Programmes du Fonds des nouvelles initiatives de l'IRA

En 1999, l'Institut de recherche aérospatiale (IRA) du CNRC a lancé le Fonds des nouvelles initiatives (FNI) pour aider ses chercheurs à faire progresser la technologie à l'IRA. Le FNI permet de solliciter, déterminer, développer et financer de nouvelles orientations de recherche à l'IRA. Des fonds sont alloués aux projets visant la réalisation des objectifs du plan stratégique de l'IRA et présentant un potentiel à long terme pour l'industrie aérospatiale. Ces projets sont d'une importance fondamentale pour l'établissement de nos compétences et l'orientation de notre recherche à long terme.

Chaque année, le personnel de l'IRA doit concourir pour obtenir un financement du FNI. Certains projets sont entrepris avec des partenaires existants. Les chefs de projet essaient donc de trouver des partenaires qui pourraient profiter des résultats ou de la participation à un développement continu, alors que les travaux progressent et les idées se concrétisent.

Dans cet encart spécial du Bulletin de l'IRA, nous aimerions vous présenter quelques-uns de ces projets. Pour participer à tout projet, communiquez avec Jeff Mackwood, gestionnaire de marketing, au (613) 990-0765. Votre participation pourrait signifier collaborer étroitement au développement de la technologie, à la concession de licences pour l'exploitation d'une technologie existante, ou à une technologie en devenir.

Projets FNI :

• Installation d'essai pilote sur les nombres de Reynolds bas
• Installation de recherche en vol sur l'interface pilote-cockpit
• Paliers à sec
• Pronostics sur les systèmes de propulsion
• Séchage par faisceau d'électrons pour le rapiéçage des composites
• Modélisation d'hélicoptères grâce à la technologie du battement des rotors
• Commandes actives des hélicoptères
• Contrôle du bruit et des vibrations des hélicoptères
• Étude sur les interactions tourbillons-cisaillement
• Système de mesure du bruit causé par l'écoulement
• Revêtements surstructures et nanocomposites
• Imagerie hyperspectrale
• Microphones de pointe dans le cockpit
• L'effet du vieillissement sur les câblages
• Antigivrage du rotor principal des hélicoptères

L'installation d'essai sur les nombres de Reynolds bas

Installation d'essai pilote sur les nombres de Reynolds bas

La miniaturisation des systèmes électroniques et mécaniques permet maintenant de développer de très petits véhicules aérospatiaux (micro-avions ou MAV) pour des applications militaires et civiles comme la lutte au terrorisme, la recherche et le sauvetage et la lutte contre le trafic de drogue. L'essai de ces MAV dans des installations aérodynamiques conventionnelles posant un réel défi (la conservation de nombres de Reynolds appropriés exige des maquettes minuscules), une nouvelle installation était nécessaire.

En 2001, le Dr Ernest Hanff de l'IRA a obtenu un financement pour la construction d'une installation de recherche aérodynamique sur les nombres de Reynolds bas. La section transversale de 1m x 1m de la structure peut être remplie de glycérine, permettant aux chercheurs d'utiliser des maquettes de MAV plus grosses tout en conservant les bons nombres de Reynolds. Le succès de l'installation pilote a mené à l'octroi d'une licence, en 2002, à Aiolos Engineering pour la commercialisation de cette technologie. Le Dr Hanff cherche présentement des partenaires pour le financement de la construction d'une installation pleine grandeur.

Nouvelle symbologie asymétrique d'indication de l'assiette, appelée « la poire », utilisée pour une étude sur le recouvrement d'assiettes anormales

Installation de recherche en vol sur l'interface pilote-cockpit

Entre 1987 et 1996, 24 % de tous les accidents aériens ont été imputés à un impact sans perte de contrôle (CFIT), où la désorientation spatiale était un facteur important. En 1999, le Dr Greg Craig et Sion Jennings de l'IRA ont donc décidé d'entreprendre un projet du FNI sur la diminution de la désorientation spatiale pour étudier les interactions pilote-aéronef à l'aide du Harvard Mark IV du CNRC. L'installation d'un écran plat et d'un ordinateur dans le cockpit ont transformé l'aéronef en une installation de recherche en vol pour l'étude des facteurs humains et la performance de l'affichage.

