Dimensionnement aérodynamique du Bee-Plane TRL2

Enjeu: Transport et Mobilité TMO_05
Dimensionnement aérodynamique du Bee-Plane TRL2
Etudes aérodynamiques et dimensionnement paramétrique
Technoplane SAS
Client projet: Xavier Dutertre
Responsable Enjeu : Renaud Mercier
Giorgio Vit
Alexis Zalta
Carlos Torres de Lizaur
Charles-Edouard Ladari
Abel Faure Beaulieu
Xavier de Basquiat
Sommaire
1. Limites actuelles et défis à relever
2. Technologies dans l'aéronautique
o Equipement passif
o Vers une autre source d’énergie
o Ailettes marginales ou « winglets » en anglais
3. Nouvelles configurations du Bee-plane: optimisation
o Winglets
o Exemples de winglets
o Efficacité d’une winglet
o Brevets winglet
4. Présentation du concept Bee-Plane
o Principe du Bee-Plane
o Principe du basket
o Expliquer le gain sur un exemple (voir plus)
o Structure projet du projet (ce que font les autres)
5. Objectifs : viabilité technique
6. Présentation générale du fonctionnement du programme
o Code MATLAB (Objectifs et principes et modèles)
o Nouveau Bee-Plane
o Clip-Air
o Le code peut être appliqué à une large gamme d’avions.
o Perspective : Format générique et évolutif pour l’avion pour un partage entre les différents
acteurs.
7. Contenu du projet
o Configuration optimale pour les ailes et dérives
o Réduction de traînée : ailettes marginales
o Décollage et atterrissage
o Panne Moteur
o Planning du projet
1. Limites actuelles et défis à relever
L'industrie aéronautique a connu un essor spectaculaire dans la deuxième moitié du XX siècle grâce à
différentes innovations comme le moteur à propulsion. Ainsi la consommation par siège par kilomètre a été
divisée par 4, le trafic aérien a été multiplié par 100. Néanmoins plusieurs défis de taille guettent
l'aéronautique : défi technique, défi énergétique, et défi environnemental.
En ce qui concerne la technique d'après de nombreuses analyses, l'architecture des avions n'a que très peu
variée depuis les années 50 avec le lancement du Comet (premier avion commercial équipé de
turboréacteurs). Repenser la forme des avions (ailes volantes..) peut être l'une des principales clés.
Le point de vue énergétique est développé un peu plus loin dans le rapport. Cependant on peut s'attarder
sur le graphique ci-dessous présentant la consommation par km par passager en fonction du temps. On
peut constater qu'une asymptote est bientôt atteinte. Donc jouer sur une baisse de la consommation n'est
plus un facteur majeur. De plus dans le contexte d'une probable pénurie de kérosène vers 2030 il est plus
que jamais nécessaire de trouver un substitut au kérosène.
Enjeu majeur actuel des sociétés, l’écologie est en lien direct avec l'aéronautique. L'industrie fait depuis de
nombreuses années des efforts considérables pour diminuer les émissions de CO2, suies et autres
monoxyde de carbone dans l'atmosphère. D'autre part les nuisances sonores constitue un point à améliorer
pour l'aviation. Bien que, grâce aux avancées techniques, des progrès ont été constatés, ces avancées sont
néanmoins masquées à cause de l'augmentation du trafic. En lien direct avec notre projet, X. Dutertre nous
a proposé de modéliser sur le Bee-Plane des open rotors. Cependant à l'heure actuelle ces moteurs sont
très bruyants et nécessitent des améliorations avant une commercialisation future.
2. Technologies dans l'aéronautique:
a. Équipement passif
Les avancées technologiques très récentes dans le domaine aéronautique ne sont pas spectaculaires mais
prennent forme petit à petit. Dans un souci d'optimiser continuellement les avions en terme de
consommation de kérosène, de nuisances sonores l'industrie cherche des solutions toujours plus
innovantes. C'est le cas avec la mise sur le marché de nouveaux sièges destinés aux avions moyen-courrier
crées par une start-up française (Expliseat). Le Titanium (nom du siège) comporte à peine 30 pièces contre
300-500 actuellement, ainsi son poids est de 4 kilos au lieu des 8 ou 15 généralement. Par conséquent un
avion comportant 150-200 sièges Titanium fera un gain de 2 tonnes, permettant ainsi une économie de 4%
de kérosène représentant jusqu'à 500 000 dollars par an par avion.
b. Vers une autre source d'énergie
D'un point de vue des carburants le kérosène demeure à l'heure actuelle le plus énergique 1kg de kérosène
brûlé dans l'air développe 42MJ. Cependant, EADS a pour projet de lancer dès 2030 un avion hybrideélectrique d'une centaine de places. Le principe semble simple: lancer l'avion à l'aide de kérosène puis des
batteries lithium-air prendraient le relais. Ces dernières se rechargeraient grâce à la rotation d'une turbine
entraînant une génératrice créant de l'électricité qui serait ensuite distribuée. Les moteurs seraient
fabriqués à partir de câbles supraconducteurs améliorant ainsi le rapport puissance-poids. Le gain de
puissance serait estimé entre 10 à 1000 comparé aux technologies actuelles.
