Identification and Validation of an Aircraft Performance Model for the Study of Flight Trajectories of the Cessna Citation X

Ghazi, Georges (2020). Identification and Validation of an Aircraft Performance Model for the Study of Flight Trajectories of the Cessna Citation X. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Flight trajectories optimization has been identified as one of the solutions to reduce fuel consumption, and carbon footprint of aircraft in the short term. To be able to analyze and optimize aircraft flight trajectories, it is necessary to develop mathematical models capable of predicting aircraft performance with great accuracy. Within this context, the main goal of this thesis was to propose different techniques to identify a mathematical model of an aircraft, and to predict the trajectories and flight performance of an aircraft.

The studies presented in this thesis were carried out in collaboration with the LARCASE industrial partners, and were applied on the well-known Cessna Citation X business jet for which a highly qualified research aircraft flight simulator was available.

The first part of this thesis focused on the identification and creation of a mathematical model of the Cessna Citation X based on data published in the aircraft flight manuals (or equivalent source). The objective of this mathematical model was to represent the aerodynamic and propulsive performance of the aircraft. Two approaches were then considered. The first approach consisted of identifying a propulsion model of the aircraft assuming that the data published in the flight manuals included sufficiently relevant information regarding the engine performance. The second approach assumed that no engine information was available, and that only flight trajectories data was accessible to the user. In both approaches, it was possible to obtain a mathematical model of the aircraft that was both reliable and accurate.

The second part of this thesis focused on the study and prediction of aircraft flight trajectories. A mathematical model of the aircraft, different algorithms have been developed to predict the performance, and flight trajectories of the Cessna Citation X. Once again, this study was divided into two subparts; the first subpart was devoted to the takeoff phase study, while the second subpart was devoted to the portion of the flight above 1500 feet (i.e., excluding the takeoff and landing phases). The algorithms and techniques proposed in this thesis made it possible to account for the effects of the wind, but also to take into account the piloting techniques.

Finally, the last part of this thesis focused on the monitoring of the aircraft performance, and on the automatic update of the mathematical model of the aircraft. For this purpose, an algorithm to analyze the aircraft performance in cruise was developed. This algorithm allowed, in a first step, to collect various aircraft flight parameters and to perform different analyses to identify the flight segments in which the aircraft was in trim conditions. Once these flight segments were identified, the algorithm correlated the measured flight parameters with those predicted by the aircraft mathematical model. This analysis was then used to assess the accuracy of the aircraft mathematical model. If the model was no longer accurate, then its automatic update was performed.

The combination of all the studies presented in this thesis has allowed the design of mathematical tools for the study, analysis and prediction of the flight trajectories of the Cessna Citation X aircraft. These tools were developed to meet specific needs of the aeronautical industry, but also to help LARCASE researchers in their research.

Titre traduit

Identification et validation d’un modèle de performance pour l’étude des trajectoires de vol de l’avion Cessna Citation X

Résumé traduit

L’optimisation des trajectoires de vol a été identifiée comme l’une des solutions permettant de réduire la consommation de carburant et l’empreinte carbone des avions à court terme. Pour pouvoir analyser et optimiser les trajectoires de vol d’un avion, il nécessaire de développer des modèles mathématiques capables de prédire avec une grande précision les performances de ce dernier. Dans ce contexte, l’enjeu de cette thèse a été de proposer différentes techniques permettant d’une part d’identifier un modèle mathématique d’un avion, et d’autre part, de pouvoir prédire les trajectoires et les performances de vol d’un avion.

Les études présentées dans cette thèse ont été réalisées en collaboration avec les partenaires industriels du LARCASE, et ont été expérimentalement validées sur l’avion d’affaire Cessna Citation X pour lequel un simulateur de vol hautement qualifie était disponible.

La première partie de cette thèse portait sur l’identification et la création d’un modèle performance de l’avion Cessna Citation X à partir de données publiées dans les manuels de vol de l’avion (ou d’une source équivalente). Ce modèle avait pour objectif de représenter les performances aérodynamiques et propulsives de l’avion. Deux approches ont été alors envisagées. La première approche consistait à identifier un modèle de propulsion de l’avion en supposant que les données publiées dans les manuels de vol incluaient des informations suffisamment pertinentes sur les performances de moteurs de l’avion. La deuxième approche, quant à elle, faisait l’hypothèse qu’aucune information sur les moteurs n’était disponible, et que seules les données de trajectoire de vol étaient accessible à l’utilisateur. Dans les deux approches, il a été possible d’obtenir un modèle mathématique de l’avion à la fois fiable et précis.

La deuxième partie de cette thèse était axée sur l’étude et la prédiction des trajectoires de vol. En partant d’un modèle mathématique de l’avion, différents algorithmes ont été développés pour prédire les performances et les trajectoires de vol du Cessna Citation X. Encore une fois, cette étude a été divisée en deux sous-parties : une première sous-partie portait sur l’étude de la phase de décollage, tandis que la deuxième sous-partie était consacrée à la portion du vol au-dessus de 1500 pieds (i.e., excluant les phases de décollage et d’atterrissage). Les algorithmes et les techniques proposées dans cette thèse ont permis de prendre en compte les effets du vent, mais également de modéliser les techniques de pilotage.

Finalement, la dernière partie de cette thèse s’intéressait à la surveillance des performances d’un avion, et à la mise à jour automatique du modèle mathématique de ce dernier. Pour ce faire, un algorithme permettant d’analyser les performances de l’avion en croisière a été développé. Cet algorithme permettait dans un premier temps, de collecter des paramètres de vol de l’avion et de réaliser des analyses pour identifier les segments de vol dans lesquels l’avion se trouvait en conditions d’équilibre. Une fois ces segments de vol identifiés, l’algorithme effectuait des corrélations entre les paramètres de vol mesures, et ceux prédits par le modèle mathématique de l’avion. Cette analyse était ensuite utilisée pour évaluer le degré de précision du modèle mathématique de l’avion. Dans le cas où le modèle n’était plus suffisamment précis, alors une mise à jour automatique de ce dernier était réalisée.

La combinaison de toutes les études présentées dans cette thèse a permis de créer des outils mathématiques pour l’étude, l’analyse et la prédiction des trajectoires de vol de l’avion Cessna Citation X. Ces outils ont été développés pour répondre à des besoins spécifiques de l’industrie aéronautique, mais également pour aider les chercheurs du LARCASE dans leurs recherches.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 291-307).
Mots-clés libres:	modélisation, identification, aérodynamique, propulsions, performances avion, trajectoire de vol
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Botez, Ruxandra
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	18 août 2021 14:09
Dernière modification:	18 août 2021 14:09
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2664

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