Ce qui est vraiment fascinant, c’est que ce ne sont pas seulement des start-up qui entrent sur le marché de l’UAM, mais aussi des constructeurs d’aéronefs commerciaux bien établis. Et récemment, ils ont été rejoints dans l’arène par de grands constructeurs automobiles.

Quels que soient le type et la forme de leurs ADAV électriques, une chose est sûre : pour gagner en efficience, accélérer leur mise sur le marché et réaliser d’importantes économies de coût à toutes les étapes du développement, les constructeurs auront besoin des avantages qu’offre un environnement numérique. Ces objectifs peuvent être atteints en utilisant un jumeau numérique et en mettant en place les continuités numériques requises.

Le jumeau numérique complet entre en scène

Les plateformes d’UAM présentent des défis spécifiques. Les équipes de conception et d’ingénierie ont besoin de réponses pour pouvoir élaborer des solutions multidisciplinaires et nécessitant des compromis complexes au niveau de la plateforme. Si elles ne mettent pas l’accent sur la bonne discipline ou négligent un aspect essentiel, elles risquent de sacrifier les performances ou de compromettre la conformité. Comment peuvent-elles relever ce type de défis ?

La réponse est : en utilisant un jumeau numérique multidisciplinaire, c’est-à-dire une représentation virtuelle d’un produit ou processus physique, qui permet d’en comprendre et d’en prévoir le comportement. Ce jumeau numérique peut capturer les caractéristiques de performance tout au long du cycle de vie du produit afin de permettre de simuler, prédire et optimiser le fonctionnement de ce dernier, et donc d’obtenir des informations réalistes avant même d’investir dans des prototypes physiques ou de s’engager dans la fabrication.

Un jumeau numérique en boucle fermée fournit aux équipes des données essentielles sur la façon dont les attributs et les sous-systèmes fonctionnels du produit se comportent en tant que structure interconnectée. Il y a davantage de partage de données vitales entre les disciplines ou davantage d’intégration des technologies, et, par conséquent, une meilleure compréhension entre toutes les équipes. Grâce à ces données, les différents acteurs peuvent se concentrer sur l’interaction entre leurs disciplines spécifiques. En outre, le temps économisé leur permet de travailler à l’optimisation des fonctions discrètes. Ces deux avantages sont terriblement importants pour le développement d’aéronefs équipés de moteurs électriques, présentant des contraintes de poids et nécessitant d’autres compromis de conception.

L’importance des continuités numériques

Une continuité numérique relie entre eux les processus et les données pertinentes. Une telle continuité peut être considérée comme un ensemble de solutions, de logiciels et de bonnes pratiques numérisés afin d’assurer la visibilité, l’automatisation et la traçabilité dans une discipline particulière, et permettant la liaison avec les autres disciplines numérisées. Les solutions basées sur des continuités numériques permettent d’élaborer des processus multidisciplinaires et de relier entre elles les données pertinentes pour présenter une vue complète et exploitable du produit, de la production et des processus.

Ce qui est formidable avec les continuités numériques, c’est qu’elles permettent aux équipes A&D de prendre la complexité à bras le corps, ce qui se traduit par une productivité et une innovation accrues.

Qu’est-ce qu’un environnement de travail transformé numériquement ?

Parler des avantages de la numérisation est une chose, mais démontrer concrètement comment une discipline peut bénéficier d’un jumeau et d’une continuité numériques est loin d’être aussi simple. Pour prouver l’importance de la numérisation dans la conception et la construction d’un ADAV électrique, examinons l’impact qu’elle peut avoir sur quelques disciplines de conception courantes. Gardez à l’esprit que les disciplines mentionnées ci-dessous travaillent en parallèle – il ne s’agit pas d’un processus en série –, ce qui constitue un énorme avantage dans un environnement de travail numérique.

