Dans le contexte de l’avion plus électrique, les réseaux électriques aéronautiques sont en pleine évolution. Cette évolution est poussée par le besoin d’une intégration à forte densité énergétique ce qui pose des défis aux concepteurs en termes d’architectures, de systèmes et de méthodes de dimensionnement.Un réseau de bord est composé d’un ensemble de systèmes électriques multidisciplinaire qui proviennent de différents fournisseurs dont le design est actuellement effectué en répondant à des standards de qualité spécifiés par l’agrégateur. L’objectif de la thèse est de proposer de nouvelles approches intégrées qui permettent de gérer la complexité des réseaux électriques tout en convergeant vers un résultat optimal, offrant des gains de masses en référence à un design par des « approches mécanistes » reposant sur un agrégat de boucles d’optimisation locales. Une approche multiniveau a été développée en s’inspirant des travaux sur la MDO « Multidisciplinary Design Optimization ». L’élaboration de cette approche a été le résultat d’une expertise accumulée en appliquant différentes méthodes disponibles dans la bibliographie. L’optimisation porte plus spécifiquement sur les filtres d’entrée des charges du réseau ainsi que sur le filtre de sortie du canal de génération du réseau électrique embarqué. L’optimisation multiniveau vise, dans un contexte collaboratif, à itérer entre le niveau agrégateur (niveau réseau) et le niveau équipementier (charges et source du réseau). L’utilisation d’une formulation agrégée au niveau réseau et le respect des causalités au niveau des sous-problèmes sont les principaux atouts de cette approche qui conduit à des solutions proches de l’optimum global de masse de filtres. / Within more electric aircraft context, electric systems and networks have to evolve. High energy density integration pushes designers to reconsider their systems, architectures and tools.An aircraft network contains a large number of multidisciplinary systems which come from different manufacturers. Each manufacturer designs its system separately following quality standards specified by the aggregator. The goal of this thesis is to provide system approaches which could deal with the high-level of complexity of the network while reaching the optimal design of all the system and so reduce the total weight in comparison with mechanistic approaches based on independent optimization loops for the different subsystems.Consulting MDO “Multidisciplinary Design Optimization” researches, we have developed a multilevel approach based on our previous studies and conclusions on classical approaches used in the design of electrical systems. The optimization concerns the input filters of the loads connected to the HVDC bus and the output filter of the generating channel which supply the electric power. The multilevel collaborative optimization allows an automated exchange of data between the aggregator (system level) and manufacturers (sub-system level) and thanks to that, the optimal design of all the system is joined. The strong points of this approach are the aggregated formulation and causality connections between sub-systems.

Le véhicule aérien a connu de nombreuses révolutions durant les dernières décennies afin d’être plus économe en énergie et plus respectueux de l’environnement. Dans cet objectif, l’électricité est apparue comme le vecteur énergétique le plus adapté associé aux sources conventionnelles d’énergie. C’est dans ce contexte que nos recherches se sont portées sur ce mode de transport qui va voir des bouleversements structurels importants et de plus en plus d’équipements électriques installés à bord. Ce travail de recherche s’intéresse à une brique de conversion DC/DC nécessaire au transfert d’énergie entre les bus HVDC et LVDC présents sur les avions actuels, pour cela nous avons étudié la structure et le contrôle de la topologie Dual Active Bridge qui apparaît comme le meilleur candidat pour atteindre les objectifs techniques, de rendement et compacité. Un dimensionnement ainsi que des résultats expérimentaux sont présentés pour valider nos choix avec un démonstrateur de 3,75kW. Des pistes de réflexions sont enfin proposées pour poursuivre et étendre certaine assertions vers une structure tri-ports pour l’interfaçage de multiples réseaux et moyen de stockage. L’originalité de ses travaux réside dans la volonté de concevoir un produit industrialisable dans le domaine de l’aéronautique en favorisant plusieurs ruptures technologiques jusqu’alors rédhibitoire chez les avionneurs. / Avionics is intended to become more and more efficient in terms of energy saving thanks to increased efficiency of embedded system. Today, electricity is presented as the best energy vector compared to hydraulic or pneumatic. This is why current researches aim to focus on power electronic converters in order to meet the future electrical power demand in aircraft networks. This research project presents a DC/DC dual active bridge converter which is expected as the best candidate to meet the complex requirements of an aircraft environment, especially the high voltage dynamics. This persuaded us to study the structure and modulations which are explained and brought face to face with a 3,75kW demonstrator in order to validate the theoretical assumptions. Some food for thought is proposed to extend this work toward a three-port converter to interface multiple network as well as storage systems. The originality of this work is to build a new kind of active conversion system promoting break through technologies to prove it suits to aircraft specifications.

