Optimisation des systèmes de dégivrage hybrides basés sur des revêtements et des actionneurs électromécaniques

Optimisation of hybrid ice protection systems based on coatings and electromechanical actuators

• Auteur / Autrice : Giulia Gastaldo
• Direction : Valérie Pommier-budinger, Marc Budinger
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Systèmes embarqués
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 25/03/2025
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA ACDC - Analyse, Commande Dynamique et Conception des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ISAE/DCAS/EDSYS/ACDC Département de Conception et conduite des véhicules Aéronautiques et Spatiaux
• Jury : Président / Présidente : Fabien Formosa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Pommier-budinger, Marc Budinger, David Seveno, Elmar Bonaccurso
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Formosa, Elmar Bonaccurso

Mots clés

Mots clés libres

Systèmes de dégivrage hybrides

Actionneurs électromécaniques

Revêtements

Optimisation

Contrôle

Ice protection systems

Electromechanical actuators

Coatings

Optimisation

Control

Résumé

Le givre représente un défi majeur dans l’aviation, affectant sécurité et efficacité. Les systèmes actuels de protection contre le givre offrent une barrière efficace mais nécessitent une puissance et une maintenance importantes. De plus, avec la transition de l’industrie aéronautique vers des avions à propulsion électrique, les systèmes dépendant des moteurs à combustion deviennent obsolètes, poussant à développer de nouveaux systèmes électriques. Les systèmes de dégivrage électromécaniques ont récemment démontré des avantages en termes d’énergie et de réduction de poids embarqué. Ces systèmes utilisent des actionneurs piézoélectriques intégrés dans la structure, faisant vibrer celle-ci à des fréquences de résonance, générant des concentrations de contraintes et facilitant la libération d’énergie dans la glace. Ces effets combinés peuvent provoquer la fissuration de la glace et, éventuellement, sa délamination. Par ailleurs, les revêtements antigivre suscitent aussi un intérêt croissant pour leur capacité à réduire ou empêcher l’accumulation de glace. Ils peuvent modifier les propriétés mécaniques à l’interface glace-structure, réduisant par exemple la résistance au cisaillement ou la ténacité. La combinaison de tels revêtements avec un système de dégivrage électromécanique pourrait améliorer l’efficacité des systèmes actifs de protection contre le givre ou réduire leur consommation d’énergie. Cette thèse examine l’efficacité d’un système hybride de protection contre le givre utilisant à la fois des revêtements antigivre et des actionneurs piézoélectriques. Elle est structurée en deux parties principales. La première partie explore les mécanismes de rupture qui peuvent survenir dans l’épaisseur de glace et à l’interface entre la glace et la structure. Cette étude se concentre sur l’évaluation des mécanismes de rupture pour des modes de résonance et dimensions différents de la couche de glace. Pour évaluer ces mécanismes, il est important de caractériser les propriétés critiques à l’interface des surfaces revêtues et non revêtues. A l’aide d’outils d’analyse modale et de fracture, les différents mécanismes de rupture de la glace sont identifiés, et les conditions d’actionnement sont définies pour des plaques non revêtues. La même étude est ensuite réalisée sur des plaques revêtues, démontrant les mécanismes de rupture et les modifications causées par l’utilisation de revêtements. Des tests additionnels en soufflerie givrante ont été effectués sur des plaques revêtues et non revêtues, afin d’évaluer leurs comportements de dégivrage. La deuxième partie de la thèse se concentre sur l’optimisation du système de dégivrage résonant électromécanique. En général, deux types de modes de résonance peuvent être excités : les modes de flexion et les modes d’extension. Les modes d’extension, avec des déplacements dans le plan, peuvent dégivrer des zones importantes de la surface. Ces modes sont efficaces s’ils sont purs et pas perturbés par des modes de flexion. Cependant, le couplage entre les modes d’extension et de flexion se produit naturellement pour des substrats fins recouverts de glace. Dans cette partie de la thèse, les effets inertiels expliquant ce couplage sont démontrés en utilisant l’approche d’Euler-Lagrange. Le modèle analytique montre également comment les effets inertiels peuvent être atténués en ajustant le rapport entre le module de Young et la densité du système pour qu’il soit proche de celui de la glace. Le concept de matériaux multicouches est utilisé pour concevoir des structures de plaques piézoélectriques permettant d’obtenir des modes d’extension purs pour le dégivrage. Les capacités de dégivrage sont testées sur des prototypes métalliques recouverts de glace, et les mêmes principes de conception sont ensuite appliqués aux matériaux composites.

Icing presents a significant challenge in aviation, compromising both safety and efficiency. Current ice protection systems provide effective protection but require substantial power and maintenance. Moreover, with the aviation industry shifting toward electrically-powered aircraft, systems reliant on combustion engines are becoming outdated, driving the need for new electric systems. In recent years, electromechanical de-icing systems have demonstrated considerable benefits in terms of energy efficiency and reduced onboard weight, presenting a promising alternative. These systems use piezoelectric actuators, bonded to or embedded in the aircraft skin, to vibrate the structure at its resonant frequencies, generating high stresses and facilitating energy release in the ice. These combined effects can cause the ice to fracture and eventually delaminate. Additionally, anti-icing coatings have attracted interest for their ability to naturally minimize or resist ice accumulation. These coatings modify the mechanical properties at the interface between the ice layer and the structure, typically reducing the shear strength or toughness, and thereby influencing the fracture mechanisms during de-icing. Combining such coatings with an electromechanical de-icing system could enhance the effectiveness of active ice protection systems or reduce their energy consumption. This thesis investigates the efficiency of a hybrid ice protection system using both anti-icing coatings and piezoelectric actuators to vibrate the structure at its resonant frequencies. It is structured into two main parts. The first part of the thesis investigates the possible fracture mechanisms that can occur in the ice bulk and at the interface between the ice and the structure. This study focuses on evaluating the fracture mechanisms for different resonant modes and dimensions of the ice layer. The importance of characterizing the critical interfacial properties of coated and bare surfaces to assess the fracture mechanism is highlighted. Using modal analysis and fracture analysis tools, the different ice fracture mechanisms are identified, and the triggering conditions are defined for bare plates equipped with piezoelectric actuators. The same study is then performed on coated plates, revealing the fracture mechanisms involved, and the changes induced using coatings. Additional tests in an icing wind tunnel were performed on plates to assess the de-icing behavior of coated and bare plates using the same resonant modes. The second part of the thesis focuses on optimizing the electromechanical resonant de-icing system. Generally, two types of resonant modes can be excited: flexural and extensional modes. Extensional modes, which involve in-plane vibrations, can de-ice substantial areas of the underlying surface if they are pure and do not interfere with flexural modes. However, coupling between extensional and flexural modes occurs naturally for thin ice-covered substrates. In this part of the thesis, the inertial effects explaining this coupling are demonstrated using the Euler-Lagrange approach. The analytical model also shows how inertial effects can be mitigated by adjusting the ratio of Young's modulus to substrate density to be close to that of ice. The concept of multilayered materials is used to design piezoelectric plate-like structures to achieve pure extensional modes for de-icing. The de-icing capabilities are demonstrated on metallic prototypes covered with freezer ice, and the same design principles are later applied to composite materials.