Description des concepts de l’industrie aéronautique pour réduire la consommation de carburant

Description des concepts de l’industrie aéronautique

Pour réduire la consommation de carburant Face aux problèmes environnementaux menaçant notre planète, l’industrie aéronautique à réagit dans plusieurs domaines; Par exemple, les dépenses de l’aéronautique civile en recherche et développement avoisine les 20 milliards de dollars par année dont 70% des dépenses sont consacrés sur les technologies de réduction de carburant. Parmi les efforts mises en place par l’industrie aéronautique, différentes études ont été portés sur les moteurs. L’efficacité des moteurs a été augmentée grâce à leurs modèles plus légers fabriqués en différents types de matériaux reconnus pour leurs légèretés [8]. L’efficacité énergétique des turbomachines a été augmentée par l’augmentation de leur taux de compression [9]. L’étude de carburant à base de propane a été réalisée pour réduire les émissions des moteurs [10]. À titre d’exemple, Air Transat a mis en place plusieurs règlements afin de réduire la consommation de fuel tels que le lavage fréquent des moteurs afin d’améliorer leurs efficacité en éliminant les hydrocarbures, la saleté, les insectes, etc. Les pneus ont été allégés, le poids des appareils a été réduit, les plans de vol et les opérations au sol ont été optimisés [11].

Bien d’autres moyens ont été mis en place comme l’installation progressive d’ailettes au bout d’aile pour réduire la consommation de carburant. Plusieurs observations et tests ont révélé que ces ailettes amélioraient les performances de l’avion au décollage en réduisant la trainée et en augmentant la poussée au décollage permettant ainsi d’obtenir moins d’émissions, moins de consommation et moins de bruit [12]. Selon [13], une réduction de 20% de trainée sur les avions amènerait une réduction d’environ 18% de carburant. De plus, ces ailettes sont composées majoritairement en fibre de carbone ce qui permet d’économiser sur le carburant puisqu’elles réduisent la trainée, et donc sur les émissions rejetées dans l’atmosphère [12]. En tenant compte de ces observations, plusieurs manufacturiers tels que Boeing et Airbus se penchent sur le développement de ces ailettes sur leurs flottes aériennes [14] [15].

En effet, Boeing avait commencé à équiper ses avions d’affaires de type « Boeing Business Jet (BBJ)» ainsi que les générations d’avions civils 737-800 en 2001 avec ces ailettes [12]. A titre d’exemple, pour le B767, l’ajout de ces ailettes permet d’économiser un demi-million de gallons américains de carburant par année ce qui équivaut à une réduction de 4,790 tonnes de CO2 par avion par année [12]. Le développement des ailes déformables, dans le but de réduire le coût de vol des avions, attirent aussi l’attention des chercheurs.

Une technique d’aile déformable a été développée sur un ATR-42 afin de réduire sa trainée aérodynamique. Le but a été d’augmenter la zone d’écoulement laminaire sur l’extrados de l’aile qui représente sa partie supérieure. Ce procédé a permis la réduction du coefficient de trainée jusqu’à 26 % ce qui lui a conféré le grand avantage de réduire la consommation de carburant [16]. D’autres méthodes ont été proposées afin de réduire la trainée de l’aile comme celles montrées dans [17] qui ont été appliquées pour l’optimisation des surfaces aérodynamiques en régime subsonique incompressible en ayant pour objectif d’améliorer la finesse de l’aile. En [18], une méthode numérique d’optimisation est utilisé pour réduire la trainée aérodynamique totale incluant la trainée d’onde due à la présence d’une onde de choc dans un écoulement transsonique. Enfin, un autre exemple de recherche mis en place pour réduire la consommation de carburant est l’utilisation des biocarburants.

En effet, le type de carburant utilisé actuellement est un dérivé du pétrole qui reste polluant, nocif pour l’environnement et dont les ressources ne sont pas inépuisables ; c’est pourquoi la proposition de biocarburant est une alternative essentielle compte tenu de la situation environnementale actuelle [19]. En effet, des tests de vol sur plusieurs avions ont mis en évidence le fait que l’utilisation de biocarburant donne des résultats très prometteurs [20]. Un certain nombre de type de carburant plus écologique que le type de carburant actuel peut être considéré pour l’aviation : Ce carburant plus écologique serait moins polluant mais aurait les caractéristiques similaires au type de carburant actuel à base de pétrole afin de conserver ses performances connues [19].

En 2012 il existait 2 types de carburants certifiés pour l’aviation : Le HVO et le F-T. Le HVO (Hydrotreated Vegetable Oil) est une huile végétale traitée hydrauliquement provenant de plantes qui est disponible commercialement mais en petite quantité et dont son prix est très compétitif par rapport aux prix des autres carburants. Le kérosène F-T (Fischer-Tropsch) est un dérivé de matières lignocellulosique qui sera sur le marché entre 2017 et 2022 et qui est certainement plus cher que le HVO mais dont la matière première est moins chère et a un meilleur « profil environnemental » que la matière première du HVO [19].

L’optimisation des trajectoires

Un autre moyen de réduire la consommation de fuel qui est en pleine expansion et relativement facile à implémenter concerne l’optimisation des trajectoires de vol des avions. Les autorités de contrôle du trafic aérien (ATC) sont en train d’améliorer la qualité de la circulation aérienne compte tenu de l’encombrement de l’espace aérien du au nombre croissant de vols. Dans ce but, plusieurs programmes ont été proposés afin d’améliorer la gestion du trafic aérien (ATM) permettant une meilleure sécurité, une gestion de la capacité du trafic et une meilleure efficacité des trajectoires de vol. Parmi ces programmes, nous pouvons nommer le programme NextGen (Next Generation Air Transport System) en Amérique du Nord, le SESAR (Single European Sky ATM Research) en Europe et le CARATS (Collaborative Actions for Renovation of Air Traffic Systems) au Japon [23].