Cette thèse explore des pistes d'amélioration du système de trafic aérien dans l'espace océanique de l'Atlantique Nord (NAT). D'abord, on considère le système actuel, où les avions suivent les rails prédefinis. On favorise les re-routages entre rails, diminuant la congestion dans l'espace continental. On applique des méthodes stochastiques d'optimisation pour trouver une configuration de vols sans conflits avec la séparation reduite entre aéronefs. Ensuite, on simule la planification des trajectoires avec le Wind Networking (WN). La source prinicipale des erreurs dans la prédiction de trajectoires étant l'incertitude dans la prévision du vent, le WN permet aux avions d'échanger leurs vents mesurés afin d'ajuster leurs prédictions. Enfin, on introduit le concept de free-flight dans NAT. Etant donné des trajectoires vent-optimales, on applique une méthode stochastique d'optimisation pour réduire le nombre de conflits au niveau stratégique, tout en conservant les trajectoires proches de leur optimum. Nos résultats numériques mettent en évidence plusieurs pistes pour améliorer le système de trafic aérien dans NAT, en considérant de nouvelles technologies et de nouveaux concepts. / This thesis investigates the ways to improve the air traffic system in the highly congested North Atlantic oceanic airspace (NAT). First, we consider the current system, where aircraft follow predefined NAT tracks. We favor the re-routings between tracks, decreasing congestion in pre-oceanic airspace, and apply stochastic methods of optimization to find a conflict-free flight configuration with reduced separation between aircraft. Second, we simulate trajectory prediction by Wind Networking (WN). While the main source of time prediction errors is the uncertainty in wind forecast, WN permits aircraft to exchange measured winds and adjust their predictions using this recent and accurate information. Third, we study the impact of introducing the free flight concept in NAT. We apply a stochastic method of optimization on data provided by NASA consisting of NAT flights with wind optimal trajectories. The aim is to reduce the number of conflicts on the strategic level, while keeping the trajectories close to the optimal routes. Our computational experiments show that the air traffic situation in NAT can be improved in several different ways, considering new technologies and new trajectory planning concepts.

L'objectif de ce travail de thèse est de poser, d'analyser et de résoudre le problème multidisciplinaire et multi-objectif de la conception d'avions plus écologiques et plus économiques. Dans ce but, les principaux drivers de l'optimisation des performances d'un avion seront: la géométrie de l'avion, son moteur ainsi que son profil de mission, autrement dit sa trajectoire. Les objectifs à minimiser considérés sont la consommation de carburant, l'impact climatique et le coût d'opération de l'avion. L'étude sera axée sur la stratégie de recherche de compromis entre ces objectifs, afin d'identifier les configurations d'avions optimales selon le critère sélectionné et de proposer une analyse de ces résultats. L'incertitude présente au niveau des modèles utilisés sera prise en compte par des méthodes rigoureusement sélectionnées. Une configuration d'avion hybride est proposée pour atteindre l'objectif de réduction d'impact climatique. / The objective of this PhD work is to pose, investigate, and solve the highly multidisciplinary and multiobjective problem of environmentally efficient aircraft design and operation. In this purpose, the main three drivers for optimizing the environmental performance of an aircraft are the airframe, the engine, and the mission profiles. The figures of merit, which will be considered for optimization, are fuel burn, local emissions, global emissions, and climate impact (noise excluded). The study will be focused on finding efficient compromise strategies and identifying the most powerful design architectures and design driver combinations for improvement of environmental performances. The modeling uncertainty will be considered thanks to rigorously selected methods. A hybrid aircraft configuration is proposed to reach the climatic impact reduction objective.

