Projet n AI-C15058 Mise en place de l ingénierie d un projet collaboratif pour le Campus Aéronautique PACA

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1 C.E.R. Aix-en-Provence Formation d Ingénieur Technologue UEP PROJET METIER 2015 Rapport Final Projet n AI-C15058 Mise en place de l ingénierie d un projet collaboratif pour le Campus Aéronautique PACA Résumé, mots-clefs: 03/06/2015 Mis en place en 2012, le Campus des métiers et des qualifications de l Aéronautique Provence-Alpes-Côte d'azur (que nous appellerons plus simplement «Campus Aéronautique PACA») est une entité fédératrice regroupant plusieurs établissements de la région PACA qui seront amenés à travailler autour de projets communs, tous liés au secteur aéronautique. C est dans ce contexte que s inscrit notre projet. Celui-ci est décomposé en deux parties : 1. Mise en place d outils collaboratifs pour le Campus Aéronautique PACA. Dans cette partie, nous avons cherché à développer des outils adaptés au Campus pouvant permettre aux différents acteurs des projets (à savoir les établissements du Campus) de collaborer entre eux, en échangeant des informations, documents ou données. 2. Optimisation du drone MPS2 de la société Naveol Dans cette partie, nous avons travaillé sur l optimisation d un drone développé par la société Naveol. Sollicités par cette dernière, nous avons décomposé le projet global en différents sous-projets afin de pouvoir les distribuer à divers acteurs du campus. Cette partie du projet nous a permis de travailler sur un cas concret afin de mieux appréhender les différents aspects des outils collaboratifs à mettre en place. Notre projet a donc consisté en une navette permanente entre ces deux aspects : réflexion sur la mise en place d outils puis application de ceux-ci au projet MPS2. Bibliographie: Convention de partenariat Campus Aéronautique Provence-Alpes-Côte d Azur, 22 janvier Ingénierie de la collaboration, Imed Boughzala, 2007, Lavoisier. Performances et stabilité des avions, Gérard Degrez, automne Annexe(s): Diagramme de Gantt Compte-rendu de revue de projet n 1 Compte-rendu de revue de projet n 2 Projet réalisé par : BAYLE Jimmy CHOUQUET Alexandre GATO Mathias HADRI Zoubida MANTICA Olivier Encadré par : MALBURET François VERON Philippe 33 pages

2 Remerciements Nous tenons tout d abord à remercier les enseignants qui ont encadré ce projet, MM. François Malburet et Philipe Véron. Ils ont su se montrer à l écoute tout au long de notre travail. Nos remerciements vont également à tous les acteurs du projet, M. Laurent Renaux pour ses conseils et sa disponibilité, M. Philippe Conny pour la façon dont il a réussi à motiver ses élèves pour nous fournir des solutions pertinentes et M. Antoine Carayon sans qui ce projet n aurait pas pu avoir lieu. Page 2 sur 33

3 Table des matières Remerciements... 2 Table des illustrations Positionnement et objectifs du projet (Gato) Projet Henri Fabre Description générale du projet Acteurs du projet Partenaires Etablissements Acteurs directs du projet Gestion de projet (Chouquet) Mise en place de l ingénierie collaborative (Bayle) Premières Recherches Les PDM (Product Data Management) Les PLM (Product Life Management) CATIA V5/V Collaboration Jean Perrin ENSAM La compatibilité des versions CATIA L accès aux serveurs scolaires La solution du proxy Conclusion sur l ingénierie collaborative Structure générale d un projet (Bayle) Projet MPS2 (Chouquet, Hadri, Mantica) Sollicitation des Arts et Métiers (Mantica) Décomposition du projet (Mantica) Train d atterrissage (Chouquet et Mantica) Formalisation du besoin de la société NAVEOL Travail collaboratif avec le lycée Jean Perrin (Marseille) Réalisation du cahier des charges pour Jean Perrin Aérodynamisme (Hadri) Formule de Breguet et rayon d action Analyse du rayon d action Optimisation du rayon d action Liaison pivot de l empennage (Hadri) Page 3 sur 33