L'énergie solaire peut constituer une alternative à l'électricité. En effet, en 2012 un avion ne fonctionnant
qu'à énergie solaire a réussi à faire le tour du monde. De plus, Certes, cette technologie n'est qu'au stade
de projet mais il ne serait pas surprenant que celle-ci prenne plus de place sur le marché à moyen-terme.
c.
Ailettes marginales ou «winglets» en anglais
Une winglet est une ailette sensiblement verticale située au bout des ailes d'un avion et qui permet un gain
d'efficacité de quelques pour-cents en réduisant la traînée induite par la portance sans augmenter
l'envergure de l'aile.
Les winglets étant une solution réellement envisagée et à implanter pour notre projet, nous
préférons leur consacrer une partie plutôt que d'en faire une description sommaire.
3. Nouvelles configurations du Bee-plane: optimisation
a. Winglets
Le terme winglet est issu d'une étude menée par la NASA dans les années 70. Cette petite pièce située en
bout d'aile a pour but de conférer aux appareils plus de stabilité et d'améliorer leurs performances en
réduisant de façon significative la traînée induite.
La traînée a pour origine une différence de pression entre l'intrados et l'extrados. La force sous l'aile étant
plus forte que celle au-dessus, le flux de pression va contourner le bout de l'aile et créer des tourbillons
marginaux-comme le décrit le schéma ci-dessous.
Ces tourbillons ont pour effet de forcer l'écoulement vers le bas faisant apparaître une composante
verticale orientée vers le bas appelée “downdash”.
L'enjeu consiste donc à minimiser cette traînée induite. Dans sa théorie de “la ligne portante”, L.Prandlt a
abouti aux résultats suivant : il existe une valeur minimale de la trainée induite lorsque la répartition de la
charge était elliptique.
Deux approches différentes permettent de réduire la traînée induite:
-La première approche consiste à se baser sur les travaux de Prandlt i.e. à augmenter la taille de
l'aile (cf dreamliner). Cependant, un allongement de l'aile entraîne une fragilisation de cette dernière
nécessitant des renforcements engendrant une augmentation du poids donc du coefficient Cz créant une
augmentation de la trainée induite.
-La deuxième approche vise à placer des ailettes marginales en bout d'aile pour réduire les
tourbillons marginaux donc de réduire la trainée induite tout en minimisant les efforts sur la structure. Bien
que les winglets ne soient pas fondamentalement plus efficace qu'un rallongement d'aile, elles permettent
néanmoins de réduire les efforts subis par la structure et apporte de la stabilité à l'appareil.
b. Exemples de Winglets
Il existe de nombreux winglets qui se distinguent de par leur forme mais aussi leur taille. Remarque: un
winglet plus grand va davantage s'opposer à la formation de tourbillons marginaux mais la traînée va être
plus grande. Le choix du winglet reste donc compliqué.
Voici quelques types de winglet:
Comparaison Elliptique (premier plan)
Ailette courbée (arrière-plan)
Ailette Split tip Scimitar
Ailette spiroïdale
Ailette à technologie avancée
Ailette portante
c. Efficacité d'un winglet
L'efficacité des winglets peut se quantifier à l'aide du coefficient dessus, où :
e: coefficient d'Oswald
λ: allongement de l'aile
S:surface
b: demi envergure
d. Brevets Winglet:
Blended Winglet Brevet: référence US5348253 A
Ce brevet a été déposé par Aviation Partners en 1993. Brevet qui a valu un différend juridique entre Airbus
(qui à tenter de le faire invalider) et Aviation Partners. Grâce à sa forme courbée la Blended winglet permet
une réduction du vortex en bout d’aile engendrant ainsi une réduction de la trainée induite. Ceci a pour
conséquences directes: des économies de carburants (depuis leur mise en place le gain de kérosène est
estimé à 11 milliards de litre de kérosène), une amélioration des performances aux décollages et
atterrissages, un nombre de personnes transportées plus important.
Elliptical Winglet Brevet: référence US 6484968 B2
Ce brevet a été déposé en 2000 par Felker et s’inscrit toujours dans la volonté de maximiser les
performances des appareils en réduisant la traînée induite. La forme elliptique voire parabolique de
l’ailette marginale fait référence explicitement aux travaux de Prandlt dont la théorie prévoit une
minimisation de la traînée grâce à cette forme elliptique. Cette ailette marginale accroît les performances
par rapport à la précédente ailette.
