Caractérisation des actionneurs AMF

CARACTÉRISATION DES ACTIONNEURS AMF

Avantages d’une aile adaptative

Selon Sanders et al. [2], les performances aérodynamiques d’un avion sont optimisées pour des conditions spécifiques de vol. Le profil de l’aile d’un avion de ligne sera optimisé pour de longs vols à des vitesses et altitudes de croisière, tandis qu’un avion de chasse devra obtenir des performances à haute vitesse, même s’il doit pour cela se contenter d’une portée réduite. Le but d’une aile adaptative est de pouvoir s’adapter à ces changements de conditions, afin que le profil des ailes soit optimisé en tout temps, ce qui permet de minimiser la traînée. Ce paramètre est important, car selon Root [3], une diminution de la traînée d’un Boeing 747 de 1% correspond à une réduction de la consommation de 100 000 gallons (soit près de 380 000 litres) de kérosène par année et par avion. C’est la quantité de carburant nécessaire à cet avion pour parcourir l’équivalent de 33 000 kilomètres.

Dans cette optique, le principe d’une aile « intelligente », optimisée pour chacune des conditions de vol prend alors tout son sens, car les avantages qu’elle propose permettraient d’économiser sur les coûts de mise en oeuvre des avions, et contribueraient à réduire les émissions de gaz CO2 et NOx, qui sont de puissants gaz à effet de serre. Selon Cécile Michaut, journaliste scientifique à l’Office national d’études et recherches aérospatiales (ONERA, le centre français de recherches aérospatiales), « les principales sources de bruit sont situées au voisinage des discontinuités de l’aile (becs de bord d’attaque, volets et leurs supports, fentes), qui créent des tourbillons lorsque la voilure est déployée » [4]. On peut donc penser que le remplacement des gouvernes traditionnelles déployées au décollage ou à l’atterrissage par des actionneurs intégrés dans des bords d’attaque ou de fuite flexibles permettrait de réduire le bruit créé par l’avion au décollage et à l’atterrissage. L’augmentation de portance serait toujours générée, et la traînée réduite, car la forme déployée serait obtenue sans créer d’ouverture dans l’aile au niveau du bord de fuite. Une aile flexible pourrait aussi permettre d’obtenir des gains en matière de manoeuvrabilité, une caractéristique recherchée dans le cas des avions de chasse. Le contrôle de l’avion du futur pourrait alors se faire à l’aide de la déformation des ailes et non plus à l’aide de gouvernes conventionnelles, comme illustré à la figure 1.2, une vue d’artiste commandée par l’agence spatiale américaine, la NASA [5].

Revue de concepts existants

En 1903, le premier vol motorisé et contrôlé d’un aéronef (plus lourd que l’air) de l’histoire de l’aviation utilisait déjà le principe des ailes flexibles. Les frères Wright, originaires de Dayton dans l’Ohio, y possédaient un atelier de bicyclettes. Durant la conception de leur premier avion (présenté à la figure 1.3) ils réalisèrent que celui-ci aurait besoin de s’incliner pour pouvoir tourner, de la même manière qu’un cycliste doit se pencher dans un virage. Le contrôle de la trajectoire sur le « Wright Flyer » était alors obtenu grâce au gauchissement des ailes de l’avion, qui étaient souples [6]. Cette torsion entraînait une augmentation de la portance à l’extrémité d’une des ailes, et une diminution de la portance à l’extrémité de l’aile opposée, ce qui permettait de générer le mouvement de roulis. Figure 1.3 Le « Wright Flyer », en 1908 [7].

Depuis, notamment à cause des avancées technologiques en matière de motorisation, les avions volent à des vitesses de plus en plus élevées. Il n’est alors plus possible de réaliser des ailes souples et entièrement déformables. Les avions actuels utilisent des ailerons, qui sont des surfaces rigides et mobiles situées au bord de fuite des ailes dans le but de contrôler le roulis en générant le différentiel de portance nécessaire. Ces derniers sont intégrés dans des ailes rigides et permettent de modifier le comportement aérodynamique de celles-ci, recouvertes d’une peau métallique puisque la flexibilité n’est plus nécessaire. Le fait d’avoir des ailes rigides implique que les profils ne peuvent pas être optimisés pour toutes les conditions que l’avion va rencontrer en vol. Ils sont donc la plupart du temps optimisés pour le vol de croisière, dans des conditions standard.