4 Description de la liaison Etat initial de la liaison Cahier des charges de la liaison Solution proposée Cellules solaires (Hadri) Journée aéronautique «Armée de l Air - Éducation nationale» La législation pour les drones Lois Les confusions Le cas du MPS La propriété industrielle INPI Le cas du MPS Conclusion Annexes Annexe 1 Diagramme de Gantt Annexe 2 Compte-rendu de revue de projet n Annexe 3 Compte-rendu de revue de projet n Page 4 sur 33

5 Table des illustrations Figure 1 : Carte du Campus Aéronautique PACA... 7 Figure 2 : Structure générale du Campus Aéronautique Figure 3 : Vue d ensemble du MPS Figure 4 : Empennage arrière du MPS Figure 5 : Carte de contrôle développée par la société Naveol Figure 6 : Vue en éclaté du MPS Figure 7 : Vue en situation du MPS Figure 8 : Train d atterrissage initial avec roue Figure 9 : Vue d ensemble de l ensemble moteur, carte de contrôle et couple de fuselage Figure 10 : Vue en éclaté de l ensemble moteur, carte de contrôle et couple de fuselage Figure 11 : Modélisation sous Catia de la solution Figure 12 : Modélisation sous Catia de l intégration de la solution Figure 13 : Modélisation sous Catia de la solution Figure 14 : Modélisation sous Catia de l intégration de la solution Figure 15 : Aperçu du pivot de l'empennage Figure 16 : Solution proposée Figure 17 : Stand d'exposition du projet Page 5 sur 33

6 1. Positionnement et objectifs du projet (Gato) 1.1. Projet Henri Fabre Lancé en juillet 2012 sous l impulsion de l Etat et de la société Eurocopter (aujourd hui Airbus Helicopters), le projet Henri Fabre a pour vocation de consolider les capacités existantes de la filière aéronautique en région Provence-Alpes-Côte d Azur et à assurer son développement. Cette filière est la première de la région, aussi bien en termes de chiffre d affaire (5,5 milliards d euros en 2007) que d emplois (environ dans la région). Le projet Henri Fabre vise au renforcement et à la multiplication des échanges entre les différents acteurs de la filière aéronautique en région PACA, qu il s agisse d entreprises ou d instituts de recherche, afin de favoriser le partage de ressources, de compétences et de projets. Les objectifs du projet sont donc les suivants : Encourager le développement de solutions technologiques innovantes développées en collaboration par des acteurs industriels, académiques ou de la recherche, réunis au sein de plateformes mutualisées. Permettre à chaque partenaire d'améliorer sa compétitivité et de créer de la valeur Description générale du projet C est pour répondre aux besoins en formation et en qualification du projet Henri Fabre qu a été signée la convention du Campus des métiers et des qualifications de l Aéronautique Provence-Alpes- Côte d'azur (que nous appellerons plus simplement «Campus Aéronautique PACA») le 22 janvier Le campus se présente sous la forme d un réseau réunissant plusieurs acteurs du secteur aéronautique en région Provence-Alpes-Côte d Azur, parmi lesquels on compte des établissements d'enseignement secondaire et supérieur, de formation initiale et continue, sous statut scolaire ou d apprentis, des laboratoires, le Pôle Pégase ainsi que des associations. L objectif du Campus est de mettre en place un dispositif de formation multiniveaux afin de pouvoir répondre aux besoins des entreprises du secteur de la construction aéronautique en Provence-Alpes- Côte d'azur. C est dans le cadre du Campus Aéronautique PACA que l école Arts et Métiers ParisTech d Aix-en- Provence a été sollicitée pour mettre en place des outils collaboratifs, visant à faciliter les échanges entre les différents acteurs dudit campus Acteurs du projet Partenaires Les partenaires sont les entités qui sont à l origine du projet et qui l accompagneront tout au long de son développement. Ces partenaires sont : o La préfecture : elle est garante de la cohérence entre le Campus Aéronautique PACA et le Projet Henri Fabre, lancé en 2011 et qui vise à consolider de façon durable l avance technologique des entreprises aéronautiques implantées en région PACA. Page 6 sur 33

