Amélioration du processus de conception avion en prenant en compte les contraintes de certification et des simulations de mission complètes

Autor: Schmollgruber, Peter
Přispěvatelé: ONERA / DTIS, Université de Toulouse [Toulouse], ONERA-PRES Université de Toulouse, Doctorat de l'Université de Toulouse délivré par l'Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE), Yves GOURINAT, Nathalie BARTOLI, Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace, Gourinat, Yves, Bartoli, Nathalie
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2018
Předmět:
Zdroj: Engineering Sciences [physics]. Doctorat de l'Université de Toulouse délivré par l'Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE), 2018. English
Popis: La conception d'un nouvel avion est initiée durant la phase avant-projet. Dans un premier temps, les concepteurs d’aéronefs identifient un ensemble de concepts potentiels pouvant répondre aux exigences du client en s’appuyant sur des informations fournies par les spécialistes disciplinaires et experts système. Ensuite, les solutions sont évaluées via un processus de dimensionnement basé sur une analyse multidisciplinaire. Dans le domaine des avions de transport civil, les objectifs ambitieux en termes de consommation de carburant amènent à étudier des configurations innovantes incluant de nouvelles technologies. Cependant, peu de données sur de telles architectures sont disponibles dans les phases amont de la conception. Ainsi, afin d'éviter une sélection ou élimination erronnée d'une solution, un objectif clé de la recherche en conception d'aéronefs est l’ajout de connaissances dans l'analyse multidisciplinaire. Aujourd’hui, cet objectif est atteint avec différentes approches: application d’optimisations multidisciplinaires, ajout de précision grâce aux analyses haute fidélité, introduction de nouvelles disciplines ou systèmes et enfin, gestion de l'incertitude. Le rôle du concepteur est alors de combiner ces options dans un processus de conception multidisciplinaire afin de converger vers le concept le plus performant tout en répondant aux contraintes de certification. Afin d’illustrer ce processus, l’optimisation d'un avion de transport avec assistance au sol pour le décollage qui a mis en évidence l'impact des contraintes de certification sur la conception du véhicule a été effectuée. La revue successive des textes réglementaires et de recherches associées de la gestion du trafic aérien ont conclu à la nécessité d’inclure des simulations au sein de l’analyse multidisciplinaire. Tenant compte de ces conclusions, la recherche effectuée dans le cadre de cette thèse propose alors d’ajouter des connaissances en développant l’analyse et l’optimisation de la conception multidisciplinaire avec un nouveau module de contrainte de certification et des fonctionnalités de simulation complètes. Développé dans le cadre de la thèse, le module de contraintes de certification (CCM) a été utilisé pour résoudre quatre problèmes d’optimisation associés à un avion de transport civil classique basé sur l’outil de dimensionnement ONERA / ISAE-SUPAERO appelé FAST. Grâce à l'interface utilisateur du CCM, un gain de temps au niveau de la mise en place de ces optimisations a constaté. De plus, les résultats ont confirmé la nécessité de définir au mieux et dès que possible les contraintes de certification. Pour atteindre des capacités de simulation complètes, l'analyse multidisciplinaire au sein de FAST a été améliorée. Premièrement, l'outil d'analyse aérodynamique a été modifié afin de générer la base de données complète pour alimenter un modèle à 6 degrés de liberté. Ensuite, un nouveau module de calcul des propriétés d'inertie a été ajouté. Enfin, le simulateur open source JSBSim a été utilisé avec différentes lois de contrôle pour augmenter la stabilité et permettre la navigation automatisée. La comparaison entre les trajectoires de vol obtenues avec FAST et les données réelles sur les avions enregistrées avec une antenne ADS-B a confirmé la validité de l'approche. The design of a new aircraft is initiated at the conceptual design phase. In an initial step, aircraft designers, disciplinary and subsystems experts identify a set of potential concepts that could fulfill the customer requirements. To select the most promising candidates, aircraft designers carry out the sizing process through a Multidisciplinary Design Analysis. Nowadays, in the field of civil transport aircraft, environmental constraints set challenging goals in terms of fuel consumption for the next generations of airplanes. With the “tube and wing” configuration offering low expectations on further improvements, disruptive vehicle concepts including new technologies are investigated. However, little information on such architectures is available in the early phases of the design process. Thus, in order to avoid mistakenly selecting or eliminating a wrong concept, a key objective in Aircraft Design research is to add knowledge in the Multidisciplinary Design Analysis. Nowadays, this objective is achieved with different approaches: implementation of Multidisciplinary Design Optimization, addition of accuracy through high fidelity analyses, introduction of new disciplines or systems and uncertainty management. The role of the aircraft designer is then to combine these options in a multidisciplinary design process to converge to the most promising concept meeting certification constraints. To illustrate this process, the optimization of a transport aircraft featuring ground based assistance has been performed. Using monolithic optimization architecture and advanced structural models for the wing and fuselage, this study emphasized the impact of certification constraints on final results. Further review of the regulatory texts concluded that aircraft simulation capabilities are needed to assess some requirements. The same need has been identified in the field of Air Traffic Management that provides constraints for aircraft operations. This research proposes then to add knowledge through an expansion of the Multidisciplinary Design Analysis and Optimization with a new Certification Constraint Module and full simulation capabilities. Following the development of the Certification Constraint Module (CCM), its capabilities have been used to perform four optimization problems associated to a conventional civil transport aircraft based on the ONERA / ISAE-SUPAERO sizing tool called FAST. Facilitated by the Graphical User Interface of the CCM, the setup time of these optimizations has been reduced and the results clearly confirmed the necessity to consider certification constraints very early in the design process in order to select the most promising concepts. To achieve full simulation capabilities, the multidisciplinary analysis within FAST had to be enhanced. First, the aerodynamics analysis tool has been modified so that necessary coefficients for a 6 Degrees-of-Freedom model could be generated. Second, a new module computing inertia properties has been added. Last, the open source simulator JSBSim has been used including different control laws for stability augmentation and automated navigation. The comparison between flight trajectories obtained with FAST and real aircraft data recorded with ADS-B antenna confirmed the validity of the approach.
Databáze: OpenAIRE
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