- Conception aérodynamique

Avec les véhicules UAM, le type et la configuration de la propulsion ont un impact sur l’aérodynamisme. Les configurations possibles sont extrêmement nombreuses, allant des tiltrotors (rotors basculants) aux tiltwings (ailes basculantes), avec un nombre variable de rotors pour la sustentation et d’hélices de propulsion pour la poussée. Ces ADAV étant électriques, les équipes doivent savoir gérer le poids, les performances, la vitesse et l’efficience pour pouvoir gérer la capacité de la batterie. Pour cela, il est crucial de simuler différentes phases de vol, du vol stationnaire près du sol au vol de croisière à plus haute altitude et à grande vitesse. Lorsqu’un véhicule vole près du sol, il doit gérer le vent et les turbulences dans un régime de vol totalement différent.

La mécanique des fluides numérique (CFD, pour Computational Fluid Dynamics) (Figure 1) et les essais en soufflerie peuvent être utilisés en combinaison dans un environnement de jumeau numérique. Dans ce scénario, les équipes sont en mesure de procéder à une conception, une analyse et une optimisation multidisciplinaires. Lorsqu’elles intègrent ces outils de cette manière, les entreprises du secteur de l’UAM ont plus de chances de parvenir à optimiser beaucoup plus rapidement les performances de leurs ADAV électriques, car elles découvrent les implications de la conception plus tôt dans la phase de simulation.

- Densité de puissance et gestion thermique

Un jumeau numérique complet est également essentiel lorsqu’il s’agit de simuler des phénomènes physiques pour étudier l’équilibre thermique intégré d’un aéronef UAM.

Les équipes doivent comprendre le comportement structurel, thermique et électromagnétique depuis le niveau des composants jusqu’au niveau de l’aéronef entièrement intégré. À ce niveau, il est possible de créer un modèle d’aéronef virtuellement intégré, ce qui permet aux équipes de comprendre comment les différents systèmes interagissent entre eux. Voilà donc un exemple d’utilisation du jumeau numérique ; mais que peut apporter la continuité numérique dans ce domaine ?

Une continuité numérique peut gérer les processus utilisés par les nombreuses équipes impliquées. Elle peut documenter un ensemble diversifié de processus, du cahier des charges initial jusqu’à la vérification. Utilisée dans le cadre de la gestion de la vérification, une continuité numérique permet aux équipes de coupler les exigences et d’autres informations au niveau des bancs d’essai. Les équipes peuvent prendre des données et les relier à des simulations déjà réalisées, ce qui permet de maintenir à jour toutes les exigences à mesure que le processus avance.

- Intégration des logiciels électriques, électroniques et mécaniques

Les développeurs des plateformes d’ADAV électrique les plus sophistiquées utilisent de plus en plus une approche multidisciplinaire pour les concevoir. Pour obtenir la meilleure plateforme possible, les systèmes mécaniques et électriques sont développés simultanément, en gardant à l’esprit la façon dont les idées innovantes d’une discipline influent sur les objectifs de mise en œuvre de l’autre. En outre, les descriptions basées sur des modèles des fonctions requises par les deux disciplines sont regroupées et évaluées en tandem. C’est le jumeau numérique qui rend tout cela possible.

Un environnement numérique permet aux équipes de comprendre plus tôt dans le processus l’impact de l’architecture électrique sur les performances. En étendant la continuité numérique, en intégrant les outils qui procèdent à la certification et en se connectant au jumeau numérique électrique et mécanique de la plateforme, les équipes sont capables de déterminer comment les modifications de mise en œuvre impactent la conformité réglementaire.

Les défis auxquels de nombreuses entreprises du secteur de l’UAM sont confrontées aujourd’hui sont totalement nouveaux et uniques. Face au grand nombre de nouveaux outils et solutions disponibles et à la nécessité d’innover, les entreprises adoptent la transformation numérique afin de travailler et d’être compétitives de manière plus efficiente.

