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Évaluation des performances d'un design d'avion de type
blended-wing-body de 100 passagers
par
Cédric FOFFÉ NGOUFO
RAPPORT DE PROJET PRÉSENTÉ À
L'ÉCOLE DE TECHNOLOGIE
SUPÉRIEURE COMME EXIGENCE PARTIELLE
À L'OBTENTION DE
LA MAÎTRISE AVEC PROJET EN GÉNIE
AÉROSPATIAL
M. ING.
MONTRÉAL, LE 06 AOÛT 2021
ÉCOLE DE TECHNOLOGIE
SUPÉRIEURE
UNIVERSITÉ DU QUÉBEC
Cédric FOFFÉ NGOUFO, 2021
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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
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
RÉSUMÉ
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. Avec cette configuration, de nombreux travaux scientifiques
ont montré que ces avions promettent une baisse considérable de
la consommation en carburant et un impact environnemental moindre. Cependant,
la plupart des travaux existants menés sur les avions de ligne de type
BWB se basent prioritairement sur des versions long-courriers; pourtant, les
études de marché actuelles montrent un besoin croissant de la
demande d'aéronefs moyen-courrier de capacité entre 100 et 150
passagers (Velazquez, 2020). Pour cette raison, le laboratoire TFT de
l'ÉTS a initié le projet de conception d'un avion régional
de type BWB ayant une capacité d'emport de 100 passagers. Ainsi, dans le
cadre de ses travaux sur l'analyse aérodynamique à basse vitesse
du BWB, Velazquez a proposé un design initial de l'appareil, tandis que
Delacroix en a étudié la stabilité. S'inscrivant dans une
logique de continuité, l'objectif de ce travail était
d'évaluer les performances à basse vitesse et en croisière
du BWB obtenu des travaux de Velazquez (2020) et de Delacroix (2017). Les
préalables à cet objectif ont été d'estimer la
masse de l'avion puis de dimensionner le système de propulsion, les
surfaces verticales et le train d'atterrissage.
Ainsi, à l'aide des relations semi-empiriques de
prédiction détaillée de la masse des aéronefs
développées par divers auteurs, la masse maximale de l'avion a
été estimée à 41950 kg, soit environ 20,2% et 6,3%
de moins que les prédictions réalisées par Delacroix
(2017) et Velazquez (2020) respectivement. Ensuite, à l'aide de la
relation de Mattingly (1987), la poussée maximale que devrait
développer les moteurs a été estimée à 168
kN, soit 13,0% de moins que l'estimation faite par Velazquez (2020). Pour ce
qui est du design de la surface verticale, la solution retenue a
été d'opter pour un double empennage vertical placé
à la queue du fuselage. La validation de ces surfaces verticales devrait
faire l'objet d'une analyse de stabilité dynamique. Concernant le train
d'atterrissage, la configuration de train rétractable type tricycle (tel
que pour le CRJ1000) a été adoptée. Les dimensions largeur
et diamètre des roues principales et de nez ont été
évaluées.
Pour ce qui est des performances de l'appareil, une
évaluation détaillée des distances de décollage et
d'atterrissage a révélé que le BWB décollerait sur
une distance de 30% moins longue que le CRJ1000 de Bombardier ou encore
l'Antonov An-158. Sa distance d'atterrissage cependant reste assez proche de
celle du CRJ1000. Par ailleurs, pour que l'avion puisse voler à la
vitesse de 230 m/s comme exigé dans les requis du design, l'altitude de
croisière idéale
VIII
serait de 13,9 km. Pour finir, le centrage des masses et
l'analyse de la stabilité de l'avion a permis d'aboutir à un
design stable du BWB avec les moteurs installés sous l'aile. Avec cette
configuration l'avion présente une marge statique de 9,01% à
MTOW, 6,12% à OEW et 10,0% à MZFW, ce qui est acceptable au
regard de la réglementation de la FAA qui préconise 5% de marge
statique au moins pour un avion de ligne.
Mots clés : blended-wing-body, design
d'aéronefs, performances d'avion, propulsion, stabilité
statique.
Performance evaluation of a 100-passenger
blended-wing-body aircraft
Cédric FOFFÉ NGOUFO
ABSTRACT
The Blended Wing Body (BWB) is an aircraft model whose classic
tube-shaped fuselage has been replaced by a wing profile. With this
configuration, numerous scientific works have shown that these planes promise a
considerable reduction in fuel consumption and a lower environmental impact.
However, most of the existing work carried out on BWB type airliners is
primarily based on long-haul versions; however, current market studies show a
growing demand for medium-haul aircraft with capacities between 100 and 150
passengers (Velazquez, 2020). For this reason, the ETS's TFT laboratory
initiated the design project for a regional BWB type aircraft with a carrying
capacity of 100 passengers. Thus, as part of his work on the low-speed
aerodynamic analysis of the BWB, Velazquez proposed an initial design of the
aircraft, while Delacroix studied its stability. As part of a continuity logic,
the objective of this work was to assess the low speed and cruising performance
of the BWB obtained from the work of Velazquez (2020) and Delacroix (2017).
This objective's prerequisites were to estimate the mass of the aircraft and
then to size the propulsion system, the vertical surfaces and the landing
gear.
Therefore, using the detailed prediction equations for the
mass of aircraft developed by various authors, the maximum mass of the aircraft
was estimated at 41,950 kg, which is approximately 20.2% and 6.3% less than the
predictions made by Delacroix (2017) and Velazquez (2020) respectively. Then,
using the relation of Mattingly (1987), the maximum thrust that the engines
should develop was estimated at 168 kN, which is 13.0% less than the estimate
made by Velazquez (2020). Regarding the design of the vertical surface, the
solution adopted was to opt for a vertical double tail unit placed at the tail
of the fuselage. The validation of these vertical surfaces should be subjected
to a dynamic stability analysis. Regarding the landing gear, the tricycle type
retractable gear configuration (such as for the CRJ1000) was adopted. The width
and diameter dimensions of the main and nose wheels were evaluated.
As for the aircraft's performance, a detailed assessment of
take-off and landing distances revealed that the BWB would take off on a 30%
shorter distance than Bombardier's CRJ1000 or the Antonov An-158. Its landing
distance, however, remains fairly close to that of the CRJ1000. Furthermore,
for the aircraft to fly at a speed of 230 m / s as required in the design
specification, the ideal cruising altitude would be 13.9 km. Finally, weight
centering and analysis of the aircraft's stability resulted in a stable design
of the BWB with the engines installed under the wing. With this configuration,
the aircraft has a static margin of 9.01% at
X
MTOW, 6.12% at OEW and 10.0% at MZFW, which is acceptable with
regard to FAA regulations which recommend a 5% margin static at least for an
airliner.
Keywords: blended-wing-body, aircraft design, aircraft
performance, propulsion, static stability.
TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION 1
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE 3
1.1. Le BWB : Concept et évolution 3
1.1.1. Concept d'avion Blended Wing Body 3
1.1.2. Prototypes d'avions Blended Wing Body 5
1.2. Présentation du design de Blended-Wing-Body
étudié 13
1.2.1. Paramètres critiques et de conception 13
1.2.2. Géométrie de l'avion 14
1.2.3. Résumé des performances de l'aéronef
15
1.2.4. Masse des précédents designs de l'avion
16
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