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• Publié par: Thiok
• Nombre de lectures: 24
• Langue: Français

Extrait

Sujet de thèse
2005-2008
Ecole doctorale Aéronautique et Astronautique
Titre : Conception d’un micro-drone à voilure fixe
Contact : Jean-Marc Moschetta ([e-mail])
Motivation et contexte
La conception d’aéronefs de très petites tailles (de 15 à 20 cm) pose des problèmes
conceptuels nouveaux, en rupture totale avec les méthodes appliquées classiquement au
développement d’un système aéronautique classique.
Le travail de thèse proposé porte sur les enjeux techniques liés à la conception d’un
aéronef de moins de 20 cm capable d’effectuer des phases de vol à vitesse élevée suivies de
phases de vol à très basse vitesse.
Cette thèse entre dans le cadre d’une étude soutenue par SAGEM Défense Sécurité,
établissement de Massy. Elle s’inscrit également dans le contexte de recherches effectuées à
SUPAERO depuis 2000 sur financement DGA autour de la thématique des micro-drones.
Enjeux scientifiques
Le but de la thèse est de comprendre et d’approfondir les difficultés spécifiques liées
au vol à bas Reynolds à travers la conception d’un micro-aéronef de type voilure fixe. Ces
difficultés spécifiques se déclinent en plusieurs catégories liées aux disciplines concernées :
1. Sur le plan aérodynamique : les effets de faibles nombres de Reynolds restent mal
connus, notamment dans le cadre de géométries tridimensionnelles (difficultés
pour prédire les effets de la transition de la couche limite, incertitudes
importantes sur l’étendue et la topologie des zones décollées, fortes
instationnarités, etc). La dégradation drastique des performances aérodynamiques
des voilures sous l’effet d’une réduction d’échelle suggère de combiner des
concepts anciens (concepts biplans ou ailes en tandem [1] ) et des concepts
nouveaux (voilures souples, « morphing wings »). Le travail envisagé consistera à
évaluer l’intérêt de cette combinaison pour permettre le vol à très basse vitesse
des micro-drones à voilure fixe. Il s’appuiera à la fois sur des essais en soufflerie
au LAP et sur des calculs numériques incluant les effets de la viscosité.
2. Sur le plan de l’énergétique et de la propulsion, la réduction d’échelle entraîne une
chute très sensible des rendements propulsifs d’hélice et suggère de maximiser les
diamètres de rotors utilisés. En conséquence, les voilures de micro-drones sont
fortement soufflées et la prise en compte des effets de souffle d’hélice sur
l’aérodynamique de la voilure est essentielle. Le travail envisagé analysera le
1problème de la maximisation du rendement propulsif d’une hélice de micro-
drones, à l’aide d’un code de calcul numérique dédié et d’un banc de mesure
développé au LAP.
3. Sur le plan des structures, la conception de micro-drones à voilure fixe pose des
problèmes particuliers liés aux effets aéroélastiques associés aux voilures souples.
La supériorité des profils minces à bas Reynolds conduit en effet à l’utilisation de
voilures faiblement rigides dont les performances se modifient avec la mise en
incidence ou en dérapage. Cet effet aéroélastique peut être exploité pour accroître
les performances d’une voilure de micro-drone [2] en jouant sur l’utilisation de
fibres composites donnant à la voilure l’anisotropie structurelle voulue. Le travail
envisagé consistera à coupler des outils de calcul existants basés sur des méthodes
de type surface portante (Vortex Lattice Method) et éléments finis afin
d’identifier les déformées et les modes vibratoires de la cellule. Une approche
expérimentale basée sur la mesure en soufflerie par télémétrie laser sera
confrontée à cette approche numérique.
4. Sur le plan de la dynamique du vol, la conception d’un micro-drone à voilure fixe
pose le problème de la prise en compte des forts effets non linéaires dus au
décrochage. La prise en compte des rafales de vents sera réalisée à travers un
logiciel de simulation développé au CAS incluant les coefficients aérodynamiques
non linéaires et associé à des résultats de calculs aérodynamique FLUENT d’un
environnement urbain perturbé (présence de zones tourbillonnaires au voisinage
des bâtiments). De plus, un modèle avion complet, comprenant les coefficients
de force et de moment mais aussi les coefficients d’amortissement sera proposé
pour servir de base aux simulations des lois de commande.
5. Le présent travail de thèse permettra au Département Automatique de réaliser la
simulation des lois de commande afin de permettre un retour d’expérience sur le
plan du choix de la configuration et de l’ergonomie de pilotage.
Profil souhaité
Le candidat, titulaire d’un M2R, devra posséder une bonne culture des sciences de
l’ingénieur en aéronautique, en particulier : aérodynamique, propulsion, structures et
dynamique du vol. Un diplôme d’ingénieur obtenu dans une école généraliste ou dans une
grande école aéronautique sera apprécié.
Références
[1] J.-M. Moschetta, C. Thipyopas, « Optimization of a Biplane Micro Air Vehicle », AIAA
rd23 Applied Aerodynamics Conference, Toronto, Canada, June 2005
[1] Y. Lian, P. G. Ifju, R. Haftka, « Shape Optimization of a Membrane Wing for Micro Air
Vehicles », AIAA Journal, Vol. 42, pp. 424-426 (2004)
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