Enhancement of the conceptual aircraft design process through certification constraints management and full mission simulations - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2018

Enhancement of the conceptual aircraft design process through certification constraints management and full mission simulations

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

Abstract

In the field of civil transport aircraft, environmental constraints set challenging goals in terms of fuel consumption for the next generations of airplanes. With the “tube and wing” configuration offering low expectations on further improvements, 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, research in Aircraft Design aims at adding knowledge in the Multidisciplinary Design Analysis. This objective is currently achieved with different approaches: implementation of Multidisciplinary Design Optimization, addition of accuracy through high fidelity analyses, introduction of new disciplines or systems and uncertainty management. In a preliminary study, the optimization of an innovative transport aircraft system based on a monolithic architecture and advanced structural models has been completed. The subsequent analysis of the outcomes highlighted specific needs towards the design of a viable concept. This research proposes then to add knowledge through an expansion of the Multidisciplinary Design Analysis and Optimization with a new Certification Constraint Module and full simulation capabilities. Following the development of the Certification Constraint Module (CCM), its capabilities have been used to perform four optimization problems associated to a conventional civil transport aircraft based on the ONERA / ISAE-SUPAERO sizing tool called FAST. Facilitated by the Graphical User Interface of the CCM, the setup time of these optimizations has been reduced and the results clearly confirmed the necessity to consider certification constraints very early in the design process in order to select the most promising concepts. To achieve full simulation capabilities, the multidisciplinary analysis within FAST had to be enhanced. First, the aerodynamics analysis tool has been modified so that necessary coefficients for a 6 Degrees-of-Freedom model could be generated. Second, a new module computing inertia properties has been added. Last, the open source simulator JSBSim has been used including different control laws for stability augmentation and automated navigation. The comparisons between flight trajectories obtained with FAST and real aircraft data recorded with ADS-B antenna confirmed the validity of the approach.
Pour les prochaines générations d'avions de transport civil, les contraintes environnementales fixent des objectifs très ambitieux au niveau de la consommation de carburant. Avec une configuration classique optimisée pendant des décennies offrant peu de marges d’amélioration, de nouveaux concepts basés sur des configurations disruptives et/ou des technologies innovantes sont étudiés. Cependant, peu d'informations sur ces architectures sont disponibles dans les premières phases du processus de conception. Ainsi, les travaux de recherche en Conception Avion visent à ajouter des connaissances supplémentaires au sein de l'analyse multidisciplinaire. Actuellement, différentes approches sont utilisées: implémentation de boucles d'optimisation multidisciplinaire, ajout de précision grâce à des analyses haute-fidélité, introduction de nouvelles disciplines ou systèmes et gestion de l'incertitude. Suite à l’analyse des résultats obtenus lors d’une première optimisation d’un avion de transport utilisant un système d’assistance au sol basée sur une formulation monolithique et des modèles d’analyse structure avancés, des besoins spécifiques pour le dimensionnement d’un véhicule viable ont été identifiés. Ainsi, cette thèse propose d’ajouter de la connaissance au sein du processus de conception et d’optimisation via l’implémentation d’un nouveau module associé aux contraintes de certification et de capacités de simulations de mission. Développé entièrement dans le cadre de ces travaux, le module des contraintes de certification (CCM) a été utilisé pour résoudre quatre problèmes d'optimisation associés à un avion de transport civil classique basés sur l'outil de dimensionnement ONERA / ISAE-SUPAERO appelé FAST. Grâce aux fonctionnalités du CCM, le temps d'implémentation de ces optimisations a été réduit et les résultats ont clairement confirmé la nécessité de prendre en compte les contraintes de certification très tôt dans le processus de conception. Afin de mettre en place des capacités de simulation complète, l'analyse multidisciplinaire au sein de FAST a dû être revue : Tout d’abord, l'outil d'analyse aérodynamique a été modifié afin de générer les coefficients nécessaires pour un modèle à 6 degrés de liberté. Ensuite, un module de calcul des inerties a été ajouté. Enfin, le simulateur open source JSBSim a été utilisé avec différentes boucles de contrôle agissant sur la stabilité et la navigation.
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Dates and versions

tel-02146110 , version 1 (03-06-2019)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02146110 , version 1

Cite

Peter Schmollgruber. Enhancement of the conceptual aircraft design process through certification constraints management and full mission simulations. Engineering Sciences [physics]. Doctorat de l'Université de Toulouse délivré par l'Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE), 2018. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02146110⟩

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