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Aero-propulsive model design from a commercial aircraft in climb and cruise regime using performance data

Tudor, Magdalena (2017). Aero-propulsive model design from a commercial aircraft in climb and cruise regime using performance data. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

IATA has estimated, in 2012, at about 2% of global carbon dioxide emissions, the environmental impact of the air transport, as a consequence caused by the rapidly growing of global movement demand of people and goods, and which was effectively taken into account in the development of the aviation industry. The historic achievements of scientific and technical progress in the field of commercial aviation were contributed to this estimate, and even today the research continues to make progress to help to reduce the emissions of greenhouse gases.

Advances in commercial aircraft, and its engine design technology had the aim to improve flight performance. These improvements have enhanced the global flight planning of these types of aircrafts. Almost all of these advances rely on generated performance data as reference sources, the most of which are classified as “confidential” by the aircraft manufacturers. There are very few aero-propulsive models conceived for the climb regime in the literature, but none of them was designed without access to an engine database, and/or to performance data in climb and in cruise regimes with direct applicability for flight optimization.

In this thesis, aero-propulsive models methodologies are proposed for climb and cruise regimes, using system identification and validation methods, through which airplane performance can be computed and stored in the most compact and easily accessible format for this kind of performance data. The acquiring of performance data in this format makes it possible to optimize flight profiles, used by on-board Flight Management Systems.

The aero-propulsive models developed here were investigated on two aircrafts belonging to commercial class, and both of them had offered very good accuracy. One of their advantages is that they can be adapted to any other aircraft of the same class, even if there is no access to their corresponding engine flight data. In addition, these models could save airlines a considerable amount of money, given the fact that the number of flight tests could be drastically reduced. Lastly, academia, thus the laboratory of applied research in active control, avionics and aeroservoelasticity (LARCASE) team is gaining direct access to these aircraft performance data to obtain experience in novel optimization algorithms of flight profiles.

Titre traduit

La conception d'un modèle aéro-propulsif d'un avion commercial en régimes de montée et en croisière à partir des données de performance

Résumé traduit

Les conséquences sur l’environnement de la demande croissante dans le transport aérien, qui ont été prises en compte dans le développement de l’industrie aéronautique, ont été estimées par IATA en 2012 à 2% des émissions mondiales de dioxyde de carbone. Les acquis historiques des progrès scientifiques et techniques dans le domaine de l'aviation commerciale ont contribué à cette estimation, et même la recherche d’aujourd'hui continue de faire des progrès pour aider à réduire les émissions de gaz à effet de serre.

Les progrès, dans la conception et la technologie des modèles d'avions commerciaux et des moteurs, ont été destinés à améliorer, effectivement et efficacement, les performances de vol, mais aussi la planification de vol de ces types d'avions. Derrière ces progrès, des bases des données numériques d’un avion, qui vient d’être générées, en tant que sources de référence, la plupart du temps sont évaluées comme “confidentielles” par les constructeurs d’avions, et très rarement, elles sont traitées comme sources partagées avec ceux qui font la modélisation de l’avion et de son moteur.

La littérature de spécialité présente plusieurs modèles aéro-propulsifs d’un avion, déjà mis en œuvre, mais aucun d’entre eux n’est conçu sans avoir accès à des données numériques du moteur, en plus, il faudrait être en mesure de générer, en montée et en croisière, une base de données numériques qui peut être appliquée directement dans un processus d’optimisation des profils de vol des aéronefs.

Cette thèse a pour but d’apprendre à concevoir des modèles aéro-propulsifs pour la montée et de croisière, en utilisant des méthodes d'identification et de validation des systèmes, à travers lesquelles les performances d'avion sont calculées et stockées sous la forme la plus compacte et la plus facile d'accès à ces types de données, afin d’être utilisées dans les techniques d'optimisation du profil de vol.

Les modèles aéro-propulsifs développés dans cette recherche ont été étudiés sur deux avions appartenant à la classe d’avions commerciale. Pour chaque avion, la méthodologie a fait preuve d’une très bonne précision. Les modèles étudiés, qui prouvent avoir une bonne précision, pourraient être adaptés à d’autres avions de la même classe, même s'il n'y a pas d’accès à des données de vol du moteur. Encore plus, les résultats de la recherche ont démontré, en quelque sorte, que ces modèles pourraient économiser de l'argent pour les compagnies aériennes, par le fait qu'un très grand nombre d'essais en vol pourrait être évité, pour chacun des cas étudiés. En outre, l’équipe du laboratoire en commande active, avionique et aéroservoélasticité (LARCASE) de l’ÉTS gagne un accès direct à ces données des performances pour ces types d’avions, dans l'intérêt de créer de nouveaux algorithmes d'optimisation applicables à d’autres types d’avions.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in aerospace engineering M.A.Sc." Bibliographie : pages 107-113.
Mots-clés libres: Avions Performances Modèles mathématiques. Avions Propulsion par réaction Modèles mathématiques. Optimisation mathématique. Avions de ligne. aéro, aéro-propulsif, croisière, montée, propulsion, régime, aviation commerciale, modèles, données numériques des performances, méthodes d'identification et de validation du système, processus d’optimisation des profils de vol
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 13 avr. 2017 14:11
Dernière modification: 13 avr. 2017 14:11
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1865

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