Conception, étude expérimentale et analyse physique d’une configuration d’aile d'avion et de son volet hypersustentateur de type AIRBUS A320 en morphing, en échelle proche de 1

This thesis is part of the European project H2020 N° 723402, "Smart Morphing & Sensing for aeronautical configurations" (http://smartwing.org/SMS/EU/), and its main objective is to carry out the design and prototyping of an aircraft wing on a scale close to 1 with its morphing high-lift flap for wind tunnel studies in take-off and landing configurations. It is thus a multidisciplinary project combining new actuators and electroactive sensors to increase aerodynamic efficiency and reduce vibrations and noise in order to improve the overall aerodynamic performance of aircraft. After carrying out a review of the literature on the state of the art on the concept of morphing, the physics of turbulent flow around a wing, the state of the art on smart materials, actuators, adaptive structure, we have carried out several studies which can be summarized according to three major contributions. The first part of the studies focused on the design and prototyping of a two-element wing with a morphing high-lift flap. We have during this study, participated in the development of an innovative actuation system by Shape Memory Alloy (SMA) in collaboration with LAPLACE, MIT and AIRBUS ETCT. Based on AIRBUS data and specifications, the transition to full-scale actuators for camber control was studied. Based on a simple parametric hinged structure, analytical models for shape evaluation, force balance, actuators, skin technologies and hinges were developed. The second contribution concerns the experimental aerodynamic characterization of the prototypes that have been built. We performed the aerodynamic evaluation within the IMFT S1 wind tunnel and the POLIMI wind tunnel of the two-element wing prototype equipped with an innovative fluctuating pressure sensor system. The third contribution concerns the studies carried out on the MINOTHOR project ("Morphing in THOR") between AIRBUS ETCT (Emerging Technology and Concept of Toulouse), IMFT and LAPLACE in view of a flight test on the THOR drone (Test of High-Tech Objectives in Reality).La présente thèse s’inscrit dans le cadre du projet européen H2020 N° 723402, "Smart Morphing & Sensing for aeronautical configurations" (http://smartwing.org/SM S/EU/), et elle a pour principal objectif d’effectuer le design et le prototypage d’une aile d’avion à l’échelle proche de 1 avec son volet hypersustentateur en morphing pour les études en soufflerie dans les configuration de décollage et d’atterrissage. Il s’agit ainsi d’un projet multidisciplinaire associant de nouveaux actionneurs et capteurs électroactifs pour augmenter l’efficacité aérodynamique et atténuer les vibrations et le bruit afin d’améliorer globalement les performances aérodynamiques des aéronefs. Après avoir effectué une revue de la littérature portant sur l’état de l’art sur le concept de morphing, la physique de l’écoulement turbulent autour d’une aile, l’état de l’art sur les matériaux intelligents, actionneurs, structures adaptatives, nous avons effectué plusieurs études qui peuvent se résumer suivant trois contributions majeures. La première partie des études a porté sur le design et le prototypage d’une aile à deux éléments avec un volet hypersustentateur en morphing. Nous avons au cours de cette étude, participé au développement d’un système d’actionnement innovant par Alliage à Mémoire de Forme (AMF) en collaboration avec le LAPLACE, MIT et AIRBUS ETCT. À partir des données et des spécifications d’AIRBUS, la transition vers des actionneurs à échelle réelle pour le contrôle de la cambrure à été étudiée. Sur la base d’une structure articulée paramétrée simple, des modèles analytiques pour l’évaluation de la forme, l’équilibre des forces, les actionneurs, les technologies de peau et les charnières ont été développés. La deuxième contribution porte sur la caractérisation aérodynamique expérimentale des prototypes qui ont été construit. Nous avons effectué l’évaluation aérodynamique au sein de la soufflerie de l’IMFT S1 et la soufflerie de POLIMI du prototype d’aile à deux éléments équipé d’un système de capteur de pression fluctuante innovant. La troisième contribution porte sur les études menées sur projet MINOTHOR ("Morphing in THOR") entre AIRBUS ETCT (Emerging Technology and Concept de Toulouse), l’IMFT et le LAPLACE en vu d’un essai en vol sur le drône THOR (Test of High-Tech Objectives in Reality)