Wing tip device: référence US 20050133672
L’intérêt de ce dispositif est de pouvoir faire varier l'inclinaison de l'ailette marginale. Cette rotation du
winglet permet de changer les contraintes sur la structure de l'aile lors des différentes phases de vol
(décollage, turbulence etc.).
4. Présentation du concept Bee-Plane.
o Principe du Bee-Plane
Le Bee-Plane est un projet d’avion innovant, bouleversant la vision traditionnelle d’un fuselage entouré de
ses ailes. Pas si révolutionnaire dans le sens où les projets préliminaires du Bee-Plane positionnent encore
deux ailes rattachées au fuselage. Ce qui intrigue est de voir les ailes de l’avion ainsi que le cockpit se
détacher de la structure au milieu où se situent les passagers. Ainsi le Bee-Plane est un avion où le basket,
contenant les passagers et un réservoir de kérosène, est séparable du reste de l’avion, comprenant les
moteurs, les ailes ainsi que la cabine du pilote. Le fuselage du Bee-Plane est capable de décrocher le basket
une fois l’atterrissage terminé puis d’accrocher un nouveau basket afin de redécoller très vite, pour
optimiser le rendement.
o Principe du basket
Le basket, quant à lui, devra contenir ce que l’avion doit transporter. Dans un premier temps, le Bee-Plane
est rattaché au transport de voyageurs, ainsi le basket doit contenir des sièges pour ses passagers. Mais il
est aussi possible d’imaginer que le Bee-Plane serve à déposer un hôpital dans une zone sinistrée. Le basket
serait en lui-même un hôpital. Pour
optimiser le rendement de la flotte, en
diminuant le temps d’immobilisation au sol
des moteurs, le basket doit déjà contenir le
kérosène. Ainsi l’avion n’a pas besoin
d’attendre que le plein de kérosène se
fasse pour décoller, le réservoir se situera
dans le basket qu’il accrochera avant de
décoller, également le temps de
déchargement des bagages et de descente
des passagers n’est plus à prendre en
compte dans la gestion du trafic.
o Gain
Le Bee-Plane atterrit sur un aéroport, le basket se détache du fuselage et va se positionner dans la zone de
débarquement des passagers. Au même moment un basket avec à son bord des passagers et un réservoir
de kérosène plein a quitté la zone d’embarquement pour s’attacher au fuselage qui peut ainsi décoller très
rapidement après avoir touché le sol. Ainsi
ce système réduit considérablement le
temps d’immobilisation de l’avion au sol. Il
n’a pas besoin d’attendre le débarquement
puis l’embarquement des passagers, ni le
plein de carburant, temps durant lequel le
système est inexploité. On optimise ainsi
fortement l’exploitation de l’avion et donc
les coûts. La réduction des coûts est un
critère important dans le marché de
l’aviation, pour un service apporté au client
identique, le prix du billet à l’unité est un
critère pour le client qui choisit son mode de déplacement. Le Bee-Plane réduisant ses coûts pourra ainsi
réduire le prix du vol pour les passagers et donc aborder une clientèle plus large.
On peut à présent soulever la question de l’usure des pièces, en effet les pièces mécaniques telles que les
constituants du moteur ont moins de périodes de repos que sur un avion traditionnel. Ainsi les moteurs
chauffent continuellement, alors que sur l’avion que nous connaissons tous, le laps de temps entre le
décollage et l’atterrissage permet aux moteurs de refroidir. Il y a donc un compromis à faire entre le
rendement de l’avion (au sol, l’avion n’est pas productif) et le coût de maintenance d’un avion dont les
sous-systèmes sont beaucoup plus sollicités.
o Structure du projet
Xavier Dutertre a créé sa start-up afin de créer son projet de Bee-Plane. Ce projet étant futuriste et à un
stade d’étude peu avancé, il n’a pas assez de crédibilité pour obtenir des fonds suffisants. C’est pourquoi il
a fait appel à différentes écoles d’ingénieurs pour faire avancer les études préliminaires sur ce projet de
Bee-Plane. Les écoles utilisent leurs compétences dans leurs domaines respectifs : « Structure et
modélisation pour l’Estaca, modélisation mathématiques en aérodynamique pour Centrale Paris,
modélisation du moteur pour l’Insa Rouen et conception des ailes pour l’Ipsa. » (Article du Point, 24
octobre 2013)
o Présentation d’un modèle d’avion sous la forme d’un fichier XML
Le projet Bee-Plane étant étudié par plusieurs écoles d’ingénieurs qui n’ont pas forcément l’occasion de
travailler ensemble, il est nécessaire de trouver une manière de modéliser le Bee-Plane qui soit
interprétable par chacun des programmes réalisés par les différentes équipes qui travaillent dessus. Pour
cela, nous proposons d’utiliser le standard XML. Grace à un certain nombre de balises, nous prévoyons de
stocker les données nécessaires à l’utilisation du programme. Les autres équipes pourront également
ajouter d’autres balises contenant d’autres informations nécessaires à l’exécution de leurs programmes
respectifs. Ainsi, une version du Bee-Plane sera représentée par un unique fichier XML qui pourra être
lisible par tous les programmes proposés par les différentes écoles qui travaillent dessus, le tout sans que
l’utilisateur ait à se plonger dans le code de ces programmes
Voir annexe
5. Objectifs: viabilité techniques
Le Bee-Plane étant un avion de transport, il est destiné à transporter du matériel, des marchandises ou des
passagers d'un point à un autre et cela sur des distantes plus ou moins conséquentes. La plupart des avions
moyen ou long-courriers sont propulsés par réacteurs, ce qui fait du Bee-Plane un avion innovateur non
seulement pour «son basket» dont le principe a été expliqué plus tôt mais également sur son mode de
propulsion, puisque aujourd’hui, les appareils longs courriers n’utilisent pas de turbopropulseurs. Cela lui
permet d'atteindre des performances (Masse, capacité d'emport, aérodynamique, rayon d’action, marge
statique...) tout à fait acceptable et d'être beaucoup moins cher en terme de carburant.
