Trois projets de recherche pour aider l’OACI à réduire les émissions de gaz à effet de serre

Résumé

L’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI), responsable de 1,3 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre (GES), s’est entendue avec ses 191 états membres pour mettre en place un ambitieux projet de réduction des GES à court, moyen et long terme. Les chercheurs du Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité (Larcase) de l’ÉTS, dirigés par la professeure Ruxandra Botez, travaillent sur trois projets innovants qui peuvent aider l’OACI à atteindre ses cibles de réduction des GES : l’optimisation de la trajectoire de vol, la modélisation et simulation des aéronefs et la conception des ailes déformables pour l’amélioration de leurs performances aérodynamiques.

Mots clés : optimisation, trajectoire de vol, modélisation, simulation, aéronefs, ailes déformables, gaz à effet de serre, OACI

Introduction

Le premier article de cette série intitulé « les démarches de l’aviation civile internationale pour réduire ses émissions de GES » a présenté les cibles fixées par l’OACI pour réduire ses émissions de gaz à effet de serre. Ce second article présente les projets que réalisent les chercheurs du Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité de l’École de technologie supérieure (ÉTS) de Montréal pouvant aider l’OACI à atteindre les cibles fixées en 2009. Les chercheurs de ce laboratoire dirigé par la professeure Ruxandra Botez travaillent notamment sur trois projets :

1. Optimisation de la trajectoire de vol
2. Modélisation et simulation des aéronefs
3. Conception des ailes déformables pour l’amélioration de leurs performances aérodynamiques

Ces trois projets sont réalisés en collaboration avec des partenaires provenant d’entreprises et de centres de recherche aéronautiques. Les résultats obtenus par l’élaboration de méthodes originales sont validés avec ceux obtenus expérimentalement par des essais en vol ou en soufflerie.

Types de mesure d’optimisation du Groupe sur l’aviation internationale et les changements climatiques (GIACC)

Dans un rapport présenté à l’OACI en 2009, le GIACC « a défini un ensemble de mesures pour s’attaquer aux émissions de gaz à effet de serre provenant de l’aviation internationale » [1, page 15]. Le projet d’optimisation de la trajectoire de vol que réalisent les chercheurs de la professeure Botez fait partie des types de mesures possibles 4.3.2 de l’OACI, soit, « l’amélioration de la gestion du trafic aérien et de l’utilisation des infrastructures » [1, page 15]. Le GIACC considère que ce type de mesures représente des gains relatifs possibles variant de faible à moyen. Les projets de modélisation et simulation aérodynamique et de conception d’ailes déformables font partie de la mesure 4.3.1 relative aux technologies associées aux aéronefs, présentant selon le GIACC « des gains très importants pour ce qui est du rendement du carburant ou de la réduction des émissions » [1, page 15].

A. Optimisation de la trajectoire de vol

L’optimisation des trajectoires de vol liée aux procédures de contrôle du transport aérien est un projet de recherche qui permet de réduire les émissions des avions dans l’atmosphère, la consommation de combustible et les temps de vol. Il aide aussi les avionneurs à respecter l’heure requise d’arrivée (Required Time of Arrival – RTA).

Comparaison entre la trajectoire réelle et la trajectoire optimale (profil horizontal)

Ce projet de recherche débuté en 2009 comporte de multiples sous-projets réalisés par les chercheurs de l’ÉTS en collaboration avec l’entreprise CMC Electronics-Esterline dans le cadre du Groupement Aéronautique de Recherche et Développement en eNvironnement GARDN. Les algorithmes d’optimisation développés dans ces recherches devraient être implantés sur des systèmes de gestion de vol [2 – 4].

L’avion d’affaires Cessna Citation X

B. Modélisation et simulation aérodynamique

La modélisation de prototypes d’avions est importante : elle permet de réduire le nombre de tests de vol, donc le coût du combustible et le temps de vol pour la certification des avions. La recherche est réalisée sur un simulateur de l’avion d’affaires Cessna Citation X. Ce simulateur a été conçu et fabriqué par l’entreprise CAE.

