Développement et application de modèles de dynamique du vol adaptés aux hautes incidences : application aux UCAVs

Development and application of flight dynamics models adapted to high angle of attack: application to UCAVs

• Auteur / Autrice : Baptiste Isnard
• Direction : Jean-Marc Foucaut, Eric Garnier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMFL Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation aérodynamique

Dynamique du vol

Ecoulement tourbillonnaire

Aerodynamic modeling

Flight dynamics

Vortex flow

Résumé

Le comportement des avions dans le domaine de vol décroché se caractérise par sa forte dépendance à une aérodynamique complexe, de nature tourbillonnaire, comportant non linéarités, hystérésis, et couplant l'ensemble des degrés de liberté du mouvement. La prévision de ces comportements - enjeu de sécurité majeur - est donc fortement liée au modèle de représentation aéromécanique du véhicule. La recherche proposée s'intéresse à l'élaboration de ces modèles de représentation, en se focalisant sur les géométries d'UCAV (Unmanned Combat Air Vehicle), et plus précisèment à la représentation des couplages longi/latéraux (effets combinés de l'incidence et du dérapage, et/ou composantes de rotation en lacet/roulis). Ces effets sont avérés par exemple dans les phases de vol à basses vitesses, et plus particulièrement dans les phases d'approche où l'angle d'incidence devient relativement élevé, et durant lesquelles un élément extérieur (vent latéral) ou une mauvaise coordination de manœuvre (virage dérapé) peuvent amener également à l'occurrence d'un dérapage élevé. L'experience acquise au travers des travaux menés en collaboration dans le cadre OTAN sur la formule SACCON a permis d'identifier que les approches traditionnelles (linéaires) pour modéliser le torseur aérodynamique, et plus précisèment au voisinage du domaine où apparaissent des effets de pitch down / pitch up, sont insuffisantes. Les effets d'écoulement latéraux (dérapage) et/ou de vitesse de rotation ont par ailleurs fait l'objet d'études très limitées jusqu'à présent. Les travaux proposés visent à : ne expertise de l'aérodynamique dans ce domaine, Ces travaux s'appuieront sur une base de données expérimentales et numériques déjà existante. Cette analyse portera à la fois sur les évolutions des paramètres intégraux (torseur aérodynamique global) mais aussi sur l'évolution du champ aérodynamique. Les bases de données seront complétées dans les zones lacunaires par de nouveaux calculs CFD. -Le développement d'une représentation du torseur aérodynamique global plus fiable et exploitable pour l'évaluation de la dynamique du vol du véhicule. La recherche de modélisation intégrant des paramètres associés à l'aérodynamique (par exemple la localisation et les propriétés des structures tourbillonnaires principales en fonction des variables d'entrée, incidence, dérapage,….) est un axe qui sera exploré. Ce type d'approche laisse espérer une généricité plus élevée du modèle, et donc son utilisation sur des configurations géométriquement proches par exemple. -Une évaluation de ces modèles sur des critères de dynamique du vol. Les modèles ainsi constitués seront comparés aux approches traditionnelles sur la base de simulations de manœuvres et de critères de manœuvrabilité. Ceci permettra au final une évaluation de la sensibilité au type de modèle des prévisions du comportement en vol. Les contributions théoriques majeures de la thèse porteront sur : -La compréhension de l'aérodynamique et des effets influant sur la dynamique du vol des UCAV dans le domaines de basses vitesses. L'accent sera porté sur les phases à incidence élevée, avec dérapage ou non, et de dynamique élevée sur l'état. -Le développement d'une représentation du torseur aérodynamique qui soit exploitable pour l'évaluation de la dynamique du vol, potentiellement extrapolable à des variantes de la géométrie de l'aéronef. Afin d'obtenir un modèle de représentation du torseur aérodynamique qui couvre le domaine des basses vitesses et des angles d'incidence modérés à élevés, avec effets dynamiques, les pistes envisagées sont les suivantes : -Approches intégrant des termes liés à la physique (variables descriptives des structures tourbillonnaires et dynamiques associées). Une approche similaire est décrite dans les travaux de Khrabrov et l'adéquation de cette technique pour la modélisation des effets latéraux en particulier sera évaluée. Une réflexion sera menée sur la capacité d'extrapolation de la technique. -Identification des grandeurs physiques pertinentes pour la génération des modèles au moyen de techniques de Deep Learning qui devront faire le lien entre ces grandeurs et la distribution de pression pariétale mesurée à partir d'un nombre limité de capteurs. En outre, les modèles envisagés pourront eux-mêmes reposer sur des techniques de méta-modélisation comme le kriging ou des réseaux de neurones.

The behavior of aircraft in the stalled flight domain is characterized by its strong dependence on complex aerodynamics, of a vortex nature, including nonlinearities, hysteresis, and coupling all the degrees of freedom of the motion. The prediction of these behaviors - a major safety issue - is therefore strongly linked to the aeromechanical representation model of the vehicle. The proposed research is interested in the development of these representation models, focusing on UCAV (Unmanned Combat Air Vehicle) geometries, and more precisely in the representation of longi/lateral couplings (combined effects of incidence and sideslip, and/or yaw/roll rotation components). These effects are proven for example in the phases of flight at low speeds, and more particularly in the phases of approach where the angle of incidence becomes relatively high, and during which an external element (side wind) or a bad coordination of maneuver (skidded turn) can also lead to the occurrence of a high skid. The experience acquired through the work carried out in collaboration with NATO on the SACCON formula has allowed to identify that the traditional (linear) approaches to model the aerodynamic torsor, and more precisely in the vicinity of the domain where pitch down / pitch up effects appear, are insufficient. The effects of lateral flow (skidding) and / or rotation speed have also been the subject of very limited studies so far. The proposed work aims at : This work will be based on an existing experimental and numerical database. This analysis will focus both on the evolution of the integral parameters (global aerodynamic torsor) but also on the evolution of the aerodynamic field. The databases will be completed in the incomplete areas by new CFD calculations. -The development of a more reliable and exploitable representation of the global aerodynamic torsor for the evaluation of the dynamics of the vehicle flight. The research of modeling integrating parameters associated with aerodynamics (for example the location and properties of the main vortex structures according to the input variables, incidence, skidding, ....) is an axis that will be explored. This type of approach allows us to hope for a higher genericity of the model, and thus its use on geometrically close configurations for example. -An evaluation of these models on flight dynamics criteria. The models thus constituted will be compared to traditional approaches on the basis of maneuver simulations and maneuverability criteria. This will finally allow an evaluation of the sensitivity of the flight behavior predictions to the type of model. The major theoretical contributions of the thesis will focus on : -The understanding of the aerodynamics and effects affecting the flight dynamics of UCAVs in the low speed domain. Emphasis will be placed on the high incidence, skidding and non-skidding phases and high state dynamics. -The development of a representation of the aerodynamic torsor that is exploitable for the evaluation of the flight dynamics, potentially extrapolable to variants of the aircraft geometry. In order to obtain an aerodynamic torsor representation model that covers the low speed and moderate to high incidence angle domain, with dynamic effects, the following approaches are considered: Approaches incorporating physics-related terms (descriptive variables of vortex structures and associated dynamics). A similar approach is described in the work of Khrabrov and the suitability of this technique for modeling lateral effects in particular will be evaluated. A reflection will be made on the extrapolation capacity of the technique. -Identification of the relevant physical quantities for the generation of the models by means of Deep Learning techniques which will have to link these quantities to the parietal pressure distribution measured from a limited number of sensors. In addition, the models envisaged could themselves be based on meta-modeling techniques such as kriging or neural networks.