a. Masse et capacité d'emport
La masse du basket est évaluée à 45-50 tonnes et l'avion sans le basket environ 25 tonnes.
La capacité d'emport est augmentée par rapport à d'autres modèles d'avion moyen-courrier : un Airbus
A320 a une capacité d'emport de 30 tonnes environ, un Boeing B737, une capacité d'emport de 20 tonnes
environ. La capacité d'emport du Bee-plane est évaluée à 40 tonnes d’après les simulations numériques
effectuées.
b. Aérodynamique
Les dimensions du Bee-plane sont comparables à celles de l’Airbus A321 :
(m)
Longueur hors tout
Longueur cabine
Envergure
Largeur fuselage ext.
Largeur fuselage int.
Epaisseur fuselage
Bee-Plane
35,11
Airbus A321
44,51
24,11
40
6,92
6,5
34,44
34,1
3,95
3,7
0,21
0,125
Le Bee-plane a donc une structure tout à fait compatible avec les structures aéroportuaires déjà existantes.
Un aéroport ne permettant pas de changer de basket pourrait toujours permettre à l'avion d'être au moins
d'être déchargé de manière traditionnelle (même si cela serait à éviter puisqu’on perd tout l’intérêt du beeplane).
c. Rayon d'action
Le rayon d'action de l'appareil est estimé à 7500 km par le code élaboré l'an dernier (cela à vitesse
constante). Un tel rayon d'action est confortant dans la mesure où les avions moyen-courrier couvrent en
moyenne des distances de l'ordre de 3000-4000 km. Le rayon d'action réel de l'appareil pourrait être
estimé entre 6000 et 6500 km: En effet les phases de décollage et de montée sont extrêmement
consommatrices de kérosène, ce qui n’a pas été pris en compte par le programme, qui a été utilisé pour le
cas d’un avion volant à vitesse constante en altitude. Cela explique l’estimation de la distance à 7500 km,
qui semble un peu optimiste.
d. Propulsion
Les turbopropulseurs TP400 permettent une division par trois de la consommation en carburant par
rapport aux turbo réacteurs généralement utilisés sur cette gamme d’avions. L’objectif du Bee Plane est de
1,6L/passager/100km. Le Bee-Plane n'est donc pas seulement intéressant pour sa modularité mais
également pour son faible coût en carburant par rapport aux autres avions moyen-courrier.
CFM56 est utilisé sur les airbus A321 et quelques Boeing 737, les turbines JT8D sur d'autres modèles de
Boeing 737.
Caractéristiques du TP400:
Puissance (kW)
Taux de compression
Température entrée turbine (°C)
Longueur (m)
Diamètre (m)
Masse (kg)
8203
25:01:00
1225
3,5
0,92
1890
Le Bee Plane est donc pensé pour limiter l’empreinte environnementale. Cependant, la gêne sonore
générée reste importante, même si elle est plus faible que celle d’un réacteur.
Dans le cas du Bee-Plane, on peut évaluer la portance, à une vitesse de 855 km/h: 1150691.7972 N
e. Marge Statique
La stabilité longitudinale d'un avion est son aptitude à revenir à une position d'équilibre en tangage quand
la trajectoire a été modifiée par le pilote ou par un agent extérieur (ascendance, turbulence). La marge
statique mesure cette stabilité longitudinale.
Le positionnement du centre de masse influe sur la stabilité et la manœuvrabilité de l'appareil : un centre
de masse trop en arrière diminue la stabilité et augmente la manœuvrabilité, un centre de masse trop en
avant augmente la stabilité et diminue la manœuvrabilité. Le centre de masse est donc situé entre deux
limites : limite de centrage arrière et limite de centrage avant.
