Projet pluridisciplinaire 3° année IC Conception d’un avion solaire et calcul du longeron BLATTES Damien STEINER Valériane Promo 42

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

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

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

II - Choix de la géométrie et du profil Puissance nécessaire au vol: 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 : 15/06/2007 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

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

II - Choix de la géométrie et du profil Conception aérodynamique grâce au logiciel XFLR-5 Soufflerie numérique qui analyse les profils et les ailes. 15/06/2007 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

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

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

II - Choix de la géométrie et du profil Conception aérodynamique grâce au logiciel XFLR-5 Choix des profils aérodynamique Profil autostable (Zone centrale) Profil classique (extrémités) Nombre de Reynolds : 250 000 Nombre de Reynolds : 100 000 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. Profil adapté aux très faibles nombre de Reynolds (NG03) Épaissi pour pouvoir installer les cellules solaires 15/06/2007 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

II - Choix de la géométrie et du profil Répartition des cellules sur l’avion : 15/06/2007 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

III - Simplifications et limites de l’étude Les seuls éléments structuraux pris en compte sont : Le longeron principal Le bord d’attaque Le longeron secondaire 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. 15/06/2007 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

III - Simplifications et limites de l’étude Simplification du chargement Répartition réelle de la portance Répartition simplifiée de la portance et du poids. 15/06/2007 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

III - Simplifications et limites de l’étude Simplification du chargement Répartition réelle de la trainée Répartition simplifiée de la trainée 15/06/2007 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

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

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

IV – Matériaux utilisés Essai de flexion (détermination du module d’Young d’un tube en fibre de carbone) Encastrement Masse Banc de mesure Mesure du déplacement Module d’Young mesuré : 75000MPa  comparaison avec des tables  autres caractéristiques connues 15/06/2007 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

V - Calcul de la structure Modélisation sous IDEAS Longerons  éléments poutres Nervures  éléments rigides Poutres Eléments rigides Nœuds 15/06/2007 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

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

V - Calcul de la structure Modélisation 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 6,0 7,9 (section pleine) 15/06/2007 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

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

V - Calcul de la structure Avec accélération de 4g Longeron 7,9x6 Modélisation sous IDEAS 15/06/2007 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

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

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

Merci de votre attention Cahier des charges Choix de la géométrie Simplifications et limites de l’étude Matériaux utilisés Calcul de la structure 15/06/2007 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane