Geneviève Mkadara

Activités de recherche :

Sujet de thèse : Développement de modèles des systèmes de commande vol des
hélicoptères pour le diagnostic de faute et la surveillance

Financement : CIFRE, avec Airbus Helicopters

Mots-clefs : Condition Monitoring, Diagnostic, Fiabilité, Hélicoptères, Modélisation multi-physique, Pronostic de faute

Contexte industriel

Le design d’un aéronef est contraint par des exigences fortes de maniabilité et de sécurité. Dans ce contexte de recherche de l’hélicoptère plus sûr, plus léger, et de concurrence forte se pose la question de l’optimisation de la maintenance. Des efforts sont faits dans cette direction depuis plusieurs années : de nombreux systèmes sont implémentés sur les appareils pour observer le vieillissement des équipements et beaucoup de données sont surveillées et stockées durant les vols.

Nombre d’études ont été réalisées pour les systèmes de commande de vol en aéronautique, sur les pompes comme sur les actionneurs hydrauliques, pour en améliorer les performances et notamment en comprendre
les phénomènes d’usure. Les paramètres les plus souvent surveillés et relevés sur les hélicoptères sont les vibrations (par mesure d’accélération), la pression et la température. Les voies de secours sont activées si ces paramètres sortent du domaine admissible. Il est à noter que la surveillance du système hydraulique (génération, distribution et actionneurs) n’utilise pas de mesures de vibration à l’heure actuelle.

Airbus Helicopters a déjà  mis en place des systèmes de (H)UMS (Health and Usage Monitoring System) qui enregistrent de nombreuses données. Le challenge actuel consiste à utiliser ces données pour diagnostiquer l’état des équipements critiques des appareils de la flotte et à terme pour anticiper les actions de maintenance à réaliser. Cela permettra d’augmenter la disponibilité des aéronefs et de réduire les risques d’accident. Pour relever ce challenge, il est prévu de développer des modèles dédiés des équipements concernés, exploitant l’analyse des données (H)UMS, des retours d’expertise et des différents essais d’endurance. Cette approche permet de confronter les données issues de la simulation des modèles, orientés diagnostic/pronostic, à
des données réelles et ainsi de rendre robuste le diagnostic lorsqu’il est effectué sur la base de modèles. Un point important à considérer porte sur la validité des modèles qui, s’ils sont identifiés sur des modèles en service, devront aussi être applicables avec réalisme aux appareils récents de la flotte.

Contexte scientifique

La modélisation de niveau système des équipements hydrauliques aéronautiques et de leur vieillissement est un sujet multi-domaine (thermique, hydraulique, mécanique, électronique et informatique) et multi-niveau (systèmes, sous-systèmes, équipements, composants).

De nombreuses thèses et articles ont été rédigés sur des sujets similaires, s’appuyant sur de la modélisation ou sur des essais en laboratoire mais rarement sur des données réelles (vol, essais d’endurance). Par ailleurs, l’état de l’art en modélisation des systèmes et équipements hydrauliques couvre essentiellement les besoins de synthèse de la commande et de prototypage virtuel. Un effort particulier doit être porté sur le développement de modèles robustes par rapport aux incertitudes sur les conditions d’opération (environnement thermique et vibratoire, mission, etc.) et les dommages cumulés (usure, vieillissement, etc.). Un autre point à considérer est la détection du comportement d’équipements ayant un mode de détérioration ou de défaillance spécifique.

Cette détection doit être réalisable avec une fiabilité suffisante, sur un aéronef en service et dans des conditions de service. Un processus optimisé permettant cela n’a pas encore été défini. Le travail proposé dans le cadre de cette thèse vise donc à combler ce manque en proposant des approches nouvelles combinant la modélisation réaliste et l’analyse de données de vol.

Objectifs

Au travers de la thèse, il est prévu de développer des modèles physiques d’équipements de commande de vol
(génération/distribution hydraulique, actionneurs). Ces modèles seront enrichis par la comparaison des résultats issus de la simulation de ces modèles avec les données générées par le système (H)UMS et des données issues d’essais d’endurance ou encore des essais au sol et en vol. On exploitera en particulier les croisements entre les mesures (H)UMS et des retours d’expertise d’équipements défaillant. Une attention toute particulière sera portée aux pompes et actionneurs, éléments critiques de la transmission de puissance hydraulique pour les commandes de vol sur hélicoptère. Les modèles seront, à terme, utilisés comme base de diagnostic pour l’état des équipements. Un second objectif portera sur la recherche de l’ensemble minimal de données à mesurer pour assurer une signature des fautes non ambiguë et robuste. Ce travail permettra de déterminer dans la conception préliminaire des systèmes et circuits hydrauliques quels sont les capteurs indispensables et où ils doivent être placés pour fournir des informations les plus riches pour le diagnostic.

Sous l’aspect scientifique, cette thèse s’attachera essentiellement à :

  • Développer des modèles des équipements critiques de puissance embarquée (principalement pompe et actionneurs), robustes en particulier à l’environnement vibratoire et climatique complexe qui découle de la conception et de l’usage des hélicoptères.

  • Optimiser la taille des données nécessaires à la surveillance des équipements ainsi que l’utilisation et l’emplacement des capteurs et équipements de sécurité (réponse aux cas de panne).

  • A terme, fournir au système (H)UMS les modèles et les mesures les plus pertinents permettant la mise en oeuvre d’une méthode viable pour anticiper les besoins de maintenance, prévoir et améliorer la disponibilité des appareils.