Simulateur de l’avion d’affaires Cessna Citation X

Les données des essais de vol sur le simulateur sont certifiées au niveau D par des organisations de certification comme la Federal Aviation Administration (FAA) aux États-Unis. Le niveau D correspond au plus haut niveau de certification pour des données de simulateurs, soit très proches de vraies données de vol d’aéronefs. Ainsi, cet équipement simule réellement un aéronef pour la collecte de données et la recherche en modélisation et simulation des aéronefs. Ce projet est l’un des sous-projets de la Chaire de recherche du Canada en modélisation et simulation des aéronefs. La professeure Botez est aussi la titulaire de cette chaire.

C. Conception des ailes déformables pour l’amélioration de leurs performances aérodynamiques

Le projet sur la technologie des ailes déformables a pour objectif d’améliorer les performances des ailes d’avions tout en réduisant la consommation de combustible. Ce projet comprend plusieurs sous-projets. Les entreprises Bombardier et Thales, ainsi que le Conseil de recherches en science naturelle et en génie du Canada (CRSNG) et le Consortium de recherche et d’innovation en aérospatiale au Québec (CRIAQ) ont financé ces sous-projets. Dans un sous-projet débuté en 2006, les chercheurs du laboratoire LARCASE ont travaillé avec l’équipe du Laboratoire sur les alliages à mémoire et systèmes intelligents (LAMSI) de l’ÉTS pour concevoir et fabriquer une aile d’avion équipée d’actionneurs intelligents et de capteurs de pressions. L’amélioration des performances aérodynamiques et de l’écoulement laminaire a été validée pour cette aile par des essais dans la soufflerie de l’Institut de Recherche en Aérospatial du Conseil National de Recherche du Canada IRA-CNRC.

L’avion ATR-42

Les chercheurs de LARCASE ont par la suite travaillé sur la conception d’une aile déformable pour l’avion ATR-42. Ils ont validé son comportement aérodynamique et son contrôleur dans la soufflerie Price-Païdoussis que possède le laboratoire de la professeure Botez à l’ÉTS.

La soufflerie subsonique Price-Païdoussis.

L’expérimentation réalisée en soufflerie a donné de très bons résultats [5 – 6]. L’équipe de chercheurs du professeur Botez a par la suite travaillé en collaboration avec l’équipe de chercheurs du professeur Simon Joncas de l’ÉTS sur une aile d’avion de l’entreprise Bombardier. Cette aile provenait d’un de leurs modèles d’avion dans le cadre d’une démarche d’optimisation de l’entreprise. Les chercheurs ont dû prendre en considération plusieurs contraintes structurelles importantes provenant du modèle de base de l’aile de cet avion. Cette phase d’expérimentation a démontré l’importance de poursuivre les recherches en s’assurant que la structure intègre adéquatement les fonctionnalités requises pour rendre l’aile déformable tout en améliorant les performances aérodynamiques de l’avion. Les résultats numériques ont été validés avec les résultats expérimentaux obtenus dans la soufflerie du CNRC. Ce sous-projet a été réalisé en collaboration avec l’entreprise Alenia Aermacchi, le centre de recherche aérospatial de l’Italie (CIRA) et l’Université de Naples Frederico II.

Profil d’une aile déformable

Plusieurs sous-projets de recherche en cours vont permettre de vérifier et de modifier au besoin les composantes (actionneurs, capteurs, etc.) et les pièces structurelles des ailes. Le système autonome de vol (UAV) S45 Bálaam acquis de l’entreprise Hydra Technologies s’ajoute à l’UAV S4 Éhecatl que possède déjà l’équipe du LARCASE. La soufflerie Price-Païdoussis de l’ÉTS et la soufflerie de l’IRA-CNRC à Ottawa pourront servir à valider les technologies de modélisation des ailes déformables sur ces UAV.

Recherches à venir

L’équipe de la professeure Botez va poursuivre ses travaux de recherche sur ces trois axes. Les travaux de recherche sur l’optimisation de la trajectoire de vol ont commencé à donner des résultats concrets pour les systèmes de gestion de vol de l’entreprise CMC Électroniques – Esterline. Le simulateur de vol du Cessna Citation X et les deux systèmes autonomes de vol vont permettre la poursuite des travaux de modélisation et de simulation des aéronefs. Les travaux concernant la conception et la fabrication des ailes déformables vont se continuer en utilisant les deux systèmes autonomes de vol UAS-S4 et UAS-S45.

Si ces projets de recherche du laboratoire LARCASE vous intéressent, consultez leur site internet et n’hésitez pas à prendre rendez-vous avec la professeure Botez et son équipe de recherche.