Equipe X-OAD

Thème de recherche X-OAD : eXtended-Overall Aircraft Design

Analyse, co-conception et validation intégrées et multidisciplinaires des systèmes de transport aérien

 

Animateurs / Points de contact par établissement :

ENAC : Thierry Druot
ISAE :  Emmanuel Benard
ONERA : Nathalie Bartoli

Objectifs et enjeux

Le développement d’aéronef est, par essence, multidisciplinaire avec des espaces de design très larges nécessitant une approche très structurée et le recours à des méthodes avancées d’analyse numérique et d’optimisation.

Les besoins sociétaux de mobilité suivent une dynamique importante avec l’arrivée prochaine de nouveaux modes de transport ou des évolutions profondes dans les systèmes de transport. Cette dynamique va s’accompagner de modifications majeures des vecteurs de transport associés : les aéronefs. La conception de ces derniers et les méthodes associées devront être complètement revues en considérant l’aéronef non plus seul mais dans la globalité de son environnement physique (atmosphère dynamique, prise en compte des dérèglements climatiques et robustesse/tolérance des vecteurs et de leurs opérations vis-à-vis de ces changements), opérationnel, économique et sociétal. L’approche multidisciplinaire sous-jacente devra prendre en compte, en plus des disciplines classiques (aérodynamique, structure, systèmes, motorisation, etc.), des disciplines permettant de modéliser les besoins des passagers et des opérateurs, le monde opérationnel, le cycle de vie, la dimension économique du transport aérien et la sécurité. Cette nouvelle approche représente un réel défi pour les industriels concepteurs d’aéronefs, comme l’analyse et l’optimisation multidisciplinaire actuelle l’est depuis des années. Néanmoins, le défi est encore plus grand car les enjeux dépassent le secteur industriel aéronautique et concernent aussi les acteurs du système du transport aérien et les opérateurs d’une manière plus générale.

Le thème de recherche présenté ici orientera ses activités dans ce but et cherchera à apporter des réponses méthodologiques aux problématiques liées à la co-conception intégrée des aéronefs et des opérations, de l’analyse de ces problématiques hétérogènes à la validation des outils et méthodes proposés. Il contribuera en outre à valoriser la conception multidisciplinaire en tant que discipline de recherche à part entière. Les deux objectifs principaux du groupe sont :

  • Développer des stratégies et processus de co-conception d’aéronefs/opérations innovants, en faisant appel aux méthodes de l’ingénierie de système de systèmes et de la conception multidisciplinaire;
  • Prescrire, développer et valider des méthodes et outils communs dans le domaine de la conception d’aéronefs en considérant l’aspect opérations et plus largement compatible avec les enjeux sociétaux du transport aérien (équipe ESTA Enjeux Sociétaux du transport aérien), avec intégration au sein d’une plateforme partagée dans un objectif de capitalisation.

Axes de recherche

Les recherches s’articuleront autour du développement d’un processus d’analyse - co-conception - validation aéronef étendu (X-OAD, eXtended-Overall Aircraft Aircraft Design) prenant en compte les enjeux présentés ci-dessus. Elles se déclinent au travers des quatre axes suivants :

Axe n°1 : Analyse et spécification techniques des systèmes de transport aérien

  • Identification et caractérisation de l’architecture du couple aéronef/opérations et des exigences hétérogènes associées ;
  • Définition de l’architecture du processus de modélisation de l’ensemble des exigences relatives au couple  aéronef/opération à co-concevoir et optimiser;
  • Déclinaison de l’architecture du processus en architecture des modèles (spécification des modèles, MBSE, …).

Axe n°2 : Modélisation :

  • Modèle global de performance incluant les exigences opérationnelles et de certification ;
  • Modèles des systèmes/sous-systèmes ;
  • Modélisation des interactions ;
  • Approche multidisciplinaire, construction des processus de conception les plus adaptés ;
  • Gestion de la multi-fidélité par modèles de substitution ;
  • Réduction des modèles ;
  • Modélisation/propagation des incertitudes ;

Axe n°3 : Optimisation :

  • Formulation des approches de modélisation et les métriques (multidisciplinaire, sous contraintes, de grande taille, avec ou sans dérivée, mixité des variables, robuste, mono/multi-objectifs, …) ;
  • Application sur les cas-tests de couples aéronefs/opérations.

