Commande des systèmes et dynamique du vol
Le laboratoire d'analyse du vol B20
Projets de recherche
La dynamique des sillages
Les recherches sur la dynamique des sillages et de leur interaction sur le comportement de l'avion suiveur font l'objet actuellement de programmes financés par l'Union Européenne.
Après le programme WAVENC qui s'est achevé récemment, les programmes C-WAKE et S-WAKE cherchent d'une part à caractériser et contrôler les sillages émis par les avions de transport et d'autre part à évaluer les problèmes posés par ces sillages du point de vue de la sécurité aérienne.
Le projet européen C-WAKE est coordonné par Daimler-Chrysler Aerospace Airbus GmbH. Prévu sur une durée de 3 ans, ce projet qui a démarré en 2000 regroupe de nombreux partenaires parmi lesquels EADS, Airbus, British Aerospace, DLR, DERA, NLR, Cerfacs, INTA, CIRA, NRI (République Tchèque), CFD Norway, IRPHE, SIREHNA, les Universités de Cambridge, Munich, Toulouse , Delft, Lisbonne, Patras et Athènes.
Les activités prévues à la catapulte sont relatives à la caractérisation et la comparaison du sillage généré par quatre configurations différentes d'un très gros avion de transport (dont deux configurations 'optimisées') et une configuration d'A300. Cette caractérisation inclut des visualisations du sillage par tomoscopie et des mesures de champs de vitesse par Lidar et PIV. Ces dernières mesures seront faites en étroite collaboration avec le DLR-Göttingen.
Le vol en turbulence
Le comportement de l'avion en turbulence est également un souci important pour les constructeurs et les exploitants d'avions de transport civils.
Les essais au laboratoire de vol se prêtent parfaitement à l'analyse et à la modélisation des effets liés à la pénétration en rafale, phénomène de nature très instationnaire, difficile à appréhender et à représenter correctement avec d'autres techniques expérimentales.
En 1999 et 2000 dans le cadre du DTP Turbulence, avec le soutien de la DPAC et en partenariat avec Aérospatiale Matra Airbus, des essais dans le précédent laboratoire B10, comportant des vols avec des traversées de rafales de vent d'une maquette d'avion A300, ont permis de définir la structure d'un modèle adapté à la représentation du vol en turbulence.
Sur la base du modèle développé avec les essais au laboratoire de vol, les travaux de modélisation ont été poursuivis en année 3 de ce DTP par l'exploitation des essais en vol de l'avion A340-300. Ces travaux de modélisation trouveront leur prolongement dans le cadre du DTP PILotage (voir plus loin) dont l'activité a démarré en 2002.
Traversée de rafale verticale d'une maquette d'Airbus A300
Vols de pénétration en rafale de configurations d'avions de combat
Persistance des tourbillons de sillage
La persistance des tourbillons émis dans les sillages, en fonction des caractéristiques géométriques de la configuration, est également un sujet d'études et d'essais en laboratoire de vol dans le cadre des programmes d'avions gros porteurs.
La maîtrise des problèmes liés à l'émission des ‘sillages' et à leur persistance s'avère en effet stratégique pour les constructeurs d'avions de transport de grande capacité, tant pour assurer la rentabilité économique de ces produits, qui peut être restreinte par la limitation des cadences à l'atterrissage, que pour des raisons ayant trait à la sécurité aérienne.
Ainsi les problématiques posées par les sillages des avions représente un enjeu important tant du point industriel que du point de vue de la gestion et de la sécurité du transport aérien. Elles suscitent des perspectives importantes d'études sur ce sujet, dont certaines sont en voie de se concrétiser au travers de programmes pluriannuels.
Compte tenu des travaux récemment réalisés sur le sujet par Boeing (dépôt du brevet d'un système destiné à limiter l'intensité des tourbillons lointains), des évolutions des règles édictées par la FAA aux USA sont tout à fait possibles. Il pourrait s'ensuivre des modifications des textes et procédures de certification des avions de transports et l'intérêt du développement de ce thème de recherches se trouverait alors encore renforcé.
Sillage à l'aval d'un A300
AWIATOR
A l'instigation des industriels EADS-D, EADS-F et d'Airbus Industries un projet européen dénommé AWIATOR a été proposé au dernier appel d'offre de la Communauté Européenne dans le cadre du Vème PCRD.