Il a été remarqué que les avions ne volaient pas nécessairement à leurs trajectoires optimales en terme de réduction de carburant [24]. En effet, des études provenant du MIT (Massachusetts Institute of Technology) ont démontré qu’aux États-Unis, certains avions ne volaient pas à leurs vitesses et altitudes optimales ([25] ,[26]). D’autres études ont démontré dans le cas de vols intérieurs en Turquie que de nombreuses occasions d’épargner du carburant ne sont pas prise en compte [27]. Pourtant, il est d’une grande importance de voler aux altitudes optimales afin de réduire au maximum la consommation de carburant.

L’optimisation des trajectoires étant une des solutions innovantes pour réduire la consommation, il est ainsi, d’un grand intérêt de porter une attention sur ce sujet. Il existe 2 types de trajectoires : le premier type est la LNAV (Latéral NAVigation) qui détermine l’ensemble des points de repères appelés « point de repère » à suivre en croisière : Un point de repère (ou waypoint) est un point fictif que l’on détermine pour séparer la croisière en plusieurs segments pour faciliter les calculs d’optimisation en croisière. Ces points de repères sont donnés par leurs coordonnées Latitude-Longitude. Le deuxième type de trajectoire est la VNAV (Vertical NAVigation) qui s’intéresse à l’altitude et la vitesse que doit respecter l’avion pour une trajectoire donnée.

Dans le cas de cette thèse, seulement le profil vertical VNAV sera étudié pour le vol d’un avion. Le système de gestion de vol FMS (Flight Management System), qui est un calculateur embarqué faisant partie de l’équipement avionique dans le cockpit d’un avion, permet au pilote de planifier et maintenir la route de l’avion lors de son vol. Le FMS a été développé dans les années 70 et implémenté dans les années 80 par Lidén [28]. Parmi les tâches principales du FMS, nous pouvons énumérer le guidage en vol, le contrôle des trajectoires latérales et verticales ainsi que le suivi des vitesses « optimales pour chaque phase de vol » [29].

Différents algorithmes d’optimisation ont été étudiés et conçus afin de résoudre le problème de réduction de la consommation de carburant pendant le vol d’un avion. Parmi eux, des techniques de programmation dynamique ont été présenté afin de déterminer des trajectoires optimales. La programmation dynamique s’appuie sur le principe de Bellman où les solutions sont obtenues des sous problèmes. On obtient dans un premier temps les solutions des problèmes des sous-ensembles pour ensuite déduire progressivement les solutions de l’ensemble. La programmation dynamique a été appliquée dans l’optimisation de trajectoires de vol des avions en utilisant un algorithme appelé « Moving Search Space algorithm». Cet algorithme a pris en compte des contraintes de temps d’arrivée appelées « Required Time of Arrival constraint » (RTA) et des contraintes d’espace entre les avions environnants [30]. Une méthode basée sur la programmation dynamique a été présentée dans [31] pour générer des trajectoires optimales en utilisant la technique des réseaux de neurones en présence de contraintes de temps.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Contexte environnemental et économique
1.2 Description des concepts de l’industrie aéronautique pour réduire la consommation de carburant
1.3 L’optimisation des trajectoires
1.4 Axe de recherche
CHAPITRE 2 VOL CONVENTIONNEL, DONNÉES DE PERFORMANCES, COÛT DE VOL ET MÉTHODE DE CALCUL D’INTERPOLATION
2.1 Vol conventionnel
2.1.1 Montée
2.1.1.1 Montée initiale
2.1.1.2 Accélération
2.1.1.3 Montée en vitesse indiquée Indicated Air Speed (IAS)
2.1.1.4 Montée Mach
2.1.2 Croisière
2.1.3 Descente
2.2 Les données de performance des phases de vol
2.3 Coût de vol total
2.4 Méthode de calcul pour l’interpolation de données d’entrées
2.5 Marches de montée
CHAPITRE 3 OPTIMISATION DES TRAJECTOIRES PAR LA METHODE DE LA RECHERCHE DE L’HARMONIE
3.1 Les algorithmes métaheuristiques
3.2 La recherche de l’harmonie
3.3 L’algorithme de la recherche de l’harmonie
3.3.1 Première étape
3.3.2 Seconde étape
3.3.3 Troisième étape
3.3.4 Quatrième étape
3.4 Les paramètre raccept et rpa
CHAPITRE 4 RESULTATS DE LA RECHERCHE DE L’HARMONIE
4.1 Détermination de la valeur de HS_size et du nombre d’itération
4.1.1 Valeur de la taille de la matrice HM (HS_size)
4.1.2 Valeur du nombre d’itération
4.2 Résultats obtenus par l’algorithme de la recherche de l’harmonie
4.2.1 Phase de croisière
4.2.2 Phase de montée et de croisière
4.2.3 Vol complet (montée, croisière, descente)
4.2.4 Vol complet avec les marches de montée
4.2.4.1 Algorithme de la recherche de l’harmonie et recherche exhaustive
4.2.4.2 Algorithme de la recherche de l’harmonie et algorithme du FMS
4.2.4.3 Comparaison des résultats obtenus par l’algorithme de recherche de l’harmonie avec les résultats obtenus par deux autres algorithmes d’optimisation
4.2.4.3.1 Résultats obtenus par la recherche de l’harmonie avec les résultats obtenus par l’algorithme d’optimisation verticale d’un vol en utilisant un profil optimal de croisière
4.2.4.3.2 Résultats obtenus par la recherche de l’harmonie et par l’algorithme d’optimisation verticale d’un vol par l’utilisation d’un système de gestion de vol
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE

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