Méthode de conception pluridisciplinaire appliquée à un avion régional à faibles émissions

Multidisciplinary design process applied to the next generation regional aircraft featuring low emission propulsion

• Auteur / Autrice : Vincenzo Palladino
• Direction : Valérie Pommier-Budinger, Nathalie Bartoli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et Applications
• Date : Soutenance le 23/03/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe d'accueil doctoral Analyse, Commande Dynamique et Conception des systèmes (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département conception et conduite des véhicules aéronautiques et spatiaux
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Brisset
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Pommier-Budinger, Nathalie Bartoli, Panagiotis Laskaridis, Frank Thielecke, Emmanuel Bénard, Peter Schmollgruber
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Panagiotis Laskaridis, Frank Thielecke

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Conception et construction

Avions -- Propulsion par réaction

Propulsion électrique

Mots clés libres

Hea

Conception avion

Hybride

Hea

Aircraft design

Hybrid

Résumé

L'un des plus grands défis du secteur de l'aviation au cours de la dernière décennie a été le développement de véhicules "plus verts", qui présentent de faibles émissions de CO2 et de NOx. La Commission de l'Union européenne, en collaboration avec les acteurs de l'industrie aéronautique, a fixé des objectifs ambitieux à atteindre d'ici 2050. Pour cela, une approche innovante dans les technologies de propulsion et la conception des avions est nécessaire pour atteindre les objectifs de réduction. L'objectif de cette thèse est d'identifier des architectures propulsives alternatives pour réduire la consommation de carburant des avions et les émissions de CO2. En particulier, le présent travail se concentre sur la conception d'un avion régional de 70 places dans le but de fournir les outils, les méthodes et les résultats à utiliser comme base crédible pour évaluer le potentiel des technologies de propulsion à faibles émissions sur le transport d'avion régional. Après une première enquête sur les technologies, les architectures propulsives les plus prometteuses avec différentes sources d'alimentation et différentes architectures sont identifiées. Ensuite, un processus de conception d'avion multidisciplinaire adapté à la conception d'un avion régional avec une technologie de propulsion disruptive est développé. Les performances de chaque architecture propulsive sont d'abord évaluées avec des études conceptuelles de haut niveau pour identifier ses principaux inconvénients et avantages. Ensuite, les architectures les plus prometteuses sont évaluées plus en profondeur avec des techniques d'analyse et d'optimisation de conception multidisciplinaires, où des algorithmes d'optimisation sont utilisés pour déterminer les variables de conception de système optimales. Des techniques de gestion de l'incertitude sont également utilisées pour identifier les paramètres incertains, qui ont un impact considérable sur la quantité d'intérêt, afin de déterminer les modèles qui peuvent nécessiter des développements supplémentaires pour améliorer la précision des résultats.

One of the biggest challenges of the aviation sector of the past decade has been around the development of "greener" vehicles, which feature low CO2 and NOx emissions. The European Union Commission together with aviation industry players has set ambitious targets to be achieved by 2050. For that, an innovative approach in propulsion technologies and aircraft design is necessary to meet the reduction targets. The scope of this thesis is to identify alternative propulsive architectures to reduce aircraft fuel consumption and CO2 emissions. In particular, the present work focuses on the conceptual forward-fit design of a 70-seat regional aircraft with the objective of providing the tools, methods and results to be used as credible basis to assess the potential of disruptive propulsion technologies on the regional transport aircraft class. After an initial survey of technology enablers, the most promising propulsive architectures with different power sources and layout are identified. Then, a multidisciplinary aircraft design process suitable for the design of a regional aircraft with disruptive propulsion technology is developed. The performances of each propulsive architecture are first assessed with high-level conceptual studies to identify its main drawbacks and benefits. Then the most promising architectures are evaluated more thoroughly with multidisciplinary design analysis and optimization techniques, where optimization algorithms are used to determine the optimal system design variables. Uncertainty management techniques are also used to identify uncertain parameters, which have a considerable impact on the quantity of interest, in order to determine the models that may need further development to improve the accuracy of the results.