Ce programme comporte plusieurs ‘Work Packages', dont celui relatif à la thématique ‘Wake Vortex' pour les avions de transport de grande capacité est jugé prioritaire.
Il s'agit en l'occurrence d'évaluer l'intérêt d'un certain nombre de dispositifs susceptibles d'atténuer le sillage généré par l'avion de transport. Divers dispositifs sont déjà identifiés, ils sont jugés prometteurs et certains d'entre eux font l'objet d'un dépôt de brevet.
La caractérisation du sillage fera appel aux techniques de visualisation par tomoscopie et à la mesure des champs de vitesse par Lidar et PIV. Compte tenu d'une part de l'originalité de la technique d'essai et d'autre part des dimensions offertes par le nouveau laboratoire B20 pour étudier le développement et la descente de ces tourbillons de sillage, ce laboratoire doit pouvoir apporter des réponses concrètes et pertinentes sur la dynamique des sillages lointains et leur atténuation.
Cette activité inclut la fabrication d'une maquette de vol libre d'A340.
DTP PIL
Au cours du déroulement du DTP TURBULENCE Aerospatiale-Matra-Airbus a pu mettre en évidence que le type de modélisation de la propagation des effets aérodynamiques en lacet était de nature à remettre en cause l'optimisation du réglage du pilote automatique. C'est pourquoi des travaux devant mener à une amélioration de la modélisation de la propagation des effets aérodynamiques en tangage et lacet a été proposée dans le cadre du DTP PIL.
Dans ce contexte l'ONERA/DCSD a été sollicité pour réaliser des essais sur maquette catapultée et constituer, sur la base des résultats de ces essais, un modèle de réponse de l'avion. Les essais comprendront des traversées de rafales verticales symétriques et latérales.
Perspectives
Les caractéristiques du laboratoire ainsi que la technique expérimentale de vol sur maquette apparaissent parfaitement adaptées pour y étudier les phénomènes dynamiques, transitoires, de courtes périodes rencontrés en vol sur les aéronefs qu'ils soient civils ou militaires. De façon générale la représentation en similitude de telles phases de vol est généralement très difficile à réaliser correctement dans une soufflerie.
Pour illustrer les potentialités offertes par le laboratoire, quelques exemples de sujets d'étude pour lesquels cette technique expérimentale peut présenter un intérêt scientifique et technique particulier sont mentionnés ci-dessous.
Parmi ces sujets certains d'entre eux seront traités dans le cadre de la Collaboration bilatérale ONERA-DLR pour laquelle il est envisagé d'axer l'activité sur le thème de la protection de l'enveloppe de vol à basse altitude et à basse vitesse. Dans le cadre de cette collaboration bilatérale en dynamique du vol, des expérimentations au laboratoire de vol sont prévus au deuxième semestre 2003.
Ces expérimentations impliquant des essais à la catapulte concerneront l'identification des dérivées de stabilité dynamique et le comportement de l'avion dans la turbulence et/ou en présence du sol. Ces sujets font partie de la liste des thèmes d'études et de recherches présentée dans ce chapitre, chacun d'entre eux offrant des perspectives bien fondées pour l'accomplissement d'expérimentations dans le futur laboratoire de vol B20.
- L'identification des dérivées dynamiques
Ce sujet a déjà fait l'objet de travaux il y a quelques années dans l'installation B10 de Lille, en collaboration avec la DLR (DFVLR à l'époque). Les résultats ont montré que la technique d'essai en vol en laboratoire se prêtait avantageusement à l'identification des paramètres de stabilitédes configurations d'avion.
La méthode expérimentale dans son principe est similaire à celle des essais en vol sur avion. Elle consiste, à partir de conditions de vol équilibrées, à générer des perturbations sur le vol de la maquette au moyen de ses gouvernes, pour identifier les coefficients de la fonction de transfert entre ces perturbations, connues et calibrées, et les réponses de l'avion, mesurées.