Axe n°4 : Validation: 

  • Démonstrateur par maquette virtuelle et physique, synergie avec les Fablab existants ou à venir ;
  • Certification / qualification (en lien avec le PEA Drone et l’équipe ESTA pour les enjeux de safety).

Positionnement

Dans le domaine, de nombreuses équipes de recherche, notamment à l’international, s’intéressent aux thèmes de recherche de l’équipe. Elles développent à plus ou moins grande échelle une approche multidisciplinaire.

Au niveau régional :

La particularité du domaine applicatif et la composition de cette équipe la positionne de fait comme l’acteur régional majeur sur cette thématique et illustre l’adéquation de ses futures activités avec les pôles d’excellence de la région et en particulier l’aéronautique et le spatial. L’implication active de certains de ses membres dans l’IRT Saint Exupéry et dans le pôle de compétitivité Aerospace Valley démontre les préoccupations à la fois scientifiques et industrielles de sa démarche.

L’approche proposée est originale et permet une bonne complémentarité avec le tissu local. En effet, l’équipe est impliquée par l’intermédiaire de certains de ces membres, ou des relations qu’ils entretiennent, avec l’Institut Clément Ader.

L’approche proposée est complètement inscrite dans les objectifs de l’école doctorale EDAA.

Au niveau national :

L’implication de l’ONERA, centre de recherche aéronautique et spatial français, ainsi que de l’ISAE-SUPAERO et de l’ENAC, tous deux des acteurs majeurs reconnus de la formation d’ingénieur et professionnelle du secteur aéronautique et spatial, donnent à cette équipe une première assise nationale compte tenu des disciplines techniques concernées. Ses membres ont été impliqués dans des projets nationaux de recherche aux côtés des grands industriels français et sont régulièrement en prise avec leurs besoins. Enfin, cette thématique garde une originalité dans le paysage national de par sa dimension multidisciplinaire, encore peu identifiée au niveau de la recherche académique.

Au niveau international :

L’équipe est impliqué au niveau européen dans le CEAS (EWADE, TCAD/SCAD) au côté des principaux acteurs européens travaillant sur cette thématique (DLR, TU Delft, NLR, Cranfield) et entretient de bonnes relations scientifiques et techniques avec leurs membres. Certains membres de l’équipe ont en outre noué des contacts étroits avec des acteurs internationaux majeurs tels que le MIT, Georgia Tech, University of Michigan, University of Toronto, Hong-Kong University of Science & Technology et la NASA. Ils s’investissent aussi particulièrement dans l’AIAA au travers du Technical Comitee MDO et du Technical Comitee Aircraft Design. Ce travail de leur part permet à l’équipe de jouir d’une bonne visibilité à l’international.

L’ambition de l’équipe est d’être positionnée comme la référence nationale, jouissant d’une bonne visibilité internationale, sur les thèmes de recherche concernés. Au-delà de l’équipe elle-même, les travaux multidisciplinaires ont vocation à créer plus généralement un espace ou forum d’échange  entre des disciplines ou domaines très variés. A terme, l’objectif de l’équipe est de pouvoir rivaliser par sa contribution scientifique avec les meilleurs acteurs internationaux et de faire reconnaître et valoriser la conception multidisciplinaire en tant que discipline de recherche à part entière. Elle restera toutefois intimement liée aux autres disciplines telles que les mathématiques appliquées par exemple.

Politique partenariale

Le développement ou le renforcement des collaborations avec les partenaires suivants sera recherché :

  • Industriels : AIRBUS, SAFRAN, Dassault-Aviation, ATR, Bombardier ;
  • Laboratoires de recherche : ICA, IMT, INSA, ENSHEEIT, IRIT, Laplace, tout laboratoire susceptible de répondre à des spécifications de modèle ;
  • IRT Saint-Exupéry ;
  • Pôle de compétitivité Aerospace Valley (ouverture vers réseau PME/ETI) ;
  • Centres de recherche ou laboratoires universitaires internationaux, notamment DLR, NLR, NASA, TU Delft, en complément des collaborations déjà en place.

