Approche virtuelle pour la conception et le développement des systèmes mécatroniques – Mise en oeuvre

Au cours de la dernière décennie, l'augmentation du trafic aérien, du coût de l'énergie et la prise de conscience des impacts environnementaux ont conduit les avionneurs à développer des solutions plus sures, plus économiques et moins polluantes. Dans cette quête, le développement de systèmes de puissance et d'information « plus électriques » est très vite apparu comme une source prometteuse de progrès. Les systèmes d'actionnement à puissance électrique, déjà présents sur les récents avions commerciaux, permettent de maîtriser plus finement la puissance, de réduire la consommation d’énergie fossile, de réduire la masse embarquée des fluides polluants et d’optimiser la maintenance en identifiant mieux les pannes, tout en conservant la disponibilité de la fonction malgré une technologie plus sophistiquée.

La technologie utilisée pour les systèmes d’actionnement embarqués à puissance électrique présente des propriétés spécifiques et nouvelles pour les concepteurs :

• l'inertie des rotors des moteurs électriques affecte significativement le dimensionnement en puissance et le comportement dynamique naturel de l'actionneur ;

• les pertes d'énergie dans l'actionneur doivent être évacuées localement, à l'inverse des actionneurs hydrauliques où le fluide joue aussi le rôle de convoyeur de chaleur ;

• les fonctions secondaires d'amortissement en fin de course doivent être réalisées par la commande des moteurs ;

• l'augmentation de la complexité de l'actionneur impose de pouvoir diagnostiquer et reconfigurer le système en cas de panne.

Ainsi, les systèmes hydrauliques sont remplacés par des systèmes électriques très sophistiqués.

Ces systèmes hébergent des électroniques très intégrées et du logiciel embarqué qui doivent respecter des normes sévères (DO178 et DO254 respectivement) et qui sont soumis à un processus de développement formel et souvent long à dérouler.

Ce processus de développement des systèmes aéronautiques complexes est régi par une méthodologie de V&V, conformément à la norme ARP4754 (Aerospace Recommended Practice « Certification considerations for hightly-integrated or complex aircraft systems »). Cette méthodologie est représentée en figure 1.

Ce processus V&V est supporté par des moyens de simulation dans la branche descendante du V pour valider les exigences et les hypothèses d’allocations aux composants. En pratique, plusieurs configurations sont déclinées par niveau depuis un environnement entièrement simulé au départ puis elles intègrent au fur et à mesure les calculateurs (logiciel puis logiciel et matériel) fonctionnant en temps réel. Ces calculateurs sont mis en face d’un contexte de plus en plus simplifié pour satisfaire les contraintes temps réel, soit les activités « A » sur le diagramme de la figure 1.

Les moyens d’essai de vérification sont utilisés sur la branche remontante du V pour établir le dossier de certification, soit les activités « B » sur le diagramme de la figure 1.

Ces moyens sont en général conçus pour être les plus représentatifs possible, car les écarts avec le réel devront être parfaitement justifiés auprès de l’avionneur.

Cependant, l’intégration des composants intervient parfois trop tardivement au banc d’essai. Elle est souvent à risque car elle s’accompagne presque toujours de la découverte d’aléas, preuve que les modèles utilisés dans la chaîne de simulation ne sont pas encore suffisamment représentatifs, ou que la portée des simplifications d’intégration temps réel a été mal analysée. Il convient alors de redévelopper une version améliorée du système (portant souvent sur le logiciel), tout en maintenant la version existante appelée sur le moyen supérieur (banc d’essai de l’intégrateur, campagne d’essai en vol...).

Ces surcoûts et retards sont donc clairement expliqués d’une part par une modélisation insuffisante des phénomènes physiques et d’un défaut de validation des modèles simplifiés, et d’autre part par une disponibilité trop tardive du moyen d’essai.

Enfin, se pose la question du cycle de vie de ces moyens. Par exemple, pour fournir le système électrique de l’inverseur de poussée de l’Airbus A380, Aircelle a fait développer trois bancs d’essais : un banc exploratoire et partiel de la technologie, un banc d’intégration et développement pour la vérification et la validation (V&V) et un banc de robustesse et de maturité.

Comment réutiliser ces bancs pour permettre d’intégrer au plus tôt les nouvelles technologies ? Comment améliorer la chaîne de simulation avec des modèles prenant mieux en compte les phénomènes physiques ? La modélisation du moyen d’essai lui-même permettra-t-elle d’expliquer les écarts de représentation de la réalité physique ? Permettra-t-elle également de transposer des résultats d’un banc initialement moins représentatif mais immédiatement disponible et qui sera amené à évoluer lorsque les prototypes à tester seront présents ?

La définition et la mise en œuvre d'une approche virtuelle qui permettrait de répondre positivement à ces questions constitue pour Aircelle un enjeu de taille, en particulier pour la conception, le développement et la validation de systèmes d’actionnement électromécaniques pour inverseur de poussée.

Le présent article a pour objectif d’appliquer la méthodologie de conception et de développement de systèmes mécatroniques proposée dans l’article [S 7 800]. Cette démarche, basée sur les aspects modèles et plate-forme logicielle, est mise en œuvre dans le cadre d’un système d’actionnement électromécanique d’inverseur de poussée.

Le processus défini dans la figure 2 montre bien ce que peuvent être les bénéfices d'une plate-forme virtuelle.

Grâce à une utilisation accrue de la simulation dans les premières étapes du projet, les tests de mise au point du système sont mieux optimisés, ce qui se répercute directement sur les coûts. La nécessité du recours à ce type de méthodes n’est plus à démontrer et les enjeux économiques ne sont plus à justifier.