Le projet SACER vise à répondre aux demandes d’Airbus qui ont besoin de disposer de données décrivant le comportement d’un avion ou d’un satellite avant commercialisation ou lancement. Pour mieux répondre à cette demande, un réseau de capteurs sans fil remplacerait les équipements de test filaires existants. Le but est d’apporter des avantages tels qu’une réduction de poids, de coût et de connectique. Pour notre part, nous n’avons travaillé que sur l’application aéronautique.Pour alimenter les capteurs autonomes sans fil embarqués, dans le cadre de cette thèse, il faut concevoir une architecture de récupération d’énergie, un système de stockage de l’énergie ainsi que un circuit de gestion de ces énergies. La principale contrainte pour le système est qu’il doit pouvoir fonctionner de -50C à 100°C, tout en délivrant une puissance de sortie de 3 watts. De plus, l’épaisseur du système doit être inférieure à 3,2 mm.Pour notre travail, nous avons cherché, dans un premier temps, la meilleure solution possible sur le choix du type de cellules solaires. Le résultat sur les tests des cellules à différentes températures et irradiations dans les conditions de notre application est présenté. Dans un second temps, nous avons testé plusieurs types de systèmes de stockage d’énergie aux températures extrêmes. Enfin, la conception de l’architecture pour la gestion de l’énergie (vue d’ensemble des panneaux photovoltaïques, d’un circuit MPPT, des super condensateurs, et d’un régulateur) est présentée / Flight tests of a commercial aircraft consist in gathering data during flight to validate aircraft design. However they are very expensive for various reasons. One of them is that most of the sensors implemented to collect data are wired. As an example, for the sole system that monitors the vibrations onboard a large (more than 100 seats) aircraft, more than 100 sensors may be deployed. Such networks are complex to implement, mainly because of the required wiring. A wireless solution is therefore of great interest; however, such a cable-less implementation implies both wireless transmission of data together with energy autonomy.The purpose of this work is therefore to describe a design of a power generation system, focusing on photovoltaic, together with the associated management strategies for an autonomous wireless sensor network deployed for large aircraft in-flight tests. This work is a part of SACER project. The main requirements are related to the thickness of the system (less than 3,2mm in order not to disturb the aerodynamic air flow) and the output power (3 W per sensor node in order to power the sensor, data processing and transmission system). In addition, the system has to properly work at extremely high and low temperature (-50 to 100°C). Our system consists of three primary components to consider: Energy Harvesting system, Energy storage device and Energy management system.In this work, we firstly present the comparison of the performance of different photovoltaic technologies at different temperatures concerning their availability and achievable power density in aircraft applications. Secondly, we will investigate the possibility of using batteries and supercapacitor. Finally the power management system, composed by a photovoltaic panel, a power conditioning (MPPT function), supercapacitors and a DC/DC regulator, is presented

Les avantages que présentent les systèmes électriques par rapport aux autres systèmes (mécaniques, hydrauliques et pneumatiques) ont permis d’intensifier l’électrification des systèmes embarqués à bord des aéronefs : c’est le concept d’avion plus électrique. Dans ce contexte, l’approche de conception intégrée par optimisation (CIO) de ces systèmes s’avère aujourd’hui une nécessité pour pouvoir répondre aux exigences en termes d’efficacité énergique, de fiabilité et de masse... Dans cette thèse, nous avons appliqué la CIO à une chaine de conversion électromécanique utilisée dans le système de conditionnement d’air d’un avion. Deux objectifs sont ciblés : la minimisation de la masse du système et l’augmentation de son efficacité énergétique. Ces objectifs sont intégrés à diverses contraintes hétérogènes, allant de la qualité réseau au respect de la mission de vol dans le plan couple – vitesse, en passant par la thermique,… Compte tenu de la complexité du système étudié et de son caractère multidisciplinaire, des approches de conception par optimisation dites « MDO » (pour Multidisciplinary Design Optimization) sont étudiées. En