Comment l'Université de Cranfield contribuera au développement de bancs d'essai d'avions à ailes mixtes

L'Université de Cranfield est à la recherche de la prochaine grande avancée dans le monde de l'aviation. À ce jour, pratiquement tous les avions qui prennent leur envol suivent la configuration traditionnelle « tubes et ailes ». Comme tout jet moderne à fuselage large ou à fuselage étroit, l'avion possède un long fuselage en forme de tube avec des ailes qui se projettent vers l'extérieur pour générer de la portance.

Aujourd’hui, de nombreux ingénieurs et scientifiques souhaitent modifier la conception des avions en leur attribuant une nouvelle forme de carrosserie pouvant entraîner d’importantes économies de carburant et d’émissions de carbone. Cranfield est un contributeur majeur à un effort de collaboration au sein de l'Union européenne (UE) appelé"EXAÉLIE",et leur énoncé de mission se lit comme suit :

"Répondre à la nécessité de changements plus radicaux dans les configurations et les concepts de propulsion des avions long-courriers afin de réduire considérablement les émissions de carbone des vols long-courriers et d'accélérer l'entrée en service potentielle de ces avions avant 2050."

Photo : NASA

Leur idée est une conception dans laquelle le fuselage et l’aile sont combinés en une seule forme en utilisant ce qu’on appelle la technologie du corps d’aile mélangé (BWB). En optimisant le flux d'air, cette forme d'avion réduira la traînée aérodynamique tout en augmentant l'espace intérieur. Simultanément, les scientifiques espèrent tester l’hydrogène ou d’autres concepts de propulsion et les intégrer dans les futures cellules.

Les services de transport aérien et de fret à l’échelle mondiale dépendent du transport aérien. Cependant, pour résoudre les problèmes climatiques, il faut s’attaquer à l’impact environnemental de l’aviation, ce qui nécessite des changements révolutionnaires. Cela a conduit l’industrie aéronautique et la communauté aéronautique à repenser la géométrie fondamentale de l’avion, en mettant l’accent sur les améliorations d’efficacité.

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LeThèse de doctorat 2016de Paulinus Peter Chukwuemeka Okonkwo nous donne un aperçu de la façon dont la communauté universitaire et le corps professoral de Cranfield s'efforcent d'avoir un impact sur le monde de l'aviation grâce à leur rôle dans le programme EXAELIA.

Le point principal est que les exigences environnementales croissantes et la nécessité de réduire les coûts d’exploitation se sont combinées pour pousser à l’actualisation de l’avion BWB. Le BWB intègre la charge utile dans un corps central générateur de portance associé à des ailes extérieures, améliorant ainsi les performances aérodynamiques, le rendement énergétique et les caractéristiques sonores pour répondre aux préoccupations de l'aviation mondiale.

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Les principaux avantages du BWB comprennent :

• Jusqu'à 27 % de réduction de la consommation de carburant par siège.
• Rapport portance/traînée (L/D) 15 à 20 % plus élevé.
• Réduction de 33 % de la surface mouillée.
• Réduction du poids à vide opérationnel de 12 %.
• Opérations plus silencieuses grâce à l’absence de volets et d’empennage.

Photo : Airbus

Des études ont montré que le BWB présentait le meilleur profil de bruit parmi 96 configurations aérodynamiques différentes, avec un score de 64,3 % dans les mesures d'évaluation du bruit, contre 58,7 % pour les conceptions conventionnelles. Malgré ces avantages, le BWB n'est pas encore entré en service commercial en raison de défis en matière de stabilité, de contrôle, d'intégration propulsion-cellule et de compromis complexes dus à des disciplines étroitement liées.

Un projet récent àL’AIRC de Cranfield a développé un simulateur à base fixepour explorer les aspects liés aux facteurs humains des futurs avions à hydrogène. Le modèle de cockpit est basé sur un A320, mais avec des écrans tactiles et des vitres supplémentaires.

En investissant 69 millions de livres sterling pour établir le premierinstallation de recherche sur l'hydrogène à grande échelle dans n'importe quel aéroport britannique, l'Université de Cranfield, qui possède et gère également l'aéroport de Cranfield, est à l'avant-garde de l'étude des conceptions d'avions innovantes et des possibilités de l'hydrogène dans l'aviation.

Airbus MAVERIC

L'équipe du projet MAVERIC (Model Aircraft for Validation and Experimentation of Robust Innovative Controls), composée de dix personnes, faisant partie de l'équipe Flight Lab d'Airbus UpNext, a développé le concept MAVERIC à partir d'une esquisse jusqu'à un modèle 3D généré par ordinateur et enfin, un démonstrateur d'avion à l'échelle.

