J. B., Botez, R. M., 2015, “Systemic Modeling and Design Approach for Morphing Wing Aileron Controller using Matlab/Simulink,” The 23nd AIAA/ASME/AHS Adaptive Structures Conference, American Institute of Aeronautics and Astronautics AIAA Science and Technology Forum 2015, Kissimee, United States,  5-9 janvier.

[26       Tchatchueng Kammegne, M. J., Botez, R. M., Mamou, M., Mébarki, Y., Koreanschi, A., Sugar Gabor, O., Grigorie, T. L., 2016, « Experimental Wind Tunnel Testing of a New Multidisciplinary Morphing Wing Model », Advances in Mathematics and Computer Science and their Applications (Book title), Series title: Mathematics and Computers in Science and Engineering Series (57), published by WSEAS Press (www.wseas.org), Proceedings of the 18th International Conference on Mathematical Methods, Computational Techniques and Intelligent System (MAMECTIS ’16), pp. 90-97, Venice, Italy, 29-31 janvier, ISSN: 2227-4588, ISBN: 978-1-61804-360-3.

[27]     Koreanschi, A., Sugar Gabor, O., Ayrault, T., Botez, R. M., Mamou, M., Mébarki, Y., 2016, « Numerical Optimization and Experimental Testing of a Morphing Wing with Aileron System », AIAA SciTech 2016, San Diego, CA, 4-8 janvier.[/accordion][accordion title= »Références des images » close= »1″]L’image d’entête provient de Wikipédia, source. Licence CC 3.0. Les autres images sont des auteurs. La licence CC de Substance s’applique.[/accordion]

 

Michel Joel Tchatchueng Kammegne

Profil de l'auteur(e)

Laboratoires de recherche : LARCASE – Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité 

Profil de l'auteur(e)

Teodor Lucian Grigorie

Profil de l'auteur(e)

Programme : Génie électrique 

Laboratoires de recherche : LARCASE – Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité 

Profil de l'auteur(e)

Ruxandra Botez

Profil de l'auteur(e)

Ruxandra Mihaela Botez est professeure au département de génie de la production automatisée à l’ÉTS. Elle est spécialiste en modélisation et simulation de vols d’aéronefs, d’hélicoptères, de systèmes de vol, et d’ailes déformables.

Programme : Génie de la production automatisée 

Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada en technologies de modélisation et simulation des aéronefs 

Laboratoires de recherche : LARCASE – Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité 

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