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Morphing wing system integration with wind tunnel testing

Guezguez, Mohamed Sadock (2016). Morphing wing system integration with wind tunnel testing. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Preserving the environment is a major challenge for today’s aviation industry. Within this context, the CRIAQ MDO 505 project started, where a multidisciplinary approach was used to improve aircraft fuel efficiency. This international project took place between several Canadian and Italian teams. Industrial teams are Bombardier Aerospace, Thales Canada and Alenia Aermacchi. The academic partners are from École de Technologie Supérieure, École Polytechnique de Montréal and Naples University. Teams from ‘CIRA’ and IAR-NRC research institutes had, also, contributed on this project.

The main objective of this project is to improve the aerodynamic performance of a morphing wing prototype by reducing the drag. This drag reduction is achieved by delaying the flow transition (from laminar to turbulent) by performing shape optimization of the flexible upper skin according to different flight conditions. Four linear axes, each one actuated by a 'BLDC' motor, are used to morph the skin. The skin displacements are calculated by ‘CFD’ numerical simulation based on flow parameters which are Mach number, the angle of attack and aileron’s angle of deflection. The wing is also equipped with 32 pressure sensors to experimentally detect the transition during aerodynamic testing in the subsonic wind tunnel at the IAR-NRC in Ottawa.

The first part of the work is dedicated to establishing the necessary fieldbus communications between the control system and the wing. The ‘CANopen’ protocol is implemented to ensure real time communication between the ‘BLDC’ drives and the real-time controller. The MODBUS TCP protocol is used to control the aileron drive.

The second part consists of implementing the skin control position loop based on the LVDTs feedback, as well as developing an automated calibration procedure for skin displacement values.

Two ‘sets’ of wind tunnel tests were carried out to, experimentally, investigate the morphing wing controller effect; these tests also offered the opportunity to validate the implemented control platform. Control and calibration results were excellent as they satisfied the desired objectives in terms of precision and robustness. The maximum static error obtained for the skin displacement control was 0.03 mm. The analysis of the pressure data and balance loads has shown that the drag was reduced for many cases among those tested. Almost 30% of the cases were optimized for drag reduction.

Titre traduit

Intégration d'un système d'aile adaptable avec validation expérimentale en soufflerie

Résumé traduit

Préserver l’environnement est un enjeu majeur de l’industrie aéronautique. Dans ce contexte s’intègre le projet CRIAQ MDO 505 qui est un projet multidisciplinaire international réalisé en collaboration entre des équipes canadiennes et italiennes. Les partenaires industriels sont issues des deux entreprises ‘Bombardier Aerospace’ et ’Thales Canada et Alenia Aermacchi. Les partenaires académiques proviennent de l’École de Technologie Supérieure, École Polytechnique de Montréal, Conseil National de recherche CNRC au Canada, Centre de recherche italien en aérospatiale (CIRA) et l’université de Naples.

L’objectif principal de ce projet est d’améliorer les performances aérodynamiques d’une aile à extrados flexible. En effet, on cherche à diminuer la trainée en retardant la transition de l’écoulement (du régime laminaire vers le régime turbulent) en optimisant la forme de l’extrados flexible dépendamment de la condition du vol. Le mécanisme conçu pour déformer la peau en composite est constitué de quatre axes linéaires actionnées par des moteurs ‘BLDC’. Les déplacements sont calculés par simulation numérique en fonction de la vitesse de l’écoulement, l’angle d’attaque de l’aile ainsi que l’angle de braquage de l’aileron. L’aile est aussi équipée de 32 capteurs de pression de type ‘Kulite’ afin de détecter expérimentalement la transition durant les tests en soufflerie, qui ont eu lieu, à l’institut de recherche en aérospatiale du CNRC à Ottawa.

Une première partie du travail réalisé consiste à établir les communications nécessaires entre le système de contrôle et les actionneurs de l’aile; Les protocoles de communication ‘CANopen’ et Modbus-TCP ont été implémentés. Une deuxième partie consiste à développer et valider expérimentalement une boucle de contrôle en position en se basant sur le retour des capteurs LVDT ainsi qu’une procédure automatisée de calibration des déplacements de la peau.

Deux sets de tests en soufflerie ont été effectués afin de tester les performances aérodynamiques de l’aile, ainsi que de la plateforme de contrôle mise en place. Les résultats de calibration obtenus ainsi que les résultats de contrôle du déplacement de la peau ont été bons par rapport à nos objectifs d’amélioration des performances. Une valeur maximale de 0.03 mm d’erreur statique, pour la boucle de contrôle en position, a été obtenue pour ses déplacements. L’analyse des données de pression, ainsi que les forces aérodynamiques mesurées par la balance de la plateforme de test, ont montré que la trainée a été diminuée pour 30% des cas de vol optimisés.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for a master's degree with thesis in aerospace engineering". Bibliographie : pages 135-139.
Mots-clés libres: Avions Ailes Aérodynamique. Actionneurs. Micro-ordinateurs Bus. Protocoles de réseaux d'ordinateurs. CAN (Réseau d'ordinateurs) Essais en soufflerie aérodynamique. Souffleries aérodynamiques Écoulement Visualisation. Avions Ailes Aérodynamique Modèles mathématiques. canopen, modbus, tcp, aile, extrados flexible, protocole de communication, contrôle, calibration, trainée, test en soufflerie
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 17 févr. 2016 20:57
Dernière modification: 10 déc. 2016 17:18
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1623

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