Une société d'ingénierie aéronautique utilise Simcenter STAR-CCM+ pour réduire les coûts de certification de ses avions

Certifié moins cher

"Notre objectif était de suivre le programme de test de vol le plus ennuyeux que nous ayons jamais vu", déclare Wayne Tygert, ingénieur en chef de Boeing, en décrivant l'un des programmes de vol d'essai du 787-10 Dreamliner utilisés pour la certification.

Ennuyeux n'est généralement pas le premier terme qui vous vient à l'esprit lorsqu'il s'agit de décrire quelque chose qui a nécessité 900 heures de vol sur trois avions d'essai, des milliers de réglementations, plus de 4 000 documents et des millions de dollars. Et qu'est-ce que le 787-10 ? Une simple extension dans la section médiane du 787-9 déjà certifié pour accueillir 40 passagers supplémentaires. La certification de la nouvelle conception du 787 Dreamliner a pris huit ans, avec 4 645 heures de vol en essai, plus de 200 000 heures de travail pour les experts de la Federal Aviation Administration (FAA) et un coût de certification beaucoup plus élevé.

L'obtention de la certification d'un avion, qu'il soit neuf ou modifié, est un processus long, coûteux et bureaucratique, bien qu'elle ait permis d'établir le mode de transport le plus sûr. Qu'il s'agisse du plus gros avion de l'histoire ou de petits biplaces faits d'acier et de tissu, chaque avion doit prouver sa navigabilité et sa conformité et être certifié par les autorités réglementaires avant d'être exploité.

Le coût colossal d'une certification

On estime qu'une certification coûte 1 million de dollars pour un avion de première catégorie (trois places ou moins), 25 millions de dollars pour un avion de l'aviation générale et plus de 100 millions de dollars pour un avion commercial. Les coûts et les retards de certification peuvent se chiffrer en millions de dollars, nécessitant parfois de dépenser autant d'argent qu'il en coûte de développer l'avion. Ce processus fait souvent la différence entre profits ou pertes.

Des retards dans les programmes, des dates de livraison manquées, des dépassements de coûts et des problèmes de sécurité dus à des conceptions qui ne répondent pas aux exigences de certification et qui nécessitent une refonte et des tests de vol coûteux ; tout cela se produit fréquemment. Comment les entreprises réduisent-elles leurs coûts et leurs délais de certification ? Est-il possible de limiter ces tests coûteux tout en prouvant la navigabilité d'un avion ?

Avec 45 ans d'expérience combinée dans la conception, le développement et la certification d'avions, Robert Lind et Andrew McComas de TLG Aerospace comprennent bien ces défis. Occupant l'un des six étages d'un immeuble sans prétention donnant sur le lac Union de Seattle, leur modeste bureau contraste avec l'expérience et le savoir-faire qui ont conquis une clientèle figurant parmi l'élite de l'aviation moderne. TLG Aerospace a aidé de nombreux clients à obtenir la certification de la FAA aux États-Unis à faible coût et en peu de temps, et ce avec une efficacité surprenante.

Certification par analyse

La certification des avions par la FAA comporte trois étapes : la certification de la conception, la certification de la production (PC) et la certification de la navigabilité (AC). L'étape de certification de la conception comprend la validation de sa sécurité, de son opérabilité et de sa durabilité, avec un certificat de type (TC) pour les nouveaux modèles et un certificat de type supplémentaire (CTS) pour les modèles modifiés. L'étape PC approuve la fabrication de pièces, de composants et de systèmes, tandis que l'étape AC autorise l'exploitation de l'avion.

Le processus est similaire pour d'autres organismes de réglementation dans le monde. La FAA exige une certification par test ou par analyse validée par test. C'est ce que l'industrie appelle la certification par analyse (CBA). Ces analyses sont effectuées à l'aide d'un modèle complet du véhicule, validé par un test de vol sur une étendue spécifiée du domaine de vol, comme convenu à l'avance avec l'autorité de certification. Le modèle complet du véhicule comprend les éléments suivants :

• Aérodynamique : une combinaison de mécanique des fluides numérique (CFD), de méthodes d'ordre faible, d'analyses de la soufflerie et du manuel validées par des mesures de pression et de déformation en test de vol
• Structures : analyse par éléments finis (FEA) et calculs associés au manuel validés par des essais de vibration au sol (GVT) et de charge statique lors d'essais au sol
• Propriétés massiques : conception assistée par ordinateur (CAO) et comptabilité des poids validée par pesée
• Commandes de vol : lois de commandes de vol validées par simulation intégrée et test de vol

Le modèle complet du véhicule intégré est finalement validé par le test de vol et doit être déterminé comme précis ou prudent. Les autorités de certification veillent à ce que l'analyse donne un résultat sûr. Le fabricant d'équipement d'origine (OEM) est généralement soucieux de limiter le conservatisme afin d'éviter l'excès de poids et les performances manquées.

