Exploration du dimensionnement et priorités d'optimisation dans la conception avion avec application à une aile volante avec propulsion électrique distribuée

Methodology for sizing and optimising a Blended Wing-Body with distributed electric ducted fans

• Auteur / Autrice : Alessandro Sgueglia
• Direction : Joseph Morlier, Nathalie Bartoli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 10/12/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe d'accueil doctoral Commande des systèmes et dynamique du vol (Toulouse, Haute-Garonne) - Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département conception et conduite des véhicules aéronautiques et spatiaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Gourinat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joseph Morlier, Nathalie Bartoli, Yves Gourinat, Dimitri N. Mavris, Trevor M. Young, Christian Bès, Roelof Vos, Fabrizio Nicolosi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dimitri N. Mavris, Trevor M. Young

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Conception et construction

Avions électriques

Aérodynamique

Mots clés libres

Aile volante

Optimisation

Conception avion

Propulsion hybride

Propulsion distribué

Sizing

Blended wing body

Aircraft design

Hybrid propulsion

Distributed propulsion

Résumé

L’augmentation du trafic aérien au cours des dernières décennies et ses prévisions constituent un défi majeur pour arriver à une croissance neutre en carbone. Pour atteindre cet objectif sociétal, il est nécessaire de définir, en rupture avec les configurations actuelles, des concepts d’avion de transport intégrant de nouvelles technologies avec au final un impact minimal sur l’environnement. Ces futurs véhicules aériens reposent entre autres sur diverses interactions entre systèmes, disciplines et composants. Aussi, ces travaux de recherche se focalisent sur le développement d’une méthodologie dédiée à l’exploration et à l’évaluation des performances de configurations non conventionnelles utilisant des concepts de propulsion innovants. Le cas d’utilisation à considérer est l’optimisation au niveau conceptuel d’une aile volante à propulsion électrique distribuée, un concept prometteur combinant des performances aérodynamiques élevées et les avantages de la propulsion électrique.Le processus d’optimisation qui se base sur FAST, l’outil de dimensionnement avionISAE-SUPAERO/ONERA, a été mis en oeuvre dans OpenMDAO, l’environnement d’analyse et d’optimisation multidisciplinaire Open Source de la NASA. Avec l’idée d’une complexité croissante de l’analyse de conception multidisciplinaire et d’une meilleure identification des différents effets, les deux éléments innovants ont été étudiés séparément. Premièrement, le processus classique a été révisé pour tenir compte des systèmes de propulsion hybride. Deuxièmement, une méthode a été appliquée pour estimer le dimensionnement d’une cellule avion radicalement innovante. Enfin, un processus de conception intégrant ces deux aspects inédits a été mis au point pour étudier un concept d’aile volante à propulsion électrique distribuée.En ce qui concerne le processus de conception, les résultats montrent que l’utilisation de gradients dans la procédure d’optimisation réduit les temps de calcul par rapport à une méthode sans gradient d’environ 70%. Ce gain en temps est un avantage important au niveau du processus avant-projet qui facilite les tâches du concepteur. Pour les performances au niveau avion, les résultats ont été comparés à ceux obtenus pour un avion de type A320 classique, fondés sur les mêmes exigences de haut niveau et le même horizon technologique. Globalement, le concept de propulsion électrique hybride est intéressant car il permet des opérations à proximité du sol (atterrissage, décollage) sans émission et d’économiser du carburant pour les missions situées en dessous d’une certaine distance franchissable. Cette limitation est associée à la présence de batteries : elles introduisent en effet une pénalité de masse significative qui ne peut être annulée par les avantages de l’électrification pour de longues distances. Des simulations supplémentaires indiquent qu’un concept d’aile volante fondé sur une architecture uniquement turbo-électrique consomme toujours moins de carburant que l’avion de référence dans les limites des hypothèses prises en compte.

The increase of air traffic in the last decades and its projections pose akey challenge towards the carbon neutral growth objective. To cope with this societal goal,there is a need for disruptive air transport aircraft concepts featuring new technologies withlow environmental impact. Such future air vehicle relies on the various interactions betweensystems, disciplines and components. This Ph.D. research thus focuses on the developmentof a methodology dedicated to the exploration and performance evaluation of unconventionalconfigurations using innovative propulsion concepts. The use case to be considered is the optimisationat conceptual level of a Blended Wing-Body with distributed electric propulsion, apromising concept which combines high aerodynamic performances and benefits from electricpropulsion.The optimisation process based on FAST, the ISAE-SUPAERO / ONERA aircraft sizingtool, has been implemented within OpenMDAO, the NASA open-source multidisciplinaryanalysis and optimisation framework. With the idea of a progressive enhancement of themultidisciplinary design analysis and a better capture of the different effects, the two pioneeringelements have been studied separately. First, the classical process has been revisedto take into account the new hybrid powerplant. Second, a methodology has been revisedto consider a radically new airframe design. Last, a design process featuring both innovativeaspects has been developed to investigate a Blended Wing Body concept with distributedelectric propulsion.Concerning the design process, results show that the use of gradients in the optimisationprocedure speeds up the process against a gradient-free method up to 70%. This is an importantgain in time that facilitates designer’s tasks. For the disruptive concept performances,results have been compared to the ones obtained for a conventional A320 type aircraft basedon the same top level requirements and technological horizon. Overall, the hybrid electricpropulsion concept is interesting as it allows zero emissions for Landing/Take-Off operations,improving the environmental footprint of the aircraft: fuel can be saved for missions below acertain range. This limitation is associated to the presence of batteries: indeed they introduceindeed a relevant penalty in weight that cannot be countered by benefits of electrification forlonger range. Additional simulations indicate that a Blended Wing-Body concept based on aturbo-electric only architecture is constantly performing better than the baseline within thelimits of the assumptions.