En 2002, Recherche et Développement pour la défense Canada a utilisé le Harvard du CNRC pour une étude sur le recouvrement d'assiettes anormales. L'utilisation d'une nouvelle symbologie asymétrique a permis au pilote de redresser l'avion en moins de temps et avec moins d'erreurs qu'avec un indicateur d'assiette régulier. L'IRA a récemment entrepris une collaboration avec un partenaire de l'industrie aérospatiale pour conformer l'affichage de son aéronef à celui du Harvard. Les essais préliminaires commenceront cet hiver

Rendu 3D de l'installation d'essai proposée pour la mesure de la performance des paliers à sec

Paliers à sec

Les paliers à sec faits de feuilles métalliques (foil bearing) pourraient permettre de réduire la masse du moteur et l'entretien de la machinerie rotative à haute température par l'élimination des paliers et des lubrifiants conventionnels. Il faut toutefois relever divers défis techniques avant que cette technologie soit largement utilisée, comme l'incapacité de supporter des charges lourdes et le manque de méthodes de prévision de la performance.

Pour surmonter ces difficultés, Keith Brockwell et le Dr Waldemar Dmochowski de l'IRA ont entrepris un projet en 2001 pour développer des outils d'évaluation de la performance et mieux comprendre le comportement des paliers faits de feuilles métalliques dans des conditions variables. L'IRA exploitera bientôt une installation d'essais pour mesurer les caractéristiques de performance statique et dynamique des paliers. Au cours des deux prochaines années, l'installation servira à des études expérimentales et au développement d'un modèle informatique fiable pour des études futures.

Pronostics sur les systèmes de propulsion

Bien que l'IRA ait acquis énormément d'expérience dans l'essai et l'évaluation des moteurs depuis 20 ans, les outils d'analyse n'ont pas suivi les nouvelles capacités de traitement de masses de données. En 2001, Jeff Bird et le Dr Krish Krishnappa de l'IRA ont donc décidé de développer et de valider de nouveaux algorithmes pour la prédiction des événements et des procédés physiques des systèmes de propulsion. Ils ont conclu un marché avec Pratt & Whitney Canada (PWC) pour vérifier la capacité des algorithmes de prédire le commencement du décrochage ou d'une saute de régime des moteurs d'hélicoptères, pour en améliorer la performance.

Les chercheurs ont utilisé les données fournies par PWC pour développer des algorithmes de détection des signes avant-coureurs du décrochage des moteurs. Ces algorithmes décèlent ce genre d'événements beaucoup plus tôt que les techniques existantes. Les algorithmes sont présentement intégrés à la modélisation aérodynamique dans le cadre d'une collaboration avec le Collège militaire royal du Canada. Les plans futurs comprennent l'essai des algorithmes sur un moteur T400 en service, d'autres applications et du travail avec les Forces canadiennes pour le diagnostic des défauts de paliers des aéronefs de transport.

Appareil de mesure du stress résiduel servant à mesurer le gauchissement d'éprouvettes de rapiéçage séché par FE

Séchage par faisceau d'électrons pour le rapiéçage des composites

Les fabricants d'aéronefs utilisent de plus en plus de composites de pointe dans leurs aéronefs, comme l'Airbus A380 et le Boeing 7E7. Ces nouveaux matériaux améliorent la performance et le poids des aéronefs mais ils posent des défis nouveaux quant à la maintenance. Le développement de méthodes de réparation rapides et rentables serait un atout.

En 2000, les chercheurs de l'IRA Don Raizenne, le Dr Andrew Johnston et Laura Petrescue ont créé un projet du FNI pour étudier le séchage par faisceau d'électrons (FE), une technologie nouvelle qui utilise des électrons à haute énergie au lieu de la chaleur pour sécher les composites, et développer des méthodes de rapiéçage des composites. Le groupe a collaboré avec la compagnie Acsion Industries et aidé Acetek, une entreprise d'essaimage, à développer la première application homologuée de séchage par FE pour réparer les aéronefs. Cette collaboration a permis à l'IRA d'acquérir d'importantes compétences dans le séchage par FE et de mieux comprendre cette technologie. Le groupe aimerait conclure d'autres partenariats pour développer davantage la technologie et ses applications.