L'approche de TLG Aerospace en matière de certification avec CFD

"Ce qui a changé, c'est l'équilibre entre la quantité d'analyses que vous pouvez effectuer et la quantité que vous pouvez utiliser dans le processus de certification", explique Robert Lind, directeur de l'ingénierie, représentant désigné de l'ingénierie (DER) et analyste de vol de la FAA, FAA flutter DER, TLG Aerospace. "Avec 30 ans d'expérience dans ce secteur, je trouve ce développement vraiment passionnant. À mesure que les codes CFD et les ordinateurs sont devenus plus performants, nous pouvons certifier plus rapidement et à moindre coût."

La majeure partie du travail de Robert Lind consiste à amener ses clients à obtenir une certification de type par analyse. En tant que l'un des quatre DER résidents de TLG Aerospace, il peut attester de certaines fonctions de certification au nom de la FAA. TLG Aerospace utilise le logiciel Simcenter STAR-CCM+™ de Siemens Digital Industries Software pour l'analyse CFD et le logiciel MSC Nastran® pour la FEA, afin de développer des modèles de certification de véhicules complets concernant les qualités de chargement, de flottement et de maniabilité, modélisés de manière adaptée à l'ensemble du domaine de vol.

Andrew McComas, directeur de l'ingénierie et aérodynamicien chez TLG Aerospace, déclare : "Nous utilisons Simcenter STAR-CCM+ dans un environnement de certification différent de la conception. La CFD a un grand rôle à jouer dans le processus de certification. Nous n'utilisons pas la CFD dans le but d'obtenir une réponse que la FAA approuve. Nous utilisons la CFD pour construire un modèle aérodynamique, de structure et de contrôle à grande échelle afin de simuler la réponse du véhicule et d'obtenir des informations sur le chargement et la manutention."

Pour certifier un nouvel avion, une base de données aérodynamiques est nécessaire. Pour créer l'ensemble de la base de données pour l'analyse, il faudrait que les données de centaines de milliers de situations soient disponibles en peu de temps. Les propriétés aérodynamiques du véhicule sont calculées selon la conception et les extrémités du domaine de vol à l'aide de la CFD. Les résultats CFD sont mis en correspondance avec un modèle aérodynamique d'ordre réduit dans le cadre du processus aéroélastique. TLG Aerospace calibre ce modèle aéroélastique pour développer des solutions aéroélastiques pour les véhicules entiers, qui s'appuient sur la CFD rigide. Le modèle aéroélastique final reproduira l'aérodynamique intégrée et distribuée de l'ensemble du véhicule en mode rigide et produira une solution aéroélastique convergée en quelques secondes.

Les prédictions sont alors en place pour démontrer que les réglementations sont respectées dans certaines conditions. Les tests de vol permettent ensuite de valider les modèles d'analyse. Cette validation peut être limitée à un domaine de vol plus restreint que le domaine complet afin de réduire les risques lors de tests de vol. Une fois validé, il peut être utilisé pour démontrer la conformité de l'avion dans d'autres conditions de vol. Le fait de disposer d'un modèle d'essai d'avant vol haute-fidélité réduit considérablement le nombre d'ajustements et d'étalonnages requis après un test de vol.

Réduire les coûts de certification avec Simcenter STAR-CCM+

M. McComas attribue cette percée en matière de réduction des coûts de certification à Simcenter STAR-CCM+ et Amazon Web Services (AWS).

"Simcenter STAR-CCM+ fonctionne de manière robuste, précise et répétée avec des processus simples et de bonnes pratiques", explique M. McComas. "Cela a donné aux entreprises l'assurance que le code peut être utilisé comme source pour la génération de bases de données aérodynamiques. Le cloud flexible d'AWS, allié à la licence Siemens Power-on-Demand, vous permet d'exécuter simultanément plusieurs simulations sur différents clusters de calcul en toute sécurité. Sans le modèle de licence POD, nous ne serions pas en mesure d'exploiter pleinement nos ressources en informatique élastique et cela entraînerait des coûts élevés de licences annuelles."

En résumé, l'ensemble de la base de données aérodynamiques est créée en moins de temps et avec des licences rentables. L'avantage supplémentaire ? La réduction des tests en soufflerie.

CFD ou soufflerie ? Notre réponse : les deux. Avec plus de 100 campagnes de test en soufflerie effectuées à faible et à grande vitesse, TLG Aerospace possède une expérience significative d'expérimentation en matière de tests. Les tests en soufflerie sont-ils tombés en disgrâce ? Absolument pas !

Dans le langage courant, la soufflerie est toujours reine, mais une reine qui délègue de plus en plus une part équitable de ses fonctions royales au comité consultatif de confiance de la CFD. Les tests en soufflerie sont toujours utilisés dans le développement de bases de données aérodynamiques pour de nouvelles configurations d'avions. Cependant, la CFD s'ajoute à des tests effectués dans certaines conditions et les remplace pour d'autres, permettant ainsi d'énormes économies. Le schéma 4 est une comparaison théorique des anciens codes CFD et de Simcenter STAR-CCM+ par rapport aux tests en soufflerie observée par TLG Aerospace. Moyennant un investissement minimal, Simcenter STAR-CCM+ peut réduire et remplacer certaines exigences de test. Compte tenu du taux d'utilisation et du coût du modèle pour les tests en soufflerie, cela peut se traduire par des économies de temps et de coût significatives.

