Soutenance de thèse de Bertrand KIRSCH

Ecole Doctorale
SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Spécialité
« Sciences pour l'ingénieur » : spécialité « Mécanique et Physique des Fluides »
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Aérolélasticité,matériaux composites,tissage aéroélastique,drone HALE,aile à grand allongement,optimisation,
Keywords
Aeroelasticity,composite materials,aeroelastic tailoring,HALE drone,high-aspect-ratio wing,optimisation,
Titre de thèse
Apport de l'anisotropie des matériaux composites aux performances aéroélastiques des ailes à grand allongement de drones HALE
Composite materials anisotropy contribution to aeroelastic properties of HALE drone high-aspect-ratio wings
Date
Mercredi 10 Juillet 2019 à 14:00
Adresse
École de l’air Base aérienne 701 Chemin de Saint-Jean 13300 Salon-de-Provence
Marin la Meslée
Jury
Directeur de these M. Thierry FAURE Centre de Recherche de l'Armée de l'air / AMU
Rapporteur M. Joseph MORLIER ISAE Supaéro (Département DMSM)
Rapporteur M. Pascal HéMON Ecole Polytechnique
Examinateur M. Carlos E.S. CESNIK Université du Michigan
Examinateur Mme Marianna BRAZA Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse / CNRS
Examinateur M. Jean-Camille CHASSAING Sorbonne Université / Institut Jean le Rond d'Alembert
CoDirecteur de these M. Olivier MONTAGNIER Centre de Recherche de l'Armée de l'air - LMA / AMU
CoDirecteur de these M. Emmanuel BéNARD ISAE-Supaéro (département DCAS)

Résumé de la thèse

L'endurance d'un aéronef, correspondant à la durée maximale durant laquelle ce dernier peut rester en vol, est un paramètre fondamental pour caractériser la performance d'un plus lourd que l'air. Depuis l'apparition des panneaux photovoltaïques et leurs premières utilisations sur des aéronefs, l'idée d'une endurance virtuellement infinie, uniquement restreinte par des considérations de maintenance, fait son chemin au sein de la communauté aéronautique. Cette idée, matérialisée dans le concept de pseudo-satellite de haute altitude (High Altitude Pseudo-Satellite; HAPS) se heurte toutefois à des verrous technologiques persistants qui empêchent, aujourd'hui encore, son avènement malgré plusieurs décennies de recherche et développement. Parmi ces verrous, l'un des plus complexes à appréhender concerne la performance aéroélastique de ce type d'aéronef. En effet, la recherche drastique de performance, tant sur le plan aérodynamique et structural que sur la surface de captation solaire offerte, impose la conception de voilures à grand allongement extrêmement légères. Ces dernières sont alors nécessairement très souples, souplesse qui les rend particulièrement vulnérables à des interactions fluides/structures potentiellement destructrices comme le flottement ou la divergence statique en torsion. Les solutions classiques de conception, permettant de se prémunir de ces phénomènes dangereux, pénalisent généralement le bilan de masse de l'aéronef et sont donc à proscrire. Dans ce contexte, l'utilisation des spécificités des matériaux composites, largement utilisés pour ce type de structure en raison de l'excellent rapport performance/masse qui les caractérisent, est une piste prometteuse. Parmi ces spécificités, l'anisotropie représente un choix intéressant dans la mesure où elle permet de coupler le comportement en flexion et en torsion d'une voilure et ainsi de modifier son comportement aéroélastique. Cette technique, appelée tissage aéroélastique, nécessite des outils de modélisation dédiés, à la fois pour prendre en compte l'anisotropie des matériaux employés et les grands déplacements et grandes rotations subies des structures très flexibles. Ce type de modèle, d'ordre réduit en raison du coût de calcul exorbitant que représenterait encore une approche haute fidélité, fait actuellement l'objet d'un effort de recherche important concourant à cette quête d'une endurance infinie. L'un de ces modèles d'ordre réduit, couplant une théorie de poutre anisotrope en grand déplacement et grande rotation à un modèle aérodynamique instationnaire, est développé dans ces travaux sous le nom de GEBTAero. Pour répondre au défi de complexité d'une voilure composite optimisée pour le concept de HAPS, l'accent est mis sur la performance de calcul et l'interopérabilité du modèle avec le choix d'une approche open source et son implémentation au sein d'une plateforme d'optimisation multidisciplinaire. La précision et la rapidité du programme est évaluée à l'aide de cas tests issus de la littérature, en comparaison à d'autres modèles adaptés à cette physique. Ces résultats sont complétés par une campagne d'essais en soufflerie conduite à l'École de l'Air sur des plaques planes très souples, métalliques et composites, permettant ainsi à la fois de tester le code de calcul et d'abonder les résultats expérimentaux de la littérature. Le modèle est alors utilisé pour produire des solutions optimales de voilures à géométrie simple utilisant le tissage aéroélastique, mettant ainsi en valeur le gain substantiel de performance que cette technique permet.

Thesis resume

Aircraft endurance, which is the maximal duration of a flight, is a key feature of an heavier-than-air. Since the invention of photovoltaic cells and their first use on aircraft, the idea of a virtually infinite endurance, only restrained by maintenance issues, gain ground in the aviation community. This idea, materialised in the High Altitude Pseudo Satellite (HAPS) concept, is facing persistent technological barriers, preventing its achievement, despite decades of research and development. Among these barriers, one of the most complex to face is the aeroelastic performance of this type of aircraft. Indeed, the overwhelming need for performance in terms of aerodynamics, structures and in terms of available surface for solar cells, leads to the design of a lightweight high aspect-ratio wing. It results in a very flexible airframe, particularly vulnerable to destructive fluid/structure interactions like flutter or torsional divergence. Classical solutions designed to push further aeroelastic critical speed mostly rely on the stiffening of the airframe or the adjustment of mass distribution. Both options are detrimental to mass balance which is a key feature of HAPS. In that context, using composite materials specific features appears to be a suitable alternative. Among them is the anisotropy which is an interesting approach insofar as it permits the coupling of the bending and twisting behaviour of the wing and then to modify aeroelastic performances. This technology, namely the aeroelastic tailoring, requires specific modelling tools, for taking into account both material anisotropy and large displacement and rotation of the wing. The type of model, still of reduced order because of the prohibitive cost of a high fidelity model, is under extensive research since it contributes to the goal of an infinite endurance. One of theses reduced order models, coupling a large displacement and large rotation anisotropic beam theory with an unsteady aerodynamic theory is developed in this work. In order to face the challenge of a HAPS optimised airframe, a particular emphasis is being placed on its computation performance and interoperability, thanks to an open source implementation suitable for use within a multidisciplinary optimisation framework. Accuracy and computation speed are assessed using test cases from literature and compared to other suited reduced order models. These results were completed by a wind tunnel test campaign conducted in École de l'Air on flexible flat plate, both metallic and composite, thereby enabling both program testing and literature results contribution. Lastly, the model is used to produce a simple shape optimised wing, highlighting aeroelastic performance gains provided by this technology.