De plus, la méthode en laboratoire permet de réaliser certaines perturbations difficilement réalisables en vol. En effet, pour une configuration donnée des gouvernes, la maquette peut être catapultée à des conditions de vol déstabilisées de façon à exciter les modes du mouvement et extraire les dérivées dynamiques de la réponse mesurée. Ainsi, grâce au paramétrage des conditions initiales de vol réalisable à l'aide de la catapulte, il est permis de modifier, par rapport à des conditions d'équilibre données, certains paramètres tels que la vitesse ou l'incidence initiale au largage, mais aussi la masse ou le centrage de la maquette. La technique permet ainsi de ‘piloter' de nombreuses entrées du modèle pour identifier sa dynamique, sur une trajectoire de vol en similitude, et tout en s'assurant de la maîtrise des paramètres d'environnement, ce qui n'est pas le cas en vol atmosphérique.
- L'étude de l'effet de sol et du comportement de l'avion à l'atterrissage
Pour traiter ce sujet la technique d'essais en vol en laboratoire est bien adaptée. En effet, les expériences qui y sont conduites prennent en compte le couplage entre le mouvement de l'aéronef et son aérodynamique qui est fortement influencée par la présence du sol.
L'avantage offert par la technique de vol en laboratoire résulte également dans sa capacité à représenter les effets dynamiques liés à la pente de la trajectoire à l'atterrissage. La simulation de cette phase de vol en soufflerie est toujours délicate, elle recourt à la mise en œuvre de moyens particuliers (aspiration de couche limite, tapis roulant …), difficiles à régler de façon précise et robuste pour conserver une bonne représentativité du phénomène dans un domaine de vol où divers paramètres (altitude, incidence, vitesse...) évoluent rapidement.
Pour l'histoire de cette technique expérimentale il est intéressant de rappeler que l'étude de l'atterrissage fut à l'origine de la création du premier laboratoire de vol à Lille ; ces essais visaient à répondre aux besoins du programme Concorde.
Des travaux liés à l'optimisation des procédures d'atterrissage ont aussi été conduits pour le programme Airbus au début des années 90. L'émergence actuelle de recherches sur de nouveaux concepts d'avions, comme l'aile volante par exemple, dont l'architecture est très différente des configurations actuelles, laisse entrevoir un intérêt certain pour l'étude en laboratoire de l'atterrissage de telles configurations nouvelles et non conventionnelles.
Indépendamment de la collaboration ONERA-DLR d'autres actions de recherches dans le futur laboratoire, intéressant les avions et les hélicoptères suscitent l'intérêt et font actuellement l'objet de réflexions.
- L'étude de l'atterrissage court
Un certain nombre de questions d'ordre scientifique et technologique sont ici concernées, tant du point de vue de la modélisation de la phase de vol elle même que du point de vue de la conception de l'aéronef et de son système de contrôle. Un tel atterrissage implique en effet, en dynamique, des interactions entre les jets générés par les tuyères du véhicule et la cellule, renforcées par la présence du sol.
Des expérimentations en laboratoire, représentatives de la phase de vol réelle, contribueraient par leurs informations à l'évaluation des concepts de contrôle, de leur architecture générale, des emplacements des tuyères et autres actionneurs, ainsi que des lois de commande appropriées.
L'élaboration de modèles de comportement du concept étudié, permet alors d'aborder ces évaluations sous différents aspects relatifs tant aux performances à l'atterrissage, qu'à la sécurité du vol ou à la robustesse de ce concept à l'égard de diverses perturbations (présence de vent latéral, pente de la piste, pannes …).
Enfin, pour valider les concepts, des démonstrations sur une maquette, équipée des dispositifs de contrôle et des lois de commande élaborées, peuvent également être effectuées dans le laboratoire moyennant le respect de règles de la similitude de Froude.
- Le décrochage et la perte de contrôle
Ces phases de vol sont critiques pour la sécurité, et leur analyse et leur prévision s'avèrent difficiles compte tenu de la complexité des phénomènes aérodynamiques rencontrés en vol. Actuellement l'approche du problème fait d'abord appel à une modélisation du phénomène réalisée à partir de données acquises en soufflerie.
Ce modèle est intégré dans les équations de la dynamique du vol pour calculer les équilibres, les stabilités et simuler les mouvements. Cependant si les couplages entre le mouvement et l'aérodynamique sont forts, des insuffisances apparaissent dans les modèles qui ont été développés à partir d'expériences en soufflerie, où ne sont pas représentés ces couplages, et où, de plus, la dynamique représentée au cours d'un même essai est généralement limitée à un seul degré de liberté. Des essais en vol en laboratoire peuvent alors s'avérer précieux pour recaler et compléter les modèles de vol aux fortes incidences.
