Optimisation robuste des aéronefs et des groupes turboréacteurs

Les prochaines générations d'aéronefs et de groupes motopropulseurs devront rencontrer et peut-être anticiper des contraintes d'opération de plus en plus strictes. Cette évolution des exigences de design provient de l'impact cumulatif d'un resserrement des normes environnementales en ce qui a trait à la pollution atmosphérique et sonore, d'un épuisement progressif des réserves en carburants fossiles qui occasionnera une augmentation du coût du carburant, ainsi qu'une augmentation continue du trafic aérien. Afin de s'adapter à ces changements dans le marché, les compagnies d'aéronef et de moteur vont devoir explorer l'éventail possible de bénéfices et de risques associés à une plage plus grande de nouveaux designs et de technologies. En même temps, il sera necessaire d'assurer que le produit constitue une solution rentable lorsqu'opéré dans l'environnement économique futur prévu pour la prochaine génération d'avion. L'objectif de cette étude est de développer une méthodologie permettant l'obtention de designs préliminaires optimaux robustes aux incertitudes et de quantifier le compromis entre un design robuste et un gain potentiel en performance. La méthodologie développée est appliquée à un avion régional de soixante-dix places afin de déterminer l'impact de l'incertitude. L'approche cherche à optimiser le design tout en minimisant sa sensibilité aux incertitudes. Le but est de réduire les risques que le design nécessite des corrections coûteuses à un stade plus avancé dans le processus de design. Une plateforme de design a été développée afin de permettre l'étude en mode conceptuel des performances de l'avion et du moteur. Celle-ci comprend quatre modules incluant : le logiciel de design et de performance d'avion Pacelab APD, un métamodèle construit avec le logiciel GasTurb pour la performance du moteur, un module de prédiction du niveau de bruit, ainsi qu'un module permettant de calculer les coûts d'exploitation. Ces deux derniers furent construits à partir de données de la litterature. L'impact associé à deux types d'incertitudes présents au stade préliminaire de design a été étudié. Ceux-ci sont l'incertitude qui se rapporte aux prévisions du marché lorsque la prochaine génération d'avion va être en service, ainsi que l'incertitude du niveau de fidélité des modèles. D'après des prédictions du prix du brut pour le futur, la recherche a déterminé qu'un avion conçu avec une vitesse de croisière similaire aux avions à réaction d'aujourd'hui va minimiser la moyenne des coûts d'exploitation en adoptant une configuration qui minimise la consommation de carburant. Inversement, il a été déterminé que le prix du carburant n'a pas d'influence sur le design optimisé lorsque la moyenne des coûts d'exploitation est minimisée avec un nombre de Mach en croisiere variable.

Abstract

" Future aircraft and powerplant designs will need to meet and perhaps anticipate increasingly demanding operational constraints. This progressive evolution in design requirements is already at work and arises from the combined impacts of increasingly stringent environmental norms with regards to noise and atmospheric emissions, a depletion of fossil fuel reserves which is expected to drive fuel costs upwards, as well as a steady increase in air trac. In order to adapt to these market shifts, aircraft and powerplant companies will need to explore the potential range of benefits and risks associated with a wide spectrum of new designs and technologies. At the same time, it will be necessary to ensure that the resulting end products provide cost effective solutions when operated in the economic environment foreseen for the next generation of aircrafts. The objective of this study is to develop a methodology which enables the selection of optimal robust designs at the preliminary design stage as well as to quantify the compromise between a robust design and a potential gain in performance. The developed methodology is used in the design of a seventy passenger aircraft in order to determine the effects of uncertainty. The methodology seeks to optimize the design while attenuating its sensitivity to uncertainties. The goal is to reduce the likelihood of costly concept reformulations in the later stages of the product development process. A design platform was developed to enable the study at a conceptual level of aircraft and engine performance. It comprises four modules namely: the aircraft design and performance software Pacelab APD, a metamodel constructed with the software GasTurb to calculate engine performance, a module to predict the noise level, and a module to determine the operating costs. The last two modules were constructed using data from the literature. The effects related to two types of uncertainties present at the preliminary design stage were analyzed. These are uncertainties related to the market forecast for when the next generation of aircrafts will be in service as well as uncertainties of the level of delity of the models used. Based on predictions for future oil costs, the research found that an aircraft built for a similar cruising speed as today's jet aircrafts will minimize the mean of the predicted operating cost by having a configuration that minimizes fuel consumption. Conversely, it has been determined that fuel cost does not affect the design optimized to minimize the mean of the predicted operating costs when the cruise Mach number is variable. Furthermore, the use of Pareto fronts in order to quantify the compromise between a robust design and a potential gain in performance showed that the design variables have little infuence on the sensitivity of the operating cost subject to model uncertainties. It has also been determined that neglecting uncertainties during the design process can lead to the selection of a configuration with a high risk of not satisfying the constraints.