Sizing, stability, and control of novel aircraft configurations

• Auteur / Autrice : Oscar Gonzalez Gallego
• Direction : Marcel Mongeau, Christian Bès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mathématiques appliquées
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception technique

Avions -- Conception et construction

Mots clés libres

Dimensionnement avion

Conception avion

Design conceptuel avion

Optimisation multidisciplinaire (MDO)

Stabilité et Contrôle

Configurations avion innovantes

Résumé

Le processus actuel de conception avion est centré sur l'optimisation des performances du véhicule (minimiser la traînée de l'avion, réduire les niveaux de bruit, maximiser le Rayon d'Action, réduire les émissions polluantes, etc. ) et traite toutes les autres disciplines séquentiellement et en tant que contraintes de design. Parmi ces contraintes, la discipline de Stabilité & Contrôle est certainement la plus importante, bien qu'elle ne soit pas considérée comme telle. Outre le dimensionnement des stabilisateurs et des organes de contrôle de l'appareil, la Stabilité & Contrôle est intimement liée aux Performances, à la sécurité et aux aspects de certification de l'avion. Dans la première étape du cycle de conception avion (phase de Design Conceptuel), la Stabilité & Contrôle n'est traitée que partiellement et consiste simplement à exploiter des relations statistiques (coefficients de volume) et à mener quelques analyses statiques (Diagramme en Ciseaux). Ce n'est que plus tard dans le processus de développement avion (phase de Design Détaillée et essais en vol) que cette discipline joue un rôle dominant et que les choix de design faits à l'étape conceptuelle sont validés ou non. Bien que cette méthodologie de conception des stabilisateurs et des gouvernes fonctionne convenablement quand on considère des avions ayant une forme typique (voilure + fuselage tubulaire + empennage arrière), elle échoue lorsque l'on examine des avions ayant une forme non conventionnelle. De plus, la façon ''simple'' d'appréhender la discipline de Stabilité & Contrôle en phase conceptuelle conduit à des aéronefs sous-optimaux ayant souvent des problèmes de stabilité et/ou de contrôle qui non seulement sont coûteux à rectifier, mais qui peuvent également dégrader les performances du véhicule et compromettre sa sécurité. Ce travail de recherche a pour objectif d'établir une méthodologie de Design Conceptuel, à la fois générique, alternative et rapide, capable de dimensionner et d'optimiser tout type de configuration avion en accordant une importance particulière à la discipline de Stabilité & Contrôle. Dans cette méthodologie, le caractère séquentiel du processus de design conceptuel actuel est remplacé par une approche simultanée et intégrée d'Optimisation Multidisciplinaire (MDO), dans laquelle la discipline de Stabilité & Contrôle, en particulier, est considérée au même niveau que les Performances. L'approche de design proposée dans cette thèse vise à déterminer la forme avion satisfaisant, entre autres, un ensemble générique (i. E. Indépendant de la configuration avion) d'exigences de stabilité et de contrôle, tout en possédant les meilleures performances opérationnelles tout au long d'un profil de mission type. Comparé au processus de design avion traditionnel, le problème d'optimisation qui en résulte est davantage contraint d'un point de vue de la Stabilité & Contrôle et considère non seulement des critères statiques mais également des exigences dynamiques et de manœuvre. Cette méthodologie s'apparente à une démarche ''inverse'' puisque les caractéristiques souhaitées de stabilité et de contrôle sont imposées par avance en tant que contraintes du problème d'optimisation. Le concepteur cherche ainsi à déterminer la forme avion ayant des qualités de vol prédéfinies. L'intégration de la discipline de Stabilité & Contrôle dans l'étape conceptuelle de design requiert la mise à disposition d'un outil intégré et modulaire, servant de plateforme pour mener des analyses MDO. Un tel outil n'est cependant pas disponible à l'heure actuelle dans l'industrie civile. Pour pallier à ce problème, un outil simple permettant d'émuler l'environnement requis a été développé. La méthodologie présentée est illustrée avec deux configurations avion radicalement différentes mais ayant une taille semblable. Bien que le travail exposé ci-dessous ne constitue qu'une première étape pour résoudre le problème complet, on démontre cependant que la méthode est viable et que l'on peut obtenir des gains supplémentaires en performances en prenant en compte la Stabilité & Contrôle dès le stade de Design Conceptuel. L'approche permet également de comparer des configurations avions entre elles sur des bases entièrement physiques et objectives et non pas sur des opinions variées et subjectives, comme c'est le cas actuellement.

The current aircraft design process focuses on Performance optimization (minimize the airframe drag, reduce noise levels, maximize Range, reduce pollutant emissions, etc. ) and treats all other disciplines sequentially and as design constraints. Among the constraint disciplines, Stability & Control is the most important one, although not always recognized as such. Indeed, in addition to being responsible for equipping the airframe with stabilizers and controls that ensure the proper handling of the vehicle, Stability & Control is strongly tied to Performance, safety, and aircraft certification aspects. In the earliest aircraft design stage (Conceptual Design phase), the Stability & Control discipline is only partially considered and consists of little more than statistical relationships (volume coefficients) and static analyses (Scissors Plot). It is not until later in the aircraft development process (Detailed Design phase and flight tests), that the Stability & Control discipline plays a dominant role and where the airplane design choices made at the conceptual level are validated or not. Although this traditional design procedure proved to be ''successful'' when sizing the stabilizers and controls of typical airplanes (wing + tubular fuselage + rear empennage), it fails when the aircraft layout under study deviates from the conventional one. Furthermore, the wide discrepancy between the rather sophisticated manner in which the Stability & Control discipline is considered in the Detailed Design phase, compared to the relatively simple approach used during the Conceptual Design level, results in ''sub-optimal'' airplane designs with stability and/or deficiencies that not only are expensive to fix, but can also be detrimental to the vehicle performance characteristics and jeopardize its safety. This research work introduces a generic, alternative, and fast aircraft conceptual design methodology capable of sizing and optimizing any aircraft configuration by giving further importance to the Stability & Control discipline. In this methodology, the sequential character of the current conceptual design process is replaced with a simultaneous and integrated Multi-Disciplinary Optimization (MDO) approach in which the discipline of Stability & Control, in particular, is considered at the same level as Performance. The proposed design procedure aims at deriving the airplane outer shape satisfying, among others, a set of generic (i. E. Independent of the aircraft configuration) stability and control requirements, while possessing the best operational performance throughout a typical mission profile. Compared to the traditional aircraft design methodology, the derived optimization problem is much more constrained from the Stability & Control perspective and considers not only static requirements, but also dynamic and maneuver criteria. The methodology resembles an ''inverse'' (or ''reverse engineering'') design process since the desired stability and control features of the airplane are imposed in advance as constraints of the optimization problem. The conceptual designer therefore seeks to determine the aircraft shape having specific handling characteristics. Integrating the Stability & Control discipline at conceptual level requires a modular and integrated tool, capable of performing MDO, that is not yet available within the civilian aviation industry. To counter this, a ''simple'' tool was created for partially mimicking the environment required. The methodology is illustrated with two different aircraft configurations of similar size. Although the work presented herein represents only a small fraction of the whole research challenge, the methodology is demonstrated to be viable and it is shown that further performance benefits can be extracted if the stability and control constraints are taken into account from the early design stages. This approach also enables to compare different aircraft configurations from a physical and rational basis and not on subjective and disparate opinions, as is currently the case.