Modelisation and robust multidisciplinary optimization (MDO) of airplane in the air transport system

Abstract

Les enjeux économiques associés à la conception, au développement et à l'exploitation des avions sont depuis des décennies des moteurs forts pour poursuivre les efforts technologiques et opérationnels visant à réduire la consommation des avions. Depuis un peu plus d'une décennie et suite au Grenelle de l'Environnement et la mise en place du Conseil pour la Recherche Aéronautique Civile (CORAC), les inquiétudes et ambitions environnementales ont encore exacerbé le besoin de s'inscrire dans une perspective de développement durable du transport aérien. Enfin, la large prise de conscience, lors de la COP 21 à Paris, de l'urgence climatique impose comme une nécessité de réunir toutes les connaissances et les savoir-faire pour décarbonner le transport aérien. L'optimisation de l'avion est un élément essentiel de sa conception et son exploitation et implique de multiples disciplines. Les processus et méthodes d'optimisation multidisciplinaires (MDO) n'ont pas cessé de progresser depuis le début de leur utilisation industrielle dans les années 80 et sont désormais de plus en plus utilisés à chaque étape de la conception d'un nouvel avion. Leur approche itérative du problème visant à converger vers la meilleure solution tend à apparaître à tous les niveaux, des analyses multidisciplinaires aéro-structurales automatisées s'appuyant sur des modèles de différents niveaux de fidélité jusqu'au processus industriel global visant à répondre au besoin des compagnies aériennes. Malgré ces efforts, nous constatons que l'avion est en pratique rarement exploité précisément dans les conditions définies dans les exigences de conception (techniques, géométriques, opérationnelles et réglementaires) et utilisées pour son optimisation dès les premières phases de son processus de développement. Cela est une source de perte d'optimalité pour le système du transport aérien (STA) vis-à-vis de sa mission fondamentale : transporter des passagers ou des marchandises d'un point à un autre par la voie des airs. Ces observations nous amènent à poser à la question suivante : est-il possible de rendre l'avion plus robuste d'un point de vue opérationnel en renforçant, dès les phases de design conceptuel, le lien avec le STA, par de nouvelles formulations MDO? Nous proposons la méthodologie suivante. Dans la première étape, nous repositionnons l'avion dans le STA afin de mieux représenter comment il contribue à son activité mais aussi comment le monde opérationnel influence son design. La deuxième étape vise à réunir des données représentant l'exploitation réelle des avions afin d'en tirer des modèles pertinents, et un outil multidisciplinaire de design conceptuel simulant le processus de conception d'un avion. Lors de la dernière étape, nous étudions trois cas d'application. Le premier étudie la perte d'optimalité opérationnelle due aux variabilités dans les distances de vol. Le deuxième aborde les exigences au décollage en les faisant passer d'un statut de contraintes à un statut de variables de design dans la formulation MDO. Enfin le troisième cas d'application prend en compte les variabilités opérationnelles en croisière, observées et modélisées, dans le processus de design conceptuel. Le premier chapitre de cette thèse présente une analyse de l'existant industriel et académique vis-à-vis de la conception avion et de la représentation du STA, une revue des bases de données opérationnelles existantes et des outils de design conceptuel, ainsi que l'état de l'art relatif à la prise en compte des opérations dans la conception avion et aux méthodes utilisées dans le reste de la thèse. Le deuxième chapitre traite de la calibration de l'outil de conception MARILib, des données opérationnelles utilisées et des modèles qu'elles nous permettent de construire. Le troisième et dernier chapitre présente les trois cas d'application étudiés. Enfin, une conclusion revient sur les principales contributions de cette thèse, les limites et les perspectives associées.For decades, the economic stakes associated with the design, development and operations of aircraft have been strong drivers for pursuing technological and operational efforts to reduce aircraft fuel consumption. Since the Grenelle de l'environnement and the establishment of the Conseil pour la Recherche Aéronautique Civile (CORAC) in 2008, both environmental concerns and ambitions have further exacerbated the expectations of the air transport system (ATS) towards sustainable development. Finally, the widespread awareness, during COP 21 in Paris, of the climate urgency makes it necessary to bring together all the knowledge and know-how to decarbonize air transport. Aircraft optimization is an essential part of its design and oper- ations, and it involves multiple disciplines. Multi- Disciplinary Optimization (MDO) processes and methods have steadily advanced since they were first developed and used in the scientific community and in the industry in the 1980s. They are now increasingly used at every stage of new aircraft design. The objective of their iterative approach to the problem is to converge towards better solutions. It tends to be used in all phases of the process, from automated aero- structural multidisciplinary analyses based on models of different levels of fidelity, to the overall industrial process aimed at meeting the needs of airlines companies. Despite these efforts, the aircraft is in fact hardly ever operated on the conditions that are defined in the design requirements (technical, geometrical, operational, and regulatory) and that are used for optimizing it from the very early stage of its development process. This implies a loss of optimality of the ATS when fulfilling its fundamental mission: to carry passengers, freight, and mail from one place to another through air transportation. Having noticed this, we ask the following question: is it possible to improve the airplane and make it more robust, from an operational point of view, by tying the link, from the conceptual design phase, with the ATS and its other components, through new MDO formulations? To answer this question, we propose the following methodology. First, we position the aircraft in the ATS in order to better understand and better represent how the aircraft contribute to the ATS activity, but also in order to capture how the operations influence the aircraft design. Our second step consists in gathering data to observe real aircraft operations, such as those obtained via flight data recorder, in order to create meaningful models, and an overall aircraft design (OAD) tool to simulate the conceptual design process of an aircraft. During the last step, we focus on three use cases. The first quantifies the loss of operational optimality due to range variability. The second use case tackles the take-off distance requirements and turn them from design constraints to design variables in the MDO formulation. Finally, the last use case considers cruise variabilities, as observed and modelled, in the conceptual design process. The first chapter of this thesis presents a review of the academic and industrial practices with regards to aircraft design and the representation of the ATS, a synthesis of available operational data and conceptual airplane design tools, as well as a state of the art on how the operations are taken into account in the design process and on the mathematical methods and tools used in this thesis. The second chapter addresses the calibration of the MARILib aircraft conceptual tool, and the processing of the operational data used, how we enrich them and which models we build from them. The third and last chapter describes the three use cases. Finally, a conclusion recalls the main contributions of this thesis, discusses its limits, and presents the related perspectives