effet, au delà des compétences physiques et techniques, la conception intégrée par optimisation des systèmes complexes nécessite des efforts supplémentaires en termes de méthodologies de conception. Nous avons présenté dans cette thèse trois approches : Approches mono-niveau : séquentielle et globale ; Approche multi-niveaux, couplant niveaux système et niveau constituants (filtre, onduleur, machine) ; des formulations adaptées à notre problème de conception sont présentées afin de résoudre les problèmes liés aux optimisations mono-niveau. Les performances des différentes approches de conception sont présentées analysées et comparées. Les résultats obtenus montrent clairement les avantages que présente la formulation multi-niveaux par rapport aux approches classiques de conception. / The benefits of electrical systems compared to other systems (mechanical, hydraulic and pneumatic) are a serious motivation for the electrification of embedded systems in “more electric aircraft”. In this framework, the integrated optimal design of these systems appears necessary to meet requirements in terms of efficiency, reliability and weight reduction. In this thesis, we have applied the integrated optimal design to an electromechanical system used in the air conditioning system of a more electric aircraft. Two objectives are targeted: the minimization of the system weight and the increase of its efficiency. Both objectives are integrated with several heterogeneous constraints, from network quality till flight mission fulfilment in the torque vs speed plan. Because of the complexity of the studied system and its multidisciplinary nature, "MDO" approaches (for multidisciplinary Design Optimization) are studied. In fact, beyond physical and technical skills, integrated optimal design of complex systems requires additional efforts in terms of design methodologies. Three approaches are presented in this thesis: One-level Approaches: sequential and global; Multilevel approach, coupling “system” level with “device” level (filter, inverter, electric machine); a set of formulations adapted to our design problem are presented to solve the issues associated to the one-level approaches. The performance of these design approaches are presented, analyzed and compared. The results clearly show the advantages that involves multilevel formulation compared to conventional design approaches.

La première année de thèse a permis de mettre en avant deux aspects concernant la problématique de gestion de l’énergie, à savoir le contrôle court terme et le contrôle long terme de l’énergie respectivement. La première problématique a été étudiée pendant la deuxième année de thèse et a débouché sur la proposition d’une architecture de contrôle multi-actionneurs utilisant les moteurs et les aérofreins dans l’objectif d’augmenter l’autorité de contrôle de l’énergie de l’avion. La seconde problématique a été étudiée pendant la troisième année et a débuté par une étude préliminaire reposant sur le calcul d’une séquence optimale de commandes des becs/volets et train d’atterrissage permettant d’amener l’avion à un certain niveau d’énergie en approche tout en minimisant l’utilisation des moteurs et des aérofreins. Par la suite, l’étude a été étendue afin de prendre en compte la régulation des moteurs, l’utilisation des aérofreins et la modification de la trajectoire verticale. Finalement,une solution basée sur un calcul d’optimisation a été développée puis intégrée au sein d’un simulateur de bureau temps-réel, testée avec une interface homme machine adéquat et pour finir présentée à des pilotes d’essais pour validation. / The first year of thesis allowed to foreground two aspects of the energy management issue,namely the short term control and the long term control, respectively. The first issue was studied during the second year and ended with the proposition of a solution mixing both the airbrakes and engines. The second and last issue started with a preliminary study which consisted of computing an optimal slat/flap command sequence bringing the aircraft to theright energy level in approach while minimizing the use of engines and airbrakes. Then, this study was extended in order to take into account the regulation of engines and airbrakes aswell as vertical trajectory modification. Finally, this optimization-based solution has been integrated within an accurate real-time desktop simulator, tested with a human-machine interface, and then presented to flight test pilots for validation.

