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Analyse d’un nouveau système de bord de fuite déformable - Par : David Communier, Ruxandra Botez, Tony Wong,

Analyse d’un nouveau système de bord de fuite déformable


David Communier
David Communier Profil de l'auteur(e)
David Communier a obtenu son baccalauréat en génie de la production automatisée et sa maîtrise en aérospatiale à l’ÉTS. Il est doctorant en génie aérospatial à l’ÉTS. Il se spécialise dans les ailes déformables pour des avions autonomes.

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

Tony Wong
Tony Wong est professeur au Département de génie des systèmes à l’ÉTS. Ses intérêts de recherche sont les algorithmes d’optimisation multicritères évolutionnaires, l’’apprentissage machine et la programmation parallèle.

Bord de fuite d’une aile

Achetée sur Istock.com. Droit d’auteur.

RÉSUMÉ:

Cet article présente un nouveau système de déformation du bord de fuite réalisé par l’équipe du LARCASE. L’approche préconisée est de permettre la déformation du bord de fuite par des nervures d’aile flexibles à l’aide de fines fentes. Ce système a pour avantage d’être léger et facile à fabriquer. Son bon fonctionnement a pu être validé par des tests en soufflerie. Une comparaison avec un aileron classique a permis de démontrer que le nouveau système produit une diminution de la traînée de l’aile et ainsi réduit la consommation en carburant du moteur de l’avion.

Introduction

Le principe des ailes déformables consiste à agir sur le comportement et les performances de l’avion en déformant l’aile au lieu d’utiliser des sections d’aile mobiles comme dans les avions déjà existants. Les sections mobiles sur une aile classique sont les ailerons, les volets, les aérofreins et les becs d’attaque.

Dans cette recherche, nous nous sommes concentrés sur le remplacement des ailerons par un système de déformation de l’aile. Plus particulièrement, il s’agit d’un système de déformation du bord de fuite de l’aile. L’intérêt de remplacer les ailerons par un système de déformation de l’aile est de réduire la résistance à l’air de l’aile et ainsi réduire la consommation de carburant de l’avion.

Pour être utilisé sur un avion, le système doit répondre à trois critères principaux :

  • Il doit permettre une amélioration des performances de l’aile.
  • Il ne doit pas augmenter la masse de l’aile.
  • Il ne doit pas augmenter la consommation d’énergie totale de l’avion.

Conception du système de déformation de l’aile

Comme nous n’avions pas de contrainte de structure d’aile (contrairement à certains projets précédents du LARCASE portant sur la déformation des ailes [1] [2] [3] [4]), nous avons choisi une structure d’aile semblable à un squelette, c’est-à-dire composée d’un longeron principal, qui permet de supporter le poids de l’avion dans les airs, et de nervures, qui servent à donner à l’aile sa forme aérodynamique.

Pour permettre une déformation du bord de fuite de l’aile, nous avons rendu les nervures flexibles au niveau de leur bord de fuite. Ainsi, en modifiant la forme de la nervure, nous avons modifié la forme aérodynamique de l’aile. Pour rendre la nervure flexible, des fentes ont été réalisées de façon à ne garder qu’une mince épaisseur au centre [5]. La Figure 1 présente la nervure centrale du système de déformation du bord de fuite que nous appelons MTE pour « Morphing Trailing Edge ». Grâce à l’utilisation d’un système de déformation des ailes, nous pouvons obtenir une modification de la forme de l’aile « lisse », contrairement à l’utilisation d’un aileron, comme montré à la Figure 2. C’est pour obtenir une forme déformée lisse que nous avons choisi de répartir les fentes en trois paires régulièrement espacées entre le centre et le bord de fuite de la nervure.

Morphing Trailing Edge

Figure 1 Contrôle de la déformation du MTE

Profil d'une aile avec aileron

Figure 2a Profil NACA0012 avec un aileron incliné

Aile équipée d'un Morphing Trailing Edge

Figure 2b Profil NACA0012 avec le MTE déformé

Fabrication et tests en soufflerie

Pour valider le fonctionnement du MTE, nous avons fabriqué une maquette qui a été testée dans la soufflerie Price – Païdoussis du LARCASE (Figure 3) [6] [7] [8] [9]. Pour déterminer si le prototype du MTE permettait d’améliorer les performances aérodynamiques de l’aile, nous avons effectué des tests comparatifs avec une maquette d’aile équipée d’un aileron; les maquettes des deux systèmes (MTE et aileron) avaient les mêmes dimensions afin de pouvoir les comparer. Comme nous avons utilisé une maquette d’aileron d’une étude antérieure [10], nous avons conçu la maquette du MTE (Figure 4) en respectant les mêmes dimensions (Figure 5). À l’aide d’une balance aérodynamique conçue par les étudiants du LARCASE [11], nous pouvons obtenir les forces de portance (capacité à soulever l’aile) et de traînée (résistance face à l’air) des maquettes d’ailes lors des tests. Ainsi nous pouvons tracer les courbes des variations des coefficients aérodynamiques pour les deux systèmes (Figure 6 et Figure 7) à partir des forces mesurées et des dimensions géométriques des ailes.