Système de mesure du battement du rotor installé sur l'hélicoptère Bell 412 du CNRC

Modélisation d'hélicoptères grâce à la technologie du battement des rotors

La dynamique complexe des aéronefs présente un réel défi pour la modélisation des hélicoptères, et l'amélioration des modèles exige une mesure précise de la traînée et du battement. La technique de mesure actuelle étant compliquée (elle utilise des bagues collectrices comme interface entre les éléments rotatifs et fixes), les chercheurs de l'IRA Bill Gubbels et Ken Hui ont obtenu des fonds en 2001 pour équiper l'hélicoptère Bell 412 d'un système de mesure du battement du rotor basé sur la technologie de transmission sans fil.

Ce nouveau système a permis de s'assurer que les données sur la traînée et le battement du rotor étaient transmises du rotor principal de l'hélicoptère à son fuselage sans interférence. Les chercheurs élaborent présentement un modèle mathématique complet du Bell 412, en collaboration avec l'université de Liverpool (Angleterre).

Commandes actives des hélicoptères

Le pilotage d'un hélicoptère est une entreprise dangereuse, la plupart des vols s'effectuant à basse altitude et à proximité d'obstacles, les systèmes d'avertissement de la cabine informant le pilote uniquement lorsqu'une limite est dépassée. Les pilotes profiteraient énormément de l'installation d'un système intelligent qui les aiderait à ressentir et éviter les conditions de vol dangereuses.

En 2000, le chercheur Bill Gubbels de l'IRA a entrepris un projet du FNI dans ce but précis. Deux technologies de pointe - vol à commandes électriques et manches de commande latéraux - ont été intégrées à un système de commande actif et installées dans l'hélicoptère Bell 412. Ce système fournit au pilote des indices tactiles qui l'aident à ressentir les limites structurales et du moteur, sans le distraire. Des vols de démonstration auront lieu pendant l'hiver.

Il y aura aussi d'autres essais avec un radar à ondes millimétriques pour détecter les obstacles et en indiquer la proximité par des indices tactiles. L'installation d'un système actif d'indices tactiles dans les hélicoptères en ferait des appareils très sécuritaires, ce qui intéresse beaucoup les fabricants du secteur de l'avionique.

Essai du concept « Smart Spring » dans une soufflerie de l'IRA

Contrôle du bruit et des vibrations des hélicoptères

Les fabricants d'hélicoptères essaient de réduire le bruit et les vibrations dans les hélicoptères. Les systèmes de contrôle individuel actuels sont inadéquats. À la recherche d'une solution, les chercheurs en aéroacoustique de l'IRA ont créé un projet du FNI en 1999 pour développer un nouveau système « hybride » intégré.

L'équipe a développé le « Smart Spring », un ressort intelligent qui supprime la vibration en modifiant la rigidité de la pale du rotor. Des essais ont confirmé que le « Smart Spring » permet de réduire sensiblement les fréquences harmoniques multiples et la vibration à large bande. L'utilisation d'une surface portante avec orifices pour réduire la turbulence des pales a permis de supprimer le bruit. La surface portante a été soumise à des essais en soufflerie pour déterminer l'emplacement optimal des orifices, et elle subit présentement d'autres essais pour déterminer la disposition idéale des orifices. Les chercheurs signeront bientôt des accords de collaboration avec des partenaires de l'industrie pour poursuivre le développement de la technologie.

Simulation de l'effet du cisaillement du vent sur les tourbillons en bout d'aile

Étude sur les interactions tourbillons-cisaillement

Souvent blâmés pour les accidents mortels, les tourbillons en bout d'aile ne constituent pas un risque majeur si on observe les règlements sur les intervalles entre les décollages. Ils peuvent toutefois s'intensifier dans les conditions ambiantes, soumettant un aéronef à une turbulence et des mouvements de roulis plus grands que ceux normalement attendus.