La marge statique vaut alors la différence entre le centre de masse et la limite de centrage arrière (qui
correspond à la position du foyer de l'avion ).
Dans le cas du Bee-Plane choisi comme optimal selon les travaux de l'an dernier, la simulation
fournit les résultats suivants:
- Centrage avant, stabilité, marge statique: 0.48935 m
- différence de hauteur entre les deux: 0.26946 m
6. Présentation générale du fonctionnement du programme:
L’avion est reconstitué à partir de plusieurs types de formes élémentaires, à savoir des ailes, des cylindres
et des moteurs. On définit des caractéristiques pour chacun de ces éléments. Par exemple, un objet de type
aile sera défini par sa position, sa longueur, sa masse, les coordonnées de son barycentre, sa corde à
l’emplanture, son type de profil etc. Le programme calcule les caractéristiques aérodynamiques de chacun
de ces éléments: la portance, la traînée, la position du centre de poussée. On en déduit ainsi les
caractéristiques de l’avion: on somme les contributions à la portance et à la traînée de chaque élément
pour obtenir la portance et la traînée globales. Pour obtenir la position du centre de poussée de l’avion, on
fait le barycentre des centres de poussée de chaque élément pondérés par la portance de chaque élément.
Ainsi, grâce au programme et aux données du constructeur, on peut calculer la marge statique (donc une
évaluation de la stabilité de l’avion), la charge utile, la puissance demandée aux moteurs pour maintenir
l’avion en vol dans certaines conditions de masse, vitesse, altitude et incidence. En connaissant les
caractéristiques des moteurs, on peut en déduire leur consommation, puis le rayon d’action de l’avion pour
une capacité donnée de carburant.
La représentation modulaire de l’avion est un choix qui comporte son lot d’avantages et d’inconvénients:
Parmi les inconvénients, on peut mentionner le fait que l’on néglige les couplages aérodynamiques entre
les éléments. On ne prend pas en compte qu’un élément puisse modifier l’écoulement iancident d’un autre
élément situé plus en aval : par exemple si une aile est placée devant une surface portante et modifie la
vitesse de l’air autour de cette surface, la diminution de portance ne sera pas prise en compte. Enfin, le fait
de modéliser un fuselage par un cylindre est évidemment une approximation importante.
L’avantage de la conception modulaire du programme réside dans le fait qu’on peut très facilement faire
varier un paramètre et étudier son influence sur les performances générales de l’avion. On peut ainsi
rapidement déterminer si une configuration est viable ou non dans les conditions de vol étudiées. Après
avoir déterminé un nombre réduit de configurations viable, il est clair qu’il faudra se livrer à des études
aérodynamiques plus fines et peut-être à des essais de maquettes en soufflerie.
INPUT:
Il suffit définir la configuration de l’avion: pour chaque élément on entre les données techniques connues
du constructeur: la longueur, la masse, la position du barycentre, les coordonnées…
Par exemple, pour représenter le Bee-Plane, on utilisera deux objets de type cylindre à base elliptique pour
simuler le basket et le fuselage du Bee. Avec des objets de type aile, on modélise les deux ailes et les
différentes surfaces qui constituent l’empennage de l’avion. Enfin, avec les objets de type moteur, on peut
représenter les moteurs de l’avion.
Exemple: définition du élément ‘’Aile droite’’
CODE: MatLab
Structure.Element(1).Nom='Aile Droite';
Structure.Element(1).Type='Aile';
Structure.Element(1).Masse=4000;
Structure.Element(1).Incidence=3; %en degrés
Structure.Element(1).Longueur=20;
Structure.Element(1).Naca='4415';
Structure.Element(1).GouD='D';
Structure.Element(1).Raccord_Avion=[9,1.5,0]; % en général : la cote est positive pour une aile gauche, négative
pour une aile droite
Structure.Element(1).Raccord_Element=[0,0,0];
Structure.Element(1).Rotation=[0,3*pi/180,0];%en radians : [azimut, assiette, gite]
Structure.Element(1).C_Root=5 ;
Structure.Element(1).Rapport_Bases=2/5;% rapport de la corde en bout d'aile sur la corde à la base de l'aile
Structure.Element(1).Lambda_0=20*pi/180; % angle de la flèche de l’aile en radians
(Les lettres en gras sont les paramètres qu’ils faut ajuster pour l’avion)
Il faut définir quelle type d’analyse on veut effectuer, l’utilisateur doit entrer un de ces trois choix:
'paramétrique' ,'classique' ou 'nombre_d_éléments'.
