Analyse de systèmes complets – mécaniques, électriques, électroniques et logiciels

Par Dale Tutt, vice-président responsable du secteur Aéronautique et Défense chez Siemens Digital Industries Software

Développer des aéronefs est devenu plus complexe que jamais, car les entreprises s’efforcent de créer des produits plus durables et plus performants alors même qu’elles doivent intégrer les systèmes mécaniques avec toujours plus de systèmes électriques et électroniques (E/E) et de logiciels. Il en résulte une augmentation importante du nombre de faisceaux devant être routés dans les structures des aéronefs, ce qui rend plus difficile d’en réduire le poids malgré l’adoption de nouveaux matériaux plus légers. L’échelle et la complexité actuelles du développement d’aéronefs obligent les constructeurs à s’appuyer davantage sur leurs partenaires et fournisseurs, répartis dans le monde entier. Mais cette dépendance constitue une source de stress et de risques lors des phases d’intégration et de certification des systèmes, et nécessite une communication permanente entre les différentes parties prenantes.
 
Trop souvent, cette communication repose sur des documents numériques et des e-mails figés (ou statiques), et cette approche cloisonnée peut sérieusement retarder, voire compromettre, l’aboutissement du programme tout entier. En effet, les problèmes d’intégration et d’assemblage au niveau de l’aéronef sont détectés tardivement, souvent lors des phases de fabrication et d’essai en vol. En outre, pour pouvoir maîtriser le coût du développement, il est nécessaire d’avoir une vue intégrée de l’aéronef dès le stade conceptuel. Plus ce comportement dynamique intégré et basé sur les modèles peut être compris et corrigé tôt grâce à la transformation numérique, mieux cela vaut.
 
Une approche basée sur les modèles et la digitalisation
Une approche moderne de l’ingénierie des systèmes basée sur les modèles (MBSE), reposant sur un jumeau numérique et sur la continuité numérique, peut améliorer de façon importante l’exécution des programmes. Avec une telle approche décloisonnée, les différentes parties prenantes peuvent fournir des modèles comportementaux et collaborer étroitement pour aligner, grâce à des interfaces précises, la façon dont ces modèles sont définis, ce qu’ils représentent et comment ils interagissent avec les systèmes voisins ou les disciplines connexes.
 
Les ingénieurs aéronautiques peuvent étudier plus tôt les différents compromis possibles afin d’avoir une meilleure idée des architectures systèmes et structurales optimales, d’après les informations fournies par l’aéronef intégré, ce qui leur permet d’effectuer de meilleurs choix et peut réduire considérablement les risques pesant sur le programme.
 
Les simulations multiphysiques sont nécessaires pour pouvoir modéliser les sous-systèmes de l’aéronef et leurs composants, à la fois isolément et dans le contexte de leur intégration dans l’aéronef. Pour cela, les composants et les paramètres doivent être disponibles sous différentes formes, ou avec des niveaux d’abstraction différents.
 
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Figure 1 - La MBSE et la simulation multiphysique couvrent l’intégralité du processus de développement.
 
Les structures demeurent un élément crucial du système
En matière de développement d’aéronefs, tout ce qui concerne la navigabilité demeure au centre des préoccupations, mais l’utilisation croissante de systèmes intégrés, de dispositifs électroniques et de logiciels modifie peu à peu cet ordre établi et fait peser un risque supplémentaire sur l’obtention de la certification dans le délai et le budget prévus. Les aéronefs étant de plus en plus contrôlés à l’aide de systèmes électroniques, les faisceaux qui transmettent les données doivent être pris en compte dans le système global, car ils ont un poids, occupent de l’espace et traversent souvent des structures mécaniques. Dans les domaines structuraux, cela impose de comprendre par où le faisceau de câbles doit passer : devra-t-il être routé à travers des couples, des longerons et d’autres éléments structuraux pour atteindre des dispositifs d’éclairage ou des gouvernes, ou alimenter de nouveaux systèmes de propulsion électriques ? Comment cette association de systèmes et de structures affecte-t-elle la dynamique de vol ?
 
Ce sont là des questions cruciales, qui doivent recevoir une réponse bien avant la phase de production. Les modèles correspondant aux différents aspects de la conception – structures, systèmes mécaniques et électriques – doivent être traités et améliorés en parallèle pour permettre l’optimisation pluridisciplinaire, ce qui explique l’importance grandissante de la simulation dans le développement des systèmes interconnectés des aéronefs. Des fonctionnalités robustes de simulation multiphysique et de test permettent aux ingénieurs de modéliser, comprendre et optimiser le comportement physique de tous les éléments d’un futur aéronef, notamment dans les domaines du développement structural, des transferts fluidique et thermique, du développement de systèmes, de la gestion thermique, du confort de la cabine, de l’électromagnétique, de la vérification, des tests de certification, etc.
 