7 o La région Provence-Alpes-Côte d Azur : elle contribue au projet en mettant ses EPLE (Etablissements Publics Locaux d Enseignement) à la disposition des autres acteurs du projet. o L académie d Aix Marseille : elle est responsable du développement du projet, suivant les critères mis en place par le comité de pilotage du Campus. Le Groupe d Intérêt Public pour la Formation Continue et l Insertion Professionnelle de l académie d Aix-Marseille (GIP-FCIP Aix Marseille) est la structure de gestion administrative et financière du Campus. o Les entreprises, les fédérations professionnelles et le pôle de compétitivité Pégase : ils seront acteurs du Campus en lançant des projets et en facilitant les interactions entre les établissements scolaires et le milieu professionnel aéronautique. Dans un premier temps et dans le cadre du Projet Métier, les étudiants de l ENSAM n auront pas à interagir directement avec ces acteurs Etablissements Les outils collaboratifs à mettre en place sont avant tout destinés à permettre le travail en commun des différentes EPLE membres du Campus Aéronautique PACA, actuellement au nombre de vingt et tous situés en région PACA. Ils sont pour certains organisés autour de l Alliance Polyaéro (dont font notamment partie le lycée Pierre Mendès France et l ENSAM), de la plateforme technologique (PFT) Plasturgie-Composite (centrée autour du lycée Jean Perrin) et de la PFT Méca-prod & Automation (centrée autour du lycée Vauvenargues). Figure 1 : Carte du Campus Aéronautique PACA Page 7 sur 33

8 Ville Etablissement PFT et Alliance Aix en Provence Lycée Vauvenargues P.F.T. Méca-prod & Automation Aix en Provence Aix-Marseille Université (I.U.T.) P.F.T. Méca-prod & Automation Aix en Provence Ecole Nationale Supérieure d Arts et Métiers ENSAM Alliance Polyaéro Gap - Tallard Aix-Marseille Université (I.U.T.) Alliance Polyaéro Gardanne Ecole Nationale Supérieure des Mines de St- Étienne, Site Georges Charpak Istres Centre de Formation d'apprentis de l'industrie C.F.A.I. Istres Institut des Techniques d Ingénieur de l Industrie I.T.I.I. La Garde Université de Toulon (Ecole d ingénieur SeaTech) La Garde Université de Toulon (I.U.T.) Marignane Futur technocentre «Henri Fabre» Marseille Lycée Jean Perrin P.F.T. Plasturgie- Composite Marseille Aix-Marseille Université (Ecole Polytech Marseille) Marseille Aix-Marseille Université (I.U.T. et Institut de P.F.T. Plasturgie- Mécanique de Marseille UNIMECA) Composite Marseille Lycée du Rempart Marseille Lycée Léonard de Vinci Salon de Provence Aix-Marseille Université (I.U.T.) Alliance Polyaéro Salon de Provence Ecole de l Air Alliance Polyaéro Toulon Lycée Rouvière Vitrolles Lycée des métiers de l aéronautique Pierre Mendès France Alliance Polyaéro Acteurs directs du projet François Malburet et Philippe Véron : professeurs encadrant le projet métier Laurent Renaux : chargé de mission aéronautique pour le rectorat Aix-Marseille, responsable de la mise en place du Campus Aéronautique PACA Antoine Carayon : directeur de la société Naveol, à l origine de la demande d optimisation du MPS2. Philippe Conny : professeur responsable de la filière BTS CPI (Conception des Produits Industriels) du lycée Jean Perrin de Marseille. Page 8 sur 33

