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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11994 (2023) Citer cet article

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L'optimisation de la conception multidisciplinaire (MDO) permet d'atteindre une meilleure solution qu'en optimisant chaque discipline indépendamment. En particulier, la structure optimale d’un drone varie en fonction du matériau choisi. L'empreinte \(CO_2\) d'un drone haute altitude longue endurance (HALE) à énergie solaire est optimisée ici, où les matériaux structurels utilisés sont l'une des variables de conception. L'optimisation est effectuée à l'aide d'une version modifiée d'OpenAeroStruct, un framework basé sur OpenMDAO. Notre framework EcoHale est validé sur un cas de test HALE classique dans la communauté MDO (FBhale) construit à l'aide de codes haute fidélité par rapport à notre approche basse fidélité. L'originalité de nos travaux est d'inclure deux disciplines spécifiques (énergie et environnement) pour s'adapter à une nouvelle problématique de minimisation du \(CO_2\). Le choix des éco-matériaux s'effectue dans la boucle globale MDO à partir d'un choix de matériaux discrets. Ceci est réalisé grâce à une relaxation variable, permettant l'utilisation d'algorithmes d'optimisation continue inspirés de l'optimisation de topologie multimatériaux. Nos résultats montrent que, dans notre cas spécifique de drone électrique, le matériau optimal en termes d'empreinte \(CO_2\) est également le matériau optimal en termes de poids. Cela ouvre la porte à de nouvelles recherches sur les matériaux microarchitecturés numériques qui permettront de diminuer l'empreinte \(CO_2\) du drone.

Les drones haute altitude et longue endurance (HALE), pilotés par l’énergie solaire, pourraient constituer une alternative aux satellites pour certaines missions. Leurs cellules et batteries solaires leur permettent de voler pendant quelques années, ce qui, ajouté à leur altitude élevée (supérieure à 20 km), les rend aptes à des missions similaires à celles des satellites1. Les drones HALE peuvent offrir une couverture permanente d'un point ou être repositionnés, et sont réparables, contrairement aux satellites qui sont en orbite. Leur altitude plus basse peut offrir une meilleure résolution pour l’observation de la Terre, mais entraîne également une couverture plus petite. Leur plus grand avantage est leur coût inférieur à celui des satellites. Les drones HALE pourraient également être plus respectueux de l’environnement car ils ne nécessitent pas de lanceur très consommateur d’énergie. Cet avantage peut être renforcé si une attention particulière est portée à leur impact environnemental. Pour un drone HALE entièrement électrique, l’essentiel de cet impact provient des matériaux utilisés et de la fabrication du drone. L'analyse et l'optimisation de la conception multidisciplinaire (MDAO), souvent compressée en MDO, permet d'obtenir une meilleure solution qu'en optimisant chaque discipline indépendamment en développant une architecture efficace2. Le cadre numérique le plus avancé est développé par la NASA3. Le MDO a été appliqué avec succès à l’écoconception d’avions commerciaux4. Cependant, les exigences des missions des drones HALE sont très différentes de celles des avions commerciaux. En plus des caractéristiques mentionnées ci-dessus, la vitesse de vol n’est pas une exigence car ils volent sur des trajectoires fermées. De plus, une grande surface d’aile est nécessaire pour recueillir suffisamment d’énergie solaire. Ces exigences conduisent à des conceptions très différentes, avec des allongements élevés. La conception des drones HALE a déjà été largement étudiée. Une optimisation globale de la configuration a été apportée à un drone ultraléger à énergie solaire de 3,2 m d'envergure en utilisant une méthodologie analytique pour la conception d'un tel avion5. Un autre article connexe s'est concentré sur le développement d'un outil multidisciplinaire pour l'analyse, la conception et l'optimisation des drones HALE qui agissent comme des « satellites atmosphériques » avec un concept de rapport d'aspect extrême (envergure de 500 pieds) en utilisant des approches standard, allant de la conception conceptuelle à la mission. analyse, aux méthodes de conception préliminaire des avions6. Dans Montagnier et al.7, la masse de l'aile flexible a été minimisée à l'aide de matériaux composites. Le diagramme vitesse de croisière/coefficient de portance a révélé une solution optimale avec une charge utile d'environ 4 % de la masse totale de 817 kg pour une envergure de 69 m. D'un point de vue expérimental : des prototypes à l'échelle 1 ont été fabriqués, pour des essais mécaniques8,9 ou des études aéroélastiques10,11. Plus récemment, un cadre de conception de véhicules multi-fidélité a été développé12. Botero et al.13 ont appliqué ce cadre à la conception d'un drone solaire, soulignant le fait que l'énergie requise pour le plus gros véhicule est environ deux fois supérieure à celle du plus petit (même envergure de 10 m mais charge utile différente). Les véhicules ne sont pas optimisés pour un objectif. L'optimiseur est utilisé pour trouver un véhicule réalisable en utilisant les contraintes principalement liées à l'énergie. Des optimisations recherchant une plus grande fidélité ont été réalisées14 et un cadre de conception a été construit15. Cependant, toutes ces études se sont concentrées uniquement sur l’optimisation de masse et n’ont pas pris en compte l’empreinte environnementale des drones. L'objectif de ce travail est de combler cette lacune dans une optimisation globale, basse fidélité mais rapide, de l'impact environnemental à l'aide d'outils open source afin de produire des recherches reproductibles.