De plus, les approches traditionnelles ne permettent pas d’étudier ce comportement dans toutes les conditions d’exploitation. En revanche, en utilisant une approche MBSE numérique, les constructeurs peuvent considérer beaucoup plus de conditions d’exploitation qu’avec les seuls essais physiques, et mettre en œuvre une stratégie basée sur un aéronef intégré virtuel (VIA, virtual integrated aircraft). Un VIA est un ensemble de modèles de composants, de données et de paramètres représentés sous des formes différentes et qui évoluent pendant le cycle de développement. Une bonne plateforme de VIA permet aux ingénieurs de choisir et combiner des sous-systèmes sous la forme ou à l’échelle les mieux adaptées à l’application.
 
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Figure 2 - Configuration d’un essai d’avion intégré virtuel (VIA).
 
En termes de MBSE, cela veut dire spécifier les définitions du produit de manière à pouvoir optimiser les exigences liées au vol lors du développement au lieu d’ajuster un nombre limité de variables à la fin de la production. Ces caractéristiques de vol sont ensuite utilisées dans une simulation VIA, ce qui permet d’éviter de découvrir des modifications de conception lors des essais en vol et de devoir consacrer à ceux-ci des milliers d’heures supplémentaires. À mesure que les entreprises aéronautiques évolueront vers de nouveaux modes de transport, avec les véhicules aériens urbains et les aéronefs électriques, les besoins en matière d’essais virtuels augmenteront.
 
La vérification doit être continue
Si la complexité du processus de développement s’accroît, imposant à davantage d’équipes de collaborer entre elles, l’importance des implications en aval de chaque modification de conception augmente également. Par exemple, les processus d’allègement nécessitent de déterminer, en fonction des charges prévues, combien de plis composites sont suffisants pour un sous-assemblage d’aile et, lors du calcul de la marge de sécurité requise pour garantir l’intégrité structurale, de trouver un compromis permettant de réduire le poids total de l’avion. Ce processus de vérification continue peut, par exemple, signaler qu’un faisceau devra traverser une structure de support, auquel cas non seulement le faisceau mais aussi son connecteur, plus grand, devront pouvoir passer à travers l’élément structural pour permettre leur routage.
 
Mettre en œuvre une approche MBSE permet aux développeurs d’étudier et simuler des conceptions alternatives avec confiance et efficience. La vérification continue découle de la nature numérique de la solution, qui permet la traçabilité de la conception. Comme l’ensemble du processus de conception est défini à l’aide d’un jumeau numérique, chaque modification ou mise à jour de la conception fait l’objet d’un suivi et d’une comparaison par rapport aux définitions de produits créées pour le projet.
 
La simulation contribue aussi à réduire le coût de la certification de la structure et des systèmes, comme y contribuent également les scénarios de vérification de la stratégie et des logiciels de commande, tels que les tests model-in-the-loop (MIL), software-in-the-loop (SIL), hardware-in-the-loop (HIL) et pilot-in-the-loop (PIL). Il est crucial dans ce cas que ces modèles aient la même configuration que la conception à certifier. À cet effet, un processus de vérification doit prendre en charge des méthodes permettant d’accélérer la comparaison de jeux de données dans un environnement géré où la traçabilité est garantie par une gestion des vérifications bénéficiant d’une continuité numérique.
 
Une approche basée sur les modèles pour la conception d’aéronefs modernes
Le rythme de l’innovation continuant de s’accélérer dans le domaine de la conception d’aéronefs, les défis liés à la certification seront toujours plus nombreux. Les concepteurs devront continuer de trouver des compromis entre la complexité des systèmes d’avionique, qui nécessitent toujours plus de dispositifs électroniques et de faisceaux électriques, et les exigences de la conception structurale. Une approche basée sur les modèles englobe les éléments électriques et mécaniques afin de créer un jumeau numérique complet de l’ensemble de l’aéronef. Au fil de l’évolution des exigences liées au vol, la simulation multiphysique délivrera des informations précieuses qui permettront d’optimiser la conception de ces aéronefs avant même qu’ils n’effectuent leur premier vol.
 
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Dale Tutt est vice-président responsable du secteur Aéronautique et Défense chez Siemens Digital Industries Software. Il est chargé de définir la stratégie globale de Siemens pour ce secteur et d’élaborer des solutions spécifiques pour les clients du secteur Aéronautique et Défense. Avant de rejoindre Siemens, il a travaillé pour The Spaceship Company, une société sœur de Virgin Galactic, en tant que vice-président responsable de l’ingénierie et que vice-président responsable de la gestion des programmes, postes dans lesquels il a conduit le développement de vaisseaux destinés au tourisme spatial. C’est lui qui dirigeait l’équipe lors du vol spatial réussi qui a eu lieu en décembre 2018. Auparavant, Dale Tutt a travaillé pour Textron Aviation/Cessna Aircraft, où il a été responsable de programmes et responsable de l’ingénierie. En tant qu’ingénieur en chef et directeur du programme Scorpion, il a dirigé l’équipe pluridisciplinaire dynamique qui a réussi – en seulement 23 mois – à concevoir, construire et faire voler le prototype de ce nouvel avion à réaction. Il a également travaillé en tant qu’ingénieur chez Bombardier Learjet et au sein de la division Space System de General Dynamics.

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Marie Almeida

marie.almeida@siemens.com