Ces collaborations prendront notamment la forme de :

  • Séminaires et workshops scientifiques communs ;
  • Publications typées aéronautique ;
  • Outils opensource (brique disciplinaire, optimiseur, etc…) ;
  • Participation annuelle à des conférences AIAA, EASN, CEAS, 3AF,  via des papiers de la fédération ;
  • Promotion de l’établissement d’un cas test académique de référence (même démonstrateur, plusieurs niveaux de fidélités) opensource (pour viser une notoriété de type Common Research Model CRM WING de la NASA) ;
  • Co-encadrement de thèse avec les partenaires identifiés ;
  • Promotion de l’échange d’enseignants-chercheurs.

Des collaborations avec des partenaires hors du domaine aéronautique seront également recherchées.

Ressources

Les thèmes de recherche de cette équipe requièrent de la transdisciplinarité. Elle sera construite en s’appuyant sur les ressources de la Fédération et regroupera environ une trentaine de membres (enseignants-chercheurs, ingénieurs de recherche, doctorants), spécialistes des différents domaines considérés.

L’équipe initiale est composée comme suit ; la thématique étant ouverte, elle s’enrichira au fur et à mesure du déroulement des travaux :

  • ISAE-SUPAERO : 7 enseignants/chercheurs (dont 3 HDR) et 7 doctorants ;
  • ONERA : 10 ingénieurs de recherche (dont 0 HDR) et 2 doctorants ;
  • ENAC : 2 enseignants/chercheurs (dont 0 HDR) et 1 doctorant.

L’équipe de recherche s’appuiera sur les ressources matérielles et logicielles / plateformes existantes dans les différents établissements (liste non exhaustive) :

  • Outils métier du commerce : PACELAB
  • Outils co-développés dans l’équipe : FAST, SMT, SEGOMOE, …
  • Outils open-source utilisés par l’équipe : KADMOS, Open-MDAO, Open-TURNS, Open-VSP, …

Une page Web de l’équipe sera intégrée au site Web de la fédération.

Feuille de route

Afin de comprendre et d’outiller la problématique exposée ci-dessus dans les objectifs et enjeux, le projet scientifique de l’équipe s’articule autour des éléments suivants :

  • Définition d’une approche globale, qualifiée d’eXtended-Overall Aircraft Design (X-OAD), permettant d’intégrer des exigences et besoins hétérogènes, multi- et trans-disciplinaires (en lien notamment avec les équipes ESTA, PADOC, MAPI de la Fédération) incluant notamment :
    • Une nouvelle formulation en optimisation multidisciplinaire adaptée au couplage opérations/conception avec prise en compte des incertitudes ;
    • L’optimisation multidisciplinaire en grande dimension et le traitement des contraintes ;
    • L’intégration de la multi-fidélité au processus de conception ;
    • Les méthodes de réduction de modèles ;
    • La prise en compte des contraintes liées au cycle de vie des produits et à leur environnement opérationnel et économique ;
    • Méthodes de validation, démonstration.
  • Développement d’une plateforme partagée d’analyse, de co-conception, d’optimisation et de validation, qui intégrera au fur et à mesure de leur développement les outils et les modèles multidisciplinaires multiphysiques développés dans l’équipe, dans une autre équipe de la Fédération ou par un partenaire ;
  • Expérimentation sur des cas test représentatifs ;
  • Exploration de l’application de l’approche développée dans des domaines hors de l’aéronautique ; l’espace et le transport sont identifiés comme des domaines d’intérêt.

Les principaux verrous associés concernent :

  • Structuration et gestion de la plate-forme partagée, des outils et modèles associés ;
  • Modélisation du comportement technique des acteurs du transport aérien, des disciplines aéronautiques, des opérations et du cycle de vie ;
  • Définition de modèles à degré de fidélité variable ;
  • Identification des contraintes et des variables pertinentes ;
  • Couplage de modèles hétérogènes ;
  • Optimisation multi-disciplinaire sur des problèmes de grande taille, potentiellement à variables mixtes ;
  • Prise en compte des incertitudes dans les systèmes couplés ;
  • Mise à l’échelle pour démonstrateurs volants.

