Conception aérodynamique de drones convertibles de longue endurance

Aerodynamic design of long endurance convertible UAV

• Auteur / Autrice : Yuchen Leng
• Direction : Jean-Marc Moschetta, Murat Bronz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département aérodynamique, énergétique et propulsion
• Jury : Président / Présidente : Thomas Leweke
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Moschetta, Murat Bronz, Thomas Leweke, George Barakos, Oksan Cetiner-Yildirim, Thierry Jardin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : George Barakos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Reynolds, Nombre de

Drones

Aérodynamique

Mots clés libres

Aérodynamique d'hélice

Interaction hélice-voilure

Hélice en incidence

Bas nombre de Reynolds

Optimisation aérodynamique

Low Reynolds number

Aerodynamic optimization

Propeller wing interaction

Propeller at incidence

Propeller aerodynamics

Résumé

Dans le cadre de la recherche doctorale, une méthode complète sera établie pour la conception aérodynamique de drone de longue endurance à décollage et atterrissage vertical (DAV). Les technologies critiques seront identifiées et simulées par les modèles d’ordre réduit afin de construire une méthode d'ingénierie rapide. En vue de maximiser la performance de drones convertibles de longue endurance, les technologies critiques incluent: 1) l'intégration du moteur et du fuselage; 2) les effets aérodynamiques en contrôle de vol; 3) l’optimisation aérodynamique globale au niveau du système. Les méthodes de calcul de chaque problème seront développées sur la base des théories contemporaines. La solution sera validée avec des simulations numériques haute fidélité telles que l’URANS ou la méthode de Boltzmann sur réseau. Les essais des composants ou de la configuration complète seront également effectués en utilisant une soufflerie bas Reynolds à l'ISAE. Des études sur l'intégration de la propulsion et du fuselage seront menées au cours de la première année. En vol de transition, la performance de l'hélice en incidence est très différente de celle du vol axial et la présence rapprochée des ailes change également la portance et la traînée. Par conséquent, un modèle d’ordre réduit pour l'hélice en incidence élevée sera développé sur la base de la méthode BEMT de Leishman [1]. Le sillage incliné de l'hélice sera modélisé en modifiant une méthode conventionnelle telle que Selig [2]. Le modèle d'hélice sera combiné avec une analyse d'interaction hélice-voilure basée sur Veldhuis [3] pour étudier les paramètres critiques pendant le vol de transition. Les forces et les moments aérodynamiques statiques et dynamiques générés par les surfaces de contrôle sont essentiels pour un contrôle robuste pendant le vol de transition et, par conséquent, une étude de configuration sera effectuée en comparant des configurations potentielles de drone convertible avec différentes dispositions d'hélice et des dispositions de surface de contrôle de vol. Sur la base des études de McCormick [4] et de Phillips [5], une étude détaillée des caractéristiques du moment aérodynamique longitudinal et latéral de différentes configurations sera effectuée avant l'été 2019 pour la phase de transition. La phase finale de la thèse sera consacrée à l'intégration de divers modèles d'ordre réduit, tel que l'intégration de propulsion, l'analyse de contrôle de vol et l'analyse classique de performance de croisière, pour former une plateforme pour l'optimisation aérodynamique globale et aider à concevoir des drones convertibles de longue endurance. La méthode sera démontrée par une analyse sur un prototype conforme aux spécifications de Delair Tech. Grâce à la collaboration avec l’ENAC, un prototype sera fabriqué pour démontrer les technologies développées. La conception du prototype intégrera la loi de contrôle de vol mise en œuvre par la plateforme de pilote automatique Paparazzi. Les données des essais en vol obtenues confirmeront la méthodologie en milieu opérationnel. La méthodologie de conception aérodynamique sera disponible sous la forme d'un programme informatique open source ainsi que d'un manuscrit publié. Refs: [1] Leishman, Gordon J. Principles of helicopter aerodynamics with CD extra. Cambridge university press, 2006. [2] Selig, Michael S. 'Modeling propeller aerodynamics and slipstream effects on small UAVs in realtime.' AIAA Paper 7938 (2010). [3] Veldhuis, L. M., “Review of Propeller Wing Aerodynamic Interference,” ICAS 2004, 24th international congress of the aeronautical sciences, 2004. [4] McCormick, Barnes Warnock. Aerodynamics, aeronautics, and flight mechanics. Vol. 2. New York: Wiley, 1995. [5] Phillips, Warren F. Mechanics of flight. John Wiley & Sons, 2004.

The research objective is to establish a complete methodology for long endurance unmanned aerial vehicle (UAV) with vertical take-off and landing (VTOL) capability, or transitioning UAV. In the thesis, key technical challenges will be identified and simulated using reduced-order models to form a rapid engineering method in assisting aerodynamic design of such vehicles. In view of maximizing the performance of long endurance transitioning UAVs, critical technologies include: 1) propulsion/airframe integration; 2) aerodynamic effects of flight control configuration; 3) system level overall aerodynamic optimization. Calculating methods for each problem will be developed based on existing theories. The solution will be validated with campaigns of high fidelity numerical simulation such as URANS or Boltzmann Lattice Method. Component or full configuration experiments will also be conducted using low Reynolds Number wind tunnel at ISAE. Studies on the propulsion integration will be conducted within the first year. In transition flight, propeller performance at high incidence differs significantly from cruise flight, and the close presence of wings also alters lift and drag distribution. For this reason a reduced-order model for propeller at high incidence angle will be developed based on Leishman’s BEMT method [1]. The skewed slipstream will be modelled by modifying conventional method such as Selig [2]. Propeller model will be combined with a propeller-wing interaction analysis based on Veldhuis [3] to study critical parameters during transition flight. The static and dynamic aerodynamic force and moments generated by control surfaces are critical for robust transition flight control, and therefore a configuration study will then be conducted comparing potential transitioning UAV configurations with different propeller arrangements and flight control surface layouts. Following the work by McCormick [4] and Phillips [5], detailed study on the longitudinal and lateral aerodynamic moment characteristics of different configurations will be carried before summer 2019 for transition flight regime. Final phase of the thesis will be devoted to integrating various reduced-order models for propulsion integration, flight control analysis and classic cruise performance analysis to form a platform for overall aerodynamic optimization to assist design long endurance transitioning UAV. The method will be demonstrated through a prototype analysis consistent with specifications from DelairTech. Through collaboration with ENAC, a prototype will be manufactured to demonstrate the developed technologies. The prototype design will incorporate flight control law implemented by Paparazzi autopilot platform, and data acquired from actual flight tests will further validate the methodology in operational environment. The final methodology of aerodynamic design will be available in the form of open source computer program as well as published manuscript. Refs: [1] Leishman, Gordon J. Principles of helicopter aerodynamics with CD extra. Cambridge university press, 2006. [2] Selig, Michael S. 'Modeling propeller aerodynamics and slipstream effects on small UAVs in realtime.' AIAA Paper 7938 (2010). [3] Veldhuis, L. M., “Review of Propeller Wing Aerodynamic Interference,” ICAS 2004, 24th international congress of the aeronautical sciences, 2004. [4] McCormick, Barnes Warnock. Aerodynamics, aeronautics, and flight mechanics. Vol. 2. New York: Wiley, 1995. [5] Phillips, Warren F. Mechanics of flight. John Wiley & Sons, 2004.