La géométrie Blended-Wing-Body (BWB)

La géométrie Blended-Wing-Body (BWB) 

Les passagers aériens sont particulièrement habitués à voir et à voyager dans des avions à géométrie conventionnelle de type ailes-fuselage, ou TAW pour Tube-And-Wings en anglais. Néanmoins des études menées par Boeing à la fin des années 1980 ont montré que la géométrie TAW n’était pas la plus efficace d’un point de vue finesse aérodynamique, à savoir le rapport portance sur traînée, et consommation de carburant (Liebeck, 2004). L’idée est alors venue de mettre à l’étude une géométrie novatrice qui permettrait d’atteindre les objectifs de réduction de consommation : la géométrie Blended-Wing-Body (BWB), ou Fuselage Intégré en français. En effet, toujours d’après Liebeck, les études préliminaires sur une géométrie BWB ont montré une potentielle réduction de 15% de la masse au décollage et une réduction de 27% de la consommation par siège passager et par mile. Ces études, menées conjointement avec la NASA, ont donné naissance au projet X-48B qui a effectué son premier vol test au début de l’année 2007 (Figure 1.1). McDonnell Douglas était à l’origine du projet d’aile volante avant sa fusion avec Boeing et les résultats préliminaires donnaient déjà des chiffres similaires en termes de réduction de consommation et présentaient des améliorations de 12% sur la masse à vide en ordre d’exploitation (Potsdam, Page, & Liebeck, 1997). Ces progrès en matière de consommation sont en lien avec les caractéristiques aérodynamiques de la configuration BWB avec, notamment, l’absence de l’empennage horizontal arrière. Ainsi une configuration BWB confère une augmentation de la finesse maximale de l’ordre de 20% par rapport à une géométrie conventionnelle (Qin et al., 2004), ce qui se traduit par une diminution de la traînée à portance équivalente.

Au sein du Laboratoire de Thermofluide pour le Transport (TFT) de l’ÉTS, un avion de type BWB régional d’une capacité d’une centaine de passagers est en cours de développement numérique (Velázquez Salazar et al., 2015).

À ce stade du développement, la stabilité de l’appareil a été profondément étudiée pour déterminer la configuration géométrique optimale (Delecroix & Morency, 2016). Pour l’heure, le choix de la motorisation ainsi que son emplacement sur l’appareil sont en cours de définition. L’emplacement des moteurs dépend grandement des risques d’ingestion de blocs de glace en phase de dégivrage. Il conviendra ainsi de bien choisir cet emplacement qui devra se situer dans une zone à faible risque de passage de blocs de glace. Cette étude des trajectoires de blocs de glace autour de l’appareil n’est pas propre au BWB et certains scientifiques, Papadakis et Suares en tête, se sont penchés sur la simulation de trajectoires de blocs de glace (Papadakis, Yeong, & Suares, 2007), comme décrit dans le paragraphe qui suit.

Calculs de trajectoire de particules dans un milieu fluide

Le calcul de la trajectoire de débris dans un fluide est un sujet relativement peu documenté dans la littérature encore aujourd’hui. Certains auteurs ont néanmoins effectué des recherches pour tenter de caractériser ce phénomène. Les forces et moments aérodynamiques influençant la trajectoire d’un débris de forme quelconque donné sont complexes à caractériser. Le domaine offrant le plus de résultats de recherches en ce qui concerne la trajectoire d’objets dans un écoulement est le génie civil. En effet, l’étude des dégâts causés par des vents violents ou des tornades ont poussé les chercheurs à étudier la trajectoire de débris comme des tuiles de toit par situation de grand vent. Des modèles bidimensionnels ont été proposés, pour caractériser par exemple la trajectoire de débris compacts et de plaques planes (Baker, 2007). Baker arrive à la conclusion que les paramètres capitaux caractérisant la trajectoire d’un débris exposé à un vent relatif sont les ratios du poids par la traînée et les caractéristiques inertielles du débris considéré. Holmes a quant à lui investigué sur les vitesses d’impact au sol de débris en forme de sphères ainsi que la distance que pouvait parcourir un débris avant de toucher le sol, concluant que la composante de traînée verticale induite (i.e. parallèle à la composante verticale de vitesse relative) par la chute d’un débris n’était pas à négliger et causait un rallongement du temps de vol (Holmes, 2004). Ainsi, même dans le cas d’un vent unidirectionnel horizontal, la chute de l’objet sous l’effet de la gravité induira des phénomènes aérodynamiques verticaux. Néanmoins, les études 2D sont assez limitées par le fait que la plupart des phénomènes atmosphériques tels que les vents présentent des structures 3D. C’est ainsi que Richards a étudié les caractéristiques en 3D du vol de débris, notamment d’objets en forme de plaques planes ou de cylindres (Richards, 2010). Dans une autre étude, Richards et al. ont mené conjointement des études expérimentales en soufflerie et des études numériques pour montrer que, dans le cas d’une plaque plane, le rapport longueur sur largeur, appelé Surface Ratio (SR) et l’orientation par rapport au vent relatif étaient des facteurs-clés influençant la trajectoire du débris de forme plane (Richards et al., 2008). L’hypothèse principale dans l’étude des plaques planes par Richards et al. est de ne considérer uniquement que la composante de force aérodynamique normale à la plaque. Ceci simplifie la modélisation aérodynamique de la plaque plane car il y a un seul coefficient à déterminer : le coefficient de force normal, qui est appelé CN. Ce coefficient a été déterminé par Richards de façon expérimentale, et il s’avère qu’il ne dépend que de l’angle d’attaque α et de l’angle d’inclinaison β que forme l’écoulement par rapport à la plaque, et ce pour un SR donné. Richards a ainsi créé une base de données et a publié les graphes qui seront digitalisés pour recréer la base de données et ainsi injecter les coefficients dans la modélisation. Richards et al. sont parmi les rares auteurs à présenter un résultat de trajectoire 3D pour une plaque plane, modèle qui servira plus loin pour valider le code de trajectoire développé dans ce mémoire (Richards et al., 2008). L’implémentation du code de trajectoire pour une sphère est plus directe car l’orientation de la sphère n’entre pas en jeu de par la rotation négligée. La seule force aérodynamique sur la sphère est ainsi uniquement la trainée.