OUTPUT:
Analyse classique:
L’analyse classique permet d’afficher un certain nombre de caractéristiques de l’avion:
 Surface de contact avec l’air (m²)
 Masse totale de l’avion (kg)
 Contribution de chaque élément à la masse totale (kg)
 Centrage Avant, Stabilité, marge statique (m)
 Centrage Arrière, Instabilité, marge statique (m)
 Importance relative des éléments pour la position du foyer de l’avion
 Portance totale de l’avion (N)
 Contribution de chaque élément à la portance totale (N)
 Traînée totale de l’ avion (N)
 Contribution de chaque élément à la traînée totale (N)
 Composante verticale des forces aérodynamiques (vers le haut) (N)
 Poids de l’avion (N)
 Capacité de charge (kg)
 Poussée nécessaire (N)
 Puissance tangentielle (W)
 Puissance fournie par les moteurs (W)
 Rayon d’action à vitesse constante de l’ avion (km)
 Endurance de l’avion (h)
Analyse Paramétrique:
Il s’agit d’une boucle, dans lequel on fait varier un (ou deux au maximum dans la version 2012-2013 du
code) paramètre de l’avion (par exemple l’envergure des ailes) après avoir établi une plage de variation
raisonnable et un pas de variation. Pour chaque valeur prise par le paramètre on fait une analyse classique,
ce qui permet ensuite de tracer l’évolution d’une donnée en fonction d’une autre. On obtient ainsi les
courbes suivantes:
 l’évolution de la position du foyer et du barycentre
 l’évolution de la marge statique
 évolution du rayon d’action
 évolution de la charge utile de l’avion
 évolution de la traînée totale de l’avion
 évolution de la portance totale de l’avion
 évolution de la finesse de l’avion
 évolution de la puissance à fournir
 rapport puissance à fournir / puissance disponible
On peut ainsi essayer de choisir notre paramètre afin d’obtenir des performances optimales.
Analyse Nombre d’éléments:
Cette analyse permet d’ajouter un ou plusieurs éléments à la structure initiale. On définit les
caractéristiques de ces éléments, et l’analyse paramétrique va afficher côte à côte les performances de la
configuration de l’avion et celles de la nouvelle configuration, qui prend en compte les éléments
supplémentaires. Cela permet de visualiser rapidement l’impact qu’aurait un nouvel élément sur les
performances globales. Cette fonctionnalité est intéressante pour créer rapidement une nouvelle
configuration des empennages: on peut visualiser facilement l’ajout de surfaces supplémentaires
Exemple de modélisation d’un avion à l’aide du programme : modélisation du Clip-Air
Le programme permet de modéliser non seulement les différentes configurations envisagées pour le BeePlane, mais aussi des modèles d’avions extrêmement variés, avec toutefois certaines limites. Par exemple,
nous avons modélisé un autre type d’avion modulaire étudié par les élèves ingénieurs de l’EPFL, l’aile
volante Clip-Air, qui répond au même concept que le Bee-Plane, tout en présentant une configuration
encore plus en rupture avec les avions de ligne actuels. C’est une aile volante propulsée par 3 turbofans et
qui doit être capable d’emporter sous voilure trois fuselages détachables de 30 tonnes chacun, pouvant
emporter 150 passagers chacun. Nous avons tenté d’estimer les dimensions et masses des différents
éléments constitutifs à partir des données sur d’autres avions.
Représentation 3D du Bee-Plane : voir figure n°1
Représentation 3D du clip-air : voir figures n° 2, 3 et 4
Analyse critique du code
On a constaté que la version actuelle du code n’est pas encore adaptable à tous les avions, parce qu’on a
trouvé deux limites : la première est que le code gère seulement deux valeurs du paramètre NACA qui sont
4415 et 0006 (valeurs utiles pour le bee-plane). Le deuxième est que le code gère une variation du
paramètre C_root (largeur de l’aile au niveau du raccordement) entre 0 et 8, la valeur utile pour le beeplane est au maximum 5. Mais pour la simulation du clip-air le maximum est 25. Le code actuel n’est donc
pas adapté.
Cela définit un nouvel objectif pour notre projet, consistant à adapter le code pour n’importe quel avion.
7. Contenu du projet
Le travail de l'an dernier a donné lieu à un code Matlab permettant d'évaluer les performances du beeplane en vol stationnaire: portance subie, puissance nécessaire au maintien en vol... Cela, en prenant en
entrée les paramètres de l'appareil mais aussi les conditions de vol: taille des ailes, du fuselage, vitesse,
altitude...
Le travail de cette année est censé reprendre le code mis au point l'an dernier pour aller plus loin dans la
modélisation. Il s'agira de chercher la configuration optimale pour les ailes et dérives; implanter la
réduction de traînée engendrée par les ailettes marginales; ainsi que certains cas particuliers non pris en
compte par le code actuel: décollage, atterrissage, panne d'un moteur,...
a. Configuration optimale pour les ailes et dérives
Les ailes de l'avion sont responsables de la sustentation en l'air de l'appareil. Perpendiculairement au flux
d'air incident sur l'aile sera créée une force, dite force de portance, qui s'opposera au poids de l'avion et qui
permettra à celui-ci de voler. Les caractéristiques de cette force, telle que son intensité, sont directement
liées à la géométrie de l'aile que ce soit sa forme, sa longueur, sa surface totale.
