Évaluation des performances d’un design d’avion de type blended-wing-body de 100 passagers

Le Blended Wing Body (BWB) est un modèle d’avion dont le fuselage classique en forme de tube a été remplacé par un profil d’aile.

École de technologie supérieure université du Québec

Rapport de projet présenté à l’école de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec projet en génie aérospatial
Évaluation des performances d’un design d’avion de type blended-wing-body de 100 passagers
Évaluation des performances d’un design d’avion de type blended-wing-body de 100 passagers

par
Cédric FOFFÉ NGOUFO
M. Ing.

PRÉSENTATION DU JURY
CE RAPPORT DE PROJET A ÉTÉ ÉVALUÉ PAR UN JURY COMPOSÉ DE :
M. François Morency, directeur de projet
Département de génie mécanique à l’École de technologie supérieure

M. Stéphane Hallé, membre du jury
Département de génie mécanique à l’École de technologie supérieure

Montréal, LE 06 AOÛT 2021

Cédric FOFFÉ NGOUFO, 2021

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REMERCIEMENTS

Ce projet n’aurait pas été parachevé sans le soutien de plusieurs personnes à qui je souhaite témoigner ma reconnaissance.

Je tiens tout d’abord à exprimer mes remerciements les plus sincères à mon directeur de projet, le Professeur François Morency pour la confiance qu’il m’a accordée et pour m’avoir suivi, guidé et aidé avec patience tout au long de ce travail.

Mes remerciements vont également à l’endroit de Kevin Ignatowicz et Velazquez Salazar du Laboratoire de Thermo-Fluide pour le Transport (TFT) de l’ÉTS, pour leur aide indéfectible durant la réalisation de ce projet.

Il n’y a pas de mots pour dire merci à ma famille, particulièrement à mon épouse et mes frères, qui m’ont soutenu et encouragé pendant tout ce temps.

Évaluation des performances d’un design d’avion de type blended-wing-body de 100 passagers

Cédric FOFFÉ NGOUFO

LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1.1 : Caractéristiques de quelques BWB conçus et testés12
Tableau 1.2 : Paramètres critiques du BWB (Velazquez, 2020)13
Tableau 1.3 : Paramètres géométriques du BWB (Velazquez, 2020)15
Tableau 1.4 : Paramètres aérodynamiques du BWB (Velazquez, 2020)16
Tableau 1.5 : Performances en croisière du BWB (Velazquez, 2020)16
Tableau 1.6 : Performance à basse vitesse du BWB (Velazquez, 2020)16
Tableau 1.7 : Masse détaillée du BWB, prédite par Delacroix (2017) et Velazquez (2020) 17
Tableau 2.1 : Exigences de la mission (Velazquez, 2020)20
Tableau 2.2 : Valeurs typiques des fractions de masse par segment (Raymer, 2006)21
Tableau 2.3 : Références du calcul détaillé de la masse de l’avion24
Tableau 3.1 : Prédiction de masse détaillée du BWB70
Tableau 3.2 : Répartition de la masse du BWB71
Tableau 3.3 : Synthèse des résultats de calcul du coefficient de trainée à portance nulle73
Tableau 3.4 : Vitesses caractéristiques du BWB en croisière75
Tableau 3.5 : Performances des moteurs du BWB (turbosoufflante)76
Tableau 3.6 : Poids et dimensions d’un moteur77
Tableau 3.7 : Données du design78
Tableau 3.8 : Résultats du design de la surface verticale78
Tableau 3.9 : Dimensions des roues du train d’atterrissage81
Tableau 3.10 : Données de calcul des distances de décollage et d’atterrissage81
Tableau 3.11 : Distances de décollage et d’atterrissage du BWB82
Tableau 3.12 : Synthèse des caractéristiques générales du BWB86
Tableau 4.1 : Localisation du centre de gravité du BWB (moteurs à l’arrière du fuselage)92
Tableau 4.2 : Données de paramètres géométriques de l’avion99
Tableau 4.3 : Localisation des centres aérodynamiques du corps central et de l’aile extérieure100
Tableau 4.4 : Droites de portance et point neutre du BWB101
Tableau 4.5 : Marge statique du BWB (moteurs à l’arrière du fuselage)104
Tableau 4.6 : Coefficient de moment du BWB (moteurs à l’arrière du fuselage)104
Tableau 4.7 : Localisation du centre de gravité du BWB (moteurs sous l’aile)107
Tableau 4.8 : Marge statique du BWB (moteurs sous l’aile)108
Tableau 4.9 : Coefficients de moment du BWB (moteurs sous l’aile)109

