Étude, modélisation et contrôle du comportement aéroélastique d'ailes hyper flexibles

Study, modeling and control of the aeroelastic behavior of hyperflexible wings

• Auteur / Autrice : Simon Dosse
• Direction : Xavier Amandolese, Jean-François Deü
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur spécialité Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• Etablissement(s) : Paris, CNAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMSSC - Laboratoire de Mécanique des structures et des systèmes couplés

Mots clés

Mots clés libres

Aéroélasticité

Hyper flexibilité

Non-linéarité

Couplage fluide-structure

Aeroelasticity

Hyperflexibility

Nonlinearity

Fluid-structure coupling

Résumé

Les drones solaires de type HALE (High Altitude Long Endurance), constituent une nouvelle famille d'aéronefs conçus pour des vols longs, à haute altitude, à basse vitesse et en autonomie. Apparus au milieu des années 90 ils ont la forme de planeurs motorisés à la voilure légère, élancée et souple, les rendant particulièrement sensibles à des mécanismes d'instabilités aéroélastiques statiques ou dynamiques. Le crash du prototype Helios de la Nasa en juin 2003 en est un exemple criant. Par ailleurs, l'objectif de réduction de coût de l'énergie éolienne favorise également la conception de machine de très grande dimension avec des rotors pouvant atteindre jusqu'à 200 mètres de diamètre. Les pales de ces nouveaux rotors sont également de plus en plus légères, flexibles et donc sensibles aux charges et instabilités aéroélastiques, en particulier lorsque le rotor est à l'arrêt sous vent fort. Dans ce contexte et dans le prolongement des travaux menés ces dernières années au LMSSC, les objectifs de cette thèse sont (1) d'apporter une contribution à la compréhension des mécanismes aéroélastiques en jeu sur les surfaces portantes flexibles, (2) de préciser le potentiel d'une instrumentation de type transducteurs piézoélectriques pour le suivi de l'intégrité de la structure (mode capteur) ou le contrôle des instabilités aéroélastiques (mode actionneur) et (3) de valider un modèle piezo-aéroélastique non-linéaire d'ordre réduit pour, d'une part, le dimensionnement et la caractérisation de ce type de structure et, d'autre part, le développement de stratégies de contrôle utilisant des transducteurs piézoélectriques. Pour ce faire, on s'appuiera sur les approches et modèles développés au LMSSC mais également sur la réalisation d'une nouvelle maquette modulaire d'aile flexible contrôlée et testée en soufflerie.

HALE (High Altitude Long Endurance) solar drones represent a new class of aircraft designed for long-duration, high-altitude, low-speed, and autonomous flights. They emerged in the mid-1990s in the form of motorized gliders with light, slender, and flexible wings, making them particularly prone to static or dynamic aeroelastic instabilities. The crash of NASA's Helios prototype in June 2003 is a striking example. At the same time, the drive to reduce the cost of wind energy is also encouraging the development of very large machines, with rotor diameters reaching up to 200 meters. The blades of these new rotors are becoming increasingly lightweight and flexible, making them highly sensitive to aeroelastic loads and instabilities, especially when the rotor is stationary in strong winds. In this context, and as an extension of work carried out in recent years at LMSSC, the objectives of this thesis are: (1) to contribute to the understanding of aeroelastic mechanisms affecting flexible airfoils; (2) to assess the potential of piezoelectric transducer-type instrumentation for structural health monitoring (sensor mode) and for controlling aeroelastic instabilities (actuator mode); and (3) to validate a reduced-order nonlinear piezo-aeroelastic model, both for the design and characterization of such structures, and for the development of control strategies using piezoelectric transducers. This work will build upon the approaches and models developed at LMSSC, as well as on the creation of a new modular flexible wing model to be controlled and tested in a wind tunnel.