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Mesure de l'impact de la technologie d'aile déformable sur les performances en croisière de l'avion d'affaire Cessna Citation X

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Segui, Marine (2018). Mesure de l'impact de la technologie d'aile déformable sur les performances en croisière de l'avion d'affaire Cessna Citation X. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce mémoire présente une vue d’ensemble de la quantité de combustible qui pourrait être économisé grâce à l’utilisation d’un système déformable sur un avion de type Cessna Citation X. Pour réaliser cette étude, des modèles numériques capables de délivrer des informations de référence (avion ordinaire), et des données correspondantes à l’avion équipé d’un système déformable ont été conçus. Deux systèmes déformables ont alors été proposés, et modélisés; l’un sur l’aile, l’autre sur l’empennage horizontal.

Sur l’aile, le système proposé est une ailette déformable selon 3 degrés de liberté. Les géométries de l’ailette ont été recherchées pour chaque combinaison d’angle d’incidence (de -2 à 8 degrés) et de nombre de Mach (de 0.6 à 0.9). Pour chacune des combinaisons, c’est un algorithme d’optimisation par essaim de particules (PSO) qui a permis de définir les positions optimales de l’ailette. Le critère d’optimisation impose que la géométrie de l’ailette doit permettre à l’avion de conserver son coefficient de portance initial, mais de diminuer son coefficient de traînée. En étudiant seulement l’aspect aérodynamique de cette ailette, un bénéfice a été observé pour chacune des conditions statiques de vol, avec en moyenne, un gain de 10.8 lb/h sur la consommation de carburant. Enfin, lors de simulation de plusieurs scénarios de croisière, des réductions de combustibles allant jusqu’à 2.14% ont été observées.

Sur l’empennage horizontal, il a été suggéré qu’en déformant le profil de l’empennage, on pourrait équilibrer l’avion sans nécessiter d’angle de rotation de la part du plan horizontal réglable (PHR). Pour modéliser cet empennage déformable, un générateur de profils a tout d’abord été conçu à partir de la méthode des courbes paramétrées de Bézier-Parsec BP3434. Les paramètres du générateur ont ensuite été soumis à un algorithme génétique chargé de trouver la forme du profil qui permet d’équilibrer l’avion sans nécessiter de mouvement de rotation. Pour chacune des 44 conditions de vols statiques testées, un profil capable d’équilibrer l’avion a été trouvé. Par ailleurs, un gain moyen d’environ 50 lb/h a été constaté sur la consommation de carburant.

Cette étude a permis de concevoir des systèmes déformables qui permettent de diminuer les besoins en carburant. Cependant, seulement l’aspect aérodynamique des dispositifs a été pris en compte en utilisant des méthodes de calculs aérodynamiques simplifiés. Dans de futurs travaux, il serait alors intéressant de prendre en compte le poids ajouté par les systèmes et d’ainsi vérifier la précision des résultats obtenus avec des calculs aérodynamiques plus précis.

Titre traduit

Impact of morphing-wing systems on cruise performances of the Cessna Citation X business jet

Résumé traduit

This thesis presents an overview of the amount of fuel that could be saved by using a morphing wing system on the Cessna Citation X. To carry out this study, numerical models able to give such results on the reference aircraft or on the morphed-one were designed. Two morphing-wing systems were proposed and modeled; one on the wing, and the other one on the horizontal stabilizer.

On the wing, the proposed system is a morphing winglet with 3 degrees of freedom. The geometries of the winglet were searched for each combination of angles of attack (from -2 to 8 degrees) and Mach numbers (from 0.6 to 0.9). For each combination, a Particle Swarm Optimization algorithm (PSO) was used to define the optimum positions of the winglet. The optimization criterion used requires that the geometry of the winglet should allow the aircraft to maintain its original lift coefficient, but to reduce its drag coefficient. By studying only the aerodynamic aspect of this winglet, a benefit was observed for each of the static flight conditions, with an average gain of 10.8 lb/h on the fuel consumption. Finally, by simulating several cruise scenarios, fuel reductions of up to 2.14% could be observed.

On the horizontal stabilizer, it has been suggested that by morphing the airfoil of the horizontal stabilizer one could balance the aircraft without requiring an angle of rotation from the trimmable horizontal stabilizer (THS). To model this morphed stabilizer, an airfoil generator was designed using the Bézier-Parsec BP3434 parameterized curve method. The parameters of the generator were then subjected to a genetic algorithm responsible for finding the shape of the airfoil which makes it possible to balance the aircraft without requiring any rotational movement. For each of the 44 static flight conditions tested, an airfoil able of balancing the aircraft was found. Furthermore, a gain of about 50 lb/h could be found on the average fuel consumption.

This study led to the design of morphing-wing systems that reduce fuel requirements. However, only the aerodynamic aspect of the devices was taken into account using simplified calculation methods. As future work, it would be interesting to take into account the weight added by the systems, and thus to check the trend of the results obtained with more accurate aerodynamic computations.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie aérospatial". Comprend des références bibliographiques : pages 151-154.
Mots-clés libres: aérodynamique, modélisation, morphing-wing, optimisation, performance
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 17 déc. 2018 18:29
Dernière modification: 17 déc. 2018 18:29
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2185

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