Soufflerie subsonique Price - Païdoussis du LARCASE

Figure 3 Soufflerie subsonique Price – Païdoussis du LARCASE

Morphing Trailing Edge sur une aile

Figure 4 Maquette de l’aile munie du MTE

Aile comprenant un aileron

Figure 5 Plan 2D de la maquette d’aile équipé d’un aileron (unité en « pouce »)

Portance vs angle d’attaque

Figure 6 Variation du coefficient de portance en fonction de l’angle d’attaque de l’aile

Traînée vs angle d’attaque

Figure 7 Variation du coefficient de traînée en fonction de l’angle d’attaque de l’aile

Comme nous pouvons le voir aux Figure 6 et Figure 7, pour une même variation du coefficient de portance, l’aile équipée du MTE a un coefficient de traînée plus faible que l’aile équipée de l’aileron. Nous pouvons donc en conclure que le MTE permet d’améliorer les performances de l’aile par rapport à un aileron classique. Notre conception satisfait donc au premier critère.

Afin de satisfaire le critère de conservation de la masse de l’aile, nous avons utilisé la même structure pour le MTE que celle utilisée pour l’aileron (longeron et nervures) et nous avons utilisé le même actionneur (servomoteur).

Finalement, le troisième critère requiert de ne pas consommer plus d’énergie qu’on en économise. Pour valider ce point, nous avons mesuré la consommation de courant des deux systèmes durant leur utilisation en soufflerie. Ainsi, nous avons obtenu une consommation continue de 25,2 mW pour la commande de l’aileron, de 25,2 mW pour la commande du MTE sans déformation et de 504 mW lorsque le MTE est déformé de 7°. Le MTE consomme plus de courant qu’un aileron classique en raison du servomoteur, qui doit déformer les nervures. Cependant, comme le MTE permet de réduire la traînée de l’aile, le besoin en énergie du moteur s’en trouve réduit. Or la consommation du moteur est plusieurs centaines de milliers de fois supérieure à celle du servomoteur. Une réduction de 1 % de la consommation du moteur permet d’économiser plusieurs dizaines de watts de puissance, ce qui est de beaucoup supérieur à la consommation additionnelle entraînée par le MTE.

Conclusion

Lors de cette analyse, nous avons pu démontrer la fonctionnalité et l’efficacité de notre prototype de déformation du bord de fuite de l’aile. En plus d’être simple à fabriquer, ce prototype de MTE a permis de satisfaire les critères nécessaires à son utilisation sur un avion. La prochaine étape sera d’intégrer le MTE à un avion de taille réduite comme le UAS-S45 du LARCASE afin de valider son comportement en vol.

Information supplémentaire

Pour plus d’information sur cette recherche, consulter l’article suivant :

Communier, David; Botez, Ruxandra; Wong, Tony. 2019. « Experimental Validation of a New Morphing Trailing Edge System using Price – Païdoussis Wind Tunel Tests ». Chinese Journal of Aeronautics, 32(6) : 1353-1366.

 

David Communier

Profil de l'auteur(e)

David Communier a obtenu son baccalauréat en génie de la production automatisée et sa maîtrise en aérospatiale à l’ÉTS. Il est doctorant en génie aérospatial à l’ÉTS. Il se spécialise dans les ailes déformables pour des avions autonomes.

Programme : Génie de la production automatisée  Génie aérospatial 

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 

Profil de l'auteur(e)

Ruxandra Botez

Profil de l'auteur(e)

Ruxandra Mihaela Botez est professeure au Département de génie des systèmes 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  Génie aérospatial 

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 

Profil de l'auteur(e)

Tony Wong

Profil de l'auteur(e)

Tony Wong est professeur au Département de génie des systèmes à l’ÉTS. Ses intérêts de recherche sont les algorithmes d’optimisation multicritères évolutionnaires, l’’apprentissage machine et la programmation parallèle.

Programme : Automated Manufacturing Engineering 

Laboratoires de recherche : LIVIA – Laboratoire d'imagerie, de vision et d'intelligence artificielle 

Profil de l'auteur(e)