Development and optimization of novel morphing wings for the next-generation aircraft

Résumé

L’industrie aéronautique a pour objectif de réduire les émissions de carbone dans cette ère dangereuse de réchauffement climatique en adoptant diverses stratégies et technologies nouvelles. Réduire la consommation de carburant d’un avion pourrait considérablement contribuer à cet objectif au sens large. L'amélioration de la flotte d'avions de nouvelle génération grâce à l'utilisation de ces nouvelles technologies ouvre la voie à la réalisation des objectifs de l'aviation verte, à savoir d’une industrie aéronautique respectueuse de l'environnement. En utilisant la technologie prometteuse des ailes déformables, cette thèse explore les ailes de nouvelle génération visant à améliorer leur performance aérodynamique. Cette recherche porte sur des approches de innovantes et spécifiques qui pourraient être applicables sur le bord de fuite des ailes. Deux nouvelles approches pour des ailes déformables sont expliquées dans cette thèse, l'une étant le volet SMTE (Seamless Morphing Trailing Edge) et la seconde la conception d'ailerons et d'ailettes déformables par torsion. La première approche remplace les volets principaux conventionnels d'un avion, et la deuxième approche remplace par ailerons conventionnels au bout de l'aile. À cette fin, une optimisation de la forme aérodynamique 3D est effectuée pour chaque approche d’aile déformable à l'aide d'un algorithme d'optimisation haute-fidélité. L'algorithme d'optimisation basé sur le gradient est programmé dans le solveur de flux haute-fidélité OpenFOAM. Le code Open Source adjoint orienté objet appelé DAFoam a été utilisé. La technique de paramétrage de déformation de forme libre (FFD), qui est une méthode efficace d'optimisation 3D a aussi été utilisé, Dans cette méthode, des centaines ou des milliers de variables de conception sont prises en compte lorsqu'on parle d'optimisation d'une aile complète ou d'un avion à grande échelle. Chaque approche d’aile déformable est spécifiée par une fonction objectif adaptée en fonction des objectifs de la mission et des conditions de vol. L'optimisation des volets déformables lisse du bord de fuite pour différentes conditions de vol, y compris la montée, la croisière et la descente planée, grâce à l'optimisation de la forme aérodynamique en régime permanent haute-fidélité et l'analyse comparative avec les volets articulés conventionnels démontrent la supériorité du volet déformable, montrant jusqu'à 3,8 % réduction de puissance et 6,13% d’augmentation de taux de montée. Le volet déformable lisse améliore également l'efficacité aérodynamique jusqu'à 17,8 % et étend l’écoulement laminaire sur la surface supérieure de l'aile. De plus, un gain d’endurance de 61,2 % a été réalisé par rapport à celle de la configuration de l’aile. Enfin, la configuration optimisée pour la descente en plané a permis d'obtenir une réduction remarquable de 43 % du taux de descente. Une autre optimisation de forme aérodynamique basée sur un gradient haute-fidélité est effectuée pour améliorer l'efficacité de roulement et réduire la traînée induite en introduisant une nouvelle conception d'aileron et d'ailette déformable en torsion. L'aileron déformable par torsion a augmenté l'efficacité des ailerons par 34 % et a réduit la traînée induite par 61 % par rapport à leur conceptions conventionnelles. D'autre part, les ailettes déformables en torsion ont réduit la traînée induite par 25,7 % en vol de croisière et par 16,51 % en montée, ainsi elles ont réduit la traînée totale jusqu'à 7,5 % et ont amélioré l'efficacité aérodynamique jusqu'à 9%. Après avoir obtenu des améliorations aérodynamiques prometteuses grâce au volet SMTE, l'étude a été développé en proposant le nouveau mécanisme de la trompe d'éléphant (ETM), un concept de bio-inspiré dérivé de la trompe flexible et polyvalente d'un éléphant. Une analyse structurelle et une optimisation de la topologie ont été effectuées pour examiner la faisabilité et le caractère pratique du mécanisme proposé. L'ETM utilise des éléments en forme de dents fixés à un caisson d'aile solide, actionnés par des câbles métalliques pour obtenir une déformation vers le bas du bord de fuite. L'analyse par des éléments finis et l'optimisation de la topologie garantissent la faisabilité structurelle et la stabilité de l'ETM, conduisant à un mécanisme de déformation fiable et léger. Enfin, l'analyse expérimentale est réalisée en prototypant le volet SMTE équipé du mécanisme en trompe d'éléphant pour valider les résultats obtenus à partir d'études aérodynamiques et structurelles. Cette étude a non seulement finalisé l'étude approfondie sur le développement d'un volet déformable de bord de fuite, mais plus important encore, elle a confirmé les avantages prometteurs du volet SMTE en termes de performances aérodynamiques et de faisabilité structurelle. Ces études démontrent le potentiel des technologies d’ailes déformable pour améliorer considérablement les performances, l’efficacité et la maniabilité d’un avion, ouvrant ainsi la voie à leurs mises en oeuvre pratiques dans les avions de nouvelle génération.

Date	31 juil. 2025
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ruxandra Botez (Directeur(-trice))