Conception de systèmes de dégivrage électromécaniques résonants à faible consommation

Design Of low consumption Resonant ElectroMechanical deIcing system

• Auteur / Autrice : Valérian Palanque
• Direction : Valérie Pommier-Budinger, Lokman Bennani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 28/11/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe d'accueil doctoral Analyse, Commande Dynamique et Conception des systèmes (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département conception et conduite des véhicules aéronautiques et spatiaux
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Dion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Pommier-Budinger, Lokman Bennani, Craig Lawson, Pierre Trontin, Marc Budinger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Dion, Craig Lawson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électromécanique

Avions -- Givrage -- Prévention

Avions -- Conception et construction

Mots clés libres

Conception

Électromécanique

Dégivrage

Design

Electromechanical

Deicing

Résumé

L'accumulation de glace sur les avions est un problème bien identifié depuis le début des années 1900. Les solutions actuellement utilisées en vol (soufflage d'air chaud provenant des moteurs, tapis chauffants électrothermiques, boudins pneumatiques gonflables, bobines électromagnétiques) offrent une protection efficace mais nécessitent une puissance ou un besoin en maintenance important. De plus, dans le cadre d’avions plus électriques, les systèmes dépendant des moteurs thermiques sont susceptibles de devenir obsolètes, ouvrant ainsi la voie à de nouveaux systèmes électriques. Les systèmes de dégivrage électromécaniques se sont récemment avérés pertinents en termes de consommation d'énergie et de masse embarquée, ce qui explique le travail poursuivi dans cette thèse pour développer ce système.Cette thèse se concentre sur la conception de systèmes de dégivrage électromécaniques résonants basés sur de nouvelles structures ou architectures d'actionneurs. Le système de dégivrage électromécanique résonant étudié est basé sur des actionneurs piézoélectriques. Alimentés par un courant alternatif, les céramiques piézoélectriques vibrent en excitant la structure à une fréquence donnée. Lorsqu'elle correspond à une des fréquences naturelles de la structure, l'amplitude des vibrations augmente grâce au phénomène de résonance, générant des niveaux élevés de contraintes et de déformations, dépassant finalement la résistance mécanique de la glace. L'objectif est de développer un prototype qui pourrait démontrer une protection efficace contre le givre pour une faible puissance absorbée (moins de 10 kW/m²).Afin de concevoir un système de dégivrage électromécanique résonnant efficace et peu consommateur, de nombreuse thématiques ont été étudiés et sont donc développés dans ce manuscrit de thèse.En se basant sur la mécanique des fractures, les mécanismes de fissuration et détachement de la glace sont étudiés. Tout d'abord, des simples échantillons plaques sont utilisés pour faciliter les calculs et les expériences. En utilisant l'analyse modale par éléments finis et les outils d'analyse de fracture, les différents mécanismes de fracture de la glace sont identifiés et les conditions de déclenchement définies. Les mécanismes théoriques supposés sont confirmés par des vérifications expérimentales. Sur la base de ces connaissances, une campagne hybride numérique/expérimentale est menée pour mesurer avec précision les propriétés mécaniques de la glace atmosphérique. Enfin, les mécanismes de fissuration identifiés sont améliorés par le développement et l’utilisation d'un outil d'optimisation, modifiant la géométrie du substrat pour maximiser l'efficacité du dégivrage.Des applications plus réalistes sont ensuite étudiées. Tout d'abord, l'actionnement de la structure est amélioré en minimisant la durée du processus d’identification et d'excitation des modes. Ensuite, afin de faciliter la sélection des modes d'intérêt et l’identification des principales caractéristiques du système, des critères de conception sont définis en fonction de la puissance mécanique, de l'énergie ou de la force à fournir à la structure pour réaliser le dégivrage. En utilisant ces critères, les propriétés de la glace et les connaissances des mécanismes de fracture acquises grâce aux études préliminaires, un prototype NACA réaliste est usiné et instrumenté. Permettant ainsi d'effectuer des tests de vérification dans la soufflerie givrante de l'ICA.Enfin, les performances du prototype sont comparées aux systèmes existant de protection contre le givre. L'impact du système au niveau de l'avion est évalué en quantifiant la puissance requise, la traînée induite et la masse supplémentaire du système et de ses sous-systèmes. Cette approche permet de mettre en avant les avantages de la solution électromécanique développée dans cette thèse au niveau de la flotte aérienne.

The accumulation of ice on aircraft has been a well-identified issue since the early 1900s. The solutions currently used in flight (blowing hot air from engines, electro-thermal heating mats, inflatable pneumatic boots, deformable electromagnetic coils) provide effective protection but require significant power, maintenance or bulky power supply. Moreover, in the scope of more electric aircraft, thermal engine dependant systems are most likely to become obsolete therefore opening the way for new electric systems. Electro-mechanical ice protection systems have recently proved to be relevant in term of power consumption and embedded mass and are the subject of this thesis.The thesis focuses on the design of resonant electro-mechanical de-icing systems based on novel structures or actuators architectures. The electromechanical resonant de-icing system studied is based on piezoelectric actuators. Being supplied by alternative currents, the piezoelectric ceramics vibrate exciting the structure at a given frequency. When matching with the structure natural frequencies, the vibrations magnitude increases thanks to the resonance phenomenon, generating high levels of stresses and strain, eventually exceeding the critical strength or toughness of the ice. The objective of this thesis is to develop a prototype that could demonstrate an effective ice protection with low peak power consumption (under 10 kW/m²) and rapid de-icing.In order to design an effective and efficient electro-mechanical resonant de-icing system, many topics were investigated and are developed in this thesis manuscript.Based on fracture mechanics theory, the mechanical shedding mechanisms of the ice are first studied. Prelaminar studies are carried out on plates samples to facilitate the computations and experiments. Using finite element modal analysis and fracture analysis tools, the various ice fracture mechanisms are identified and the triggering conditions assessed. The theoretical mechanisms assumed are confirmed by experimental verifications.This knowledge of ice fracture mechanisms has been leveraged to conduct a hybrid numerical/experimental campaign to accurately measure the mechanical properties of the atmospheric ice which are used to assess the performance of electro-mechanical ice protection systems.Then, key performance indicators (KPI) based on energy, power, stress and energy release rate are proposed and used to design electro-mechanical resonant de-icing systems. They are incorporated in an optimization tool allowing reshaping the substrate to maximize the de-icing efficiency. The ice protection systems efficiency is also improved by the synthesis of a control law which allows the tracking of the resonant modes and minimizes the de-icing time.More realistic applications are also investigated. Using criteria, ice properties and fracture mechanism knowledge acquired thanks to prelaminar studies, an electro-mechanical resonant de-icing system has been designed for a NACA prototype and assessed in an icing wind tunnel.Finally, in the last section of the PhD, based on the performance of the prototype developed during the thesis, electro-mechanical resonant ice protection systems are assessed by quantifying the power requirement, the drag penalty and the additional mass of the system and its dedicated sub systems. This approach enables to highlight the benefits at the fleet level of the electro-mechanical resonant solutions.