Depuis les années 1950, le trafic aérien est en constante croissance. Les acteurs du transport aérien - les constructeurs de moteur, les avionneurs, et les compagnies aériennes - sont concentrés sur des enjeux propres à leur secteur d'activité, ce qui peut s'avérer restrictif. De plus, des objectifs de réduction de l’impact climatique de l’aviation sont apparus et vont devoir être pris en compte dès la phase préliminaire de conception d'avion.
Lors de cette phase, l'avionneur étudie les performances de nombreuses configurations. Cette étude est modélisée sous la forme d'un problème d'optimisation multidisciplinaire déterministe sous contraintes. Les critères sont la minimisation de la consommation de fuel, du coût global d'opération de l'avion ou de la masse maximale au décollage (qui mesure l'efficacité globale de l'avion). Les contraintes sont définies par le cahier des charges. Les degrés de liberté de cette optimisation sont généralement la surface de la voilure et la taille du moteur.
Ces études sont effectuées à partir de modèles parfois très simplifiés, soit par volonté de réduction du temps de calcul, soit par manque de connaissance sur les concepts abordés.
Cette thèse introduit une nouvelle approche holistique du problème d'optimisation de la conception d'avion: nous agrégeons aux modèles classiques, des modèles plus précis de la partie propulsive et de la trajectoire. Pour cela, nous nous familiarisons avec les modèles existants, pour comprendre les interactions entre les disciplines concernées. Nous validons ensuite l’intégration des modèles plus précis de moteur et de trajectoire aux outils existants, en se basant sur les données d’avions existants. Une contribution de cette thèse est d'intégrer aux degrés de liberté usuels, des paramètres de conception du moteur et des degrés de liberté de la mission. L'étude des résultats présente les gains apportés par cette nouvelle approche.
Cette thèse contribue également à ajouter la minimisation de l'impact climatique aux objectifs de l’optimisation. Une modélisation de cet impact est intégrée aux modèles.
Aussi, pendant la phase préliminaire de conception d'avion, des technologies innovantes sont étudiées, qui s'intègrent au système propulsif de l'avion, à son système aérodynamique, ou à sa géométrie. Nous en sélectionnons certaines afin de tirer de la configuration les meilleures performances. Nous proposons d'appliquer l'approche holistique à un concept d'avion à propulsion hybride électrique-fuel. Les modèles utilisés sont présentés et viennent compléter les modèles existants, après validation par des experts. Les résultats de cette optimisation sont comparés à ceux d'un avion conventionnel répondant au même cahier des charges.
Toutes les études menées jusqu'à présent sont déterministes. Les incertitudes autour des modèles utilisés ne sont pour l'instant prises en compte que par des marges basées sur le savoir-faire ingénieur. Cela peut parfois mener à des contre-performances inattendues. Ainsi, nous introduisons une nouvelle approche qui consiste à prendre en compte consciencieusement ces incertitudes. Pour cela, nous recensons, comparons et sélectionnons des méthodes de gestion des incertitudes qui pourraient s'appliquer à notre problème de conception, selon des critères de temps de calcul, de précision, et d’hypothèses sur les modèles. Nous proposons ensuite de résoudre une optimisation probabiliste du concept d'avion hybride, en prenant en compte les incertitudes liées à l'évolution des technologies nécessaires à l'hybridation.
Enfin, cette thèse présente une nouvelle approche d'optimisation robuste de la conception d'avion. Nous proposons de trouver un avion optimal dont les performances sont satisfaites quelle que soit l'incertitude présente. Cette approche est complémentaire à l'approche probabiliste. L'application de ces méthodes d'optimisation robuste nécessite une modélisation particulière du problème qui est décrite dans cette thèse. |
Since the 1950s, the air traffic is in constant growth. The actors of the air transport - the engine manufacturers, the aircraft manufacturers, and the airlines - are focused on issues of their own business. This can turn out restrictive. Moreover, objectives of reduction of the climatic impact of the aviation recently appeared and must be taken into account from the preliminary aircraft design phase.
During this phase, the aircraft manufacturer studies the performances of various configurations. This study is modelled as a deterministic multidisciplinary optimization under constraints. The criteria are the minimization of the fuel consumption, the global operating cost of the aircraft or the maximum take-off weight (which measures the global efficiency of the aircraft). The constraints are defined by the specifications. The degrees of freedom of this optimization are generally the wing area and the engine size. These studies are made from sometimes very simplified models, either by will of reduction of the computation time, or due to the lack of knowledge on the approached concepts.
This thesis introduces a new holistic approach of the aircraft design optimization problem: we aggregate into the classic models, more accurate models of the propellant part and the trajectory. For that purpose, we first familiarize with the existing models, to understand the interactions between the concerned disciplines. We validate then the integration of the more accurate models of engine and trajectory in the existing tools, by matching it with existing aircrafts. A contribution of this thesis is to integrate parameters of design of the engine and degrees of freedom of the mission into the usual degrees of freedom. The study of the results presents the benefits brought by this new approach.
This thesis also contributes to add the minimization of the climatic impact to the optimization objectives. A modelling of this impact is integrated into the models.
Also, during the preliminary aircraft design phase, innovative technologies are studied, which can be integrated into the propellant system of the aircraft, into its aerodynamic system, or into its geometry. We select some of them in order to obtain the configuration with the best possible performances. We suggest applying the holistic approach to a concept of aircraft with an hybrid fuel-electric propulsion system. The corresponding models are presented and are added to the existing ones, after the validation by the experts. The results of this optimization are compared with those of a conventional aircraft satisfying the same specifications.
All the studies led until now are deterministic. Until now, the uncertainties around the models are taken into account by margins, which are based on engineer’s know-how. It can sometimes lead to unexpected disappointing performances. So, we introduce a new approach which consists in conscientiously taking into account these uncertainties. For that purpose, we list, compare and select methods of uncertainty management which could be applied to our design problem. This is done according to criteria such as the computation time, the accuracy, and the hypotheses on the models. We suggest then solving a chance constrained optimization of the hybrid aircraft concept, by taking into account the uncertainties coming from the evolution of the technologies required by the hybridization.
Finally, this thesis presents a new approach of robust optimization of the aircraft preliminary design. We suggest finding an optimal plane of which the performances are satisfied whatever is the uncertainty. This approach is complementary to the chance constrained approach. The application of these methods of robust optimization requires a particular modelling of the problem which is described in this thesis. |