Le développement d’avions plus électriques se traduit par une plus grande utilisation d'actionneurs électriques qui remplacent des systèmes hydrauliques et pneumatiques existants ou répondent à de nouveaux besoins. La distribution de l'énergie à bord est basée sur un réseau continu 540V connecté à des convertisseurs électroniques de puissance. Les composants électroniques de puissance à grands gaps (SiC, GaN) améliorent les performances des convertisseurs mais les fronts de tension très raides sont imposés aux bobinages des actionneurs électriques. Chaque front excite un régime transitoire comportant une surtension importante et donc des champs électriques intenses dans l’isolation inter-spires des bobines. Lorsque cette contrainte électrique répétitive dépasse le seuil d'apparition des décharges partielles (PDIV), la durée de vie des couches organiques qui isolent les spires est fortement réduite. L'étude détaillée des décharges partielles (DP) dans l'espace qui sépare les fils émaillés des bobinages permet de situer les zones dans lesquelles les DP se produisent. Elle montre que le thermocollage, avec des surépaisseurs adaptées de thermocolle, permet d'élever le PDIV au-delà des pointes répétitives de tension pour les actionneurs qui fonctionnent dans les parties pressurisées des avions. Des solutions ordonnées de bobinages ont été expérimentées sur des bobines cylindriques imprégnées. Cette analyse montre que l'imprégnation augmente légèrement le PDIV de l'isolation inter-spires dans des proportions qui ne correspondent pas totalement aux caractéristiques intrinsèques du vernis utilisé. Par conséquent, les bobines imprégnées doivent être conçues sur la base des performances de l'isolation primaire du fil émaillé. L’arrangement des spires dans une bobine ordonnée permet de répartir les contraintes et donc de concevoir des bobines qui résistent aux pointes de tension répétitives imposées par l'onduleur aux basses pressions correspondant aux zones non pressurisées d'un avion en vol. Un modèle, basé sur un schéma équivalent HF prenant en considération les deux premières résonances des bobines élémentaires, permet d'analyser la répartition des contraintes entre les bobines connectées en série d'une phase. / The More Electric Aircraft development is reflected by a bigger use of the electrical actuators, which replace the hydraulic or pneumatic system existing or they can also answer to new needs. The energy distribution on board is based on a high voltage continuous bus of 540V connected to electrical power converter. The electric power wide band gap components (SiC, GaN) improve the converters performances but very steep of voltage edge is imposed on the windings of the electric actuators. Each edge excites a transitory regime including an important surge which corresponds to intense electric fields in the inter-turns insulation of coils. When this repetitive electrical constraint exceeds the partial discharges inception voltage (PDIV), the life time of the organic layer between the turns is strongly reduced. The detailed study of the partial discharges (PD) in the area which separate the enamel wire of the windings allows to locate the area where the PD appears. The use of thermo-bonding, with a bonding thickness adapted, allows to raise PDIV beyond the repetitive edge of voltage for the actuators which work in the pressurized parts of the planes. The orderly windings solutions were tested on impregnated cylindrical coils. This analysis shows that the impregnation increases slightly the PDIV from the inter-turns insulation in proportions that do not totally correspond to the intrinsic characteristics of the used varnish. Therefore, the impregnated coils must be conceived on the basis of the primary insulation performance of the enamelled wire. The turn’s arrangement in an orderly coil allows to distribute the constraints and so to conceive the windings which can resist the compulsory repetitive of voltage spikes by the inverter in low pressures corresponding to not pressurized zones in a plane during the flight. A model, based on HF equivalent schema taking in consideration the first two resonances of the elementary coils, allows to analyse the constraints distribution between the coils connected in series of a machine phase.

Les bruits et les polluants atmosphériques émis par les avions commerciaux représentent un défi environnemental important, un problème de santé publique et une contrainte économique pour le développement durable du transport aérien. D'un autre côté, le développement économique des régions est intimement lié au secteur du transport aérien. Ce dernier agit comme un multi-capteur économique pour supporter le développement régional et desservir les grands centres. Cette réalité s'explique entre autres par le fait que la mondialisation des marchés impose l'utilisation de moyens rapides et compétitifs pour le transport des voyageurs et des marchandises. Notre approche est une modélisation mathématique du problème de choix des trajectoires de vol dans un domaine continu. La première étape dans la modélisation d'un tel problème est l'écriture des équations qui traduisent la dynamique de vol de l'avion. Ensuite, vient la modélisation est la synthèse des critères d'optimisation. Les critères qu'on a retenus dans notre travail sont la consommation de carburant (critère d'énergie) et le bruit perçu au sol (critère de la gêne occasionnée pour les riverains). En combinant les deux parties "modèle de la dynamique du vol" et "critères d'optimisation", et en intégrant d'autres contraintes liées à la sécurité du vol, on aboutit à un modèle mathématique qui appartient à