Dimensionnement préliminaire d'actionneurs électromagnétiques critiques pour les commandes de vol primaires d'hélicoptères

par Jérémy Roussel

Thèse de doctorat en Génie mécanique, mécanique des matériaux

Sous la direction de Marc Budinger.

Soutenue le 22-09-2022

à Toulouse, INSA , dans le cadre de École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) , en partenariat avec ICA - Institut Clément Ader (laboratoire) et de Institut Clément Ader / ICA (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Charles Maré.

Les rapporteurs étaient Olivia Penas, Tom Vestraten.

mots clés

• Analyse de données de vol
• Specification
• Loi d'échelle
• Vibration et modélisation par surrogate
• Charge dynamique
• Optimisation multidisciplinaire
• Systèmes de commande (vol)

Résumé

La dronisation des hélicoptères se développe, comme par exemple avec le projet VSR700. Cela conduit à la conception et à l'intégration d'actionneurs électromécaniques (EMA) dans le système de commande de vol primaire (PFCS). Le PFCS est chargé de contrôler le vol de l'hélicoptère sur ses 4 axes (roulis, tangage, lacet, vertical). Il contrôle le pas des pales par le biais de cinématiques mécaniques et d'actionneurs dédiés. Depuis plus de 60 ans, les actionneurs utilisent conventionnellement la technologie hydraulique. L'introduction de la technologie EMA implique de reconsidérer les pratiques de conception. En effet, l'EMA est multidisciplinaire. Chacun de ses composants introduit - de nouveaux critères de conception, et - de nouvelles imperfections technologiques inhérentes (friction, inertie, pertes).Pour aborder ce sujet, la thèse précise d'abord sa position dans le contexte de l'actionnement des hélicoptères et de l'évolution rapide du monde numérique. Deuxièmement, une méthode est établie pour mieux comprendre le besoin et développer la spécification en utilisant des enregistrements de données de vol. Troisièmement, un modèle approximatif de premier ordre de la charge dynamique du rotor est établi pour préciser la spécification de l'actionneur avec des limitations d'inertie refléchie. Quatrièmement, un outil de dimensionnement préliminaire est préparé par la modélisation de chaque composant de l'actionneur et de ses principaux critères de conception. Enfin, le dernier chapitre utilise le MDO (Multidisciplinary Design Optimization) afin de résoudre les problèmes de conception et les couplages. Une interface utilisateur graphique (GUI) sous forme d'application web permet de saisir facilement les spécifications, les hypothèses et d'apprécier les résultats du dimensionnement. Ensuite, cet outil de dimensionnement est appliqué sur quelques cas réels.

mots clés

• Flight data analysis
• Specification
• Scaling law
• Vibration and surrogate modelling
• Dynamic load
• Multidisciplinary optimization

Titre traduit

Preliminary sizing of critical electromechanical actuators for the primary flight control systems of helicopters

Résumé

Helicopter dronization is expanding, as for example with the VSR700 project. This leads to the design and integration of electromechanical actuators (EMA) into the primary flight control system (PFCS). The PFCS is in charge of controlling the helicopter flight over its 4 axis (roll, pitch, yaw, altitude). It controls the blade pitch through dedicated mechanical kinematics and actuators. For more than 60 years, the actuators have been conventionally using the hydraulic technology. The EMA technology introduction involves the reconsideration of design practices. Indeed, EMA is multidisciplinary. Each of its components introduces – new design drivers, and - new inherent technological imperfections (friction, inertia, losses).To address this topic, the thesis states firstly its position within the helicopter & actuation context and the fast changing digital world. Secondly, a methodoly is established to understand better the need and develop the specification using flight data records. Thirdly, a first order approximative model is set to simulate the dynamic rotor load and precise the actuator specification with reflected inertia limitations. Fourthly, a preliminary sizing tool gets prepared by the modelling of each actuator components and their main design drivers. Finally, the last chapter uses the MDO (Multidisciplinary Design Optimization) in order to solve design issues and couplings. A web application enables a GUI (Graphical User Interface) to easily enter the actuator specification, the hypothesis and appreciate the sizing results. The results are the component characteristics minizing the actuator total mass. Then, this sizing tool is applied on some real cases.