La dérive d'un avion, est une surface verticale s'apparentant à une aile « verticale ». Elle assure la stabilité
de l'appareil lors d'un changement de direction. Les gouvernes de profondeur, quant à elles permettent de
changer de direction. Tout comme les ailes leur géométrie influe sur les performances de l'avion.
Il est donc nécessaire de chercher à optimiser les formes et surfaces de ces différents éléments ensembles,
cela se fera en faisant appel au code à être implanter cette année.
b. Réduction de traînée: ailettes marginales
L'ailette marginale vise à récupérer une partie de l'énergie tourbillonnaire induite par la portance.
Correctement positionné, l'ailette marginal peut récupérer une partie de l'énergie du tourbillon. Cela a
pour effet d'augmenter l'allongement effectif de l'aile et de réduire la traînée induite par la portance, sans
augmenter l'envergure.
L'impact des ailettes marginales se situera donc au niveau de la force de traînée pour notre modèle. Il
faudra donc choisir une modélisation de leurs influence puis l'implanter dans le code.
c. Décollage et atterrissage
On ne peut concevoir un avion sans prendre en compte ces deux phases, il est donc tout à fait primordial
de s'y intéresser. Ce sont les phases transitoires pendant lesquelles l'appareil passe de l'état statique au sol
vers le vol et vice-versa.
Le décollage est une phase critique car le pilotage peut être compliqué par la faible manœuvrabilité à basse
vitesse, la présence d'obstacles ainsi que par les phénomènes météorologiques ou les incidents techniques.
L'atterrissage est la phase finale du vol, à l'issue de la procédure d'approche et pendant laquelle il se pose
sur le sol. Dès que le premier contact avec le sol est effectué, le pilote réduit complètement la puissance
des moteurs et commence a freiner et dès que le train avant touche le sol le pilote augmente le freinage.
On cherchera alors à valider les performances du bee-plane, autrement dit si oui ou non le bee-plane peut
décoller/atterrir et ce de manière sûre, puis dans le dernier cas à en dégager les marges de sécurité. Cette
étude ne s'intéressera qu'à la phase de décollage tout juste après la perte de contact avec le sol et à la
phase d'atterrissage tout juste avant la prise de contact avec le sol. On délaissera donc toute l'étude
concernant l'interaction avec la piste.
Il est à noter que ces phases sont très différentes de la phase de vol stationnaire et ajoutent de nouvelles
contraintes au dimensionnement de l'avion. Sachant que les dimensions de l'avion dites optimales restent
dans tous les cas un jugement ( qui implique donc une part de subjectivité ); de nouvelles contraintes
permettent de limiter la plage de valeurs acceptable pour le dimensionnement et donc de renforcer le
choix émis quant à la configuration dite optimale.
d. Panne Moteur
Une panne moteur est un incident où un moteur de l'avion cesse de façon inattendue de produire la
puissance nécessaire à la poussée de l'avion. Les propulseurs en service sur les avions d'aujourd'hui sont
tout à fait fiables. Il est commun que les moteurs fonctionnent des dizaines de milliers d'heures sans aucun
problème avant d'être retirés du service pour une inspection programmée. Cependant, des défauts de
fonctionnement de moteur ou des accidents peuvent éventuellement se produire, ce qui peut mener à un
arrêt en plein vol du moteur. Puisque les avions ont plusieurs moteurs, ils sont conçus pour pouvoir voler
avec un moteur inopérant et les équipages des aéronefs sont formés pour parer à cette éventualité.
Il est donc nécessaire de vérifier dans quelle mesure le bee-plane serait apte à remplir cette norme de
sécurité et de mesurer l'impact ( déviation, perte de vitesse,... ) d'un tel incident en plein vol.
e. Planning du projet
 Annexe
Nous allons commencer par reprendre les principaux éléments qui constituent un avion de ligne et qui
interviennent dans la modélisation de l'avion:
CODE:XML
<modele>
<name>
</name>
<fuselage>
</fuselage>
<wing>
</wing>
<motor>
</motor>
<tailplane>
</tailplane>
</modele>
Le fuselage est représenté par un ou plusieurs cylindres elliptiques, chacun étant caractérisé par
son nom, sa masse, sa hauteur, la position du raccord de l'élément à l'avion, les dimensions de la
section elliptique, les coordonnées de son barycentre. Par exemple, dans le cas du Bee-Plane, dont
le fuselage est modélisé par deux cylindres un pour le Basket et un pour le fuselage propre de
l’avion :
CODE: XML
<fuselage>
<cylinder>
<name> "fuselage bee" </name>
<mass> 10000 </mass>
<barycenter>
<x>15.5</x>
<y>3.75</y>
<z>0 </z>
</barycenter>
<length> 21 </length>
< base_dimensions>
<width> 1 </width>
<height> 0.9 </height>
</ base_dimensions>
<aircraft_join> <!-- Coordonnées de la pièce par rapport à l’avion -- !>
<x>5 </x>
<y>1.5</y>
<z>0 </z>
</aircraft_join>
<element_origin>
<x>0</x>
<y>0</y>
<z>0</z>
</element_origin>
<rotation>
< x_axis> 0 </x_axis>
< y_axis > 0 </ y_axis >
< z_axis > 0 </z_axis >
<!-- note: on pourrait adapter le programme de telle sorte qu'il assigne une valeur
par défaut pour les paramètres pour lesquels aucune valeur n'a été renseignée.
