Projet pluridisciplinaire 3° année IC

1. Projet pluridisciplinaire3° année IC Conception d’un avion solaire et calcul du longeron BLATTES Damien STEINER Valériane Promo 42

2. 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 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

3. 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 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

4. 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. PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

5. 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 : PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

6. 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 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

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

8. 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 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

9. 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. PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

10. 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 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

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

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

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

14. III - Simplifications et limites de l’étude • Simplification du chargement Répartition réelle de la trainée Répartition simplifiée de la trainée PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

15. 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. PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

16. 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 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

17. 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 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

18. V - Calcul de la structure • Modélisation sous IDEAS • Longerons  éléments poutres • Nervures  éléments rigides Poutres Eléments rigides Nœuds PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

19. Portance totale Traînée totale Portance = Traînée = Nombre de Nœuds Nombre de Nœuds V - Calcul de la structure Modélisation sous IDEAS - Conditions aux limites Blocages Portance et trainée poids Poids = 20 grammes / cellule PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

20. 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 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

21. 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 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

22. V - Calcul de la structure Avec accélération de 4g Longeron 7,9x6 • Modélisation sous IDEAS PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

23. V - Calcul de la structure • Modélisation sous IDEAS - Résultats PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

24. 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 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane

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