Du dimensionnement de systèmes et d'architectures en conception avion à la simulation de scénarios prospectifs durables pour le transport aérien

From the sizing of systems and architectures in aircraft design to the simulation of sustainable prospective scenarios for air transport

• Auteur / Autrice : Thomas Planès
• Direction : Valérie Pommier-Budinger, Scott Delbecq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (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 : Yves Bertin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Pommier-Budinger, Scott Delbecq, Laurent Dala, Emmanuel Bénard, Alexis Laurent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Bertin, Laurent Dala

Mots clés

Mots clés contrôlés

Durabilité (écologie)

Modélisation des données (informatique)

Avions -- Systèmes de commande

Avions -- Conception et construction

Transports aériens

Mots clés libres

Transport aérien

Conception avion

Systèmes avion

Modélisation

Durabilité

Air transport

Aircraft Design

Aircraft systems

Modeling

Sustainability

Résumé

Le transport aérien est à ce jour responsable de 2 à 3 % des émissions mondiales de CO2, ainsi que d'autres impacts climatiques et environnementaux. Les nouveaux concepts d'architectures pouvant contribuer à la réduction de l’impact environnemental de l'aviation suscitent donc un grand intérêt. L’objectif de cette thèse est de contribuer au développement d’une approche holistique, allant de la modélisation et du dimensionnement de nouvelles architectures avion à la simulation de scénarios prospectifs durables pour le transport aérien. Cette approche permet ainsi de relier les enjeux de la conception avion à ceux de l’analyse de scénarios prospectifs pour l’aviation.Dans une première partie, des modèles d'estimation pour différents systèmes avion sont présentés dans le cadre d’un avion plus électrique. Des méthodes variées sont appliquées, par exemple basées sur l’utilisation de modèles énergétiques ou de modèles de régression. Les systèmes de conditionnement d’air et de protection contre le givre sont étudiés, tout comme les systèmes induits par l’électrification des avions (génération et distribution de puissance électrique, management thermique).Dans une deuxième partie, une architecture avion déployable à court terme est dimensionnée à travers une approche basée sur l’utilisation de la plateforme de conception avion FAST-OAD. Cette architecture intègre les systèmes décrits précédemment, dont les performances sont préalablement évaluées individuellement via des modèles spécifiques, ainsi que des améliorations propulsives et aéro-structurelles. Les caractéristiques de l'architecture complète sont alors analysées, notamment concernant ses impacts environnementaux à partir d'un module d'analyse de cycle de vie développé pour FAST-OAD.Dans une dernière partie, l'outil CAST développé dans cette thèse est présenté. Il permet de simuler et d'évaluer des scénarios prospectifs pour le transport aérien. Des modèles sont détaillés pour les différents leviers d’action permettant de réduire l'impact environnemental du transport aérien. Une attention particulière est portée sur l’introduction d’architectures plus efficaces dans la flotte. Pour évaluer la durabilité des scénarios, des méthodologies spécifiques sont proposées pour les enjeux climatiques et énergétiques, en s'appuyant par exemple sur la notion de budget carbone. Plusieurs applications montrent alors le bénéfice des nouvelles technologies mais aussi le besoin d’un arbitrage entre le niveau de trafic aérien et la part du budget carbone mondial allouée au secteur aérien.

Air transport is currently responsible for 2 to 3 % of world CO2 emissions, as well as additional climate and environmental impacts. There is therefore great interest in new aircraft concepts that can contribute to reducing the environmental impact of aviation. The objective of this thesis is to contribute to the development of a holistic approach, from the modeling and sizing of new aircraft architectures to the simulation of prospective sustainable scenarios for air transport. This approach allows linking the issues of aircraft design to those of the analysis of prospective scenarios for aviation.In a first part, estimation models for different aircraft systems are presented in the context of more electric aircraft. Various methods are applied, for instance based on the use of energy approaches or regression models. Environmental control systems and ice protection systems are studied, as well as systems induced by the aircraft electrification (generation and distribution of electrical power, thermal management).In a second part, a new aircraft architecture deployable in the short term is sized through an approach based on the use of the aircraft design platform FAST-OAD. This architecture integrates the systems described above, whose performance is evaluated individually beforehand using specific models, as well as propulsive and aero-structural improvements. The characteristics of the complete architecture are then analyzed, notably concerning its environmental impacts from a life cycle assessment module developed for FAST-OAD.In the last part, the CAST tool developed in this thesis is presented. It allows simulating and evaluating prospective scenarios for air transport. Models are detailed for the different levers of action to reduce the environmental impact of air transport. Particular attention is paid to the introduction of more efficient architectures in the fleet. To assess the sustainability of the scenarios, specific methodologies are proposed for climate and energy issues, by relying for instance on the concept of carbon budget. Several applications show the benefits of new technologies but also the need for a trade-off between the level of air traffic and the share of the world carbon budget allocated to the aviation sector.