Développement d'actionneurs en alliage à mémoire de forme pour un prototype d'aile d'avion adaptative

Dans le contexte actuel, le fait de réduire la consommation de carburant des avions constitue à la fois un enjeu écologique, car il irait de pair avec une réduction des gaz à effet de serre, mais aussi économique, la raréfaction des énergies fossiles ne pouvant qu’entraîner une hausse du prix du kérosène à long terme. Ceci peut être obtenu grâce à une réduction de la traînée des ailes, qui se traduirait par une baisse de l’énergie que devront générer les moteurs. C’est dans ce contexte que s’inscrit le projet CRIAQ 7.1, nommé Amélioration de l'écoulement laminaire sur une voilure aéroélastique, et financé par le Consortium de recherche et d’innovation en aérospatiale au Québec (CRIAQ), le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), Bombardier Aéronautique et Thales Canada, et est réalisé par deux universités québécoises, l’École de technologie supérieure (ÉTS) et l’École polytechnique de Montréal, ainsi que par le laboratoire d’aérodynamique du Conseil National de Recherche du Canada - Institut de recherche en aérospatiale (CNRCIRA). L’objectif est la réalisation d’un système actif permettant de retarder l’apparition de la transition laminaire/turbulent de l’écoulement sur l’aile. Pour cela, un prototype d’aile adaptative est conçu et réalisé, et est composé de trois éléments principaux hormis la structure rigide : une peau flexible sur laquelle sont installés des capteurs de pression pour détecter la position de la transition, un contrôleur et des actionneurs intelligents. Ces derniers sont composés de fils d’alliage à mémoire de forme (AMF) jumelés à un élément de rappel et permettent de modifier la géométrie de l’aile selon les conditions de vol. Celles-ci dépendent de la vitesse de l’écoulement (le nombre de Mach variant entre 0,2 et 0,35) et de l’angle d’attaque de l’aile, variant entre -1º et 2º. L’équipe de l’École polytechnique a généré une série de profils optimisés adaptés à chacune des configurations étudiées, et un modèle numérique décrivant le comportement de la peau flexible a été développé par le Laboratoire sur les alliages à mémoire et systèmes intelligents (LAMSI) à l’ÉTS. Les résultats de ces études montrent que les mouvements de la peau devront être obtenus à partir de ceux de deux lignes d’action. Celles-ci devront être capables de générer des déplacements verticaux de 8 mm par rapport à leur position de référence dans le but d’obtenir des profils les plus proches possible des profils optimisés. Le modèle numérique a aussi permis de connaître les forces et déplacements requis aux deux lignes d’action, qui doivent être générés par les actionneurs et transmis à la peau flexible par l’intermédiaire d’un système de transmission. Le présent mémoire décrit le procédé de dimensionnement qui a mené au choix de la géométrie des actionneurs, c'est-à-dire de la longueur et de la section nécessaires des éléments actifs permettant d’obtenir les forces et déplacements requis. Le premier paramètre à fixer est la force de l’élément de rappel, qui doit maintenir la peau dans sa position nominale en l’absence d’actionnement mais en présence de succion aérodynamique. Afin d’obtenir le mouvement de la peau, les actionneurs se retrouvent confrontés aux forces créées par l’élément de rappel et par la déformation de la peau, mais sont aidés pour cela par la force de succion liée au chargement aérodynamique. Le comportement des alliages à mémoire de forme étant difficile à modéliser, la méthode de dimensionnement la plus couramment utilisée est celle dite par essais et erreurs. Dans le cadre de cette étude, une caractérisation en laboratoire d’échantillons de faibles dimensions a permis de déterminer l’enveloppe des forces et déplacements que ceux-ci peuvent générer pour une déformation initiale, une température d’actionnement et un nombre de cycles donnés. Ensuite, une méthode de design basée sur la mise à l’échelle de ces résultats est mise en oeuvre afin de déterminer la géométrie des actionneurs qui sont installés dans l’aile. Il en ressort qu’une géométrie constituée de 6 fils d’alliage nickel-titane ayant subi une préparation thermomécanique préalable (laminage à froid et traitements thermiques), de longueur 1800 mm et de section unitaire 0,7 mm2 satisfont aux exigences de l’application. Lors de l’installation dans le prototype, ils sont déformés à froid, ce qui leur permet de générer les courses et forces nécessaires pour déformer la peau flexible lorsqu’ils sont chauffés. Le prototype d’aile adaptative a été validé expérimentalement au cours de trois séries d’essais en soufflerie, en octobre 2008, puis en février et mai 2009, au cours desquelles tous les paramètres des actionneurs AMF ont été mesurés (forces, déplacements, etc.) et comparés aux valeurs prévues lors de la phase de dimensionnement. Les mesures expérimentales ont validé la démarche développée dans ce mémoire.

Level thesis:degree_level

masters

Grantor dc:publisher

École de technologie supérieure

Year dc:date

2010

Author dc:creator

• Morellon, Émeric

• Actionneurs Aérodynamique. Alliages à mémoire de forme. Avions Ailes. Souffleries aérodynamiques. adaptative, Ni-Ti

Language dc:language

fr

Identifier

INSERT-YOUR-LIBRARY-ID-HERE280

OAI record oai:identifier

https://espace.etsmtl.ca/cgi/oai2?verb=GetRecord&metadataPrefix=oai_etdms&identifier=oai%3Aespace.etsmtl.ca%3A280