- Conception structurelle à l’aide de composites et de la fabrication additive

Les conceptions d’ADAV électriques posent les mêmes défis que les aérostructures conventionnelles : elles doivent être légères et offrir un rapport résistance/poids élevé. Elles souffrent également des mêmes problèmes de vibrations et de bruit. La seule chose qui différencie les véhicules UAM, c’est que l’on s’attend à ce que leur cadence de production soit beaucoup plus élevée. Les entreprises du secteur doivent donc envisager d’automatiser davantage leur production et de l’accélérer, et utiliser des matériaux avancés.

L’une des meilleures façons d’accroître la production et d’utiliser les composites les plus modernes est d’introduire le développement de produits agile.

Introduire le développement de produits agile

Le développement de produits agile n’est pas uniquement une question de personnes, d’outils et de processus. Il implique de disposer d’une infrastructure numérique qui relie tout (figure 2). Il repose sur un jumeau numérique complet en ce qui concerne, entre autres, les modèles de simulation, la CAO 3D et la fabrication additive. La méthode Agile est une approche continue et itérative qui intègre la vérification, la validation et les essais du produit ainsi que la fabrication dans l’ensemble du processus de développement. Elle consiste à décomposer un programme en « sprints » ; lors de chaque sprint, les équipes vérifient, valident et testent jusqu’à ce que les objectifs du sprint soient atteints.

Un sprint décompose un programme en « blocs » gérables, afin que les équipes puissent se concentrer sur l’achèvement d’une partie du programme avant de passer à la suivante (figure 3). Le principal avantage des sprints est de permettre aux équipes de se concentrer sur des objectifs à court terme qui correspondent aux objectifs à long terme du programme. À un stade intermédiaire du développement d’un ADAV électrique, les équipes se penchent probablement sur la conception et le perfectionnement de l’intégrité structurelle, de l’aérodynamisme et de la propulsion. À mesure qu’elles progressent dans les sprints, leur travail de conception est davantage basé sur la simulation. Et que se passe-t-il en cas de modification ? Il est facile d’apporter des modifications, car toutes les données sont connectées et les équipes peuvent s’appuyer sur l’expérience acquise lors des sprints précédents.

Et n’oublions pas la certification. Il s’agit probablement de l’un des aspects les plus coûteux d’un programme UAM en raison de la conception révolutionnaire de ces véhicules, pour lesquels il n’existe pas de données historiques ou de directives de certification de la FAA et des autres instances dirigeantes. Un sprint avec des boucles de rétroaction actives peut se révéler un outil très précieux lors de cette phase – sans oublier que, du fait de la continuité numérique, toutes sortes de données sont disponibles avec une traçabilité complète pour accélérer le processus.

Disposer d’une continuité numérique, qui permet de gérer et partager les données depuis le cahier des charges initial du produit jusqu’à la simulation ou les essais et à la fabrication, est à bien des égards un moyen d’accélérer la mise en conformité. Avec la continuité numérique, les entreprises disposent d’une piste d’informations qui permet à leurs équipes de s’auto-auditer ; elles peuvent ainsi être sûres que le moment est venu de passer à la certification. Sans cette continuité numérique, elles risquent de voir leurs programmes bloqués au moment d’engager le processus de certification.

Conclusion

Grâce à Xcelerator, Siemens aide les entreprises du secteur de l’UAM et leurs partenaires à effectuer leur transformation numérique. Siemens Xcelerator est un portefeuille qui comprend des logiciels, des services et une plateforme de développement d’applications ; il aide les équipes à avancer à leur propre rythme lorsqu’elles s’engagent dans leur parcours numérique. Il inclut notre jumeau numérique complet et nos continuités numériques intégrales et permet de bénéficier d’une solide compréhension des données techniques tout au long du programme de développement d’un ADAV électrique, de l’ingénierie à la fabrication et jusqu’au maintien en service.

La mobilité aérienne urbaine (UAM) est rapidement en train de devenir un marché serré et très concurrentiel. Il ne fait aucun doute que seuls les plus forts survivront, ceux qui possèdent l’endurance, la persévérance et les informations que seul un environnement de travail numérique permet d’acquérir.