CRJ700 regional aircraft performances optimization using adaptive winglet systems

Résumé

Concerné par l’impact de l’aviation dans le réchauffement climatique, cette thèse vise à montrer les avantages d’équiper les avions d’ailettes adaptatives. Par soucis de validation, l’étude a été appliqué à l’avion régional CRJ700. En effet, le Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité (LARCASE) dispose d’un simulateur de vol qualifié d’un niveau D pour cet avion. Cet outil est essentiel dans cette recherche car il permet de délivrer des données de vol admettant une erreur maximale de 5% avec les données de vol réelles de l’avion. De plus, un modèle géométrique de l’avion CRJ700 a été fourni par le constructeur Bombardier, ce qui nous a permis de travailler avec la géométrie originale de l’avion exact. Un système d’ailette adaptative a été développé afin d’être présenté comme une solution à court terme pour améliorer les performances des avions et ainsi réduire leur consommation de carburant. L’ailette est l’une des dernières parties que l’on assemble sur un avion. En conséquence, il a été considéré que changer les ailettes conventionnelles par des ailettes adaptatives devrait être peu couteux d’un point de vue production. L’ailette adaptative développée dans cette thèse effectue une rotation entre -93 deg et +93 deg, en considérant que pour un angle de 0 deg, l’ailette est parallèle à l’horizon. Pour réaliser l’analyse aérodynamique, un modèle de haute-fidélité a été développé à l’aide du logiciel opensource OpenFoam. Une méthodologie spécifique a été établie afin de rendre le modèle entièrement paramétrique et convergent pour l’ensemble des conditions de vol testées, considérant des angles d’attaque entre -2 deg et +4 deg, ainsi qu’un nombre de Mach allant jusqu’à 0.79 pour une altitude de 30,000 ft. Pour l’ensemble des conditions de vol, le modèle aérodynamique a pu être validé avec précision, notamment en admettant une marge d’erreur maximale de 0.0026 sur l’évaluation du coefficient de trainée. En utilisant ce modèle, une étude aérodynamique a pu être effectuée. Face au coût de calcul, il a été choisi de réaliser des simulations pour les positions d’ailettes -93, -73, -35, 0, 35, 73 et 93 deg et d’ensuite prédire l’évolution des coefficients aérodynamiques pour les positions d’ailettes intermédiaires grâce à des méthodes d’interpolation. Cette méthodologie a permis d’étudier les coefficients aérodynamiques des différentes positions d’ailette disponible entre -93 et +93 deg, et pour 35 conditions de vols communément utilisées par l’avion CRJ700. En résultats, il a été trouvé que pour une même condition de vol le coefficient de portance d’un avion équipé d’une ailette adaptative été fortement augmenté alors que le coefficient de trainé avait été réduit par rapport à la configuration originale de l’avion. Ceci a permis de démontrer que pour un coefficient de portance donné, un avion équipé d’une ailette adaptative disposé d’une trainée 2.65% inférieure à la trainée du même avion équipé d’une ailette fixe. Une étude de performance a ensuite été conduite à l’aide d’un modèle développé et validé au LARCASE. Pour l’utiliser, une méthodologie a été développé afin d’isoler les contributions aérodynamiques du groupement « aile-fuselage » et « aile-horizontal de queue » de l’avion, à partir des calculs globaux effectué avec le logiciel OpenFoam. De plus une méthode pour calculer l’angle de déviation du fluide par l’aile (downwash) a été développé. À l’aide de ces données, des avantages d’équiper un avion avec des ailettes déformables ont pu être mise en avant, notamment avec un temps de monté amélioré de 4.21% (en moyenne), une consommation de carburant réduite de 3.79% en monté (en moyenne) et de 1.99% en croisière (en moyenne).

Date	29 juin 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ruxandra Botez (Directeur(-trice))