Calcul des dérivées de stabilité pour les interactions aéroservoélastiques

L’aéroservoélasticité (ASE) ou la commande active de stabilité aéroélastique a été un des domaines de la recherche aéronautique les plus actifs pendant les vingt dernières années. L’aéroservoélasticité est une technologie multidisciplinaire issue de l’interaction entre la structure flexible de l’avion, les forces aérodynamiques stationnaires et non stationnaires qui résultent de mouvement de l’avion et les systèmes de commande de vol.

Historiquement, la conception des avions a subi d’importantes modifications suite à des progrès significatifs dans l’efficacité structurale des avions, notamment le rapport de la résistance des nouveaux matériaux (composites) à leur poids, et par l’utilisation des systèmes de commande de vol avec une réponse rapide et une grande autorité. Les concepteurs d’avion, en essayant de réduire le poids structurel de chaque nouvel avion, ont fait augmenter la flexibilité de la structure.

D’un autre coté, les ingénieurs de la commande de vol ont développé des nouvelles fonctionnalités pour le système de commande automatique de vol qui ont amélioré la performance de l’ avion, la stabilité, et les qualités du vol. Malheureusement, ces efforts sont généralement indépendants les uns des autres – jusqu’à ce que les premières analyses aéroservoélastiques aient été effectuées.

Les techniques classiques d’analyse de battement sont basées sur des modèles mathématiques détaillés de la répartition de la masse de l’avion, de la rigidité, et de la géométrie. Les caractéristiques structurales dynamiques d’un avion sont représentées par les matrices de masse généralisées et les matrices de rigidité associées aux coordonnées généralisées (modes de vibration), déduites des analyses de vibrations libres.

Dans l’hypothèse de mouvements harmoniques simples, les forces aérodynamiques nonstationnaires dépendent de la fréquence des oscillations, soit des modes de vibration. Elles sont calculées pour une gamme de fréquence couvrant tous les modes de vibration et assemblées dans les matrices des forces aérodynamiques généralisées. Les forces aérodynamiques non-stationnaires, dépendantes de la vitesse et de l’altitude, ont pour effet d’altérer les modes de vibration avec les changements de vitesse et d’altitude.

Ainsi, à cause des effets de l’aérodynamique non-stationnaire sur la structure de l’avion, les variations de vitesse et d’altitude peuvent rendre un des modes de vibration instable et déstabiliser l’avion. Il faut donc investiguer toute l’enveloppe de vol d’un avion, où l’ enveloppe est paramétrée par la vitesse et l’ altitude, pour s’assurer de la stabilité de l’avion en tout temps.

De plus, les phénomènes de battements peuvent aussi être déclenchés lors du couplage du système de commande de vol avec les forces aérodynamiques et la flexibilité de l’avion. On s’aperçoit très vite que les analyses aéroservoélastiques peuvent s’avérer être des problèmes très complexes où la détermination de la stabilité de l’avion n’est pas toujours aisée.

Des modèles mathématiques détaillés et plus complexes seront conçus pour prédire les interactions aéroservoélastiques et concevoir les systèmes actifs de commande pour les applications sur avions flexibles.

Des applications à la NASA Langley Research Center ont été réalisées sur les avions YF-16 et F-18 et des interactions adverses aéroélastiques ont été découvertes entre les caractéristiques aéroélastiques de la structure et les systèmes de commande de vol. De même l’avion X-29 a été trouvé instable sur une grande partie de son enveloppe de vol.

Plusieurs logiciels de calcul par ordinateur ont été développés dans le but d’analyser les interactions aéroservoélastiques entre la structure flexible de l’avion et les systèmes de commande de l’avion. Ces logiciels sont ISAC , ADAM , FAMUSS , ASTROS , ZAER0 , STARS et MSC/Nastran.

Description des logiciels ADAM, ISAC, F AMUSS, ASTROS, ZAERO, STARS et MSC/NASTRAN 

Plusieurs logiciels d’analyse en aéroservoélasticité sont utilisés dans l’ industrie aéronautique tels que ADAM (Analog and Digital Aeroservoelasticity Method), FAMUSS (Flexible Aircraft Modeling Using State Space), ISAC (Interaction of Structures, Aerodynamics and Controls), ASTROS (Automated STRuctural Optimisation System), ZAER07 de Zona Technologies et STARS8 (STructural Analysis RoutineS).

Nous allons décrire brièvement ces logiciels dans les paragraphes suivants. Il faudrait souligner le fait que notre description est organisée en ordre chronologique, c’est-à-dire qu’elle commence par le plus ancien logiciel ADAM et finit par les plus récents logiciels. Le logiciel utilisé dans notre thèse est STARS.

ASTROS (Automated STRuctural Optimisation System) 

ASTROS (Automated STRuctural Optimisation System) est un logiciel de conception multidisciplinaire et d’analyse de structures aérospatiales. Il combine les algorithmes d’optimisation mathématique avec les disciplines d’analyses structurelles traditionnelles pour fournir un modèle automatisé de la structure d’un avion.

Le logiciel ASTROS a été développé par un consortium de Northrop et Air Vehicles Directorate. La dernière version permet au concepteur de définir des fonctions et des contraintes objectives multidisciplinaires; ce qui permet de minimiser ou de maximiser des fonctions définies par l’utilisateur comprenant les paramètres liés à la conception structurelle (le poids, les contraintes, les déplacements, les modes de vibrations, les fréquences … ), à l’analyse aéroélastique (la réponse de l’avion aux rafales) et à la conception des commandes de vol (l’ efficacité des surfaces de contrôle, les demandes de puissance de contrôle et les déflexions des surfaces de contrôle).

ZAERO 

ZAER0 est un logiciel multidisciplinaire développé par la compagnie ZONA Technologies (cette compagnie a été constituée par plusieurs personnes qui ont déjà participé au développement du logiciel ASTROS) dans le domaine de l’aérodynamique, l’ aéroélasticité, l’ aéroservoélasticité, l’ aérothermodynamique et l’aérothermoélasticité dynamique structurelle.