9 2. Gestion de projet (Chouquet) Pour mener à bien notre projet, il était indispensable d utiliser les outils de gestion de projet enseignés lors de ce semestre. Ainsi nous avons mis en place un calendrier prévisionnel afin de pouvoir contrôler au jour le jour l avancement de notre PJM. Semaine 1 (02/03-06/03) Semaine 2 (09/03-13/03) Semaine 3 (16/03-20/03) Semaine 4 (23/03-27/03) Semaine 5 (30/03-03/04) Semaine 6 (06/04-10/04) Semaine 7 (13/04-17/04) Semaine 8 (20/04-24/04) Semaine 9 (27/04-01/05) Semaine 10 (04/05-08/05) Semaine 11 (11/05-15/05) Semaine 12 (18/05-22/05) Semaine 13 (25/05-29/05) Semaine 14 (01/05-05/05) Séances dédiées PJM 4h 4h 4h 4h 5h 4h 5h 4h 3h 3h 4h 4h 4h 2h 5h 5h 4h 1h30 5h 4h Soutenance Tâches réalisées Découverte et lancement du projet Première rencontre avec NAVEOL Présentation du MPS2 Mise en place d un périmètre de travail Découpage et répartition des tâches Recherche sur l ingénierie collaborative Réunion avec M.Renaux Prise de contact avec Jean Perrin Recherche sur Catia V6 (collaboration) Etablissement du cahier des charges (plots) Prise de contact avec SeaTech Finition du cahier des charges et envoie à Jean Perrin Recherche sur la mécanique du vol du MPS2 Présentation du cahier des charges à Jean Perrin Préparation de la 1 ère revue de projet Vacances Vacances Etude des solutions proposées par Jean Perrin Optimisation empennage arrière Etude de la législation des drones Préparation de la journée aéronautique à Salon de Provence Préparation de la 2 ème revue de projet Etude du code de la propriété intellectuelle Rédaction du rapport Préparation de la soutenance 3. Mise en place de l ingénierie collaborative (Bayle) 3.1. Premières Recherches Nous avons dans un premier temps fait des recherches concernant l ingénierie collaborative en général et nous nous sommes également appuyés sur le cours de 1 ère année de P. Véron. Nous pouvons ainsi répertorier deux types d outils qui restent avant tout proches. Page 9 sur 33

10 Les PDM (Product Data Management) Un PDM est sensé fournir «la bonne information à la bonne personne au bon moment». Ainsi il doit remplir les fonctions suivantes : - Sécuriser l information (Vault) : Les informations, souvent confidentielles, ne doivent pas être accessibles par d autres membres que les différents acteurs du projet. - Gérer les droits d accès : Les différents acteurs d un projet n ont pas le même droit de vision/modification sur les différentes parties du projet. - Pouvoir générer des Viewers : Des outils qui servent à ce que des utilisateurs puissent visualiser le travail accompli sans le modifier) - Automatiser la diffusion et les notifications : Lorsqu un utilisateur enregistre un travail et le partage, les intéressés doivent être tenus au courant des différentes modifications Les PLM (Product Life Management) Un PLM remplit les mêmes fonctions qu un PDM et les étends à tous les services en amont et en aval du bureau d études. (Logistique, Marketing, Production, Achat etc..). Comme son nom l indique, il gère les données d un produit dans tout son cycle de vie CATIA V5/V6 L. Renaux qui était en fait le donneur d ordre pour notre projet, nous a demandé à ce que l outil d ingénierie collaborative soit CATIA V6. Alors qu aux Arts et Métiers nous utilisons essentiellement CATIA V5 pour travailler en local, nous en avons profité pour lister les différences majeures qu il existe entre CATIA V5 et CATIA V6. Avec CATIA V5 il est possible de travailler en local (sur le disque dur de l ordinateur) et utiliser également les modules d ingénierie collaborative d ENOVIA V5 qui comprend Smarteam (une PLM destinée aux petites et moyennes entreprises) et VPLM (une PLM plus destinée aux grandes entreprises et aux produits complexes) Avec CATIA V6 il est impossible de travailler sans être connecté à une base ENOVIA. Toutes les pièces ou produits sont enregistrés sur un serveur. Il faut donc travailler avec ENOVIA V6 qui comprend PLM 2.0 la solution la plus complète et par conséquent la plus complexe de PLM pour CATIA. Il existe aussi ENOVIA V5-6R 2014 qui est une version 5 qui permet la communication avec une version 6 de CATIA. Au même titre que CATIA V5-6R permet la compatibilité des pièces enregistrées sous cette version avec CATIA V Collaboration Jean Perrin ENSAM La compatibilité des versions CATIA A long terme, l outil d ingénierie collaborative doit permettre aux vingt-deux membres du campus aéronautique de pouvoir communiquer et collaborer sur des projets communs. Cependant dans le cadre de notre PJM étant donné la charge de travail que cela représente et les ressources que nous avions à disposition, il s agissait désormais d établir uniquement une connexion entre le lycée Jean Perrin et l ENSAM et d étendre celle-ci aux autres établissements en cas de réussite. Page 10 sur 33