LISTE DES FIGURES
Figure 1.1 : Northrop YB-35, bombardier long-courrier (Rose, 2010)6
Figure 1.2 : Bombardier furtif B-2A Spirit (Rose, 2010)7
Figure 1.3 : Géométrie de base du Boeing BWB-450 (Liebeck, 2004)8
Figure 1.4 : Prototype BWB X-48B (Gibbs, 2017)9
Figure 1.5 : Prototype BWB X-48C (Creech et al, 2013)10
Figure 1.6 : Prototype BWB AC 20.30 (Thomas et al, 2013)11
Figure 1.7 : Prototype du BWB MAVERIC de Airbus (MAVERIC, 2020b)12
Figure 1.8 : Sections finales du BWB (Velazquez, 2020)14
Figure 1.9 : Configuration de la cabine (Velazquez, 2020)15
Figure 2.1 : Segment de la mission (adapté de Torenbeek, 2013)20
Figure 2.2 : Vue en plan de la géométrie simplifiée du BWB (Bradley, 2004)26
Figure 2.3 : Procédure de design la surface verticale (adapté de Sadraey, 2012)42
Figure 2.4 : Paramètres d’empennage vertical (Sadraey, 2012)43
Figure 2.5 : Positionnement longitudinal du train d’atterrissage par rapport au centre de gravité (Howe, 2000)46
Figure 2.6 : Positionnement transversal et vertical du train d’atterrissage par rapport au centre de gravité (Howe, 2000)46
Figure 2.7 : Schéma d’illustration des phases de décollage (Corke, 2003)53
Figure 2.8 : Schéma d’illustration des phases d’atterrissage (Corke, 2003)56
Figure 2.9 : Variation du coefficient de moment avec l’angle d’attaque (cas stable)64
Figure 3.1 : Altitude requise en croisière en fonction de la vitesse74
Figure 3.2 : Courbe Poussée-Vitesse du BWB75
Figure 3.3 : Vue multiple du BWB, moteurs en arrière du fuselage79
Figure 3.4 : Vue de dessus du BWB, moteurs et surfaces verticales placés80
Figure 3.5 : Courbe de variation du taux de montée du BWB83
Figure 3.6 : Courbe de variation du taux de descente du BWB (moteurs éteints)84
Figure 3.7 : Diagramme V-n du BWB, à altitude de croisière85
Figure 4.1 : Positionnement du centre de gravité du BWB93
Figure 4.2 : Modèle simplifié du bilan des forces appliquées à un BWB94
Figure 4.3 : Localisation des centres aérodynamiques du corps central et de l’aile96
Figure 4.4 : Droite de portance du BWB102
Figure 4.5 : Comparaison entre les droites de portance analytique et CFD du BWB103
Figure 4.6 : Variation du coefficient de moment du BWB (moteurs à l’arrière du fuselage)
Figure 4.7 : Variation du coefficient de moment du BWB (moteurs sous l’aile)109
Figure 4.8 : Vue isométrique du design final du BWB110
Figure 4.9 : Vues de face et de gauche du design final du BWB111

LISTE DES ABRÉVIATIONS, SIGLES ET ACRONYMES

2D Deux dimensions
3D Trois dimensions
AR Arrière
AV Avant
BFL Balanced Field Length
BPR Bypass Ratio
BWB Blended-Wing-Body
CAD Computer Aided Design
CB Centerbody
CFD Computional Fluid Dynamics
CG Center of Gravity
ÉTS École de Technologie Supérieure
FAA Federal Aviation Administration
FAR Federal Aviation Regulations
ISA International Standard Atmosphere
LE Leading Edge
MAC Mean Aerodynamic Chord
MAVERIC Model Aircraft for Validation and Experimentation of Robust

Innovative Controls
MEW Maximum Empty Weight
MFW Maximum Fuel Weight
MLW Maximum Landing Weight
MTOW Maximum Take-Off Weight
MZFW Maximum Zero-Fuel Weight
NACA National Advisory Comity for Aeronautics
OEW Operating Empty Weight
OW Outer Wing
PAX Passagers
RAC Règlement de l’Aviation Canadien