Des essais en soufflerie ont été menés sur le site Airbus de Filton au Royaume-Uni pour vérifier ses caractéristiques aérodynamiques. Le démonstrateur, qui mesure 2 mètres de long et 3 mètres de large, a été construit avec la même précision que n'importe quel autre avion Airbus.

Photo : Airbus

Le démonstrateur MAVERIC a le potentiel d’offrir des avantages significatifs en matière de performances environnementales, comme une consommation de carburant inférieure d’environ 20 % par rapport aux modèles monocouloirs actuels équipés du même moteur. De plus, l’avion pourrait améliorer considérablement l’expérience des passagers, avec une cabine plus large et des allées plus grandes.

"Airbus exploite les technologies émergentes pour être pionnier dans l'avenir du vol. En testant des configurations d'avions révolutionnaires, Airbus est en mesure d'évaluer leur potentiel en tant que futurs produits viables", a déclaréJean-Brice Dumont, vice-président directeur ingénierie

.

Il a ajouté : « bien qu’il n’y ait pas de calendrier précis pour la mise en service, ce démonstrateur technologique pourrait jouer un rôle déterminant dans le changement des architectures des avions commerciaux pour un avenir écologiquement durable pour l’industrie aéronautique. »

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MAVERIC en chiffres

• Longueur:2 m (6,6 pi)
• Envergure:3,2 m (10,5 pi)
• Superficie :Environ 2,25 m² (24,2 pi²)
• Réduction de la consommation de carburant :Jusqu'à 20 % par rapport aux avions monocouloirs
• Premier vol :juin 2019

Adrien Bérard, co-responsable du projet MAVERIC, a déclaré : "Chez Airbus, nous comprenons que la société attend plus de nous en termes d'amélioration des performances environnementales de nos avions. La configuration de corps d'aile mixte de MAVERIC est susceptible de changer la donne à cet égard, et nous souhaitons pousser la technologie à l'extrême."

La NASA et le BWB de Boeing

et

ont réalisé avec succès un projet d’essais en vol au Dryden Flight Research Center de la NASA, réalisant 122 vols, dont 30 en modèle C. Le démonstrateur technologique X-48C Hybrid Wing Body, conçu par The Boeing Co. et construit par Cranfield Aerospace Limited du Royaume-Uni, a été modifié pour évaluer la stabilité et le contrôle à basse vitesse d'une version à faible bruit d'un futur modèle d'avion hybride Wing Body (HWB).

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La conception du HWB découle d’études conceptuelles menées par le projet Environmentally Responsible Aviation de la NASA sur les futures conceptions d’avions potentiels dans 20 ans. Le X-48C a conservé la plupart des dimensions du modèle B, avec une envergure d'un peu plus de 20 pieds et un poids d'environ 500 livres.

L'équipe du projet a modifié le logiciel du système de commandes de vol, y compris les limiteurs de commandes de vol, pour maintenir l'avion dans un domaine de vol sûr. Cela a permis de créer un prototype de système de commandes de vol plus solide et plus sûr, adapté à un développement ultérieur pour d'éventuels avions commerciaux hybrides ou à ailes mixtes à grande échelle dans le futur.

« Notre équipe de la NASA Dryden a fait ce que nous faisons de mieux : tester en vol un avion unique et collecter à plusieurs reprises des données qui seront utilisées pour concevoir de futurs avions de ligne « verts » », a déclaréHeather Maliska, chef de projet X-48C de la NASA Dryden. "C'est doux-amer de voir le programme prendre fin, mais nous sommes fiers du programme d'essais en vol conjoint de Boeing et de la NASA, sûr et extrêmement réussi, que nous avons mené."

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X-48C en chiffres

• Ailettes :Déplacé des extrémités des ailes vers des positions intérieures à côté des moteurs, créant ainsi des empennages verticaux jumeaux
• Extension du fuselage arrière :Pont arrière étiré d'environ 2 pieds (0,6 m)
• Moteurs :Remplacement des trois unités de poussée de 50 lb (22,7 kg) par deux moteurs de poussée de 89 lb (40,4 kg)
• Envergure:Un peu plus de 20 pieds (6,1 m)
• Poids:Environ 500 lb (226,8 kg)
• Vitesse maximale estimée :Environ 140 mph (225 km/h)
• Plafond:Jusqu'à 10 000 pieds (3 048 m)

Les ailes volantes d'aujourd'hui

Le

est toujours le seul avion à voilure volante en service actif. Il a été développé pour le

Les missions de pénétration de, permettant une pénétration profonde dans le territoire ennemi pour le déploiement de munitions. Ses technologies peu observables, son efficacité aérodynamique élevée et sa charge utile importante le rendent supérieur aux bombardiers précédents.

