Communiqué de presse

COMMUNIQUE DE PRESSE
Toulouse, le 22 mai 2014
Quand la Science s’inspire de la Nature
Le Morphing : vers une nouvelle génération d’ailes d’avions intelligentes
Deux équipes de recherche toulousaines s’inspirent des oiseaux de grande envergure
pour concevoir des ailes et ailerons d’avions de prochaines générations.
La nouveauté : ces ailes et ailerons seront flexibles et intelligents, capables de changer
de forme et de se mouvoir en interaction avec les sollicitations extérieures, tout comme
les oiseaux, mais adaptées aux vitesses des avions. Ces travaux ont été sélectionnés
pour être présentés lors de l’exposition annuelle de la Royal Society à Londres en été
2014 sur le thème « Smart wing design through turbulence control : science imitating
nature ». . C’est le seul projet en partenariat avec une équipe européenne sélectionné
par la Royal Society.
Le Morphing repose sur l’utilisation de matériaux électroactifs intelligents. Deux
laboratoires sont particulièrement investis dans l’étude de ces matériaux et leur
utilisation en aéronautique: l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (UMR 5502
CNRS-INPT-UPS) et le laboratoire Laplace (UMR 5213 CNRS-INPT-UPS). Cette
collaboration se concrétise dans le cadre de trois opérations portées par la Fondation
STAE, Sciences et Technologies pour l’Aéronautique et l’Espace de Toulouse au sein du
RTRA, Réseau Thématique de Recherche Avancée:
§ Le projet EMMAV : Electroactive Morphing for Micro Air Vehicules (terminé en février
2013)
§ Le projet DYNAMORPH: DYnamique regimes electroactive MORphing (2013-2016)
§ Le chantier SMARTWING : Smart Wing design par Morphing électroactif pour les
voilures d’aéronefs
L’exposition va s’inspirer de ces projets et présenter au grand public les différents
matériaux électroactifs,leurs possibilités d’actuations intelligentes et leur effet sur
l’aérodynamique d’ailes et ailerons.
Une grande première sur le plan international: l’objectif des différents projets est
d’augmenter les performances aérodynamiques (augmenter la portance et diminuer la
résistance au vent) et, simultanément, de réduire le bruit généré par les bords de fuite
de l’aileron (la partie arrière, la plus pointue).
Bio inspiration mais pas bio mimétisme !
En effet, les chercheurs s’inspirent de la structure et du fonctionnement des ailes
d’oiseaux, notamment de celles de grands prédateurs capables de manoeuvrabilité et de
furtivité exceptionnelles. Dans le cas des ailes d’avion, la vitesse et les dimensions de
surface portante sont beaucoup plus grandes que dans le cas des oiseaux : si l’on peut
s’inspirer de la configuration et des mouvements des ailes d’oiseaux, jusqu’aux petites
plumes à leur extrémité, on ne peut cependant pas les transposer directement au cas des
ailes et ailerons des avions.
Trois classes de matériaux intelligents pour répondre à trois échelles de
problèmes et de temps différentes :
§ La première classe concerne les matériaux dits à Alliage à Mémoire de Forme : AMF.
Ces matériaux permettent d’obtenir de grandes déformations de l’aile ou de l’aileron,
mais dans une échelle de temps très lente (de l’ordre d’un Hertz). Dans ce cas, c’est un
phénomène thermique (l’effet Joule) qui, par le biais d’une modification de la structure
interne du matériau , agit pour déformer la structure solide.
§ La seconde classe de matériaux concerne les piézo actuateurs intelligents généralement
à base de PZT. Ici, c’est le phénomène de piézo-électricité qui est capable d’induire des
petites vibrations à plus haute fréquence (de l’ordre de la centaine d’Hertz) : l’échelle de
temps est beaucoup plus rapide, mais les capacités de déformation sont beaucoup plus
modestes, de l’ordre du millimètre.
§ La troisième classe de matériaux concerne les polymères électroactifs intelligents, les
PVDF qui, se présentant comme des petites lamelles souples et flexibles de matériau
sensible, sont capables de se déformer et de vibrer très facilement, comme les petites
plumes d’oiseau à l’extrémité de leurs ailes. En installant ces matériaux en bord de fuite
de l’aileron, on peut ainsi se rapprocher du mouvement de ces plumes que l’oiseau
actionne savamment pour augmenter ses performances aérodynamiques et lorsqu’il veut
atténuer son bruit et ainsi optimiser sa furtivité.
L’originalité de l’approche : l’hybridation.
Il s’agit d’associer ces différentes classes de matériaux pour obtenir simultanément mais
à des endroits différents bien ciblés, de grandes déformations à basse fréquence et de
petites amplitudes de déplacement à hautes fréquences, qui confèrent aux ailerons un
comportement permettant d’accroître les performances aérodynamiques et de
manoeuvrabilité, et de réduire le bruit.
En aval du bord de fuite, différentes instabilités provoquent des tourbillons. Les
matériaux intelligents son capables, tout comme les oiseaux, d’éclater ces tourbillons et
ainsi d’atténuer le niveau de turbulence. On parle alors de contrôle de la turbulence.
Des recherches en vue de répondre aux attentes de avionneurs : les concepts du
Morphing sont de faible coût énergétique.
La plupart des approches actuelles appellent encore des puissances électriques
considérables. Le but, à terme, est d’accéder à des avions complètement électriques, où
les manipulations hydrauliques seraient peu à peu substituées par des actuations
électriques. Le Morphing s’inscrit entièrement dans cette démarche, associant des
actuations moins lourdes, moins intrusives, et aux temps de réponses plus rapides : ceci
grâce à la conception de matériaux capables à la fois d’être capteurs et actuateurs,
emmagasinant et utilisant l’énergie vibratoire environnante.
Trois méthodologies scientifiques complémentaires : expérimentale, théorique
et simulation numérique.
§ Sur le plan expérimental, des maquettes de modèles d’ailes ou ailerons ont été
instrumentées par les différentes classes de matériaux, et étudiées en soufflerie en
utilisant des moyens de mesures optiques avancés.
§ Sur le plan théorique, une approche double :
- D’une part, l’étude des matériaux intelligents et, notamment, leur relation
force/déformation , ainsi que leur intégration, est menée au sein du laboratoire Laplace.
- D’autre part, l’étude de l’interaction fluide/structure et les effets du morphing sur
l’aérodynamique est menée par l’IMFT.
§ En simulation numérique, les deux laboratoires produisent des modèles numériques qui
permettent de calculer les forces exercées sur la surface de l’aile ou de l’aileron, et la
déformation obtenue activement lors de l’interaction avec le fluide.