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Contrôle automatique

7/07/2017

Améliorer l’aérodynamisme des avions en contrôlant l’écoulement de l’air

Maxime Feingesicht et la maquette d'aile d'avion utilisée dans la soufflerie de l'Onera de Lille.

Dans le cadre du partenariat régional CPER (contrat de plan État-région) ELSAT 2020, le sous-projet ContrATech porte sur de nouvelles technologies de contrôle d'écoulement à même de réduire la consommation et d‘améliorer l’aérodynamique du vol. Maxime Feingesicht effectue sa thèse (cofinancée par Centrale Lille et la région Hauts-de-France) sur les problématiques de contrôle. Il a accepté de répondre à quelques questions sur ses recherches encadrées par Jean-Pierre Richard de Centrale Lille, Andrey Polyakov d’Inria et Franck Kerhervé de l’université de Poitiers.

Pourriez-vous vous présenter, ainsi que l’équipe Non-A ?

Après une spécialisation en ingénierie électrique et électronique doublée d’un master en automatique, j'ai commencé mon doctorat en janvier 2015. L’équipe Non-A (pour Non-Asymptotique) du centre Inria Lille – Nord Europe* développe une théorie de l’estimation avec des approches mathématiques (algèbre, analyse non linéaire) qui conduisent notamment à l'estimation en temps fini des dérivées de signaux bruités. Ces algorithmes convergent au bout d’un temps déterminé, contrairement aux approches asymptotiques « classiques » en automatique.

Quel est votre axe de travail ?

Nous travaillons aujourd’hui dans l’une des souffleries de la plate-forme régionale ContrAero, avec notre partenaire ONERA, à Lille. Nous utilisons une maquette représentative d’un profil d’aile d’avion équipé d’un volet, lui-même équipé de huit capteurs de type « films chauds » : des petites surfaces chauffées, qui sont refroidies par l’écoulement d’air. La variation de tension qui en découle nous donne une information sur le frottement sur cette surface, et donc sur le régime d’écoulement de l’air (attaché ou décollé). Nous pouvons donc calculer en temps réel un contrôle actif de jets d’air en amont, qui modifient l’écoulement de l’air pour maximiser la tension, un signe de réduction voire de suppression complète du décollement, ce qui engendre une augmentation des performances.

En modifiant activement l’aérodynamisme de l’aile quel est votre objectif ?

L’application ONERA vise à améliorer la portance. En termes pratiques, cela permettra de limiter les décrochages ou « trous d’air », ces tourbillons qui perturbent les vols et dégradent le confort des passagers ; d’autres applications concernent la réduction des distances de décollage ou d’atterrissage, ou l’allègement des structures. Le contrôle aérodynamique actif est aussi une technologie prometteuse pour réduire la consommation de carburant des avions et donc leurs émissions polluantes, ou encore réduire le bruit. Plus généralement, de tous les véhicules aériens ou terrestres ; sur une automobile ou un train, la résistance aérodynamique (la fameuse « traînée ») est considérée comme une source majeure de consommation d’énergie au-delà de 50 km/h. Les estimations considèrent qu’une réduction de cette résistance de 25% diminuerait la pollution en CO2 de 107 tonnes par an. Nous commençons à travailler sur ces aspects véhicule terrestre avec le LAMIH, un autre partenaire du projet. Autre avantage : réduire les vibrations, et donc améliorer la durée de vie des composants.

Qu’en est-il de votre modèle ? En quoi est-il novateur ?