Des concepts de configurations d'avions légers résistantes à la perte de contrôle ont déjà été évalués avec cette technique expérimentale. Les travaux ont été conduits avec la société ROBIN et le service technique des programmes aéronautiques pour l'aviation civile (DGAC/SFACT) dans le cadre du programme CARAPACE, autour de la configuration de l'avion ATL.
A une toute autre échelle, l'étude des comportements à basse vitesse de véhicules tels que l'avion de transport supersonique futur (ATSF) ou les véhicules hypersoniques ou de rentrée spatiale peut être abordée dans cette installation. Ces véhicules, optimisés pour le vol à grande vitesse, présentent généralement des qualités de vol assez limitées dans le domaine des basses vitesses, domaine rencontré nécessairement lors des phases d'approche et d'atterrissage. Ces configurations aérodynamiques ont des gradients de portance relativement faibles, la phase d'atterrissage nécessite donc de voler à des coefficients de portance et des incidences élevés.
Dans ce domaine de vol se pose alors le problème de la sécurité qui peut être liée à la fois à l'existence de marges de stabilités longitudinale et latérale réduites ainsi qu'à la proximité du domaine de décrochage qui est dangereux en soi et où, de plus, divers phénomènes non linéaires ou oscillatoires sont souvent rencontrés. Lors de la phase finale d'atterrissage la proximité du sol soulève le problème de sécurité avec encore plus d'acuité et exige une maîtrise parfaite de la phase de vol avec une réactivité suffisante de la machine vis-à-vis de toute perturbation ou événement inopiné.
L'influence de diverses perturbations (dérapage, vent latéral, distance au sol) sur le décrochage peut être étudiée dans le laboratoire dans les conditions représentatives de ce type de vol. La technique expérimentale sur maquette permet d'effectuer des essais dans des conditions proches du vol (similitude de Froude) sans être soumis aux contraintes rencontrées par les essais en vol (à échelle 1), qui sont notamment liées à la certification de l'avion et à l'ouverture de son domaine de vol. La méthode sur maquette libre permet, en synergie avec la technique d'essais en soufflerie verticale, d'explorer l'ensemble du domaine de vol à haute incidence (du décrochage jusqu'à la vrille établie) pour évaluer les comportements de l'aéronef et définir les consignes de gouvernes nécessaires à la récupération du vol normal.
- L'étude du contrôle actif et de l'antiturbulence
Cette application sur les avions peut motiver la réalisation d'expérimentations au laboratoire de vol au moyen d'une maquette instrumentée, équipée de calculateurs pilotant les servo commandes de ses gouvernes. Des expériences en vol comportant des traversées de rafales de vent vertical ou latéral, de profil choisi, apporteront alors des indications concrètes sur les performances du concept de contrôle étudié. Dans le passé de telles expérimentations ont été réalisées dans le précédent laboratoire B10, elles ont permis de montrer l'efficacité de lois actives antiturbulence.
A la demande des industriels, certains travaux expérimentaux plus spécifiques, sur des objectifs autres que la mécanique du vol ou l'aérodynamique, ont été parfois réalisés dans le passé dans l'installation B10.
Un exemple est la réalisation, à la demande d'Aérospatiale, d'essais de crash en similitude de Froude.
Une maquette d'avion A300, équipée de patins d'enfoncement sur les nacelles, était catapultée dans le laboratoire pour voler puis impacter le sol. Les essais ont fourni des données pour la validation de modèles de calcul des efforts appliqués sur la structure de l'avion lors de son atterrissage en configuration "trains rentrés".
- L'étude des comportements au point fixe des hélicoptères ou des convertibles
Ce type d'étude peut aussi être abordé dans le laboratoire B20, installation de 20 mètres de haut où les conditions de l'environnement sont mesurées et maîtrisées.
Pour les hélicoptères l'installation B20 peut présenter deux pôles d'intérêt particuliers. Un premier sujet d'intérêt est la connaissance de l'aérodynamique des sillages du rotor, ainsi que des déflexions de ces sillages en présence de vents relatifs, et de leurs interactions sur les différentes parties de la cellule, en particulier lorsque l'hélicoptère se trouve à proximité du sol. Les techniques de mesure et de visualisation des écoulements tourbillonnaires mises en œuvre pour étudier les sillages des avions pourraient être adaptées et appliquées à la problématique des hélicoptères au point fixe pour analyser les différentes interactions du rotor avec le sol, avec les parties arrière avec et sans la présence de vent.