11 Ici se sont posés plusieurs problèmes : A l ENSAM la plateforme collaborative est sur CATIA V6 il s agit donc d ENOVIA V6. Au lycée Jean Perrin, la version utilisée par les étudiants est la V5-6 (R22) qui permet l échange de fichiers récupérables par CATIA v6 mais qui n est pas utilisée dans une démarche d ingénierie collaborative chez eux. Aussi, la version 6 était en phase d installation L accès aux serveurs scolaires La deuxième contrainte était que, contrairement aux élèves-ingénieurs de l ENSAM, les étudiants en BTS à Jean Perrin n ont pas accès aux ordinateurs en dehors des heures de cours. Ils disposent donc d une version étudiante pour finir leur travail à leur domicile qui n est donc pas possible de connecter à un serveur ENOVIA. Aussi, en imaginant qu il soit possible que les étudiants aient accès à CATIA V6 sur un ordinateur de leur lycée, il reste compliqué d établir une connexion avec l ENSAM. En effet pour qu il y ait collaboration via ENOVIA, il faut qu un des deux établissements dispose d une licence serveur, et que celui-ci ouvre ses ports d entrée pour accueillir les données de l autre établissement. Ceci n est pas accepté par les ingénieurs réseaux des établissements qui craignent de fournir des accès aux données personnelles de leurs établissements La solution du proxy La solution qui reste est finalement de faire appel à un serveur externe : un proxy. Les deux établissements ouvrent leurs ports de sortie tandis que le serveur lui ouvre ses ports d entrée et de sortie. Nous avons donc pensé à l école d ingénieur de SeaTech basée à Toulon. Cette école qui est un membre du campus aéronautique propose une filiale en réseaux et télécommunications. Ils disposent donc de réseau et dès le premier appel se sont montrés enthousiaste à l idée de prêter leur serveur. Cependant après plusieurs échanges de mails, SeaTech nous ont affirmé que ces serveurs étaient utilisés actuellement pour l enseignement. Ainsi si nous souhaitions les utiliser en tant que proxy entre nos 2 établissements, ils devaient être reconfigurés et ceci ne serait qu éventuellement possible à la rentrée de septembre Conclusion sur l ingénierie collaborative Nous nous sommes donc lancés au début de notre PJM dans l optique de créer un outil d ingénierie collaborative impliquant une vingtaine d établissements à partir d une feuille blanche. Au fur et à mesure que les livrables attendus se sont précisés nous avons donc visés des objectifs de moins en moins ambitieux pour arriver à tenter une simple connexion entre 2 établissements. Il s est avéré finalement que les différences d utilisation des logiciels, la sécurité réseau des établissements et l indisponibilité d un serveur externe a rendu cette connexion impossible. Toutefois, la collaboration a pu avoir lieu et par simple rencontres et échanges de mails afin d aboutir à une solution comme cela sera présenté dans une prochaine partie. Page 11 sur 33

12 4. Structure générale d un projet (Bayle) Une fois les outils collaboratifs évoqués précédemment mis en place, le Campus Aéronautique devra être capable de mener à bien des projets en partenariat avec des entreprises aéronautiques de la région Provence-Alpes-Côte d Azur. La structure générale d un projet du Campus Aéronautique est schématisée ci-dessous : Figure 2 : Structure générale du Campus Aéronautique Un projet du Campus Aéronautique se décompose en quatre étapes : 1. Sollicitation des Arts et Métiers Une entreprise sollicite les Arts et Métiers pour leur exposer un projet aéronautique. On définit clairement le périmètre du projet, les différentes tâches à effectuer, les livrables attendus ainsi que le calendrier. 2. Décomposition du projet Les Arts et Métiers divisent le projet en plusieurs sous-projets. Cette décomposition peut varier suivant les projets et se base notamment sur la capacité des établissements du Campus Aéronautique à mener à bien certaines tâches. Une fois la décomposition effectuée, il est nécessaire de choisir les membres du Campus Aéronautique les plus à même de réaliser les différents sous projets. Dans cette phase, les Arts et Métiers définissent aussi les différents niveaux de responsabilité des acteurs du projet : accès aux documents, modifications de ceux-ci, capacité d interaction avec d autres membres du Campus Aéronautique, Certains sous-projets peuvent être directement menés par les Arts et Métiers euxmêmes. L étape suivante consiste à dresser des cahiers des charges afin d expliciter les différents besoins. Enfin, les différents cahiers des charges sont transmis aux établissements du Campus. Page 12 sur 33