Notre modèle a une forme qui n'était pas encore exploitée dans le contrôle des écoulements. Il a une composante non linéaire (pour tenir compte du fait que la somme de deux flots d’air ne provoque pas la somme de chacun de leurs effets) et contient également des retards (pour représenter les temps de déplacement de l’air le long de l’aile). De plus, il est très simple, car nous cherchons les meilleurs retards et coefficients pour minimiser le nombre de variables du modèle tout en gardant une bonne représentation des données. Notre but est d’intégrer cela dans un microcontrôleur - nous utilisons actuellement un Arduino - chargé de faire les calculs rapidement avec une puissance de calcul faible. Pour comparaison, nous utilisons en général de dix à vingt variables pour obtenir une fiabilité comparable à des modèles habituels de mécaniques des fluides qui en comptent plusieurs milliers, voire plusieurs dizaines de milliers. Notre solution est donc facilement implantable avec un faible encombrement et une puissance de calcul quasi nulle. Enfin, notre algorithme de contrôle est de type « mode glissant » (sliding mode control  : on fait « glisser » le système dans une direction choisie en le coinçant entre deux contrôles opposés, un peu comme on ferait marcher droit un ivrogne en l’encadrant par deux costauds) bien connu des spécialistes de l’automatique, mais jamais utilisé en mécanique des fluides malgré sa pertinence en termes de robustesse et le fait qu’il corresponde très bien à un actionnement en tout-ou-rien. Ce sont là des points novateurs.

Des perspectives pour d’autres véhicules que les avions ?

Pour les véhicules terrestres, l'application est assez directe et permettrait de réduire les décollements et donc la consommation et la pollution. Notre technologie pourrait être appliquée sur les drones, mais il faudra avant réduire encore l'encombrement, c’est-à-dire principalement la place prise par les vannes d’actionnement. Dans l’eau (navires et sous-marins) les écoulements répondent à des lois hydrodynamiques différentes, mais similaires : rien n’interdit d’imaginer à l’avenir adapter notre technologie, mais cela demande d’autres recherches.

ContrATech: Un partenariat entre acteurs de la recherche et collectivités

Ce projet prometteur contribue à ELSAT2020, projet fédérant la recherche régionale sur les transports. Il est le fruit d’une collaboration d’institutions telles que la région Hauts-de-France, l'État et le FEDER (Europe) qui cofinancent ContrATech. L’autre partie est partagée entre les universités et écoles partenaires (Centrale Lille, université de Lille, UVHC) et les organismes (CNRS, Inria, ONERA).

Au sein de ces organismes et partenaires, plusieurs laboratoires travaillent de concert : CRIStAL, IEMN, LAMIH et LML pour le CNRS, équipe Non-A chez Inria, équipe aérodynamique de l’ONERA. Le partenariat s’appuie sur la plate-forme régionale de soufflerie ContrAero, qui fédère les grands équipements aérodynamiques régionaux. Enfin, les chercheurs, enseignants-chercheurs et ingénieurs mobilisés sur ce projet sont rémunérés par les établissements partenaires de ContrATech.

Un consortium aussi interdisciplinaire est rare, et même unique sur un même périmètre géographique.

Ouvrant de nouvelles perspectives, un dossier de projet transfrontalier européen Interreg 2 Mers 2014 – 2020 a été déposé. Ce programme de Coopération Territoriale Européenne qui couvre l’Angleterre, la France, les Pays-Bas et la Belgique (Flandres) pourrait permettre - si le dossier est validé - de poursuivre les essais en vol sur un grand drone situé à l'université de Southampton : une brique indispensable vers l’industrialisation de la technologie.

* (commune avec Centrale Lille, le CNRS et l'université de Lille − sciences et technologies) au sein de l'UMR 9189 CNRS-Centrale Lille-université de Lille − sciences et technologies, CRIStAL.

  • Soufflerie de l'Onera où se situe la maquette d'aile d'avion.

  • Soufflerie de l'Onera où se situe la maquette d'aile d'avion.

  • Soufflerie de l'Onera où se situe la maquette d'aile d'avion.

  • Maquette d’un profil d’aile d’avion équipé d’un volet ayant 8 capteurs - Onera.

  • Soufflerie de l'Onera où se situe la maquette d'aile d'avion.

Mots-clés : Controle des écoulements Mécanique des fluides Aérodynamique Équipe-projet Non-A ContrATech ONERA Automatique

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