Ainsi, si rien n'est précisé dans le fichier XML, on pourrait mettre par défaut les
angles de rotation à 0. -->
</rotation>
</cylinder>
<cylinder>
<name> "basket" </name>
<mass> 50000 </mass>
<barycenter>
<x>12.5</x>
<y>0</y>
<z>0 </z>
</barycenter>
<length> 25 </length>
<base_dimensions>
<width> 3.5 </width>
<height> 1.5 </height>
</base_dimensions>
<aircraft_join>
<x>0</x>
<y>0</y>
<z>0</z>
</aircraft_join>
< element_origin>
<x>0</x>
<y>0</y>
<z>0</z>
</ element_origin>
<rotation>
< x_axis> 0 </x_axis>
< y_axis > 0 </ y_axis >
< z_axis > 0 </z_axis >
</rotation>
</cylinder>
</fuselage>
On pourrait aussi très bien représenter de cette façon un avion avec plusieurs fuselages, soit en
créant plusieurs balises de type fuselage, soit en considérant que l'avion possède un fuselage
double et en modélisant les deux fuselages par deux cylindres dans une même et unique balise
fuselage.
La voilure et l'empennage seront constituées de balises de type "wing", qui contiendront ellesmêmes des informations sur la position, l'incidence, la longueur, le profil d'aile...
Par exemple, si l'on veut représenter les ailes du Bee-Plane, on aura le code suivant:
CODE: XML
<wing>
<nom>"Aile droite"</nom>
<orientation> "droite" </orientation>
<mass> 4000 </mass>
<length> 20 </length>
<aircraft_join>
<x>9 </x>
<y>1.5</y>
<z>0 </z>
</aircraft_join>
<element_origin>
<x>0</x>
<y>0</y>
<z>0</z>
</element_origin>
<rotation>
< x_axis> 0 </x_axis>
< y_axis > 3 </ y_axis >
<!-- en degrés -->
< z_axis > 0 </z_axis >
</rotation>
<root_width> 5 </root_width>
< bases_ratio> 2/5 </ bases_ratio> <!-- rapport de la corde à l'extrémité sur la corde à
l'emplanture -->
<NACA> "4415" </NACA> <!--type de profil -->
</wing>
<wing>
<name>"Aile gauche"</name>
<orientation> "gauche" </orientation>
<mass> 4000 </mass>
<length> 20 </length>
<aircraft_join>
<x>9 </x>
<y>1.5</y>
<z>0 </z>
</aircraft_join>
<element_origin>
<x>0</x>
<y>0</y>
<z>0</z>
</element_origin>
<rotation>
< x_axis> 0 </x_axis>
< y_axis > 3 </ y_axis >
< z_axis > 0 </z_axis >
</rotation>
<root_width> 5 </root_width>
<bases_ratio> 2/5 </bases_ratio>
<NACA> "4415" </NACA>
</wing>
L'empennage peut être constitué d'un nombre plus ou moins important d'ailes en fonction de la
complexité de sa forme.
On utilisera autant de balises de type "motor" qu’il y a de moteurs sur notre avion.
Prenons l'exemple d'un des turbopropulseurs TP400 qui doivent équiper le Bee-Plane:
CODE: XML
<motor>
<name>"moteur droit"</name>
<type>"TP400"
</type>
<power> 8000000 </power> <!-- en Watts -->
<mass> 1890 </mass>
<!--coordonnées, dimensions... -->
</motor>
Notre fichier va également nous servir à décrire les conditions de vol (en dehors de la balise
"modele" telles que l'altitude, l'incidence ou la vitesse.
CODE: XML
<flight_conditions>
<altitude>12800</altitude>
<speed>238</speed>
<incidence>0</incidence> <!--toujours en degrés-->
</ flight_conditions >
Grâce à un tel fichier et en utilisant un parseur XML (Matlab possède par défaut des fonctions
pour lire les fichiers XML) dans le programme de modélisation du Bee-Plane, nous pourrons gérer
de tels fichiers qui permettront de faire une sorte de synthèse des différents aspects techniques
du Bee-Plane en un seul fichier.
 Figure n°1
 Figure n°2
 Figure n°3
 Figure n°4