Les travaux de l’équipe s’inscrivent dans la continuité des actions déjà en cours dans les trois établissements de la Fédération (en autonomie ou dans les collaborations bilatérales ou en équipes communes de recherche).

Les applications visées sont les suivantes :

  • Solutions disruptives de transport aérien avec couplage fort entre concepts innovants, opérations, cycle de vie et certification ; 
  • Impact des nouvelles technologies sur la conception de l’aéronef et ses opérations ; par exemple systèmes propulsifs (propulsion distribuée, hybride, …), efficience énergétique (implémentation, bilan énergétique et optimisation de mission), effets d’aéroélasticité ;
  • Démonstrateurs volants pour validation (mises à l’échelle, chaîne de conception et d’essai, interprétation des essais).

A ce stade, les instruments de financement visés sont :

  • H2020 (année 2018), H2020 « Pierre et Marie Curie », DGAC, ANR, RTRA ;
  • H2020 (année 2019) sur le thème de l’aéronef hybride ;
  • Co-financements de thèses au sein de la Fédération ;
  • Thèses CIFRE avec un ou des partenaires industriels cible.

Plan d’action

  • Réponse au call H2020 (appel en janvier 2018) :
  • Projet AGILE : le projet AGILE (2015-2018) a pour objet le développement de processus de dimensionnement et d'optimisation pour les véhicules aériens à voilure fixe. Il a permis de mettre en place de nombreuses innovations (plateforme informatique, knowledge based, MDO) facilitant la collaboration entre différents organismes au niveau européen et permettant de réaliser des avancées sur la conception avion. La suite du projet (AGILE II) s’appuiera sur ces avancées pour étendre le processus de conception avec la prise en compte des processus de fabrication de l’aéronef d’une part et peut-être la prise en compte du système du transport aérien d’autre part ;
  • Projet MULTIWAY : dans le cadre de ce projet, une bourse de thèse relative à l’optimisation de propulsion hybride est demandée (sous réserve de mise en place du call ad hoc dans H2020).
  • Réponse au PEA « Drones » :

Une thèse sur le sujet de la co-conception et de l’optimisation multidisciplinaire, dont le contenu est en cours de finalisation, a été retenue.

Les thématiques suivantes, proposées initialement dans le cadre du PEA, devront faire l’objet de développements ultérieurs :

  • Développement et intégration de modèles disciplinaires multi-physiques prenant en compte les concepts de morphing pour la conception de l’aéronef ;
  • Développement et intégration dans le processus de conception du drone de modèles des opérations et des missions ;
  • Amélioration du processus de conception multidisciplinaire en l’étendant à des couplages multi-physiques et en intégrant des méthodes optimisation multi-objectifs (i.e. multi-missions) sous contraintes ;
  • Développement et intégration d’outils de visualisation de problèmes d’optimisation à grande dimension incluant la visualisation des contraintes (incluant les problèmes multi-objectifs et l’analyse de sensibilité (ANOVA) ;
  • Développement d’un processus de passage de la conception au démonstrateur volant : représentativité, technologie morphing, maitrise des incertitudes.
  • Mise en place d’éléments d’aide au développement de la plateforme de simulation et validation au travers du projet Toulouse Flight Center dans le cadre de l’appel à projet RTRA prévu en février 2018.
  • Publications dans les conférences du domaine en 2018 : 3AF AEGATS’18, AIAA SciTech 2018, AIAA Aviation & Aeronautics 2018,… ;
  • Mise en place de thèses sur des sujets tels que :
    • Les 5 sujets identifiés ci-dessus dans le cadre du PEA « Drones » (financement à trouver);
    • Couplage et optimisation aérostructure par réduction de modèles (co-financement pour démarrage 2018) ;
    • Conception avion et modélisation système (co-financement pour démarrage 2018) ;
    • Door-to-door mobility, solutions techniques, opérations et certification.
  • Renouvellement de la chaire AIRBUS CEDAR au sein de l’ISAE-SUPAERO.