Morphing bio-inspiré pour le design des ailes d'avions
L’IMFT est coordinateur du projet européen H2020 n°723402 SMS “Smart Morphing and Sensing for aeronautical configurations”. Ce projet est le fruit d’une collaboration avec le Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie (LAPLACE) et Airbus-ETCT (Emerging Technologies and Concepts Toulouse). Les activités menées dans ce projet ont pour objectif de concevoir et de tester de nouveaux designs bio-inspirés pour les ailes d’avion du futur. Des améliorations importantes des performances aérodynamiques d’une aile d’avion ont ainsi été obtenues par le biais de modifications de forme et du comportement vibratoire des parties stratégiques de celles-ci, en utilisant des actionneurs électro-actifs intelligents. Les concepts de l’interaction fluide-structure permettant le choix optimal de ces actionneurs ont été développés par l’IMFT et le design des actionneurs a été effectué par le LAPLACE. Les premiers prototypes réalisés dans le cadre de cette collaboration ont été des volets et des ailerons d’avion de taille réduite dans un premier temps, puis des prototypes d’une aile de type A320 de taille plus grande ont été étudiés dans le cadre des contrats avec Airbus-ETCT.
En utilisant des alliages à mémoire de forme, des déformations importantes de l’ordre de 15% de la corde ont été obtenues à très basse fréquence (environ 1 Hz), analogues aux mouvements de cambrure des ailes de grands oiseaux prédateurs. Puis, en utilisant des piézo-actuateurs de nouvelle génération, des vibrations à plus haute fréquence ont été réalisées avec de faibles déformations, en s’inspirant du mouvement des plumes et plumettes de ces oiseaux. L’association simultanée de ces différentes classes d’actionnement (morphing électro-actif dit “hybride”) a permis d’agir à plusieurs échelles de temps et de longueur, ce qui est nécessaire pour manipuler le spectre turbulent qui inclut de par nature cette multitude d’échelles.
Le projet européen SMS, comportant 9 autres partenaires, commencé en mai 2017 et d’une durée de 3 ans, s’appuie sur l’ensemble de ces études et a permis d’obtenir une augmentation des performances aérodynamiques, contribuant ainsi à une avancée scientifique et technique significative vers une configuration d’avion dite de “rupture” telle que promue par le programme Clean Sky de l’Union Européenne. A l’aide du morphing bio-inspiré, le projet vise spécifiquement l’augmentation des performances aérodynamiques pour toutes les phases du vol (régime subsonique pour le décollage et l’atterrissage, et régime transsonique pour le vol de croisière) et lève le verrou de son application à des échelles réelles du volet hypersustentateur de type A320. Plus précisément, deux prototypes d’aile sont étudiés à l’IMFT : une aile de 70 cm de corde en soufflerie S4 et une aile de 2,40 m de corde et d’un volet hypersustentateur de 1m en soufflerie S1 pour les régimes subsoniques. Les études sont menées en collaboration avec le LAPLACE et sont complétées à l’aide de modélisations de Haute-Fidélité par couplage fluide-structure. Des approches de modélisation de la turbulence avancées sont utilisées, telles que les approches OES (Organised Eddy Simulation) et DDES (Delayed Detached Eddy Simulation), afin de bien restituer l’amplification des instabilités et le développement de structures cohérentes autour de l’aile. Les concepts du morphing sont en effet basés sur la manipulation des structures tourbillonnaires cohérentes en produisant des éclatements tourbillonnaires capables de détruire les tourbillons “néfastes” et de renforcer l’effet de tourbillons “bénéfiques” dans les régions cisaillées, créant ainsi un feedback sur le comportement structural et sur la distribution de pression et du cisaillement en proche paroi, capable de réduire la traînée et les sources de bruit aérodynamique tout en augmentant la portance. Le morphing crée ainsi un système dynamique fluide-structure interactif conçu pour opérer en temps réel afin d’améliorer les performances aérodynamiques (cf. figure).
A l’aide du morphing, une diminution de la traînée de l’ordre de 5% a été obtenue, ainsi qu’une destruction des pics spectraux (sources de propagation du bruit aérodynamique) et une augmentation de la portance de l’ordre de 8%. Les expériences ont montré que l’action seule des vibrations à de légères déformations a été capable de produire une augmentation de la portance de l’ordre de 3% en plus de celle obtenue par la cambrure (Jodin et al., J. Fluids Struct., 2017).
Pour le passage en échelle proche de 1, la similitude en Reynolds seule n’est pas suffisante. Il s’agit de prouver que l’aile en morphing est capable de supporter l’augmentation importante des forces et de rendre la modification des forces souhaitées. Pour ce faire, un prototype à une échelle proche de 1 a été réalisé, comportant une configuration d’aile d’A320 en deux éléments correspondant au volet hypersustentateur en morphing (Jodin et al., J. Smart Materials Struct., 2018).
Pour le régime de vol de croisière, le projet européen SMS effectue actuellement des essais en soufflerie transsonique, en partenariat avec le projet IMP à Gdansk, et des simulations numériques en morphing à l’IMFT. Il a été démontré qu’une légère déflexion vers le haut de la région du bord de fuite et des vibrations optimales à l’aide de piézo-actuateurs est capable de réduire le coefficient de traînée en croisière (Tô et al., J. Fluids Struct., 2019) ainsi que d’augmenter la finesse aérodynamique de l’ordre de 5%. Ces performances sont cruciales pour diminuer la consommation de carburant, une problématique critique pour le vol de croisière qui est la phase la plus longue. Ces avancées permettent d’envisager le morphing d’un volet hypersustentateur d’Airbus de type A3xx en vol réel, pour lequel l’IMFT, le LAPLACE et Airbus-ETCT sont en train de mettre en place un nouveau partenariat ainsi que la suite du projet SMS.
