Design, development and tests in real time of control methodologies for a morphing wing in wind tunnel

Tchatchueng Kammegne, Michel Joël (2016). Design, development and tests in real time of control methodologies for a morphing wing in wind tunnel. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In order to leave a cleaner environmental space to future generations, the international community has been mobilized to find green solutions that are effective and feasible in all sectors. The CRIAQ MDO505 project was initiated to test the morphing wingtip (wing and aileron) technology as one of these possible solutions. The main objectives of this project are: the design and manufacturing of a morphing wing prototype, the extension and control of the laminar region over the extrados, and to compare the effects of morphing and rigid aileron in terms of lift, drag and pressure distributions. The advantage of the extension of the laminar region over a wing is the drag reduction that results by delaying the transition towards its trailing edge. The location of the transition region depends on the flight case and it is controlled, for a morphing wing, via the actuators positions and displacements. Therefore, this thesis work focuses on the control of the actuators positions and displacements.

This thesis presents essentially the modeling, instrumentation and wind tunnel testing results. Three series of wind tunnel tests with different values of aileron deflection angle, angle of attack and Mach number have been performed in the subsonic wind tunnel of the IAR-NRC. The used wing airfoil consisted of stringers, ribs, spars and a flexible upper surface mad of composite materials (glass fiber carbon), a rigid aileron and flexible aileron. The aileron was able to move between +/-6 degrees. The demonstrator’s span measures 1.5 m and its chord measures 1.5 m.

Structural analyses have been performed to determine the plies orientation, and the number of fiberglass layers for the flexible skin. These analyses allowed also to determine the actuator’s forces to push and pull the wing upper surface. The 2D XFoil and 3D solvers Fluent were used to find the optimized airfoil and the optimal location of the transition for each flight case. Based on the analyses done by the aerodynamic and structural teams in the MDO5050 project, the most efficient actuators and pressure sensors to integrate inside the wing were selected.

The actuators (4 in total) are attached to the ribs and placed inside of the wing to deform the upper surface thereof. The actuators are controlled by a controller whose gains were obtained with different methodologies. Pressure sensors (32 in total) were fixed in the wing upper surface in order to estimate the transition zone from the measured and analyzed data. The evaluation code for raw pressure sensors data was designed at the LARCASE using the Matlab / Simulink software.

Titre traduit

Conception, développement et tests de lois de commande en temps réel pour une aile déformable en soufflerie

Résumé traduit

Dans le souci de laisser aux générations futures un espace environnemental plus propre, c’est-à-dire moins pollué, la communauté internationale se mobilise afin de trouver des solutions écologiques, adéquates, efficaces et réalisables dans tous les secteurs d’activité. Cette thèse est écrite dans le cadre du projet MDO505. Les principaux objectifs de ce projet sont : la fabrication et la conception d’un démonstrateur ayant un extrados rigide et déformable sous l’effet de force d’actionneur, l’extension et du contrôle de la zone laminaire au-dessus de l’extrados et comparer les effets aérodynamiques de l’aileron rigide et déformable. L’extension de la région laminaire a pour avantage de réduire la traînée en repoussant la région de transition au maximum vers le bord de fuite. La position de la région transition dépend des cas de vol et est contrôlée indirectement au travers de la position des actionneurs installés à l’intérieur de l’aile. De ce fait, le travail présenté ici se focalise sur le contrôle de la position des actionneurs.

Cette thèse rapporte essentiellement la modélisation, l’instrumentation, et les réalisations expérimentales en soufflerie. Trois phases de tests avec différentes valeurs d’angle de déflection de l’aileron, d’angle d’attaque et du nombre de Mach ont été réalisées dans la soufflerie subsonique du Conseil National de la Recherche du Canada (CNRC) sur un profil d’aile trapézoïdal. Le profil d’aile utilisé est constitué de plusieurs longerons, raidisseurs, nervure, d’une peau supérieure flexible faite en matériaux composite (fibre de carbone de verre), d’un aileron rigide capable balayer une plage d’angle allant de +/-6 degrés. L’envergure du démonstrateur mesure 1.5 m et la corde mesure 1.5 m.

Des analyses structurales ont été faites pour déterminer l’orientation des plis et le nombre de couches de fibres de verre nécessaires pour la peau en composite. Ces analyses ont permis aussi de déterminer les forces utiles à apporter par les actionneurs pour déformer l’extrados. Les profils aérodynamiques optimisés ainsi que la localisation optimale de la zone de transition pour chaque cas de vol ont été obtenus par le solveur XFoil en 2D et par Fluent en 3D. La combinaison des résultats des équipes aérodynamique et structurale ont permis de déterminer les actionneurs et capteurs à intégrer dans le profil d’aile.

Les actionneurs (4 au total) sont attachés sur les nervures et placés à l’intérieur de l’aile afin de déformer son extrados. Les actionneurs ont été commandés par un contrôleur dont les gains ont été obtenus avec différentes méthodologies. Les capteurs de pression (32 au total) fixés dans l’extrados permettent d’évaluer la zone de transition à partir des valeurs mesurées, analysées. Le code d’évaluation a été conçu par le LARCASE à l’aide du logiciel Matlab/Simulink.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 211-227.
Mots-clés libres:	Avions Ailes Conception et construction. Avions Ailes Aérodynamique Modèles mathématiques. Avions Ailerons. Actionneurs Commande automatique. Commande en temps réel. Essais en soufflerie aérodynamique. Écoulement de transition. Écoulement laminaire. Traînée (Aérodynamique) adaptatif, subsonique, modélisation, simulation, actionneurs, transition
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Botez, Ruxandra
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	16 sept. 2016 17:47
Dernière modification:	10 déc. 2016 17:31
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1726

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