Projet 1 : le kit Joby S2

L’effort principal de développement de Joby Aviation est le décollage et atterrissage vertical (VTOL) montré à la figure 1, qui s’attache à réduire ou éliminer le bruit, les coûts d’exploitation élevés, la faible vitesse et les niveaux de sécurité relativement faibles qui, ensemble, ont sévèrement limité la prolifération des avions VTOL classique de cette taille, en limitant leur champ d’exploitation aux hélicoptères. Le S2 emploie plusieurs hélices de décollage et d’atterrissage pour augmenter la sécurité grâce à leur redondance. En croisière, la plupart de ces hélices se replient contre leurs nacelles pour réduire la traînée. La conception des pales de ces hélices est un compromis entre la performance de l’hélice et la traînée des nacelles avec les lames pliées. Une analyse très poussée a été nécessaire pour analyser ce compromis. Une diversité de modèles d’hélices ont été évalués dans diverses conditions d’exploitation avec le logiciel STAR-CCM +, et l’incidence aérodynamique du profil des nacelles a été analysé dans la configuration de croisière en utilisant le modèle de transition γ-Reθ. Une telle géométrie de la nacelle peut être vu sur la figure 2, où figurent à la fois la nacelle non modifiée et la même nacelle avec les lames repliées. Ces résultats indiquent où et comment la modélisation des pales de l’hélice peut augmenter le flux laminaire et réduire la traînée de croisière.

Projet 2 : Joby Lotus
Un autre projet de Joby Aviation est l’avion Lotus, présenté à la figure 3, qui explore une configuration VTOL à l’échelle de drone de 30 kilos. Dans cet avion, les hélices bipales à l’extrémitéde chaque aile fournissent la poussée de décollage verticale. Une fois que l’avion prend suffisamment de vitesse pour que la portance des ailes prenne le relais, chaque ensemble de deux hélices se croisent en ciseau et les lames individuelles deviennent des extensions de bout d’aile. Un rotor basculant situé à la queue contrôle la hauteur pendant le décollage et l’atterrissage et propulse l’avion en vol vers l’avant. Comme on peut s’y attendre, la conception de ces lames de bout d’aile – la durée, le choix de la voilure, leur torsion tangage et dièdre – était un compromis intéressant entre les performances intrinsèques de l’hélice et les qualités aérodynamiques de l’extrémité des ailes. Des dizaines de simulations CFD ont été effectués sur différentes combinaisons de ces variables de conception dans la configuration de croisière, afin de maximiser leurs performances tout en restant dans les limites physiques de la configuration. Dans le même temps, les performances des lames dans la conception de l’hélice ont également été analysées pour valider les méthodes de conception. Un exemple de certaines de ces simulations sont présentés sur les figures 4 et 5.

Projet 3 : LEAPTech
Le troisième projet auquel participe Joby Aviation est LEAPTech (Leading Edge asynchrons Propeller Technology), un partenariat avec la NASA et Empirical Systems Aerospace. L’objectif de ce projet est d’explorer les améliorations possibles dans les aéronefs à voilure fixe classique grâce à la propulsion électrique. Une rangée de petites hélices est située le long du bord d’attaque des ailes et, pendant le décollage et l’atterrissage, ces hélices augmentent la vitesse (et par conséquent la pression dynamique) sur les ailes. Cela augmente la portance produite par l’aile et permet de concevoir une aile plus petite avec les mêmes contraintes de vitesse de décrochage. Compte tenu du fait que de nombreux petits avions utilisent une aile dimensionnée pour répondre à une contrainte de la vitesse de décrochage, mais trop grande pour une performance de croisière optimale, cette aile plus petite améliore les propriétés aérodynamiques de l’avion. En outre, la qualité de roulement est significativement améliorée en raison de la charge alaire plus élevée. Cependant, la performance de cette aile incurvée est difficile à analyser car une grande partie de l’analyse requise se produit autour des conditions de décrochage. Par conséquent, un grand nombre de simulations CFD ont été réalisées dans le processus de conception, en regardant diverses combinaisons de tailles d’hélices et de puissances moteur, de rapports d’aspect et de taille de l’aile, de différence d’angles d’attaque, etc. Pour réduire la charge de calcul, les hélices ont été modélisées comme des disques d’actionneur avec le logiciel STAR-CCM +, qui a éliminé la nécessité de résoudre la géométrie réelle des pales, diminuant considérablement le maillage requis.

La première phase de test de cette configuration a consisté à construire l’aile, les hélices et les moteurs à l’échelle 1:1, et à les monter sur un camion semi-remorque modifié de façon à pouvoir rouler à la vitesse de décollage habituelle sur la piste de la NASA Armstrong Flight Research Center. Un exemple de cette configuration est représenté sur la figure 6, et l’appareil d’essai expérimental est représenté sur la figure 7.

En dehors des phases de décollage et d’atterrissage, ces hélices de pointe sont prévues pour se replier contre leurs nacelles – semblables aux hélices du projet S2 – et les hélices situées en bout d’aile fournissent la propulsion en vol de croisière. Bien que les méthodes d’analyse traditionnelles permettent d’estimer l’impact de la résistance et l’efficacité de fonctionnement de ces hélices concentriques avec le tourbillon de bout d’aile, la méthode d’analyse CFD est la plus fiable pour explorer une vaste gamme de paramètres de conception. Un exemple de solution paramétrique est illustré à la figure 8. Un vol de démonstration de vol est prévu prochainement pour une disponibilité commerciale prévue en 2017. Un rendu de cet aéronef est représenté sur la Figure 9.

Conclusion
Joby Aviation innove rapidement sur la conception d’avions civils avec ses concepts révolutionnaires de propulsion électrique, et la simulation joue un grand rôle dans la compréhension de la nature complexe de leurs idées sur l’état de l’art et dans la conception et le développement de leurs systèmes non conventionnels. Les projets S2, Lotus et LEAPTech sont des pistes particulièrement prometteuses en matière d’aviation électrique, une discipline impossible auparavant.