X-57 Maxwell de NASA

Les automobiles ne sont plus les seules à fonctionner à l’énergie électrique : les avions aussi ! Pour prouver que les avions peuvent être propulsés grâce à l'énergie électrique, la NASA a développé le X-57 Maxwell, son premier X-plane entièrement électrique. L'avion X-57, actuellement en configuration Mod II, est une version modifiée du Tecnam P2006T italien. Pour remplacer les moteurs thermiques traditionnels, le X-57 dispose de deux moteurs tout électriques alimentés par des batteries de traction. Le projet X-57 Maxwell a des objectifs ambitieux, notamment une faible consommation d'énergie (les moteurs du X-57 ne consomment qu’un cinquième de l'énergie d'un avion à kérosène) ainsi que des émissions de CO2 réduites et une réduction du bruit en vol.

LE CHALLENGE : CONCRÉTISER CE PROJET

Lors du développement des nouveaux avions à moteur électrique, les ingénieurs de la NASA doivent s'assurer, d’une part, que leurs modèles utilisent l'énergie de manière efficace et, d’autre part, que l'avion peut voler en toute sécurité. Pour ce faire, il s’agit de construire un modèle analytique de la structure de l'avion sur lequel simuler les contraintes que l'appareil subira en vol. Cette approche permet aux ingénieurs de NASA de déceler les faiblesses de leurs conceptions et de les corriger avant l’élaboration de coûteux prototypes.

Toutefois, cette méthode ne peut se substituer à la réalisation d'essais physiques au sol. À un moment donné, les ingénieurs sont obligés de monter l'avion sur un excitateur et de réaliser des mesures. Ces essais physiques sont indispensables pour valider les modèles numériques et pour comprendre les caractéristiques structurelles de toute nouvelle conception d'avion.

Un essai de vibrations au sol, ou GVT (Ground Vibration Testing), est effectué avant le premier vol d’essai. Lors du GVT, les ingénieurs d'essai soumettent l'avion à différents profils vibratoires et mesurent la réponse de plusieurs centaines de points répartis sur la structure de l'avion. L'analyse des données mesurées permet aux ingénieurs d'identifier les fréquences et modes propres de l'avion en configuration opérationnelle. Cela permet de corréler et recaler le modèle éléments finis (FEM) de l'avion, utilisé ensuite pour les calculs de flottement. Pour finir, ces calculs de flottement révèlent si la structure présente les caractéristiques aéroélastiques et les tolérances de flottement nécessaires à la navigabilité (dans le domaine de vol).

NATALIE SPIVEY :

L’EXPERTE NASA DANS LE DOMAINE DES TESTS MODAUX ET DE NAVIGABILITÉ

L’équipe de test était dirigée par Natalie Spivey, l'« as » de la NASA dans les domaines de la dynamique des structures des avions, des essais modaux et de l’analyse du flottement. Rattachée à Armstrong Flight Research Center de la NASA, dans le sud de la Californie, elle est titulaire d'une Licence ingénierie aérospatiale de l'Iowa State University (2000) et d'un Master en génie mécanique de l'Université de Californie à Los Angeles (2006).

Riche d'une grande expérience dans le domaine des essais modaux, de la certification de navigabilité et des essais en vol, Mme Spivey est reconnue par ses pairs comme une ingénieure de talent. Elle a contribué à de nombreux programmes de recherche en vol en qualité d’ingénieur en dynamique des structures ou de responsable pour d’autres programmes incluant X-53 Active Aeroelastic Wing, diverses expérimentations en vol des F-15 et G-III, Passive Aeroelastic Tailored Wing, et autres, en plus du projet X-57 Maxwell.

Elle a commencé à s'intéresser aux essais dès le début de sa carrière, en effectuant un stage d'un semestre à NASA Dryden (aujourd'hui NASA Armstrong), au cours de ses années d'études supérieures. Lors de cette expérience, elle a notamment participé à quelques campagnes GVT. Ce qui lui plait dans les essais ? Ce travail implique aussi bien des activités analytiques que des opérations de terrain, et Natalie Spivey excelle dans les deux domaines.

Illustration graphique du X-57 Maxwell de la NASA en configuration Mod 4 (12 moteurs haut rendement et 2 moteurs de croisière en bout d'aile).

LA SÉCURITÉ EN PRIORITÉ

Durant un GVT, il est impératif que le spécimen testé soit le plus proche possible du modèle final. Cette exigence a été la source de défis très intéressants pour l'équipe d’essai.

, par exemple, lors du GVT, les lourdes batteries des moteurs électriques haute tension étaient fictives. En opération, seize modules de batterie alimentent les deux moteurs électriques et représentent près du tiers du poids total de l'avion. Mais, pour plus de sécurité, des dispositifs de simulation de la masse ont été utilisés à la place de batteries chargées. L'un des défis de l'équipe consistait à concevoir et fabriquer des simulateurs de même taille, de même masse et présentant le même centre de gravité que les batteries réelles. Ces dispositifs devaient également être montés sur le fuselage de la même manière que les batteries effectives.

