Commande des systèmes et dynamique du vol

Le laboratoire d'analyse du vol B20
Positionnement international

Pour étudier les phases de vol dynamiques et les phénomènes couplés en mécanique du vol, l'approche expérimentale consistant à réaliser des essais en soufflerie où la maquette est entraînée en mouvements forcés (pour différentes amplitudes et fréquences fixées ..) s'avère assez mal adaptée. En effet, elle est très lourde car elle nécessite de faire beaucoup d'essais pour balayer tout le domaine de vol à explorer (incidence, amplitude et fréquence notamment....). Elle suppose de plus qu'il est possible de modéliser l'aérodynamique par interpolation dans l'ensemble des données expérimentales obtenues.

Or si les comportements aérodynamiques sont fortement non linéaires ou présentent un couplage fort avec le mouvement, ces interpolations sont alors non fondées et le phénomène risque de ne pas être obtenu correctement en simulation sur l'ensemble du domaine du vol. Pour éviter cet écueil les scientifiques se sont tournés vers des moyens d'essais où le vol de la maquette est réellement représenté de façon à ce que les interactions entre l'aérodynamique et les mouvements puissent être prises en compte. Dans la littérature on retrouve trois types de moyens expérimentaux mis en œuvre dans ce but :

• Aux USA, la NASA a développé une technique expérimentale très particulière où la maquette instrumentée est pilotée, via un câble, dans une soufflerie de grande dimension. Les essais ont lieu dans la veine ouverte de la soufflerie 30x60 pieds à Langley. Le câble relié à la maquette a pour fonction de garantir sa sécurité, de l'alimenter en air comprimé pour assurer sa propulsion dans la veine et équilibrer la traînée aérodynamique, de transmettre les commandes aux servo-gouvernes et enfin de recueillir les informations des capteurs embarqués. De tels essais nécessitent les interventions continues de plusieurs opérateurs afin de :
  • maintenir le câble suffisamment lâche qui doit cependant rester efficace pour la sécurité de la maquette,
  • piloter le vent dans la soufflerie,
  • piloter les gouvernes de la maquette,
  • et réguler l'alimentation en air comprimé afin d'assurer la propulsion nécessaire à la tenue en veine.
  La maquette peut alors effectuer des évolutions dynamiques dans la veine. Cependant compte tenu de la place disponible, qui est relativement faible, seules des perturbations autour du vol équilibré à 1 g peuvent être réalisées. Les phases de montée en incidence jusqu'à la perte de contrôle y sont observées. Des lois de commandes peuvent être intégrées dans la chaîne de pilotage au niveau du calculateur qui est situé en dehors de la veine d'essais.
  
  Cette technique permet d'identifier les instabilités pouvant affecter la sécurité et les qualités de vol du véhicule. Elle est dans son principe intéressante, cependant on pourra noter que celle-ci :
  • est lourde à mettre en œuvre et nécessite l'habileté conjuguée de plusieurs opérateurs ;
  • est vraisemblablement assez chère du fait des coûts engendrés par l'essai mais aussi pour réaliser la maquette qui doit comporter des gouvernes motorisées, des circuits d'alimentation de la propulsion, des instruments de mesure de trajectographie (accéléromètres, gyromètres, ...), tout en respectant les règles imposées par les conditions de la similitude de Froude (masse, centrage et inerties) ;
  • nécessite la mise en disponibilité d'une soufflerie de grande taille dont le coût d'exploitation n'est sans doute pas négligeable ;
  • peut être gênée par la présence du câble dont le poids et la traînée induite doivent être perceptibles au niveau de sa liaison avec la maquette ;
  • et ne permet en fin de compte que de réaliser des essais de mécanique du vol assez limités en termes d'évolutions (amplitudes de mouvements faibles, dynamique modérée) du fait à la fois des liaisons par câble et du volume disponible en soufflerie.
  Un schéma de principe de cette installation est présenté ci-dessous.

Essais de maquette en vol en soufflerie à la NASA Langley
(vue schématique)

• Pour étudier les comportements en domaine non linéaire des configurations d'avions, une autre technique d'essais est utilisée aux Etats-Unis, elle consiste en des essais de maquette atmosphérique. La maquette, qui est de grande taille (environ 1/4 pour un avion de combat de type X31) et en configuration planeur, est larguée à partir d'un hélicoptère d'une altitude de l'ordre de 12000 pieds. La maquette est réalisée en similitude de Froude, elle est radio contrôlée, non motorisée. Les essais ont généralement pour objectif d'expérimenter le domaine des grandes amplitudes et des fortes dynamiques à basse vitesse. La technique d'essais est celle des essais en vol. La maquette est pilotée du sol et finalement récupérée au moyen d'un parachute. Les informations sont télémesurées en mode PCM, la maquette est suivie du sol en mode manuel par une caméra, un radar et des antennes de télémétrie. 
  
