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Development of methods for deriving optimized shapes of morphing structures considering both aerodynamic performances and specific mechanical morphing boundary conditions

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Une idée d’optimisation novatrice prend son envol

Grâce à des méthodologies innovantes d’optimisation de la conception d’ailes déformables («morphing»), la prochaine génération d’aéronefs pourrait décoller et s’élever dans les airs à la manière des aigles, ce qui leur ferait gagner en efficacité tout en générant moins d’émissions.

Technologies industrielles

La nature est peut-être le meilleur ingénieur qui soit en matière d’optimisation, et les oiseaux en vol en sont un excellent exemple. Depuis Dédale et Icare, avec leurs ailes à plumes, et jusqu’aux frères Wright, qui ont conçu et breveté des ailes d’aéronefs déformables utilisées pour leur Wright Flyer, cela fait longtemps que l’homme essaye d’imiter la perfection des ailes d’oiseaux. Bien que les frères Wright aient eu la bonne idée, au fil des ans, la pression exercée pour augmenter la vitesse, la charge utile et la distance parcourue a eu raison de ce concept: les structures d’aéronefs aujourd’hui sont plus rigides et par conséquent incapables de s’adapter à des conditions aérodynamiques changeantes. L’industrie aéronautique est donc revenue au point de départ et s’est investie dans le développement de la prochaine génération d’ailes déformables afin d’améliorer l’efficacité en vol et de réduire les besoins énergétiques et les émissions. Mais, pour ce faire, elle a besoin de meilleurs outils de conception. Le projet OPTIMOrph, financé par l’UE, a répondu à la demande de l’industrie dans le cadre du programme européen Clean Sky, le plus grand programme de recherche pour l’aviation jamais lancé en Europe.

Des méthodes d’optimisation qui méritent d’être optimisées

La conception actuelle des ailes d’aéronefs classiques traite les facteurs aérodynamiques et structurels de manière distincte, modifiant tantôt l’un, tantôt l’autre. Elle repose sur un processus itératif qui prend fin avec la découverte d’une conception qui permet à l’aéronef de voler dans toute une série de conditions de vol avec des performances acceptables, mais non optimales. Si la précision des algorithmes augmente avec l’inclusion de degrés croissants de liberté et de complexité, il en va de même du «poids» du logiciel au détriment de la vitesse. Comme l’explique Rita Ponza, coordinatrice du projet: «Le projet OPTIMOrph a élaboré une méthode intégrée d’optimisation aérodynamique et structurelle qui tient compte directement des contraintes et des capacités des concepts et matériaux sélectionnés dans le processus d’optimisation aérodynamique. Il génère ainsi des formes cibles optimisées qui peuvent être réalisées de manière pratique, et devrait permettre des économies considérables en matière de temps et d’argent consacrés au processus de conception et de développement.»

Des algorithmes efficaces pour des aéronefs efficaces

OPTIMOrph entendait optimiser à la fois les conditions d’hypersustentation et de vitesse de croisière. Pour les premières, les objectifs sur le plan aérodynamique étaient la maximisation du coefficient de portance (CL) maximal et la maximisation simultanée de l’efficacité aérodynamique (rapport portance/traînée) à 70 % du CL maximal. Pour les conditions de croisière, la maximisation de l’efficacité aérodynamique à un angle d’attaque fixe a été choisie. L’équipe a étudié deux stratégies de «morphing» différentes. Dans la première, la zone de «morphing» (déformation) oscillait entre 0 % et 15 % de la corde du profil aérodynamique, une ligne droite imaginaire reliant le bord d’attaque et le bord de fuite du profil. La seconde consistait à apporter un niveau supplémentaire de déformabilité au revêtement de l’aile. Dans les deux scénarios de «morphing», l’aile déformable a présenté des performances supérieures à celle du profil de référence, à la fois en terme d’hypersustentation et de vitesse de croisière. Par ailleurs, l’aile déformable affichant une plus grande complexité et déformabilité a permis une réduction substantielle de la traînée au CL maximum, ce qui a encore accru l’efficacité aérodynamique. Et Rita Ponza de conclure: «Nous avons fourni un outil utile prêt à être appliqué au «morphing» des ailes, et qui apporte des améliorations tangibles à l’efficacité du processus de conception des aéronefs. La combinaison d’ailes bio-inspirées avec des outils d’ingénierie pourrait déboucher sur de nouveaux résultats passionnants pour la prochaine génération d’avions.» Le logiciel OPTIMOrph a été mis à la disposition de la plus grande organisation de recherche appliquée d’Europe, Fraunhofer, à des fins d’optimisation et d’utilisation dans le cadre de projets futurs, en particulier avec son partenaire Airbus. Cette combinaison gagnante pourrait bien faire sortir les ailes déformables des laboratoires et leur donner enfin l’occasion de prendre leur envol.

Mots‑clés

OPTIMOrph, morphing, aile, optimisation, aérodynamique, aile déformable, efficacité, portance, avion, aéronef, croisière, algorithme, hypersustentation, coefficient de portance (CL) maximum

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