Certains avions militaires possèdent des voilures à géométrie variable, ce qui leur permet d’évoluer à différentes vitesses sans perte d’efficacité, comme par exemple le Grumman F-14 « Tomcat » (figure 1.4). Ce dernier a été conçu durant la Guerre froide pour la marine américaine. Basé sur un porte-avions, en tant que chasseur supersonique, son rôle était d’intercepter d’éventuels bombardiers soviétiques avant qu’ils ne puissent lancer de missiles sur le porte-avions ou son groupe aéronaval. Il devait pour cela pouvoir décoller et atterrir à basses vitesses, mais aussi voler en régime de vol supersonique. C’est pour cela qu’il a été muni d’une voilure à géométrie variable, ses ailes présentant un angle de flèche pouvant varier entre 20º et 68º (et même jusqu’à un angle maximal de 75º dans sa configuration pour être stationné dans le hangar du porte-avions), à une vitesse angulaire de 7,5º par seconde. Cela lui permettait d’évoluer convenablement dans deux configurations totalement différentes, à savoir les régimes subsoniques et supersoniques. Le principal inconvénient de cette technologie reste sa complexité de mise en oeuvre, qui cause un alourdissement de l’avion à cause du poids du mécanisme permettant de faire varier l’angle de flèche. Cela entraîne une chute du rendement énergétique de l’avion et une hausse des coûts liés à la maintenance [8].

Propriétés thermomécaniques des AMF

Le comportement des AMF est très différent de celui des métaux classiques. Par exemple, la figure 1.10 montre la réponse de deux matériaux différents, un acier (a) et un alliage de nickel-titane (b) soumis au même chargement thermomécanique. Les conditions initiales sont celles du point 1, sans contrainte ni déformation, et à température ambiante. Entre les points 1 et 2 les deux échantillons sont soumis à un chargement, puis la contrainte est relâchée (point 3), la diminution de la contrainte se faisant selon la pente d’élasticité des deux matériaux. Les échantillons présentent à ce moment une déformation résiduelle (de l’ordre de 5%). Si leurs extrémités sont bloquées, et que les deux échantillons subissent un cycle chauffage / refroidissement de l’ordre de quelques dizaines de degrés Celsius (entre les points 3, 4 et 5), l’acier aura tendance à générer une faible contrainte de compression, liée à la dilatation du matériau, avant de retourner à contrainte nulle. L’alliage nickel-titane va, quand à lui, générer une contrainte importante en traction (chemin 3-3a-4), avant de retourner à contrainte nulle en suivant un chemin différent de celui suivi lors du chauffage (chemin 4-4a-4b-5). Les extrémités des deux échantillons sont alors relâchées, et ils sont soumis à un second balayage en température (chemin 5-6-7 pour l’acier et chemin 5-5a-5b-6-7 pour l’AMF). Son effet est presque invisible sur l’acier, qui va juste subir une très faible expansion alors que l’alliage nickel-titane reprend sa forme initiale avec l’augmentation de la température (point 6). Après le refroidissement, il est revenu aux mêmes conditions qu’à l’état initial (point 7).

Génération de contrainte lors du chauffage

Lorsqu’un échantillon, préalablement déformé dans le domaine martensitique, est soumis à une augmentation de température alors que ses extrémités sont encastrées, d’importantes contraintes peuvent être générées grâce à l’effet mémoire de forme. Ce cas de chargement thermodynamique se nomme génération de contrainte, car la contrainte générée lors du chauffage est souvent plus importante que celle utilisée pour la déformation initiale. La figure 1.14 permet de visualiser schématiquement le mécanisme de génération de contrainte : Dans ce cas ci, l’échantillon est à l’état basse température (T1 = Tfroid < Mf) et non déformé (point 1). Une contrainte est alors appliquée (point 2). La martensite, qui était à l’état de martensite auto-accommodante (M0) devient orientée (M). Dans un premier cas, les extrémités de l’échantillon restent bloquées et celui-ci est chauffé jusqu’à haute température (T3 = Tchaud > Af) (point 3); et la martensite (M) se transforme en austénite (A) dans le matériau. À l’inverse du cas de la section précédente l’échantillon ne peut pas regagner sa forme initiale. Il va alors générer une contrainte importante lors du chauffage (σ3 > σ2), et ce, dès que la température sera supérieure à As.