XVIII

RANS Reynolds Averaged Navier-Stokes
SL Sea Level
SM Static Marge
TAW Tube-And-Wings
TFT Laboratoire de Thermofluide pour le Transport
TOL Take-off and Landing
TSFC Thrust Specific Fuel Consumption
TW Transition Wing
VELA Very Efficient Large Aircraft

LISTE DES SYMBOLES ET UNITÉS DE MESURE

a0 Pente de portance du profil d’aile (2D) [rad-1]
Angle d’attaque [deg ou rad]
L0 Angle d’incidence à portance nulle [deg ou rad]
AR Allongement [-]
b Envergure de l’aile [m]
c Corde de l’aile [m]
c Corde moyenne aérodynamique [m]
CD Coefficient global de traînée (3D) [-]
Cd Coefficient de trainée du profil d’aile (2D) [-]
CD0 Coefficient de traînée à portance nulle (3D) [-]
Cf Coefficient de friction de la plaque plane [-]
CL Coefficient global de portance (3D) [-]
Cl Coefficient de portance du profil d’aile (2D) [-]
CL Pente de portance de l’aile complète (3D) [rad−1]
Cl Dérivée du coefficient de portance par rapport à l’angle d’attaque [-]
CL max Coefficient global de portance maximal (3D) [-]
Cl max Coefficient de portance maximal du profil d’aile (2D) [-]
Cm0 Coefficient de moment à portance nulle [-]
CM ou Cm Coefficient global de moment [-]
CM ou Cm Dérivée du coefficient de moment par rapport à l’angle d’attaque [-]
CV Coefficient de volume d’empennage vertical [-]
D Résultante des forces de trainée[N]
E Endurance [s]
e Coefficient d’Oswald [-]
FF Facteur de forme [-]
fsempty Facteur de structure-usine (à vide) [-]
fsoew Facteur de structure opérationnel [-]
g Accélération de la pesanteur [m/s2]
G Gradient de montée [-]
 climb Angle de monté [deg]
 des Angle de descente [deg]
H Altitude[m]
k Coefficient d’efficacité d’envergure [-]
Kn Marge statique [-]
L Résultante des forces de portance [N]
L D Finesse [-]
Angle de flèche [deg ou rad]
Effilement [-]
lV Longueur entre les quarts de corde de l’aile extérieure et de l’empennage

vertical [m]
M ou Ma Nombre de Mach [-]
M Moment [Nm]
Coefficient de friction de la piste [-]
n Facteur de charge [-]
Q Facteur d’interférence [-]
R Rayon d’action [m]
RC Taux de montée [m/s]
RD Taux de descente [m/s]
Re Nombre de Reynolds sur la longueur caractéristique [-]
Masse volumique de l’aire [kg/m3]

XXI

h S Surface [m2]
Sref Surface de référence ou surface alaire [m2]
Swet Surface mouillée [m2]
T Force de poussée [kN]
t c Épaisseur relative du profil d’aile [-]
T W Ratio poussée/poids [-]
V Vitesse [m/s]
Viscosité cinématique [m²/s]
W Poids ou masse [N, kg ou lb]
W S Charge alaire [kg/m2]
X Coordonnée sur l’axe longitudinal de l’avion [m]

LISTE DES INDICES PARTICULIERS

ac Centre aérodynamique
bwb Blended-Wing-Body
cg Centre de gravité
climb Montée
cr Croisière
des Descente
eng Moteur (engine)
fus Fuselage
LE Bord d’attaque
main Principal
max Maximum
min Minimum
np Point neutre
r ou root Racine
ref Référence
stall ou s Décrochage
t ou tip Extrémité
V ou VT Empennage vertical

    Le travail est divisé en plusieurs pages (articles). Voici la liste :

  1. Décryptage du Blended Wing Body BWB : conception d’un avion

  2. Cédric FOFFE NGOUFO

  3.  Révolution aérodynamique : le BWB, avion du futur 

  4.  7 étapes clés pour prédire la masse et les performances du BWB 

  5. 10 étapes clés pour dimensionner le groupe de propulsion aéronautique

  6.  7 clés pour estimer le coefficient de traînée du BWB en aviation 

  7.  Comprendre l’équilibre et la stabilité des avions : Clés théoriques 

  8. 5 clés pour optimiser la masse et la performance du BWB

  9. La stabilité du BWB : équilibrage des masses et analyse aérodynamique

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