la classe des problèmes non linéaires de contrôle optimal. C'est une classe difficile de problèmes d'optimisation qui pose un certain nombre de difficultés lors de la construction d'algorithmes de résolution. Pour résoudre le problème ainsi posé, deux approches distinctes peuvent être envisagées : méthodes directes et méthodes indirectes. Nous avons implémenté une méthode dite " pseudo spectrale de Gauss " pour la résolution du problème de contrôle. Le choix de cette méthode est basé sur une propriété très importante et qui garantit l'équivalence entre l'application des deux schémas : direct et indirects. Des résultats sont présentés et discutés. Nos résultats donnent des pistes sur de nouvelles procédures de vol qui minimisent le bruit et la consommation de carburant durant les phases d'atterrissage et de décollage. Par ailleurs, la résolution numérique consolide également le potentiel des approches CDA recommandées par l'OACI. Une comparaison aux procédures standards et une analyse de sensibilité aux critères est présentée / Noise and air pollution from commercial aircraft represent a significant environmental challenge, a public health problem and an economic constraint to the sustainable development of air transport. On the other hand, the economical development of the regions is closely linked to the airline industry. This fact is partly explained by the the globalization of markets that requires the use of fast and competitive means to transport people and goods. We propose a mathematical model to tackle this problem by optimizing flight paths in order to minimize noise emission and fuel consumption. The first step is to express the dynamics of flight of the aircraft. Then comes the synthesis of optimization criteria. The criteria we used in our work are the fuel consumption (criterion of energy) and the perceived noise levels at the ground (criterion of inconvenience for local residents). By combining the two previous parts, and incorporating other constraints related to flight safety, we obtain a mathematical model that belongs to a class of nonlinear optimal control problems. It is a difficult class of optimization problems that raises several difficulties during the construction of solving algorithms. Two different ways can be considered to solve this problem : direct methods and indirect methods. We have developed and implemented a direct method called "Gauss Pseudo-spectral Method" to solve the optimal control problem that we obtained. The choice of this method is based on a very important property that guarantees the equivalence between the use of two schemes : direct and indirect. Results are presented and discussed. Our results provide a new view on flight procedures that minimize noise and fuel consumption during landings and takeoffs. Moreover, the numerical solution also consolidates the potential of CDA approaches which are recommended by ICAO. A comparison with standard procedures and a sensitivity analysis are presented

Cette thèse traite de l'optimisation sous incertitude de fonctions coûteuses dans le cadre de la conception de systèmes aéronautiques.Nous développons dans un premier temps une stratégie d'optimisation robuste multiobjectifs par modèles de substitution. Au-delà de fournir une représentation plus rapide des fonctions initiales, ces modèles facilitent le calcul de la robustesse des solutions par rapport aux incertitudes du problème. L'erreur de modélisation est maîtrisée grâce à une approche originale d'enrichissement de plan d'expériences qui permet d'améliorer conjointement plusieurs modèles au niveau des régions de l'espace possiblement optimales.Elle est appliquée à la minimisation des émissions polluantes d'une chambre de combustion de turbomachine dont les injecteurs peuvent s'obstruer de façon imprévisible.Nous présentons ensuite une méthode heuristique dédiée à l'optimisation robuste multidisciplinaire. Elle repose sur une gestion locale de la robustesse au sein des disciplines exposées à des paramètres incertains, afin d'éviter la mise en place d'une propagation d'incertitudes complète à travers le système. Un critère d'applicabilité est proposé pour vérifier a posteriori le bien-fondé de cette approche à partir de données récoltées lors de l'optimisation. La méthode est mise en œuvre sur un cas de conception avion où la surface de l'empennage vertical n'est pas connue avec précision. / This PhD thesis deals with the optimization under uncertainty of expensive functions in the context of aeronautical systems design.First, we develop a multiobjective robust optimization strategy based on surrogate models.Beyond providing a faster representation of the initial functions, these models facilitate the computation of the solutions' robustness with respect to the problem uncertainties. The modeling error is controlled through a new design of experiments enrichment approach that allows improving several models concurrently in the possibly optimal regions of the search space. This strategy is applied to the pollutant emission minimization of a turbomachine combustion chamber whose injectors can clog unpredictably. We subsequently present a heuristic method dedicated to multidisciplinary robust optimization. It relies on local robustness management within disciplines exposed to uncertain parameters, in order to avoid the implementation of a full uncertainty propagation through the system. An applicability criterion is proposed to check the validity of this approach a posteriori using data collected during the optimization. This methodology is applied to an aircraft design case where the surface of the vertical tail is not known accurately.