Un second sujet a trait à la mécanique du vol de l'hélicoptère et au développement de ses lois de commande.
La phase de vol concernée est la phase de vol stationnaire ou à vitesse d'avancement très faible lorsque l'hélicoptère effectue un appontage sur une plate forme off-shore par exemple ou lors d'une opération de sauvetage. L'étude de la stabilité de cette phase de vol en présence de vent et du sol, la mise au point de ses lois de commande, la démonstration de la validité des concepts de contrôle étudiés sont autant d'applications a priori possibles dans l'installation B20. Suivant les applications envisagées la technique expérimentale peut varier.
Si les mouvements du véhicule doivent être représentés une maquette motorisée peut être télépilotée dans le laboratoire par un opérateur, la technique expérimentale est alors identique à celle employée aux essais en vol mais dans un environnement maîtrisé. La maquette peut aussi être installée sur un portique ou au bout d'un mât réglable en hauteur, ce qui permet alors d'effectuer des pesées aérodynamiques, d'alimenter la maquette en énergie et en électricité pendant l'essai et simplifie également les conditions expérimentales, la complexité et le coût de la maquette (absence de pilotage de la maquette, sécurité garantie pour la maquette et les personnels).
Dans les deux cas diverses perturbations calibrées peuvent être appliquées sur la maquette (vent, gouvernes, sol) pour en mesurer les réponses et identifier les modèles de comportement. Des essais de ce type sont conduits par Boeing dans une soufflerie de grande dimension, aménagée notamment pour étudier l'effet du vent latéral sur la déflexion du sillage du rotor d'un hélicoptère.
L'illustration de cette activité recueillie dans Aviation Week du 29-11-99 est présentée ci-dessous
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" Boeing is updating its 20 X 20-ft. wind tunnel in Ridley Township, Pa., near Philadelphia, as seen in this artist's concept. ‘The goal is to better measure downwash from helicopters, tiltrotors and other vertical-lift aircraft such as the AV-8B Harrier 2 and the proposed Joint Strike Fighter. Modifications to the tunnel included adding 12 X 24-ft. extensions on either side of the floor to allow a fuller outwash flowfield, according to Boeing team leader Art Distasi. Test data will help determine the ability of ground crews and rescue teams to work near hovering aircraft. The tunnel's test area also can be modeled to simulate a ship's deck to assess the effects of turbulent air currents on the performance, stability and control of a helicopter hovering nearby. "
- Dans le même esprit, l'étude des comportements des convertibles et la mise au point du concept de contrôle de la phase de vol de transition, qui, dans sa phase finale, est réalisée à très basse vitesse, et permet de passer du mode avion au mode hélicoptère, serait éventuellement envisageable dans le laboratoire.
- Un autre sujet pour lequel le laboratoire B20 peut apporter des informations pertinentes concerne l'étude des qualités de vol et des performances des mini et micro drones. Pour de tels engins, le laboratoire peut offrir un espace de vol très large dans un environnement expérimental tout à fait favorable avec une instrumentation en trajectographie (caméras, photogrammétrie) dont l'exploitation permettrait d'évaluer les qualités de vol et la tenue à la rafale du drone. Les performances relatives de divers concepts seraient ainsi directement comparées sur des cas de vol réels.
- Contrairement aux autres véhicules de plus grande taille, les mini et micro drones peuvent être étudiés dans cette installation à grandeur réelle. Ceci offre le double avantage de ne pas engager de coûts pour les travaux de construction d'une maquette, et de réaliser les expériences en laboratoire dans les conditions du réel, en s'affranchissant des problèmes de similitude, et de celle de Reynolds en particulier.
- Enfin un sujet pour lequel des essais sur maquette en laboratoire pourraient s'avérer très utiles est celui des nouveaux moyens de contrôle dont les gouvernes fluidiques en particulier. Le laboratoire B20 est de fait le lieu favorable à l'analyse des effets induits par les moyens de contrôle sur le comportement des aéronefs. Les mesures peuvent être réalisées sur des trajectoires réelles, dans un environnement bien connu et maîtrisé, tout en permettant une représentation des différents couplages pouvant intervenir entre le jet fluidique, le mouvement du véhicule et l'aérodynamique externe