  A l'analyse on peut relever que cette technique :
  • est assez lourde à mettre en œuvre et requiert une station d'essais en vol et un pilote expérimenté
  • nécessite une grande maquette, réalisée en similitude de Froude, comportant l'équipement d'un parachute accompagné de son système de largage, ainsi qu'une instrumentation traditionnelle et un équipement de télémesure et de télécommande ( pb de coût de la maquette)
  • doit avoir un coût d'exploitation assez élevé (de l'ordre des essais en vol)
  • présente un risque important lié à la récupération de la maquette
  • nécessite la mise en œuvre d'un hélicoptère
  • offre une durée d'essai limitée par le temps de descente de la maquette, avec de plus une cadence d'essais assez faible (laps de temps entre deux essais lié à la récupération de la maquette, aux diverses vérifications et calibrations nécessaires, à sa réinstallation dans l'hélicoptère, à la remontée en altitude au dessus de la zone d'essais...).
     
• Une variante de cette méthode consiste à réaliser des essais atmosphériques avec une maquette motorisée. Tel est le cas de l'étude conduite aux USA sur l'aile volante (voir Aviation Week du 7 février 2000). Dans ce projet, la NASA effectue en partenariat avec Boeing des essais en vol afin, notamment, d'identifier les comportements de la configuration aux basses vitesses, aux incidences élevées, et en vrille en particulier. La maquette radio pilotée d'aile volante, baptisée LSV (Low Speed Vehicle) est de très grande taille (échelle 0.142 soit plus de 10m d'envergure et 800Kg).
  
  Contrairement à l'exemple précédent du X31 la maquette n'est pas larguée d'hélicoptère mais elle est équipée de trois turboréacteurs.
  
  Concernant la technique expérimentale les mêmes remarques que précédemment peuvent être mentionnées avec des coûts maquette et d'exploitation encore plus élevés. La maquette décolle et atterrit de façon traditionnelle, elle dispose donc d'un train d'atterrissage rétractable, et elle est équipée d'un parachute de sécurité pour l'exploration des grandes incidences. Les coûts affichés sont d'ordre élevé (coût maquette de 12M$, coût programme 25M$). En revanche, vu les dimensions de la maquette, les essais seront réalisés à un nombre de Reynolds qui est jugé significatif. Les lois de commande pourront également être étudiées dans ce programme.
  
  Il est à noter par ailleurs que la maquette est propulsée par des réacteurs WJ24-8 fournissant chacun plus de 100Kg de poussée ce qui lui permet d'atteindre le régime transsonique. Cependant pour des raisons structurales la vitesse en essai sera limitée à 200Kt. En effet, compte tenu des règles de similitude et des contraintes sur la masse et les inerties de la maquette, ses concepteurs ont été conduits à la réaliser avec une structure de rigidité limitée, ce qui réduit par là même son domaine de vitesse en essai.
  
  En Europe les essais de vols libres sur maquettes ne sont pas très développés, seule quelques utilisations sporadiques de maquettes atmosphériques télépilotées peuvent être notées dans la bibliographie. Cette technique, qui est utilisée de façon assez sommaire et ponctuelle, n'est employée que pour des études qualitatives.
  
  Le laboratoire B20 s'avère donc être un outil précieux pour les études et recherches européennes sur des sujets d'aérodynamique instationnaire ou de mécanique du vol d'approche particulièrement complexe et qui requièrent une modélisation adéquate.
  
  En conclusion, la comparaison avec les techniques expérimentales utilisées outre Atlantique révèle que la technique d'essai en vol dans l'installation B20 apparaît très bien positionnée en regard de ces autres méthodes dont l'utilisation est assez lourde et dispendieuse. De plus, la technique de vol en laboratoire, grâce à la connaissance et à la maîtrise de l'environnement de vol (obstacles, vent, pression atmosphérique…), offre par rapport aux essais de maquettes atmosphériques de bien meilleures garanties à la fois sur la sécurité de la maquette mais aussi sur la précision des mesures et la connaissance des entrées perturbatrices. Ces éléments sont de première importance pour l'identification des comportements des aéronefs et leur modélisation.

Mis à jour le 19 janvier 2006 - © ONERA 2009 - Crédits et conditions d'utilisation