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Development of a novel servovalve concept for aircraft

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De meilleurs rendements hydrauliques dans les avions grâce à un nouveau type de servodistributeur

Une initiative financée par l’UE a permis de mettre au point un nouveau prototype de servodistributeur pour les applications aérospatiales. Par rapport aux configurations de vannes classiques, ce prototype se caractérise par une complexité moindre, avec un plus petit nombre de pièces, des coûts de fabrication et un poids réduits, ainsi qu’une fiabilité et une efficacité accrues.

Transports et Mobilité
Technologies industrielles

Les servodistributeurs électro-hydrauliques sont utilisés pour contrôler le carburant des moteurs, les freins et la direction ainsi que les commandes de vol primaires (asservissement des gouvernes de profondeur, des ailerons et des gouvernails). Ces composants critiques déterminent tous les mouvements d’un avion et il y en a environ une quarantaine sur un avion de ligne typique. Ils contrôlent principalement le débit du fluide hydraulique des pompes à haute pression vers les vérins hydrauliques, ce qui permet un positionnement précis du piston dans chaque cylindre. À son tour, chaque piston est relié à une surface de contrôle de vol ou, par exemple, aux systèmes de direction ou de freinage. Dans un composant de précision tel qu’un servodistributeur, la rotation d’un moteur électrique miniature est amplifiée par voie hydraulique afin de déplacer un tiroir coulissant, qui ouvre ou ferme à son tour des orifices (trous) pour contrôler le flux hydraulique. Le moteur électrique «remue» de moins de 100 microns – l’épaisseur d’un cheveu humain – ce qui détermine, au bout du compte, les mouvements de l’avion, qui peut quant à lui peser plusieurs centaines de tonnes. Les coûts de fabrication des servodistributeurs sont extrêmement élevés à cause du grand nombre de pièces, des tolérances extrêmement faibles et des processus de réglage manuel requis pour les conceptions actuelles. Ces tâches de fabrication manuelle peuvent être à l’origine d’une certaine variabilité entre les servodistributeurs et poser des problèmes potentiels de fiabilité, ce qui constitue une réelle préoccupation pour ces composants essentiels à la sécurité – sans parler des déchets produits lors de leur fabrication (ferraille). Par ailleurs, les conceptions actuelles sont affectées par des fuites, se traduisant par une perte d’énergie considérable.

Une approche innovante

Le projet DNSVCFA, financé par l’UE, a introduit un changement technologique radical permettant de produire des servodistributeurs à la fois plus efficaces, plus fiables et moins chers. Cette technologie clé repose sur le recours à l’actionnement piézoélectrique. Les céramiques piézoélectriques changent de forme lorsqu’elles sont soumises à un champ électrique, offrant ainsi une méthode d’asservissement «à l’état solide» pour remplacer le moteur électrique miniature, plus complexe. «Nous avons également introduit un “double clapet” innovant qui permet, la plupart du temps, de faire en sorte que la puissance perdue par la valve en cas de fuite soit réduite à une valeur quasiment nulle», explique Andrew Plummer, coordinateur du projet et directeur du Centre de transmission de puissance et de commande de mouvement de l’université de Bath. Une simulation faisant appel à la mécanique des fluides numérique a permis de vérifier la conception, notamment avec une prédiction de l’écoulement des fluides, et ainsi de construire un prototype pour tester et valider le concept.

Des avantages significatifs

Cette étude a été entreprise avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie, et le chercheur Paolo Tamburrano s’est penché sur le processus de production des servodistributeurs alors qu’il était détaché auprès d’un grand fabricant de servodistributeurs. «Cette expérience a été extrêmement utile et m’a aidé à mieux apprécier les aspects pratiques de la conception et de la fabrication des servodistributeurs, ainsi qu’à intégrer ces connaissances au sein du projet», a-t-il fait remarquer. Le résultat final se traduit par une nouvelle conception de vanne, qui fonctionne aussi bien qu’un servodistributeur classique, mais avec moins de pièces et une complexité réduite. «Nous avons également démontré que leur efficacité s’en trouvait améliorée. Cela dépend beaucoup du cycle de service, mais on s’attend en général à ce que la puissance hydraulique utilisée par un système d’asservissement d’avion soit réduite de moitié grâce aux nouvelles vannes. L’étape suivante consiste à quantifier les avantages au niveau de la fabrication, mais nous avons bon espoir qu’ils soient importants», conclut Andrew Plummer.

Mots‑clés

DNSVCFA, servodistributeur, hydraulique, piézoélectrique, aérospatiale, mécanique des fluides numérique

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