Methodology for defining propulsive system boundaries in the framework of conceptual design of a fully integrated airplane

L’aviation civile vise à réduire son impact sur l’environnement naturel pour compenser sa croissance ; plusieurs solutions sont envisagées à cette fin. Cependant, des arguments forts existent que l’agrégation simple des solutions des secteurs individuels ne suffit pas pour trouver l’optimum global. Cette thèse est motivée par l’abondance de concepts innovants des systèmes propulsifs avec un potentiel théorique d’améliorer le rendement énergétique. Ces derniers dépendent soit de synergies entre les systèmes embarqués, soit de stratégies d’opération permettant optimisation des performances sur des missions complètes. Telles approches ne résolvent pas nécessairement le problème en question puisque les émissions ainsi évitées pendant le vol pourraient être retrouvées plus loin dans l’écosystème ; e.g. l’électrification de la propulsion suppose que l’extraction des rares métaux est faite de la façon durable. La capacité des nouveaux systèmes à respecter les défis environnementaux s’évalue à l’avant-projet. Cependant, les méthodes conventionnelles ne sont pas capables d’analyser les concepts au-delà des turbines à gaz, ni d’intégrer des impacts potentiels du haut niveau. L’objectif de cette thèse est donc d’élaborer une méthode de design conceptuel qui intègre les valeurs de durabilité, robuste face aux contradictions potentielles entre les exigences/contraintes locales et globales.Dans un premier temps, nouveau cadre conceptuel est développé qui représente les objets (systèmes) en tant que réseaux de causalité de quelconque envergure, ainsi permettant aux dessinateurs de capter à la fois le système d’intérêt ainsi que les interactions à travers sa frontière. Le cadre est évolutif, i.e. il capte la flexibilité du système aux changements dans l’environnement complexe ; une telle représentation permet d’éviter de sacrifier la robustesse de la méthode pour atteindre la flexibilité. Contrairement au paradigme conventionnel qui voit le système simplement comme une structure et performance sur un profil d’opération, le nouveau cadre basé sur réseaux abstraits représente le système en tant que la totalité de son cycle de vie. Conforme avec les valeurs de durabilité, cet objet est interfacé avec son environnement complexe grâce aux flux de matière et énergie à travers sa frontière.Une méthode de design préliminaire d’architectures de systèmes est ensuite dérivée dans le but de trouver des concepts qui conforment à la fois aux exigences/contraintes locales et globales. A la place des approches qui s’appuient aux heuristiques et données empiriques, cette méthode initialise le processus par un simple concept abstrait associé à une performance minimale mesurée en métrique compatible avec l’objectif du haut niveau (e.g. pour un système industriel durable en rendement énergétique). Il est ainsi possible de dessiner des architectures de système à partir de ce point, avec la conscience du contexte complexe du haut niveau, mais aussi des possibles interactions avec les systèmes voisins.Ce travail de thèse explore le rapport entre le moteur et l’avion, ainsi que celui entre l’avion et le système planétaire. La frontière d’un système qui respecte les exigences/contraintes d’un système de plus grande envergure doit provenir d’un trade-off entre la performance « locale » du système et les propriétés du système « global » dont le système local interagit. Les cas d’étude appliquant la méthodologie ci-développée mettent en corrélation la forme de la frontière du système avec sa performance à l’échelle locale et globale. Les résultats indiquent des limitations dans les méthodes conventionnelles, ainsi que leur nature catégorique bloque la faisabilité du système par rapport aux problématiques du haut niveau. Cela permet finalement à faire des déductions importantes concernant stratégies d’échange d’information entre les acteurs pilotant des systèmes à petite échelle, l’échange nécessaire pour répondre collectivement au problème de la durabilité globale.