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Mesure de l’influence d’un aileron sur le comportement aérodynamique en soufflerie - Par : Theo Andre, David Communier, Manuel Flores, Ruxandra Botez, Oscar Carranza Moyao, Tony Wong, Guy Gauthier,

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


Theo Andre
Théo André est stagiaire de recherche au LARCASE et étudiant en maîtrise à l’EPF-Ecole d’ingénieurs généralistes. Ses intérêts de recherche portent sur la conception de modèles de tests en soufflerie et l’optimisation de profils d’ailes.
Programme : Génie aérospatial 

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.

Manuel Flores
Manuel Flores est étudiant au doctorat du laboratoire de recherche LARCASE à l’ÉTS. Le champ de recherche de ses études porte sur l’optimisation structurelle et l’analyse aérodynamique d’un système d’aile déformable pour drone. La validation expérimentale dans la soufflerie subsonique Price-Païdoussis fait partie de ses intérêts de recherche.

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 de la production automatisée à l’ÉTS. Ses intérêts de recherche sont les algorithmes d’optimisation multicritères évolutionnaires, l’’apprentissage machine et la programmation parallèle.

Guy Gauthier
Guy Gauthier est professeur au Département de génie de la production automatisée de l’ÉTS. Ses intérêts de recherches sont les automates programmables, les capteurs, l’asservissement et la commande, les microcontrôleurs et la robotique.

RÉSUMÉ:

La présence d’ailerons est l’un des facteurs qui influencent le comportement aérodynamique de la voilure, la consommation de carburant et les émissions de gaz carbonique. Afin d’évaluer leur influence sur le comportement aérodynamique d’une aile, des tests ont été effectués en soufflerie pour différentes vitesses (15 et 20 m/s) et selon différents angles d’incidence (-20° à +20°). Ces résultats serviront à bâtir un modèle expérimental qui permettra d’élargir l’étude au concept d’aile déformable et éventuellement d’extrapoler des résultats pour des vitesses plus importantes.

Introduction

D’ici la prochaine décennie, en accord avec le rapport de la Commission européenne aéronautique, les nouveaux avions de ligne devront réduire leurs émissions de dioxyde de carbone (CO2) de 50 % et d’oxyde de nitrogène (NOx) de 80 %, au vu des niveaux enregistrés en 2005. Une des approches envisagées est l’étude des ailerons et de leur influence sur le comportement aérodynamique de l’avion, l’économie du carburant et par extension, la réduction des émissions des gaz à effet de serre.

Ce projet s’inscrit dans le cadre de l’étude du drone UAS-S4 d’Hydra Technologie, installé et étudié au Laboratoire de recherche en commandes actives et aéroservoélasticité (LARCASE).

Différents tests ont été réalisés avec une maquette d’aile et sont présentés dans cet article.

Modèle du profil étudié

Le principal but de ce projet est d’étudier l’influence des ailerons sur la voilure et sur la consommation de carburant. Les ailerons influent sur la portance, la traînée et le moment de flexion de la voilure. Ils font partie intégrante des éléments de commande de l’avion; l’enjeu est donc d’optimiser ces sous-ensembles de la voilure tout en respectant la maniabilité de pilotage. Le profil étudié est un profil symétrique NACA 0012 (figure 1).

Figure 1 : profil NACA 0012

Afin de réaliser les tests en soufflerie, il a été nécessaire de concevoir une maquette de l’aileron adaptée à la chambre de test. L’assemblage et les différentes parties de la demi-voilure ont été modélisés sous CATIA (figure 2). Les différentes parties ont été découpées au laser (figure 3) pour un rendu le plus précis possible.

Figure 2 : plan 2D

Figure 3 : résultats de la découpe laser

Méthodologie utilisée pour notre étude

Afin d’effectuer des tests précis et rapides, un système électromécanique a été mis en place pour ajuster la position angulaire de l’aileron (figure 4). Un servomoteur, commandé par un microcontrôleur et relié à un bras réglable, permet ainsi de piloter la contrainte angulaire souhaitée pour les tests. Le servomoteur utilisé fonctionne sous forme de trains d’impulsions : en effet, la valeur de l’angle de rotation du servomoteur dépend de la durée du signal analogique envoyé par le microcontrôleur.

Figure 4 : schéma de fonctionnement du servomoteur

Il a ensuite été nécessaire de mettre en place un panneau de contrôle, permettant de piloter l’aileron, mais aussi d’acquérir les forces souhaitées et de les afficher sous forme de graphes et de tableaux de données (tableau 1). Les forces sont mesurées par une balance aérodynamiqueconçue au LARCASE. Elle est reliée à l’interface de commande. Les résultats s’affichent, en temps réel, sous la forme présentée ci-dessous durant les tests (figure 5).

Tableau 1 : tableau des forces aérodynamiques

Figure 5 : graphe dynamique de F/Angle

Résultats obtenus

Les tests ont été effectués pour différentes vitesses (15 et 20 m/s) et selon différents angles d’incidence (figure 6) (-20° à +20°).