Un autre défi concernait le fait que deux modules de contrôle de la batterie (BCM) n'étaient pas encore terminés lors de la réalisation du GVT. Afin de contourner ce problème, les ingénieurs de la NASA ont conçu et fabriqué deux maquettes de BCM. Ces maquettes étant plus légères que les modules réels, les ingénieurs ont ajouté des sacs de lest afin que la charge corresponde à la masse prévue en vol. La masse est un paramètre crucial pour les caractéristiques modales, ainsi les ingénieurs d'essai devaient localiser les masses manquantes et lester certaines zones le cas échéant.

La configuration de l'avion pour le GVT comprenait des câbles d'alimentation dans l'aile en plus d'autres câbles et capteurs d'instrumentation de vol (accéléromètres et jauges de contrainte) ; tous ces composants avaient été installés avant l'arrivée de l'avion au site Armstrong de la NASA. Le poids de l'avion (incluant tous les dispositifs de fixation nécessaires au GVT, le matériel et les lests) a été mesuré à 1 262 kg avant l'installation des accéléromètres nécessaires au GVT.

DEUX CONFIGURATIONS D’ESSAIS

L'objectif de cette campagne GVT étant de tester deux conditions aux limites principales, deux configurations d'essai différentes ont été définies. La première configuration, appelée système "soft support", a été conçue pour représenter une condition en libre-libre. Des sandows fixés aux points d'ancrage situés sous l'appareil ont permis de suspendre l'avion. Cette opération représentait un véritable défi, car les fabricants ne mesurent généralement pas les caractéristiques des sandows à utiliser pour ce type de tests.

Avant de procéder aux essais de vibration au sol, la NASA a effectué de nombreux tests pour caractériser les sandows afin de vérifier leur capacité à supporter la charge et une fréquence de résonnance suffisamment basse pour garantir la distinction avec la première fréquence modale de l'avion.

La deuxième configuration de GVT a été nommée « on-tires setup ». Pour cette configuration, l'avion était équipé de ses roues, et pendant les essais, l'avion était posé au sol sur ses pneus. Les pneus ont été gonflés à des pressions de service normales, et l'équipage de l'avion a procédé à un exercice de secouage du nez, de la queue et de l'extrémité des ailes de l'avion pour permettre aux amortisseurs de se mettre en équilibre avant les essais.

Présentation de la configuration GVT Mod II du X-57 Maxwell

ÉQUIPEMENT

Pour la première configuration d'essai en condition libre-libre, l'équipe a installé des accéléromètres en 127 points différents, permettant ainsi de mesurer 318 degrés de liberté (DOF). Les accéléromètres ont été répartis sur les deux flancs du fuselage de l'avion, les longerons d'aile, les gouvernes, les moteurs et les châssis de la suspension (situés au niveau du train d'atterrissage principal et du nez du fuselage) orientés suivant le système de coordonnées global de l'avion. Pour la configuration sur pneumatiques, l’équipe a retiré les accéléromètres montés aux 14 points du système de suspension, laissant en place un total de 113 accéléromètres pour mesurer 276 degrés de liberté.

Dans les deux configurations, des accéléromètres monoaxiaux et triaxiaux ont été utilisés, mais la majorité des emplacements d’accéléromètre ont été définis afin de mesurer deux degrés de liberté. Deux accéléromètres monoaxe ou un accéléromètre triaxe ont été installés à ces positions. Les accéléromètres positionnés autour des moteurs électriques ont été très difficiles à installer du fait de l'accessibilité et de l'espace restreint. En plus des accéléromètres dédiés au GVT, les ingénieurs ont collecté les données des accéléromètres de l’instrumentation de vol, grâce au système d'instrumentation de l'avion, afin de les comparer aux données acquises par les accéléromètres GVT les plus proches.

Pour collecter les données, l'équipe NASA a utilisé un système d'acquisition de données LAN-XI HBK de plus de 300 voies. La solution LAN-XI est une plateforme modulaire pour l'acquisition et l’analyse de données acoustiques et vibratoires supportant plus de 1 000 voies de mesure avec une large gamme d'entrée dynamique, particulièrement adaptée aux applications complexes. Le système LAN-XI NASA AFRC est constitué de quatre frontaux, deux frontaux 11 modules situés à proximité du nez de l'avion, au niveau du poste de contrôle principal du GVT, et deux frontaux 5 modules installés à l'arrière de l'appareil. Les frontaux étaient reliés ensemble à l’aide d’un switch Ethernet

Les principaux éléments du système d'acquisition de données GVT incluent :

