Driven by the gradually increasing electrification of the transportation industry, in particular the aviation sector, the future’s electrified aircraft requires not only an improvement of the flight operation, but also an enhancement of the movement on ground. One very promising concept to improve the taxiing operation is the integration of an electric propulsion system into the aircraft’s undercarriage, also called “Electric Taxiing”. This yields a decrease of the overall fuel consumption, reduction of emissions, and improvement of aircraft maneuverability to help reducing operating times on ground. In this thesis, the performance requirements for an electric taxiing system are investigated by using self-recorded real-life aircraft taxiing drive cycle data. Based upon the system requirements, the powertrain for the electric propulsion system is sized for a commercial midsize aircraft to achieve a similar driving performance to conventional taxiing maneuvers. The sized powertrain, including the determined electric motor characteristics, is evaluated using a developed simulation model which allows testing the proposed electric taxiing system given the attained drive cycles. For the electric machine which is implemented into the wheel of the aircraft’s main landing gear, an axial flux permanent magnet (AFPM) motor with segmented stator windings is selected due to its very compact structure while providing high torque capabilities. The AFPM motor is designed and evaluated by using analytical models and three-dimensional finite element analysis (3D FEA) to fulfill the specified motor characteristics required for the electric propulsion unit. Finally, suggestions for potential improvements and future work are discussed. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

L'ingénierie des systèmes complexes et systèmes de systèmes conduit souvent à des activités de modélisation (MA) complexes. Les problèmes soulevés par les MA sont notamment : comprendre le contexte dans lequel elles sont exécutées, comprendre l'impact sur les cycles de vie des modèles qu'elles produisent, et finalement trouver une approche pour les maîtriser. L'objectif principal de cette thèse est d'élaborer une approche formelle pour adresser ce problème. Dans cette thèse, après avoir étudié les travaux connexes en ingénierie système et plus spécifiquement ceux qui portent sur la co-ingénierie du système à faire (le produit) et du système pour faire (le projet), nous développons une méthodologie nommée MODEF pour traiter ce problème. MODEF consiste en: (1) Caractériser les MA comme un système et plus généralement une fédération de systèmes. (2) Construire de manière itérative une architecture de ce système via la modélisation du contenu conceptuel des modèles produits par MA et leur cycle de vie, les tâches réalisées au sein des MA et leurs effets sur ces cycles de vie. (3) Spécifier les attentes sur ces cycles de vie. (4) Analyser les modèles (des MA) par rapport à ces attentes (et éventuellement les contraintes sur les tâches) pour vérifier jusqu'à quel point elles sont atteignables via la synthèse des points (ou états) acceptables. D'un point de vue pratique, l'exploitation des résultats de l'analyse permet de contrôler le déroulement des tâches de modélisation à partir de la mise en évidence de leur impact sur les modèles qu'elles produisent. En effet, cette exploitation fournit des données pertinentes sur la façon dont les MA se déroulent et se dérouleraient de bout en bout. A partir de ces informations, il est possible de prendre des mesures préventives ou correctives. Nous illustrons cela à l'aide de deux cas d'étude (le fonctionnement d'un supermarché et la modélisation de la couverture fonctionnelle d'un système). D'un point de vue théorique, les sémantiques formelles des modèles des MA et le formalisme des attentes sont d'abord données. Ensuite, les algorithmes d'analyse et d'exploitation sont présentés. Cette approche est brièvement comparée avec des approches de vérification des modèles et de synthèse de systèmes. Enfin, deux facilitateurs de la mise en œuvre de MODEF sont présentés. Le premier est une implémentation modulaire des blocs de base de MODEF. Le second est une architecture fédérée (FA) des modèles visant à faciliter la réutilisation des modèles formels en pratique. La formalisation de FA est faite dans le cadre de la théorie des catégories. De ce fait, afin de construire un lien entre abstraction et implémentation, des structures de données et algorithmes de base sont proposés pour utiliser FA en pratique. Différentes perspectives sur les composantes de MODEF concluent ce travail. / The engineering of complex systems and systems of systems often leads to complex modelling activities (MA). Some challenges exhibited by MA are: understanding the context where they are carried out and their impacts on the lifecycles of models they produce, and ultimately providing a support for mastering them. How to address these challenges with a formal approach is the central challenge of this thesis. In this thesis, after discussing the related works from systems engineering in general and the co-engineering of the system to be made (product) and the system for make (project) systems specifically, we position and develop a methodology named MODEF, that aims to master the operation of MA. MODEF consists in: (1) characterizing MA as a system (and more globally as a federation of systems) in its own right; (2) iteratively architecting this system through: the modelling of the conceptual content of the models produced by MA and their life cycles, the tasks carried out within MA and their effects on these life cycles; (3) specifying the expectations over these life cycles and; (4) analysing models (of MA) against expectations (and possibly tasks constraints) - to check how far expectations are achievable - via the synthesis of the acceptable behaviours. On a practical perspective, the exploitation of the results of the analysis allows figuring out what could happen with the modelling tasks and their impacts on the whole state of models they handle. We show on two case studies (the operation of a supermarket and the modelling of the functional coverage of a system) how this exploitation provides insightful data on how the system is end-to-end operated and how it can behave. Based on this information, it is possible to take some preventive or corrective actions on how the MA are carried out. On the foundational perspective, the formal semantics of three kinds of involved models and the expectations formalism are first discussed. Then the analysis and exploitation algorithms are presented. Finally this approach is roughly compared with model checking and systems synthesis approaches. Last but not least, two enablers whose first objectives are to ease the implementation of MODEF are presented. The first one is a modular implementation of MODEF's buildings blocks. The second one is a federated architecture (FA) of models which aims to ease working with formal models in practice. Despite the fact that FA is formalised within the abstract framework of category theory, an attempt to bridge the gap between abstraction and implementation is sketched via some basic data structures and base algorithms. Several perspectives related to the different components of MODEF conclude this work.