En 2002, l'aérodynamicien de l'IRA, le Dr Miroslav Mokry, a entrepris une étude sur le comportement de ces tourbillons en présence du cisaillement du vent. À l'aide de méthodes computationnelles, il a identifié deux types d'interactions des couches tourbillons-cisaillement : une faible interaction où les tourbillons de l'aéronef passent à travers la couche de cisaillement et continuent leur descente, et une forte interaction où les tourbillons s'arrêtent à la couche de cisaillement, se découplent et interagissent avec les éléments de la couche de cisaillement nouvellement créée. Selon le Dr Mokry, ce dernier phénomène pourrait avoir créé une turbulence inattendue et causée l'écrasement du vol 587 de l'American Airlines dans Queens (New York) en novembre 2001. Le Dr Mokry vérifiera les résultats obtenus par ordinateur en menant des expériences en soufflerie. La preuve de cette théorie pourrait mener à des changements dans les règlements sur la circulation aérienne.

Système de mesure du bruit causé par l'écoulement

Bien que les niveaux de bruit des moteurs d'avion aient sensiblement diminué depuis dix ans, des normes plus strictes exigeront bientôt la réduction du bruit causé par l'écoulement. Comme il n'existe aucune installation canadienne capable de mesurer le bruit, en 2002, les Drs Norman Ball et Steve Zan de l'IRA ont créé un projet du FNI pour y remédier. Le système de mesure du bruit localisera et caractérisera les sources de bruit à l'intérieur d'une soufflerie. Il pourra aussi être appliqué au secteur automobile.

Le système consiste en une série de microphones montés sur le mur de la soufflerie et un système d'analyse pour la corrélation de tous les signaux provenant des microphones. Le système a déjà été mis à l'essai à l'extérieur de la soufflerie où il sera installé en mars 2004. Les compagnies Bombardier et Honda ont déjà manifesté de l'intérêt envers cette technologie, tout comme des fabricants canadiens d'éléments de trains d'atterrissage. Plus tard, l'IRA installera le système dans sa soufflerie de 9 m pour le développement de l'acoustique des véhicules automobiles.

Essai d'une éprouvette de revêtement nanocouches avec le testeur de nanodureté de l'IRA

Revêtements surstructures et nanocomposites

Le sable, la poussière et la cendre volcanique peuvent réduire la durée de vie des aéronefs et en augmenter les coûts de réparation. Il existe présentement des revêtements pour protéger les moteurs des aéronefs, mais leur performance est insatisfaisante. Les Drs Qi Yang et Linruo Zhao de l'IRA, qui participent à un projet du FNI entrepris en 1999, essaient de développer de meilleurs revêtements en utilisant la technologie de la pulvérisation magnétron asymétrique. Ils produisent des revêtement surstructures composés de deux couches alternatives de matériaux différents (Ti-TiN et TiN-CrN) dont la dureté et la résistance à l'usure sont supérieures aux revêtements de TiN commerciaux.

Le succès du projet a mené à un financement dans le cadre du programme coopératif CNRC-A*STAR (Singapour) pour le développement de ces revêtements nanostructurés pour le secteur de l'aérospatiale. Dernièrement, les chercheurs ont utilisé une méthode de modélisation-expérimentation intégrée pour produire des revêtements nanocomposites résistant mieux à l'érosion que les revêtements de TiN conventionnels.

Image hyperspectrale composite utilisant des données de vols effectués dans le Nord du Québec (blanc-gris = surtout de la roche, vert = surtout de la végétation, noir = eau)

Imagerie hyperspectrale

Le manque de méthodologie appropriée et de sensibilité des instruments nuisant à la télédétection aérienne des dépôts miniers, le Dr George Leblanc a décidé de résoudre le problème. En 2000, il a entrepris un projet du FNI pour combiner l'imagerie hyperspectrale aérienne et les gradients aéromagnétiques, et tracer une cartographie 3D des volumes unitaires géologiques. Deux partenaires, Noranda et Falconbridge, ont fourni les données hyperspectrales numériques de deux sites canadiens - Sudbury (Ontario) et un site d'exploration nordique. Le Convair 580 du CNRC a permis de recueillir des données aéromagnétiques à Sudbury et de les transposer au site nordique.