• Châssis de Type 3660. Ce frontal contient cinq ou onze modules. Les châssis Type 3660 fournissent l'alimentation et la connectivité, tout en protégeant les modules LAN-XI.
• Module d'entrée 12 voies Type 3053. Ce module a été sélectionné car il offrait une solution compacte et rentable, idéale pour cette application.
• Module générateur Type 3160. Ce module a été sélectionné car cette application nécessitait des voies d'excitation. Il est disponible soit avec deux entrées et deux sorties, soit avec quatre entrées et deux sorties. Toutes les voies d'entrée et de sortie offre une gamme de fréquences de DC à 51,2 kHz

Châssis LAN-XI #1 & #2 (deux châssis de 11 modules)

Châssis LAN-XI #3 & #4 (deux châssis de 5 modules)

14 CONFIGURATIONS D’ESSAI - 191 TESTS

La NASA a effectué 191 tests, dans 14 configurations d’essai différentes. Onze configurations différentes ont été mises en place pour le système soft-support, deux pour le système on-tires, et une configuration supplémentaire a permis l'excitation directe du dispositif de levage A-Frame intégré au système soft-support Une dernière configuration a été élaboré afin de caractériser le châssis en A et de garantir l’absence de couplage avec les modes d'intérêt de l’avion. L'appareil est resté suspendu aux supports flexibles pour cet essai de châssis en A.

Le tableau 1 détaille la matrice de configuration des essais, y compris les modes cibles, les points et directions d'excitation, le nombre d’excitateurs et les dispositifs de fixation utilisés comme moyens de blocage du cockpit ou des commandes. Pendant toute la durée des essais, les ingénieurs en charge des tests se sont fortement appuyés sur cette matrice de configuration afin de veiller à ce que les objectifs de tests principaux comme secondaires soient atteints. Pour la réalisation des essais, un ou deux excitateurs ont été utilisés simultanément à la ou aux position(s) prévues. L’emplacement des excitateurs est généralement déterminé grâce aux modèle éléments finis.

Point d'excitation latéral de l’empennage vertical

Point d’excitation du bord de fuite de l'extrémité de l'aile

Matrice de configuration d’essais alt Matrice de configuration d’essais

BK CONNECT ACQUIERT ET ANALYSE LES DONNEES

Pour la réalisation des essais et l’analyse des données, la NASA a utilisé le logiciel BK Connect HBK. BK Connect est une plateforme logicielle permettant aux utilisateurs d'acquérir les données, de surveiller les essais ou les structures en temps réel, de post-traiter les données collectées, puis de visualiser, analyser et générer les rapports d'essais, depuis un seul et unique logiciel. Gräce à BK Connect les équipes de la NASA ont pu analyser les données sans avoir à les exporter vers un autre logiciel.

Les résultats du GVT ont révélé de nombreux modes de l'avion qui n'apparaissaient pas dans les calculs modaux du FEM pré-test du Mod II. Ces modes FEM manquants identifiés lors du GVT seront exploités lors de la corrélation et le recalage du modèle post-test. Par exemple, les essais ont notamment fait apparaître des modes liés à des couplages, à la torsion de l'aile et des modes des surfaces de contrôle. De plus, le modèle pré-test n’intégrait pas certains composants tels que la flèche avant. Les données obtenues à la suite des essais GVT permettront à l'équipe du projet X-57 d'ajouter précisément ces composants au modèle post-test.

Logiciel d'analyse modale BK Connect

LA TECHNOLOGIE HBK CONTRIBUE AU SUCCÈS DE NASA

Les résultats du GVT ont permis à NASA de mieux comprendre les caractéristiques modales de la configuration Mod II du X-57 Maxwell. Le test a démontré que le modèle analytique de l'avion ne permettait pas de reproduire tous les modes observés lors de l'essai. Actualiser le modèle pour afficher ces modes constituera un véritable défi pour l'équipe du projet X-57, mais l’équipe dispose désormais de tous les résultats des essais modaux nécessaires pour y parvenir.

L'accompagnement par les experts HBK avant et pendant le GVT a été déterminant pour la réussite de ce projet. Les ingénieurs de la NASA ont consulté les experts HBK avant le test et pendant toute la durée des essais un ingénieur d'application HBK était présent sur le site pour supporter le projet.

La contribution de HBK aux programmes de la NASA s'étend également au-delà du projet X-57 Maxwell. Les équipes HBK et les ingénieurs de NASA organisent une conférence téléphonique chaque mois pour échanger sur les questions relatives aux tests. Cette réunion mensuelle réunit des ingénieurs de différents centres NASA, notamment l'Armstrong Flight Research Center, le Johnson Space Center, le Kennedy Space Center, le Glenn Research Center, le Marshall Space Flight Center, le Langley Research Center et d'autres sites NASA.