Conception d'avion (Partie 1) : Repousser les horizons de l'ingénierie aérospatiale

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Parmi les majors d'ingénierie les plus dures au monde, l'ingénierie aérospatiale et aéronautique sont sans doute en tête des listes. Tout ingénieur lisant cet article pourrait être familier avec les cycles de design habituels impliqués dans le design de n'importe quel produit, mais c'est le niveau de complexité requis dans le domaine de l'aviation qui le rend si difficile.

La conception d'avion moderne fait face à des défis opérationnels, environnementaux et financiers stricts. Un changement de paradigme massif est remarqué sur la façon dont les systèmes complexes sont conçus et comment éviter les défauts de design comme dans le cas du dernier Boeing 737 Max. Dans cet article, nous discuterons du flux d'un cycle de design d'avion moderne et des instances où l'utilisation des services d'un fabricant de prototype pour les tests à échelle peut sauver la mise.

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Cycle de Design d'un Avion Moderne

Chaque concepteur lisant cet article pourrait être familier avec les trois phases de design de base, c.-à-d. Conceptuel, Préliminaire et Détaillé. Cependant, une compétition féroce entre les acteurs du marché avec des attentes élevées des clients signifie qu'une entreprise doit innover remarquablement dans les phases de design pour répondre à des critères divers. Discutons du cycle de design d'un avion basé sur le coût du cycle de vie avec l'aide du diagramme suivant.

Comme vous pouvez le voir, les trois premières phases avant l'étape de fabrication représentent 95% du coût total. Parmi les trois premières phases, la plus importante est la Phase 1, c.-à-d. Planification et Design Conceptuel. Par conséquent, concentrons-nous sur la première phase en détail, suivie des deux autres.

Planification et Design Conceptuel

L'étape initiale est marquée par une étude de faisabilité qui détermine si une exigence peut être satisfaite avec la technologie existante ou non. De plus, l'étude de faisabilité aide aussi à optimiser le chemin pour un projet, c.-à-d. refonte complète qui signifie le risque et le coût les plus élevés ou l'adoption/modification de design existant. Suite à cela, la phase de design conceptuel commence. Tout concepteur d'avion connaît très bien les modèles Raymer et Roskam et comme ils l'indiquent, la phase de design conceptuel implique de répondre aux questions de base suivantes :

• Est-ce que cela fonctionnera ?
• À quoi cela ressemble-t-il ?
• Quelles sont les exigences ?
• Comment optimiser les compromis ?
• Comment optimiser le poids et les coûts ?

Le but ultime de l'étape de design conceptuel est d'identifier et préparer un concept de design faisable et optimal pour un raffinement ultérieur. Cette phase implique ainsi la création, l'étude et l'examen de divers concepts de design, tous avec une connaissance minimale des résultats expérimentaux et des données limitées concernant la praticabilité du design. Le graphique ci-dessous ce paragraphe dépeint la plus grande gamme d'incertitude pendant les étapes conceptuelles comparé aux étapes avancées. S'ajoutant à cela, 65 pourcent du coût du cycle de vie encouru pendant cette étape signifie que tout changement au design de base plus tard signifie une réduction des revenus globaux et une extension des délais.

Le dilemme communément rencontré dans la phase de design conceptuel est le démarrage d'un programme de design sans définir clairement un ensemble d'exigences à satisfaire. Définir les exigences du marché et faire en sorte que les clients expriment explicitement leurs attentes est si important. Raffiner les exigences à un stade ultérieur résulte en une approche antéconomique et inefficace et un tel cycle de design a des implications sévères sur les coûts du cycle de vie encourus. Dans le cas d'un design d'avion, il y a souvent plusieurs ensembles d'exigences et d'attentes contradictoires définis par les clients. Un ensemble divers et complexe de systèmes d'avion basés sur diverses parties d'un avion, c.-à-d. ailes, moteur, fuselage, train d'atterrissage, empennage et canard, signifie de multiples défis.

Gérer cela est un art en soi et c'est pourquoi de telles décisions sont facilitées en utilisant des techniques comme la Prise de Décision Multi-Attributs (MADM). Avec l'aide de telles techniques, des considérations implicites sont mises en jeu, et la prise de décision passe d'une approche déterministe à point unique à une approche dynamique et paramétrique. De plus, des techniques comme l'Analyse Multidisciplinaire et l'Optimisation de Design sont vitales pour répondre aux ensembles de contraintes emmêlés dans un tel environnement. Cette technique a été décrite dans le diagramme suivant qui dépeint les interactions entre les diverses majors aéronautiques.

Concernant l'incertitude dans l'étape de design conceptuel comme décrit plus tôt, les méthodes établies sont basées sur des théories probabilistes et des méthodes de design. Ces méthodes impliquent l'utilisation de Fonctions de Densité de Probabilité (PDF) et Fonctions de Distribution Cumulative (CDF) pour chaque contrainte de design. Les données pour plusieurs contraintes de design sont ensuite tracées collectivement et analysées. Ces données cumulatives donnent au concepteur une vision claire de la région de design et s'il a besoin de relâcher n'importe quelle contrainte ou d'introduire n'importe quelle technologie pour l'amélioration globale du cycle de design.

En bref, le concepteur crée une relation entre les variables d'entrée et de sortie en gardant à l'esprit la variabilité des facteurs d'entrée.

Design Préliminaire

Cette étape est monumentale pour dimensionner les divers facteurs de design pour le concept finalisé dans la première phase. Cela nécessite une étude et analyse approfondie des interactions interdisciplinaires entre les divers systèmes et sous-systèmes d'un avion. Par exemple, le concept d'aéroélasticité est la combinaison de la mécanique des structures et de l'aérodynamique.

Dans l'ère d'ingénierie moderne d'aujourd'hui, la phase de design préliminaire inclut aussi des considérations comme la fiabilité, la maintenabilité, la stabilité et le contrôle, la sécurité et l'économie. Maintenant, nous discuterons en plus grand détail les défis qui se trouvent dans cette phase de design et la façon optimale de les affronter.

La modélisation sophistiquée, complexe et précise nécessite l'utilisation d'algorithmes numériques avancés, c.-à-d. Dynamique des Fluides Computationnelle et Analyse par Éléments Finis. Cependant, des coûts computationnels exceptionnellement élevés signifient un autre défi pour les concepteurs. Le diagramme suivant dépeint figurativement le compromis impliqué dans le choix d'outils de haute fidélité vs l'utilisation de simulations simples.

Se diriger vers des outils complexes et de haute fidélité ne signifie pas seulement des coûts computationnels plus élevés, mais il y a aussi le défi de traiter avec plusieurs variables, s'élevant souvent à des centaines, et leur interdépendance aussi. Ainsi, un temps significatif est passé à identifier et mapper l'environnement de simulation. (L'histoire n'est pas finie !!!)

Si vous êtes encore intéressé par le contenu, veuillez lire la Conception d'avion (Partie 2) : Élargir les horizons. Merci.