Co-design et lois de commande de vol d'aéronefs flexibles à actionneurs multiples – Application aux lois de commande de vol latérales et allégement de charge pour une aile à fort allongement

Co-design and flight control laws for flexible aircraft with multiple actuators - Application to lateral flight control laws and load reduction for a high aspect ratio wing

• Auteur / Autrice : Armand-Ioan Curpănaru
• Direction : Philippe Pastor, Fabrice Demourant
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Automatique et Informatique
• Date : Inscription en doctorat le 06/11/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes
• 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

Mots clés

Mots clés libres

Co-conception

Aéroélasticté

Lois de Commande de Vol

Propulsion distribuée

Actionneurs distribués

Optimisation de Conception Multidisciplinaire

Co-design

Aeroelasticity

Flight Control Laws

Distributed Propulsion

Distributed Actuators

Multidisciplinary Design Optimisation

Résumé

Description du projet : La prochaine génération d'avions sera propulsée électriquement et alimentée par de l'hydrogène. Cela nécessitera également des ailes à fort allongement (FA). Mais les aéronefs à FA dotés d'ailes flexibles sont confrontés à des problèmes l'intégration de ces composants et de systèmes tels que les gouvernes et les moteurs sur l'aile. Le concept de séparation et de distribution des gouvernes et des systèmes/composants d'actionnement connexes sur l'aile, de la même manière que pour la propulsion distribuée, peut offrir de nombreux avantages, mais nécessite des lois de contrôle plus complexes traitant de l'allocation optimale. La conception de ces systèmes nécessite également d'aborder la conception de la loi de contrôle en même temps que la conception mécanique. La taille, le nombre de surfaces de contrôle, etc. doivent faire partie de la conception des systèmes de contrôle. Par rapport à la conception effectuée dans des études antérieures, nous devons également prendre en compte la flexibilité de l'aile pendant le vol mais aussi au sol. Ceci pourrait être modélisé comme un système multi-corps. L'objectif de ce projet est tout d'abord de fournir une modélisation d'une aile flexible à haut rapport d'aspect équipée d'une propulsion distribuée et de surfaces de contrôle fractionnées (ailerons et spoilers). Ensuite, sur la base de cette modélisation, d'effectuer un codesign de l'aile, des surfaces de contrôle fractionnées et des moteurs distribués afin d'assurer le contrôle latéral de l'avion, d'améliorer le contrôle du roulis au sol et en vol, tout en contrôlant la charge sur l'aile flexible. Les résultats de la conception du code seront ensuite évalués au niveau de l'aéronef grâce à l'intégration dans un logiciel de conception globale de l'avion. L'analyse de la sécurité et de la certification du concept de séparation et de distribution des surfaces de contrôle pourrait faire partie de l'étude, dont l'un des objectifs est de définir les architectures et les principes d'intégration de ce concept dans une approche 'design-to-safety' ou 'design-to-be-certified'. Méthodologie : - Modélisation aéroélastique d'une aile en considérant le fractionnement des surfaces de contrôle et la propulsion distribuée, en utilisant le cadre de la modélisation multi-corps. - Etude de l'allocation optimale pour le vol combinée à une fonction de contrôle de l'allègement des charges de l'aile (MLA, GLA). - Co-design méthodologique des lois de commande de vol, des actionneurs, des gouvernes, des moteurs et de la propulsion, en utilisant le cadre de la modélisation multicorps et l'intégration dans un outil de conception globale de l'avion pour une évaluation au niveau de l'avion.

Project description : The next generation of aircraft will be electrically propelled and powered by hydrogen. This will require also high Aspect Ratio (AR) wings. But high AR aircraft with flexible wings face problems related to the integration of these components and systems such as control surfaces and engines on the wing. The concept of splitting and distributing control surfaces and related actuation system/components on the wing, in the same way as for the distributed propulsion can offer many advantages but requires more complex control laws dealing with optimal allocation. The design of such systems requires also to address the design of the control law at the same time as the mechanical design. The size, the number of control surface, etc. should be part of the codesign of the control systems. Comparing to the design done in previous research studies, here we have also to consider the flexibility of the wing during the flight but also on ground. This could be modeled as a multi body systems. The objective of this project is first to provide a modeling of a flexible high aspect ratio wing equipped with distributed propulsion and fractional control surfaces (ailerons and spoilers). Then, based on this modeling to do a codesign of the wing, the fractional control surfaces and the distributed engines in order to ensure the lateral control of the A/C, improving roll control on ground and in flight, while also controlling the load on the flexible wing. The results of the codesign will then be evaluated at aircraft level thanks to the integration into an overall aircraft design software. The safety and certification analysis for the concept of splitting and distributing control surfaces could be a part of the study, for which one of the objectives is the architecture(s) and the integration principles for this concept in a design-to-safety or design-to-be-certified approach. Methodology : - Aeroelastic modeling of a wing considering the splitting of control surfaces and distributed propulsion, using the frame of multibody modeling. - Study of the optimal allocation for flight combined with a function of control of lightening the loads of the wing (MLA, GLA). - Co-design methodology of the flight control laws, actuators, control surfaces, engines and integration into an overall aircraft design tool for evaluation at aircraft level.