Amélioration du processus de conception avion en prenant en compte les contraintes de certification et des simulations de mission complètes

La conception d'un nouvel avion est initiée durant la phase avant-projet. Dans un premier temps, lesconcepteurs d’aéronefs identifient un ensemble de concepts potentiels pouvant répondre aux exigencesdu client en s’appuyant sur des informations fournies par les spécialistes disciplinaires et expertssystème. Ensuite, les solutions sont évaluées via un processus de dimensionnement basé sur uneanalyse multidisciplinaire. Dans le domaine des avions de transport civil, les objectifs ambitieux entermes de consommation de carburant amènent à étudier des configurations innovantes incluant denouvelles technologies. Cependant, peu de données sur de telles architectures sont disponibles dans lesphases amont de la conception. Ainsi, afin d'éviter une sélection ou élimination erronée d'unesolution, un objectif clé de la recherche en conception d'aéronefs est l’ajout de connaissances dansl'analyse multidisciplinaire.Aujourd’hui, cet objectif est atteint avec différentes approches: application d’optimisationsmultidisciplinaires, ajout de précision grâce aux analyses haute fidélité, introduction de nouvellesdisciplines ou systèmes et enfin, gestion de l'incertitude. Le rôle du concepteur est alors de combinerces options dans un processus de conception multidisciplinaire afin de converger vers le concept leplus performant tout en répondant aux contraintes de certification. Afin d’illustrer ce processus,l’optimisation d'un avion de transport avec assistance au sol pour le décollage qui a mis en évidencel'impact des contraintes de certification sur la conception du véhicule a été effectuée. La revuesuccessive des textes réglementaires et de recherches associées de la gestion du trafic aérien ont concluà la nécessité d’inclure des simulations au sein de l’analyse multidisciplinaire. Tenant compte de cesconclusions, la recherche effectuée dans le cadre de cette thèse propose alors d’ajouter desconnaissances en développant l’analyse et l’optimisation de la conception multidisciplinaire avec unnouveau module de contrainte de certification et des fonctionnalités de simulation complètes.Développé dans le cadre de la thèse, le module de contraintes de certification (CCM) a été utilisé pourrésoudre quatre problèmes d’optimisation associés à un avion de transport civil classique basé surl’outil de dimensionnement ONERA / ISAE-SUPAERO appelé FAST. Grâce à l'interface utilisateurdu CCM, un gain de temps au niveau de la mise en place de ces optimisations a constaté. De plus, lesrésultats ont confirmé la nécessité de définir au mieux et dès que possible les contraintes decertification.Pour atteindre des capacités de simulation complètes, l'analyse multidisciplinaire au sein de FAST aété améliorée. Premièrement, l'outil d'analyse aérodynamique a été modifié afin de générer la base dedonnées complète pour alimenter un modèle à 6 degrés de liberté. Ensuite, un nouveau module decalcul des propriétés d'inertie a été ajouté. Enfin, le simulateur open source JSBSim a été utilisé avecdifférentes lois de contrôle pour augmenter la stabilité et permettre la navigation automatisée. Lacomparaison entre les trajectoires de vol obtenues avec FAST et les données réelles sur les avionsenregistrées avec une antenne ADS-B a confirmé la validité de l'approche.The design of a new aircraft is initiated at the conceptual design phase. In an initial step, aircraftdesigners, disciplinary and subsystems experts identify a set of potential concepts that could fulfill thecustomer requirements. To select the most promising candidates, aircraft designers carry out the sizingprocess through a Multidisciplinary Design Analysis. Nowadays, in the field of civil transport aircraft,environmental constraints set challenging goals in terms of fuel consumption for the next generationsof airplanes. With the “tube and wing” configuration offering low expectations on furtherimprovements, disruptive vehicle concepts including new technologies are investigated. However,little information on such architectures is available in the early phases of the design process. Thus, inorder to avoid mistakenly selecting or eliminating a wrong concept, a key objective in Aircraft Designresearch is to add knowledge in the Multidisciplinary Design Analysis.Nowadays, this objective is achieved with different approaches: implementation of MultidisciplinaryDesign Optimization, addition of accuracy through high fidelity analyses, introduction of newdisciplines or systems and uncertainty management. The role of the aircraft designer is then tocombine these options in a multidisciplinary design process to converge to the most promising conceptmeeting certification constraints. To illustrate this process, the optimization of a transport aircraftfeaturing ground based assistance has been performed. Using monolithic optimization architecture andadvanced structural models for the wing and fuselage, this study emphasized the impact ofcertification constraints on final results. Further review of the regulatory texts concluded that aircraftsimulation capabilities are needed to assess some requirements. The same need has been identified inthe field of Air Traffic Management that provides constraints for aircraft operations. This researchproposes then to add knowledge through an expansion of the Multidisciplinary Design Analysis andOptimization with a new Certification Constraint Module and full simulation capabilities.Following the development of the Certification Constraint Module (CCM), its capabilities have beenused to perform four optimization problems associated to a conventional civil transport aircraft basedon the ONERA / ISAE-SUPAERO sizing tool called FAST. Facilitated by the Graphical UserInterface of the CCM, the setup time of these optimizations has been reduced and the results clearlyconfirmed the necessity to consider certification constraints very early in the design process in order toselect the most promising concepts.To achieve full simulation capabilities, the multidisciplinary analysis within FAST had to beenhanced. First, the aerodynamics analysis tool has been modified so that necessary coefficients for a6 Degrees-of-Freedom model could be generated. Second, a new module computing inertia propertieshas been added. Last, the open source simulator JSBSim has been used including different controllaws for stability augmentation and automated navigation. The comparison between flight trajectoriesobtained with FAST and real aircraft data recorded with ADS-B antenna confirmed the validity of theapproach