Lateral stability and control of an aircraft equiped with a small fin by differential use of propulsion systems or by actuators such that butterfly airbrakes. Use of co-design methods

par Eric Nguyen Van

Thèse de doctorat en Automatique

Sous la direction de Daniel Alazard et de Carsten Döll.

Le président du jury était Franck Cazaurang.

Le jury était composé de Daniel Alazard, Carsten Döll, Franck Cazaurang, Mark Lowenberg, Isabelle Fantoni-Coichot, Philippe Pastor.

Les rapporteurs étaient Franck Cazaurang, Mark Lowenberg.

  • Titre traduit

    Stabilité et contrôle latéral d'un aéronef à petite dérive par utilisation différentielle des systèmes de propulsion ou par actionneurs de type volets crocodiles ou autre. Utilisation de méthodes de co-design


  • Résumé

    Cette thèse étudie la possibilité d’améliorer les performances d’un avion de transport à travers un relâchement de la stabilité de route et une réduction de l’empennage vertical. L’idée principale est l’utilisation active de la poussée différentielle, rendue possible grâce au changement de paradigme apporté par la propulsion électrique distribuée. Ce moyen de contrôle supplémentaire et la réduction de l’empennage vertical sont étudiés en trois axes principaux. L’objectif de la première partie est l’évaluation de la stabilité de route ainsi que la contrôlabilité directionnelle de l’avion afin d’identifier les conditions de vol dimensionnant l’empennage vertical. Une contribution est apportée afin de prendre en compte l’aspect non-conventionnelle de la propulsion électrique distribuée. Des outils mathématiques sont développés pour trimmer l’avion utilisant la poussée différentielle comme moyen de contrôle et des outils aérodynamiques sont développés afin de modéliser un empennage vertical de taille variable ainsi que les interactions aéro-propulsives apparaissant sur une voilure soufflée par des hélices. Cette analyse permet d’isoler des conditions dimensionnantes, particulièrement en cas de pannes moteur au décollage et conduit à une réduction significative de la taille de l’empennage pour des cas statiques. De plus, il est montré que la gouverne de direction peut être remplacée par la poussée différentielle. Dans une seconde partie, les aspects dynamiques d’un avion utilisant la poussée différentielle à la place d’une gouverne de direction sont abordés. Une méthode est proposée afin de répondre au questionnement suivant : comment l’empennage vertical et les systèmes de propulsion devraient être dimensionnés afin de satisfaire un ensemble de qualités de vol imposées ? Une architecture de contrôle automatique et une méthode de co-design se basant sur la synthèse H1 structurée et sur des outils d’optimisation non convexe sont utilisés pour gérer le compromis entre la taille de l’empennage vertical et la bande passante des moteurs. Cet ensemble d’outils est ensuite mis à contribution pour étudier l’avion dans les conditions définies dans la première partie et notamment en présence de pannes moteur. Dans une dernière partie, un moyen de recherche expérimentale est développé afin de contribuer à un effort de production de donnée sur la propulsion électrique distribuée. Ce démonstrateur de vol est spécifiquement orienté vers l’étude de la mécanique de vol latérale d’un avion possédant une aile soufflée. Il a été possible d’identifier depuis les mesures réalisées en vol, les dérivées aérodynamiques de l’avion ainsi que leur dépendance à la poussée. Cela a ensuite permis d’illustrer les particularités de la dynamique de vol d’un avion à propulsion distribuée et aile soufflée.


  • Résumé

    The possibility to increase the performance of a transport aircraft through a relaxation of the directional static stability, also called weathercock stability, is studied in this thesis. A change of paradigm brought by the concept of distributed electric propulsion allows the consideration of an active use of differential thrust. This additional means of flight control and the reduction of the vertical tail are the main ideas explored in this work. In a first part, the directional static stability and controllability of an aircraft are evaluated to find the sizing flight conditions for the vertical tail. The contribution here is to take into account the specificities of the unconventional propulsion system. Mathematical tools are developed to trim the aircraft using differential thrust as a mean of directional control and aerodynamic tools are constructed to describe the variable vertical tail size and the aero-propulsive interactions taking place between a propeller and a wing. This analysis isolates a sizing flight condition, particularly the case of engine failure at take-off, for the vertical tail and leads to a significant reduction in surface area. It is also shown that the rudder control surface could be removed and replaced by differential thrust. In a second part, the flight dynamic aspects of an aircraft with a small vertical tail and differential thrust as the only means of directional control are studied. A methodology is proposed to answer the question of how should the vertical tail and propulsion system be designed to satisfy a set of prescribed flight handling qualities ? An automatic control architecture and co-design methodology relying on structured H1 control design and non convex optimisation tools are utilized and developed to manage the trade off between vertical tail size and engine bandwidth. This framework is used in the flight conditions defined in the first part and notably in presence of engine failures. In a last part, a means of experimental research is developed to contribute to an effort to produce experimental data on distributed electric propulsion. This flight demonstrator is specifically oriented toward the study of the lateral flight mechanics of an aircraft having a large portion of the wing embedded in the propeller slipstream. It was possible to identify the aerodynamic derivatives and their dependence on the thrust from the flight data to illustrate the particularity of flight dynamics with distributed propulsion and blown wing.


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