Figure 6 : illustration de l’angle d’incidence

Tests préliminaires du profil sans aileron

Le premier test effectué est celui du profil sans aileron. En effet, des tests avaient déjà été réalisés avec ce profil et les résultats obtenus avaient été validés (figures 7 à 9). Ce test a permis de valider le fonctionnement d’un nouveau capteur en comparant les nouveaux résultats avec les anciens. Les tests ont été effectués en faisant varier l’angle d’attaque.

Figure 7 : variation des coefficients de traînée selon l’angle d’attaque aux vitesses de 15 et 20 m/s

Figure 8 : variation des coefficients de portance selon l’angle d’attaque aux vitesses de 15 et 20 m/s

Figure 9 : variation des coefficients du moment de tangage selon l’angle d’attaque aux vitesses de 15 et 20 m/s

Ainsi, ces tests préliminaires ont permis de valider le modèle mis en place. En effet les résultats expérimentaux obtenus sont proches des résultats attendus. On peut aussi observer le phénomène de décrochage (augmentation instantanée de la traînée et perte significative de portance) apparaître lorsque l’angle d’attaque est entre 14° et 17°.

Tests du profil avec aileron

Les tests du profil avec aileron sont réalisés en fonction de plusieurs paramètres : la vitesse, l’angle d’incidence et l’angle de l’aileron. Les vidéos 1 et 2 ci-dessous montrent la maquette de l’aileron en test dans la chambre de la soufflerie.

Vidéos 1 et 2 : vidéos de tests en soufflerie sur le modèle d’aile avec l’aileron pour une vitesse de 25 m/s

Pour les tests avec aileron, l’angle de l’aileron a été positionné de -40° à +40° et l’angle d’attaque a été modifié de -10° à +20°. Les trois tracés suivants (figures 10 à 12) représentent les variations des trois charges aérodynamiques étudiées (traînée, portance et moment de tangage) selon l’angle de l’aileron, l’angle d’attaque et une vitesse de 15 m/s. Les tests ont aussi été effectués pour les vitesses de 20, 25, 30 et 35 m/s mais ne seront pas présentés ici par souci de clarté.

Figure 10 : variation des coefficients de traînée selon l’angle d’attaque et l’angle d’inclinaison de l’aileron à la vitesse de 15 m/s

Figure 11 : variation des coefficients de portance selon l’angle d’attaque et l’angle d’inclinaison de l’aileron à la vitesse de 15 m/s

Figure 12 : variation des coefficients de moment de tangage selon l’angle d’attaque et l’angle d’inclinaison de l’aileron à la vitesse de 15 m/s

Enfin, les résultats obtenus pour les trois premières vitesses paraissent corrects et ont une allure proche des modèles théoriques.

Cette recherche est réalisée dans le but de l’étendre à un aileron déformable. Dans le cadre du projet international CRIAQ MDO 505, la dynamique d’un aileron déformable a été analysée du point de vue aérodynamique. Ses performances aérodynamiques ont été analysées et validées dans la soufflerie de l’IAR-NRC, comme expliqué dans les Réf. 1-8, tandis que la modélisation aérostructurale du UAS-S4 est détaillée à la Réf. 9.

Conclusion

La mise en place d’un modèle expérimental fidèle au modèle théorique nous permettra par la suite d’étudier l’influence réelle de la présence ou non d’un dispositif d’aileron, et aussi intégrer le concept d’aile déformable aux tests. De même, cette méthode nous permettra d’obtenir des résultats plus précis et fidèles aux simulations numériques. Enfin, des tests seront réalisés sur le logiciel de simulation XFLR5 afin de valider définitivement nos résultats et de mettre à disposition du LARCASE une base de données intéressante, permettant d’extrapoler des résultats à des vitesses plus importantes.

Theo Andre

Profil de l'auteur(e)

Théo André est stagiaire de recherche au LARCASE et étudiant en maîtrise à l’EPF-Ecole d’ingénieurs généralistes. Ses intérêts de recherche portent sur la conception de modèles de tests en soufflerie et l’optimisation de profils d’ailes.

Programme : 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)

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)

Manuel Flores

Profil de l'auteur(e)

Manuel Flores est étudiant au doctorat du laboratoire de recherche LARCASE à l’ÉTS. Le champ de recherche de ses études porte sur l’optimisation structurelle et l’analyse aérodynamique d’un système d’aile déformable pour drone. La validation expérimentale dans la soufflerie subsonique Price-Païdoussis fait partie de ses intérêts de recherche.

Programme : Automated Manufacturing Engineering  Aerospace Engineering 

Chaire de recherche : Canada Research Chair for Aircraft Modeling and Simulation Technologies 

Laboratoires de recherche : LARCASE – Aeronautical Research Laboratory in Active Control, Avionics and Aeroservoelasticity 

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 

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)

Oscar Carranza Moyao

Profil de l'auteur(e)

Oscar Carranza Moyao est associé de recherche à l’ÉTS.

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 de la production automatisée 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)

Guy Gauthier

Profil de l'auteur(e)

Guy Gauthier est professeur au Département de génie de la production automatisée de l’ÉTS. Ses intérêts de recherches sont les automates programmables, les capteurs, l’asservissement et la commande, les microcontrôleurs et la robotique.

Programme : Génie de la production automatisée 

Laboratoires de recherche : CoRo – Laboratoire de commande et de robotique 

Profil de l'auteur(e)


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