Les tests en soufflerie sont toujours les mieux adaptés aux régimes de séparation naissants tels qu'un angle d'incidence élevé ou une analyse de la gestion d'un glissement. La CFD est plus adaptée aux angles d'incidence modérés et aux études détaillées du champ d'écoulement.

"Il est aujourd'hui possible de gérer de vastes bases de données dans Simcenter STAR-CCM+ à une fraction du coût et du temps requis par les méthodes existantes et les tests en soufflerie", explique M. McComas. "Cela n'était pas possible il y a seulement dix ans."

Avec l'informatique élastique et les licences cloud, il n'existe aucune limitation technique à l'exécution simultanée d'un grand nombre de cas CFD. TLG Aerospace est également en mesure d'exécuter des simulations de grande envergure et entièrement détaillées de manière régulière, avec la plupart des modèles prêts en moins d'une heure, quelle que soit leur taille. Cela n'était pas possible auparavant.

Grâce à l'informatique élastique d'AWS, TLG Aerospace fait une économie de 75 % sur le coût total d'une simulation CFD. La technologie responsable de ces avancées est celle des instances Spot Amazon EC2, une offre d'Amazon permettant d'exploiter la capacité de calcul inutilisée du cloud AWS à des prix très réduits.

La CFD a plus d'un tour dans son sac en certification

Les modifications et ajouts aux types d'avions déjà existants et homologués auront une incidence sur leur réglementation. Pousser les anciennes cellules d'avion aux limites de leur domaine de vol au moyen de nouvelles modifications est à la fois dangereux, coûteux et chronophage. La FAA autorise la CFD en tant que moyen de prouver que la conformité de l'avion d'origine n'a pas changé malgré des modifications. Des entreprises comme TLG Aerospace l'ont adoptée pleinement, et utilisent la CFD pour générer des données et des arguments à l'appui afin de démontrer la conformité d'un avion.

"Auparavant, les ingénieurs devaient effectuer des tests sans aucune question concernant les modifications apportées. Aujourd'hui, la CFD fournit les données nécessaires pour essayer d'éliminer certaines exigences en matière de tests", explique M. McComas.

D'autres applications de la CFD concernant la certification comprennent le chargement sous pression de structures secondaires, les carénages, les antennes et radômes, l'accumulation de givre, la localisation du système de données aériennes, les écoulements internes, les ailerettes, etc.

Prenez ce scénario : imaginez qu'un nouveau radôme soit fixé sur l'avion. Pour se conformer à la réglementation, le constructeur doit désormais prouver que si la structure venait à se détacher de l'avion, elle se séparerait en toute sécurité et sans impact. Vous pouvez toujours essayer de casser un radôme lors d'un test de vol ! Les défis sont similaires lorsqu'il s'agit de prouver que du givre sur la nouvelle structure n'affecterait pas la conformité et la sécurité opérationnelle de l'avion.

"La seule option possible dans ce cas est d'utiliser une analyse approuvée pour montrer que la structure répond aux critères de séparation sécuritaire", explique Andrew McComas. "Pour TLG Aerospace, Simcenter STAR-CCM+ dispose de tous les outils intégrés pour effectuer ces calculs sans autre logiciel tiers."

En outre, l'abondance de nouveaux avions innovants tels que les drones et les taxis aériens, les avions militaires, et le retour des avions supersoniques entre autres, profitera également d'une certification par analyse.

La CFD : "C" pour certification

"Simcenter STAR-CCM+ a contribué à l'obtention de nombreux certificats approuvés par la FAA", déclare Andrew McComas. "Il joue un rôle dans tous les programmes de certification de TLG Aerospace."

Il est peu probable que la CFD remplace complètement les tests en soufflerie, car les ordinateurs, les codes et les licences évoluent continuellement. Néanmoins, le rôle de la CFD en matière de certification continuera de s'étendre au fil du temps, afin de compléter et s'ajouter aux tests en vol.

Pour le moment, des entreprises comme TLG Aerospace utilisent la CFD en tant qu'outil fiable pour la certification, capable de prouver la conformité des avions aux extrêmes de leur domaine de vol, de réduire le nombre de conditions des tests de vol ainsi que leurs charges, et de prédire les dangers potentiels des tests. Les licences flexibles et l'informatique élastique sont d'autant plus d'arguments solides en faveur de la certification par analyse.

"Nous pouvons désormais miser sur des projets de plus grande envergure, plus concurrentiels, faire profiter nos clients des économies effectuées et réaliser beaucoup plus avec nos fonds", explique M. McComas.