Création d'un modèle générique d'avions long-courriers pour l'optimisation des trajectoires aériennes commerciales

L'optimisation de trajectoires aériennes est un problème complexe soumis à de multiples contraintes de capacité, de performance et de sécurité. À l'intérieur de cette marge de manœuvre limitée, une meilleure connaissance du comportement de l'avion et des conditions atmosphériques permet de formuler de manière précise le problème d'optimisation. Un modèle générique de performance des avions, les Base of Aircraft Data (BADA), est actuellement publié par l'organisation européenne pour la sécurité de la navigation aérienne, Eurocontrol. Obtenu par régression sur des trajectoires réelles et des données de performance des constructeurs, il fournit un outil pratique pour calculer la consommation d'une trajectoire donnée. Il n'est toutefois pas assez précis sur l'ensemble de l'enveloppe de vol pour être utilisé tel quel comme modèle de l'avion du problème d'optimisation. L'objectif de ce mémoire est, à partir des BADA disponibles, de construire un nouveau modèle d'avion qui puisse être utilisé dans la formulation du problème de recherche opérationnelle. L'approche développée reprend le modèle énergétique des BADA et l'enrichit avec les connaissances actuelles dans le domaine de la dynamique du vol. À partir d'un bilan mécanique sur l'avion en vol, un système d'équations décrivant son état et son évolution est obtenu. Nous posons des hypothèses qui nous permettent de réécrire ce bilan ce sous une forme qui peut être implantée dans le logiciel Matlab/Simulink. Diverses sources de données - logiciels de simulation de vol, données du système de gestion de vol ou Flight Management System (FMS), travaux de recherche en aérodynamique et propulsion - sont utilisées par la suite pour améliorer la formulation initiale. En particulier, l'étude de la traînée aérodynamique et de la consommation moteur permettent d'agrandir le domaine de validité du modèle d'avion développé. D'abord analysé composant par composant, le modèle final est obtenu après sélection des formulations les plus adaptées au problème d'optimisation. Finalement, celui-ci est évalué sur un plan de vol opérationnel Montréal-Paris opéré par Air Canada. La comparaison des consommations de référence et calculée montre que l'erreur du modèle proposé est la moitié de l'erreur obtenue avec le modèle BADA.

Abstract

Flight path optimization remains a challenging issue due to capacity imposition, performance limitations and security requirements. Under such constraints, an improved understanding of the dynamics of the airplane and of atmospheric conditions translates into a more accurate formulation of the problem. The Base of Aircraft Data (BADA), developed and maintained by the European Organisation for the Safety of Air Navigation, Eurocontrol, is designed for use in aircraft trajectory simulations and predictions. Obtained from mathematical regressions based on actual trajectories and manufacturer's performance data, it provides a useful tool to compute fuel consumption for a given flight path. However, this model is not accurate enough to be used for optimizing a mission trajectory from end to end. This project aims at building a new airplane model, based on the BADA, which can be usedfor the formulation of the operations research problem. The proposed methodology is based on BADA's kinetic approach to aircraft performance modelling and it is enhanced using fundamentals of aircraft flight dynamics. A system of equations describing the state and evolution of the flying aircraft is then obtained from a balance of forces. Assumptions make it possible to rewrite it in a more practical form, which can be implemented in the Matlab/Simulink software. Various data sources, such as flight simulation softwares, flight management systems or aerodynamics and propulsion research results are subsequently used to improve the initial design. In particular, the study of aerodynamic drag and engine consumption models are used to broaden the range of validity of the developed model. A component by component analysis is then used to choose the suitable formulations for the optimization problem. Finally, the developed model is assessed using reference data obtained from a Montréal-Paris Air Canada flight. This comparison between the measured and the computed fuel consumption at cruise level shows that the error of the proposed model is half the error of the BADA model.