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Projet pluridisciplinaire3° année IC

Conception d’un avion solaire et calcul du longeron

BLATTES Damien

STEINER Valériane

Promo 42

15/06/2007 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

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Introduction

• Projet du club Modélisme de l’INSA.

– Expérience de 6 années de course solaire lors du Défi Solaire

• Quelques avions solaires existants:

Modèles réduits Drones Pilotés

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Plan

I - Cahier des charges

II - Choix de la géométrie et du profil

III- Simplifications et limites de l’étude

IV- Matériaux

V - Calcul de la structure

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I - Cahier des charges

• Constructible avec les moyens du club modélisme• Dimensionné pour 22 cellules solaires 10x10cm• Puissance nécessaire au vol de l’ordre de 20W

(puissance délivrée par 22 cellules 10x10)• Profil suffisamment épais pour intégrer les cellules dans

l’aile.• Structure (longerons) légère et résistante aux contraintes

du vol.

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II - Choix de la géométrie et du profil

• Puissance nécessaire au vol:

)sin(

1.. f

VgmP

P = puissance (W)m = masse de l’avion (kg)g = constante de gravité (9,81m.s-2)V = vitesse de vol (m.s-1)f = finesse (sans unité) = angle de montée = rendement du groupe motopropulseur (moteur et hélice)

Pour minimiser la puissance, il faut donc minimiser le quotient : f

Vm.

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II - Choix de la géométrie et du profil

Avion classique? Aile volante?

Rendement aérodynamique (finesse) optimal

Poids élevé (fuselage, empennage)

Difficulté de construction (fuselage composite)

Rendement aérodynamique moindre dû au profil autostable

Poids très faible

Facilité de construction

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II - Choix de la géométrie et du profil

• Conception aérodynamique grâce au logiciel XFLR-5

Soufflerie numérique qui analyse les profils et les ailes.

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II - Choix de la géométrie et du profil

• Conception aérodynamique grâce au logiciel XFLR-5

Choix final d’une géométrie hybride

Zone centrale : profil autostable

Extrémités : profil classique

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II - Choix de la géométrie et du profil

•Conception aérodynamique grâce au logiciel XFLR-5•Comparaison avec un planeur classique

Puissance équivalente malgré une finesse moindre, grâce au faible poids.

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II - Choix de la géométrie et du profil

• Conception aérodynamique grâce au logiciel XFLR-5Choix des profils aérodynamique

Profil autostable(Zone centrale)

Profil classique(extrémités)

Nombre de Reynolds : 250 000

Inspiré d’un profil autostable reconnu : l’eppler 186, profil adapté aux plus grands nombre de Reynolds.

Il a donc été aminci et le bord d’attaque épaissi.

Nombre de Reynolds : 100 000

Profil adapté aux très faibles nombre de Reynolds (NG03)

Épaissi pour pouvoir installer les cellules solaires

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II - Choix de la géométrie et du profil

Répartition des cellules sur l’avion :

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III - Simplifications et limites de l’étude

• Les seuls éléments structuraux pris en compte sont :

Le bord d’attaque

Le longeron secondaire

Le longeron principal

Les nervures ne servant pas à supporter les efforts de flexion, elles ne seront pas modélisées.

Idem pour le revêtement (entoilage) en plastique thermo rétractable.

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III - Simplifications et limites de l’étude

• Simplification du chargement

Répartition réelle de la portance

Répartition simplifiée de la portance et du poids.

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III - Simplifications et limites de l’étude

•Simplification du chargement

Répartition réelle de la trainée Répartition simplifiée de la trainée

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III - Simplifications et limites de l’étude

• Symétrie.– Le problème est symétrique (géométrie et chargement)– On ne calcule donc que la moitié de l’aile.

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IV – Matériaux utilisés

– Longerons de fixation des ailerons

Balsa (construction plus aisée)

Caractéristiques connues

– Longeron central et bord d’attaque

Matériau composite

Fibres de carbone

Caractéristiques inconnues

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IV – Matériaux utilisés• Essai de flexion (détermination du module d’Young d’un

tube en fibre de carbone)

Encastrement Masse

Mesure du déplacementBanc de mesure

Module d’Young mesuré : 75000MPa comparaison avec des tables

autres caractéristiques connues

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V - Calcul de la structure

• Modélisation sous IDEAS– Longerons éléments poutres– Nervures éléments rigides

Poutres

Eléments rigides

Nœuds

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V - Calcul de la structure

Modélisation sous IDEAS - Conditions aux limites

Blocages

Portance et trainée

poids

Portance =Portance totale

Nombre de Nœuds

Traînée =Traînée totale

Nombre de Nœuds Poids = 20 grammes / cellule

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V - Calcul de la structureModélisation sous IDEAS – Cas d’études - Géométries• Longeron de fixation des ailerons :

– Balsa de section carrée 6mm

• Bord d’attaque– Jonc de carbone de diamètre 3mm

• Longeron central– Plusieurs géométries étudiées

Section (en mm) 4,9 x 3,5 6,0 x 4,2 7,9 x 6,07,9

(section pleine)

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V - Calcul de la structure

Modélisation sous IDEAS – Cas d’études – Chargement• Vol en palier : équilibre poids / portance

• Vol en ressource : structure soumise à 4g, cas le plus critique.

Poids x4

Portance x4

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V - Calcul de la structure

• Modélisation sous IDEASAvec accélération de 4g

Longeron 7,9x6

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V - Calcul de la structure

• Modélisation sous IDEAS - Résultats

Déplacement en bout d'aile

Contrainte maximale au centre de l'aile

Coefficient de sécurité k

Poids du longeron

Unités mm MPa grammes

Tube 4,9x3,5 163 252 1,78 23,5

Tube 6,0x4,2 101 169 2,65 37,8

Tube 7,9x6,0 38,1 75,5 5,93 53,1

Jonc 7,9 37,3 69,5 6,45 123

longeron

tractionadmissiblekmax

_max

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Conclusion

• Géométrie originale, prototype en cours de fabrication

• Modélisation améliorable (nervures, revêtement, efforts, matériaux)

• Notions développées de RDM, Eléments finis, mécanique des fluides...

Nouvelles notions abordées en conception aérodynamique et matériaux composites

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Merci de votre attention

Cahier des charges

Choix de la géométrie

Simplifications et limites de l’étude

Matériaux utilisés

Calcul de la structure