Le développement du B-2 Spirit a nécessité un investissement massif dans les technologies de conception et de fabrication assistées par ordinateur pour parvenir à l’avion de production final.

Photo : Force aérienne des États-Unis

Le

B-2 Esprit

• Centrale électrique:quatre

  Moteurs F118-GE-100
• Poussée:17 300 livres par moteur (17 300 livres / 7 847 kilogrammes de poussée chacun)
• Envergure:172 pieds (52,12 mètres)
• Longueur:69 pieds (20,9 mètres)
• Hauteur:17 pieds (5,1 mètres)
• Poids:160 000 livres (72 575 kilogrammes)
• Masse maximale au décollage :336 500 livres (152 634 kilogrammes)
• Capacité de carburant :167 000 livres (75 750 kilogrammes)

Dans le cadre du programme de démonstration de systèmes aériens de combat sans pilote (UCAS-D), le

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a développé le X-47B UCAS. L’objectif du programme est de développer et de démontrer quels avions sans pilote de la taille d’un chasseur peuvent être lancés à partir de porte-avions de l’US Navy.

Photo : Force aérienne des États-Unis

Le Northrop GrummanX-47BUCAS

• Nom:Système aérien de combat sans pilote (UCAS) X-47B
• Opérateur:Marine américaine
• Entrée de service :avril 2019
• Longueur:38,2 pieds (11,6 m)
• Envergure:62,1 pieds (18,9 m)

• Centrale électrique:

  Moteur F100-PW-220U

Le

est un bombardier stratégique américain développé par Northrop Grumman pour l'US Air Force. Nommé « Raider » en l'honneur des Doolittle Raiders de la Seconde Guerre mondiale, il vise à remplacer les Rockwell B-1 Lancer et Northrop B-2 Spirit d'ici 2040.

Photo : Force aérienne des États-Unis

Le chasseur B-21

• Dévoilé :2 décembre 2022
• Premier vol :10 novembre 2023 (non officiel)
• Production:≥100 (projeté)
• Inventaire:1
• Opérateur:AFMC. En projet : AFGSC
• Localisation de l'avion :Air Force Plant 42, Californie, Edwards AFB, Californie (tests prévus), Ellsworth AFB, N.D., Whiteman AFB, Missouri, Dyess Air Force Base, Texas (tous prévus)
• Dimensions:Portée 150 pieds (estimée, approximative), hauteur 18 pieds (estimée, approximative)
• Poids:Max T-O inconnu.
• Groupe motopropulseur :Turboréacteurs Pratt & Whitney.
• Performance:Vitesse hautement subsonique (estimée), portée intercontinentale.
• Armement:Nucléaire et conventionnel (en projet)
• Hébergement:Avec équipage/en option sans équipage.

Partenariat EXAELIA

L'Association des établissements européens de recherche en aéronautique [EREA] compte neuf partenaires. La collaboration a déjà une expérience dans le développement de bancs d’essais volants, la réalisation d’essais en vol ainsi que la conceptualisation et l’analyse des futurs avions. Les partenaires sont dispersés parmi treize pays européens, qui représentent ensemble une part importante du secteur aéronautique du continent.

• NLR :Fondation Royal Dutch Aerospace Centre – Pays-Bas
• BIEN:Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales – France
• DLR :Centre aérospatial allemand – Allemagne
• REPORTER:Centre italien de recherche aérospatiale SCPA – Italie
• ILOT:Réseau de recherche Łukasiewicz – Institut de l’aviation – Pologne
• ALORS QUE:Institut national technique aérospatial
• INCAS :Institut National de Recherche-Développement Aérospatial "Elie Carafoli" - Roumanie
• AIT:Institut autrichien de technologie GmbH – Autriche
• .Centre d’Ingénierie et de Développement (Association) – Portugal
• AVEC:Université de Cranfield – Royaume-Uni
• SORTIR:Université de Stuttgart – Allemagne
• QUATRE :Panepistimio Patron – Greece
• PEUT:Université de technologie de Delft – Pays-Bas
• HIT09 :HIT09 SRL – Italie
• EASN-TIS :EASN Technology Innovation Services BVBA – Belgique
• CHALMERS :Chalmers Institute of Technology AB – Suède
• AUTHENTITÉ :Aristotelio Panepistimio Thessalonique – Grèce
• ISAE:Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace – France
• BHL:Bauhaus Aviation e.V. - Allemagne
• BAIGNOIRES :Université technique de Braunschweig – Allemagne
• OA :Orange Aerospace Group BV – Pays-Bas
• MÈRE:Université de Naples Federico II – Italie
• LOUP:LUP SAS – France