Aeroelastic implications of active winglet concept aimed to improve civil transport aircraft performances

Reduction of aircraft environmental footprint has become over years a key objective for the industry. Particularly, for decades winglets have been proven to eficiently reduce drag and fuel consumption. However, the design of those wingtip extensions mainly relies on an aerodynamic shape optimisation for a given cruise condition resulting in suboptimal behaviour for the rest of the flight. Active winglet concept proposes to optimise the winglet cant angle along the flight to compensate the loss of eficiency inherent to fixed designs. The variation of winglet deflection impacts the lift distribution with repercussion on wing deformation that must be investigated. Besides, the presence of moving masses at the tip of the wing also has influence on dynamic response and particularly on flutter onset. This work proposes to evaluate those impacts through an aeroelastic analysis of both static and dynamic implications of active winglets combined with an aerodynamic performances optimisation. The XRF1, an Airbus provided industrial standard multi- disciplinary research test case representing a typical configuration for wide body long- range aircraft, is used as the baseline aircraft. Coupled CFD/CSM computations are performed to assess the evolution of wing shape with respect to winglets deflections and the consequences on mission performance optimisation. While a parametric flutter analysis is carried-out to highlight the dependence of critical flutter speed on winglet cant angle

Aircraft fleet models using a bottom-up approach for simulating aviation technological prospective scenarios

Modeling prospective scenarios for aviation in the context of climate issues is a scientific topic of major interest. For this purpose, the development of models to integrate technological improvements in these scenarios is necessary. This paper focuses on the use of a bottom-up approach to establish aircraft fleet models, in order to integrate them into CAST, an open-source tool for simulating and evaluating prospective scenarios for air transport. These models are based on logistic functions which allow representing the gradual replacement of current aircraft by future aircraft architectures obtained from overall aircraft design. The efficiency improvement of the aircraft fleet can then be assessed. To illustrate the use of the models, some case studies, considering for example turboprop and hydrogen aircraft, are performed for analyzing efficiency scenarios for air transport. Also, the effect of accelerated fleet renewal and earlier introduction of new aircraft architectures is studied

Numerical optimisation of aircraft performance with active winglets

L’ajout de winglet en bout d’aile est une solution déjà éprouvée pour diminuer la traînée des avions. L’optimisation de la forme de la voilure en vol, appelée morphing est un autre concept prometteur. Cette thèse propose d’étudier un dispositif combinant le principe du winglet et celui du morphing afin optimiser les performances de l’aéronef pendant le vol. Cette technologie appelée winglet actif consiste a changer l’angle de dièdre pour agir sur la répartition des efforts aérodynamiques et sur la déformation de la voilure. L’objectif de l’étude est, dans un premier temps, d’optimiser la forme d’un winglet dans un context de retrofit puis d’optimiser les performances en mission à l’aide de ce dispositif actif. L’originalité du travail présenté repose sur l’utilisation massive de calculs haute-fidélité CFD/CSM combinés à des méta-modèles (surrogate) et sur une décomposition champ lointain de la traînée pour une analyse fine des phénomènes. Cette approche permet de mettre en évidence l’importance de la flexibilité de la voilure dans la prédiction de l’efficacité du dispositif. L’etude d’une voilure à fort allongement apporte un éclairage complet sur la capacité de ces dispositifs à contrôler les performances pour differentes configurations. Ce travail apporte aussi des réponses quantà l’impact de winglets actifs sur les charges et l’aéroélasticité.The addition of winglets at wing tips is a proven solution to reduce aircraftdrag. Wing shape optimisation throughout the flight, also called morphing, is another promisingconcept. That thesis deals with the analysis of a device combining winglets and morphingprinciples to optimise aircraft performances during the flight. This technology is simply referredas Active Winglet and consists in changing the cant angle to alter aerodynamic loadsdistribution and then change the wing shape. The objective of this study is first to optimisethe shape of a retrofitted winglet then to optimise the performances over the mission with theactive system. The originality of this work relies on the massive usage of CFD/CSM computationscombined to surrogate models and on a far-field drag decomposition for fine analysisof phenomena. This approach also highlights the importance of flexible effects on the deviceefficiency. Besides, the analysis of an high aspect ratio wing gives a complete overview on the capability of the devices to control flight performances for different configurations. This workalso provides answers regarding the impact of active winglets on loads and aeroelasticity

Assessment of the efficiency of an active winglet concept for a long-range aircraft

International audienc

Aircraft fleet models using a bottom-up approach for simulating aviation technological prospective scenarios

International audienceModeling prospective scenarios for aviation in the context of climate issues is a scientific topic of major interest. For this purpose, the development of models to integrate technological improvements in these scenarios is necessary. This paper focuses on the use of a bottom-up approach to establish aircraft fleet models, in order to integrate them into CAST, an open-source tool for simulating and evaluating prospective scenarios for air transport. These models are based on logistic functions which allow representing the gradual replacement of current aircraft by future aircraft architectures obtained from overall aircraft design. The efficiency improvement of the aircraft fleet can then be assessed. To illustrate the use of the models, some case studies, considering for example turboprop and hydrogen aircraft, are performed for analyzing efficiency scenarios for air transport. Also, the effect of accelerated fleet renewal and earlier introduction of new aircraft architectures is studied