Dans un deuxième cas, l’échantillon est relâché après application de la contrainte. Il s’en suit un retour élastique (2 → 4), et l’AMF présente une déformation résiduelle (point 4). Une fois ses extrémités de nouveau bloquées, l’échantillon génère une contrainte σ5 (cependant σ5 < σ3) lors du chauffage jusqu’à haute température (T5 = Tchaud à nouveau). La relation de Clausius-Clapeyron indique qu’une augmentation de la contrainte entraîne une augmentation des températures de transformation. Il est admis que la génération de contrainte débute lorsque la température dépasse As. Cela entraîne que la contrainte dans l’échantillon augmente en même temps le pourcentage d’austénite dans l’échantillon. La plage de transformation est donc plus grande dans le cas de la génération de contrainte, lorsque les extrémités de l’échantillon sont encastrées, que dans le cas abordé à la section 1.2.2, lorsque l’échantillon est libre.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 RECENSION DES ÉCRITS
1.1 Les ailes adaptatives
1.1.1 Introduction à la terminologie aéronautique
1.1.2 Avantages d’une aile adaptative
1.1.3 Revue de concepts existants
1.2 Les alliages à mémoire de forme
1.2.1 Propriétés thermomécaniques des AMF
1.2.2 Effet mémoire de forme
1.2.3 Génération de contrainte lors du chauffage
1.2.4 Choix de l’AMF en tant qu’actionneur
CHAPITRE 2 POSITIONNEMENT DES TRAVAUX AU SEIN DU PROJET GLOBAL
2.1 Objectifs de recherche
2.2 Présentation de l’aile retenue pour la présente étude
2.3 Paramètres de l’étude
2.4 Étude d’un exemple de profil optimisé
2.5 Enveloppe des forces d’actionnement
CHAPITRE 3 CARACTÉRISATION DES ACTIONNEURS AMF
3.1 Préparation des fils d’AMF
3.2 Températures de transformation de l’alliage
3.3 Caractérisation expérimentale du comportement de l’actionneur, sans butées
3.4 Caractérisation expérimentale du comportement de l’actionneur, avec butées
3.5 Influence de la température maximale
3.6 Caractérisation expérimentale du comportement en fatigue de l’actionneur, avec butées
3.7 Discussion
CHAPITRE 4 CONCEPTION DES ACTIONNEURS
4.1 Modélisation du système de transmission
4.2 Principe de fonctionnement du système de transmission
4.3 Dimensionnement des actionneurs et du ressort de rappel
4.3.1 Premier cas limite : actionneur froid (butée basse)
4.3.2 Second cas limite : actionneur chaud (butée haute)
4.3.3 Dimensionnement des actionneurs
4.3.4 Intégration des actionneurs dans l’aile
4.3.5 Enveloppe d’actionnement
4.4 Conclusion
CHAPITRE 5 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
5.1 Présentation du prototype
5.1.1 Extrados flexible
5.1.2 Système de transmission
5.1.3 Système de commande
5.2 Essais thermiques
5.3 Caractérisation de la peau
5.4 Validation des actionneurs en laboratoire
5.5 Présentation de la soufflerie
5.6 Première série d’essais en soufflerie
5.6.1 Design préliminaire
5.6.2 Problèmes rencontrés lors des premiers essais
5.6.3 Analyse des résultats
5.7 Ajustement des enveloppes de forces
5.8 Seconde série d’essais en soufflerie
5.8.1 Solutions mises en oeuvre depuis la première série d’essais
5.8.2 Comparatif des résultats entre les deux séries d’essais
5.8.3 Validation du design
5.9 Conclusions sur les essais en soufflerie
CONCLUSION
LISTE DES RÉRÉRENCES

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