Le succès du projet a permis à l'IRA d'acquérir de la compagnie canadienne ITRES Ltd. un imageur hyperspectral infrarouge de courte longueur d'onde (IRCL) pour son Convair. Le nouveau système aidera le ministère de la Défense du Canada à mieux cerner les cibles militaires avec ou sans signature thermique. Il servira aussi à l'exploration minière et à la recherche sur le givrage des aéronefs.

Microphones de pointe dans le cockpit

Depuis 40 ans, les normes relatives aux enregistreurs de parole de cockpit (CVR) ont beaucoup évolué. La qualité globale des canaux de transmission des microphones de cockpit (CAM) n'a toutefois pas changée, les bruits ambiants y masquant les conversations. Convaincu de pouvoir améliorer la situation, en 2000, Elias Politis de l'IRA a obtenu du financement pour développer un CAM de pointe. Ce système, basé sur la technologie existante et la technologie de reconnaissance de la voix, fournirait des données plus utiles et permettrait de déterminer plus facilement la cause des accidents.

Le prototype de CAM de pointe comprend plusieurs microphones répartis dans le cockpit. Des algorithmes permettront de rassembler toutes les données dans un seul canal qui sera ensuite amélioré par la reconnaissance de la voix, la réduction du bruit, et la compensation des canaux. Cet appareil fera de l'IRA un chef de file dans le domaine des appareils d'enregistrement dans le cockpit et pourrait mener à des modifications de la réglementation et des possibilités de licences pour les compagnies canadiennes.

Câblage fissuré d'un avion Boeing

L'effet du vieillissement sur les câblages

De récents accidents d'aéronefs, dont l'écrasement du vol 111 de la Swiss Air, étant reliés au vieillissement des câblages et des systèmes, la Federal Aviation Administration (FAA) américaine a proposé de nouveaux règlements pour resserrer les exigences en matière d'inspection. Ces règlements exigeront une compréhension approfondie du vieillissement des câblages, et de nouvelles techniques d'inspection. Le don au CNRC, en 2001, d'un Boeing 727 comptant 35 ans de service, 76 598 heures de vol et 59 981 cycles a offert aux chercheurs de l'IRA une occasion inouïe pour l'acquisition d'une telle expertise.

En 2002, David Forsyth et Ron Gould de l'IRA ont créé un projet du FNI pour évaluer les câblages et les sous-systèmes du Boeing. Ces évaluations ont entraîné l'étude d'un faisceau de fils électriques particulier jugé non fiable par la FAA. Des inspections visuelles de ces fils ont été suivies de techniques de contrôle non destructif. Les résultats de l'étude ont été présentés à la conférence sur le vieillissement des aéronefs, à New Orleans, en novembre 2003, démontrant que les inspections visuelles seules peuvent empêcher de déceler des défauts majeurs aux aéronefs.

Section de pale de rotor d'hélicoptère subissant des essais de givrage en altitude dans la soufflerie de givrage en altitude de l'IRA

Antigivrage du rotor principal des hélicoptères

Les tentatives de développement de méthodes efficaces de dégivrage et d'antigivrage des pales du rotor principal des hélicoptères ont connu peu de succès. Les couvertures de protection électro-thermique utilisées présentement pour faire fondre la glace sur les pales du rotor fonctionnent, mais elles coûtent cher et sont énergivores. En 2002, le Dr Prakash Patnaik, le Dr Myron Oleskiw et Stephan Carignan de l'IRA ont lancé un projet pour étudier les technologies de dégivrage et trouver une solution de rechange plus rentable.

Parmi les sept technologies étudiées, seuls les alliages à mémoire de forme (AMF), qui comptent sur l'expansion thermique pour déloger la glace mécaniquement, semblaient prometteurs. Les chercheurs ont donc élaboré un concept et en ont fait l'essai dans la soufflerie de givrage en altitude de l'IRA. Ils y procéderont bientôt à une version révisée de cette technologie. Si celle-ci s'avère efficace, ils feront l'essai d'une adaptation de la technologie sur un hélicoptère réel. L'équipe aimerait conclure des accords de collaboration avec des fabricants d'hélicoptères.