Surrogate-based optimization of a morphing winglet for flexible aircraft

Since the pioneering work by Whitcomb [1] in the mid-70’s winglets have demonstrated their capabilities to improve aircraft efficiency. However, they are fixed devices and optimized for certain flight conditions. This paper investigates the opportunity to make these wing extensions active to control aircraft performances along the flight. To assess the efficiency of such a technology, high-fidelity computations coupling aerodynamics and structural mechanics disciplines are used. Surrogate models are built to speed-up the optimization process. Multiobjective and gradient-free algorithms are used to search the optimal winglet shape in cruise condition and the optimal winglet deflection along the mission with block fuel minimization as objective. The capability of active winglets to control the wing shape and particularly the twist is demonstrated. It is also highlighted that the wing flexibility is a key driver of the efficiency of active winglets and must be considered to assess the performances of morphing devices. This document shows that depending on the baseline choice the gains can be quadrupled if the stiffness is neglected

Optimisation et analyse multidisciplinaire analyse d’un avion moyen-courrier à aile haubanée

International audienceIncreasing the wing aspect ratio appears as a straightforward way to improve aerodynamic performance of transport aircraft by reducing the lift-induced drag component. However, it comes at the price of a direct negative impact on the wing structural weight which is necessary to sustain aerodynamic loads in the case of a conventional cantilever wing. The strut-braced wing concept allows to reduce the flexural moment to be carried out by the inner-wing structure and therefore limits the weight penalty as aspect ratio is increased. A multidisciplinary evaluation of the potential benefits at aircraft level of High Aspect Ratio, Strut Braced Wing concept is presented. It relies on a multi-fidelity design approach in which an Overall Aircraft Conceptual Design framework is combined with high-fidelity aerodynamic and structural analyses to provide accurate physical information to the conceptual design process. This paper describes the tools, framework and approach used to combine OACD with high-fidelity CFD and CSM analyses and illustrates the first results of its application to design a HAR-SBW aircraft concept which are compared to a conventional tube-and-wing aircraft designed for the same mission.Réduire l'empreinte environnementale de l'aviation et surtout son impact sur le changement climatique est aujourd'hui devenu l'enjeu majeur de l'industrie aéronautique. Dans ce contexte, la Commission européenne s'est fixé des objectifs ambitieux pour l'aviation définis dans le « Fligthpath 2050 », notamment une réduction de 75 % des émissions de CO2 et de 90 % des émissions de NOx, ainsi qu'une réduction de 65 % du bruit. Atteindre de tels objectifs ne sera probablement possible que grâce à des évolutions radicales de l'architecture de l'avion, du système de propulsion et de l'introduction de technologies de rupture. Pour ce qui concerne l'architecture de l'avion, le Blended Wing Body (BWB) et le Strut-Braced Wing (SBW) semblent aujourd'hui être les deux alternatives les plus prometteuses à la configuration classique "Twin Underwing Turbofan Tube-and-Wing" qui est devenue prédominante. solution au cours des dernières décennies. Le BWB et le Hybrid Wing Body sont actuellement étudiés dans le cadre de plusieurs efforts de recherche importants en Europe, aux États-Unis et en Chine. Le présent article présente des enquêtes sur la configuration SBW. La principale justification de la configuration SBW est de permettre une augmentation significative du rapport d'aspect de l'aile (AR) pour améliorer les performances globales de l'avion grâce à des gains d'efficacité aérodynamique sans l'énorme augmentation du poids de l'aile dont souffrirait une aile en porte-à-faux d'un AR similaire. Ceci est obtenu grâce à une réduction du moment de flexion dans le caisson de voilure interne permise par une traction de la jambe de force à sa jonction avec l'aile. Cela permet de réduire la taille des composants structurels du caisson de voilure dans l'aile intérieure qui sont principalement dimensionnés par le moment de flexion dans le cas d'une aile en porte-à-faux.Ce concept peut être utilisé pour augmenter l'allongement de l'aile et profiter d'une réduction de la traînée aérodynamique (en réduisant réellement la traînée induite par la portance) tout en contenant l'augmentation du poids structurel de l'aile associée à une envergure plus élevée (impliquant un moment de flexion plus élevé dans l'aile centrale -boîte). Par conséquent, l'ajout d'une jambe de force, ou plus généralement d'une structure en treillis, ouvre un degré de liberté supplémentaire pour le concepteur afin de mieux exploiter les ailes à rapport d'aspect élevé au niveau global de l'avion en réalisant un nouveau compromis optimal (par rapport au cantilever, sans jambe de force, aile) entre l'efficacité aérodynamique et le poids de l'aile.De tels compromis pour le concept d’aile haubanée ont déjà été étudiés à l'ONERA dans le projet ALBATROS. Plus récemment, dans le projet de thèmes thématiques Clean-Sky 2 U-HARWARD (www.u-harward-project.eu/), différentes solutions au niveau de l'avion permettant d'augmenter l'allongement des ailes sont étudiées pour réduire l'impact environnemental et améliorer les performances. Dans ce projet, l'ONERA et l'ISAE explorent les avantages potentiels et les éventuels pièges du concept SBW à travers une approche de conception multi-niveaux multidisciplinaire comprenant la conception globale de l'avion (OAD) et des études de conception disciplinaires affinées de l'aérodynamique et des aspects structurels clés du concept d’aile haubanée.L'article final présentera les modèles et outils mis en place pour effectuer l'exploration de conception multidisciplinaire à plusieurs niveaux du concept SBW au sein du projet U-HARWARD, ainsi que la conception intermédiaire obtenue