13 3. Conduite des sous-projets Les établissements acteurs du projet travaillent sur le sous-projet qui leur a été proposé, la plupart du temps par le biais de projets pédagogiques. Durant cette phase, les interactions avec les Arts et Métiers sont quotidiennes (notamment par échange de courriels) afin de faire part de l avancement des étudiants, mais aussi de demander des informations complémentaires. Ainsi, les Arts et Métiers sont eux-mêmes amenés à échanger avec l entreprise à l origine du projet afin d obtenir ces informations. Une fois les sous-projets menés à terme, les établissements proposent une ou plusieurs solutions aux Arts et Métiers. 4. Rassemblement des sous-projets Dans cette dernière étape, les Arts et Métiers sélectionnent les solutions proposées par les établissements du Campus, les améliorent si nécessaire et les rassemblent en une réponse unique qui est envoyée à l entreprise. 5. Projet MPS2 (Chouquet, Hadri, Mantica) Le premier projet sur lequel nous avons travaillé au sein du Campus Aéronautique PACA est le MPS2 développé par la société Naveol. Les étapes de mise en place de ce projet ont été les suivantes : 5.1. Sollicitation des Arts et Métiers (Mantica) La société Naveol a sollicité les Arts et Métiers afin de travailler sur un projet d optimisation d un ADAV (Aéronef à Décollage et Atterrissage Verticaux) : le MPS2 (Moto-Planeur Solaire 2). A noter que l intitulé de «moto-planeur» est ici obsolète car il s agit en réalité d un drone-avion à décollage vertical ; le terme de «moto-planeur» faisant référence au MPS1 (Moto-Planeur Solaire 1) dont la première version était un moto-planeur. Figure 3 : Vue d ensemble du MPS2 Le MPS2 est un produit innovant réunissant les avantages des décollage et atterrissage verticaux ainsi que ceux du vol d avancement d un appareil conventionnel. Sa particularité est de pouvoir Page 13 sur 33

14 basculer son empennage arrière de la position verticale à la position horizontale, et inversement, afin de pouvoir respectivement passer du mode hélicoptère au mode avion, et inversement. Figure 4 : Empennage arrière du MPS2 Le fonctionnement classique du MPS2 est de décoller verticalement (empennage arrière en position verticale), puis de se stabiliser en vol stationnaire tel un hélicoptère à une altitude fixée afin de passer en mode avion (vol d avancement) par le basculement de l empennage arrière en position horizontale. La procédure d atterrissage de l appareil est analogue en réalisant les opérations précédentes dans l ordre inverse. La motorisation du MPS2 est de type électrique et se fait, à l avant, par 2 moteurs brushless de 880 kv pour 250 W équipés de pales et, à l arrière, par 2 moteurs brushless de 1450 kv pour 160 W euxaussi équipés de pales. Les commandes de vol sont les suivantes : En vol stationnaire, l empennage arrière étant en position verticale, les 4 moteurs assurent la sustentation et le MPS2 se pilote alors tel un multicoptère. En vol d avancement, l empennage arrière étant en position horizontale, seuls les 2 moteurs arrière assurent la propulsion de l aéronef. La commande en tangage se fait par une différence de poussée entre les moteurs avant et arrière. Cette commande agit sur l incidence de l empennage arrière tel un aéronef conventionnel. La commande en roulis s effectue par une différence de poussée entre les 2 moteurs avant. Cette commande remplace les ailerons d un aéronef conventionnel. La commande en lacet est pilotée par une différence de poussée entre les 2 moteurs arrière, ainsi que par un degré de liberté supplémentaire en pivot dans l axe longitudinal de +/- 15 de l empennage arrière. Le MPS2 se veut simple d utilisation et se pilote à partir d une radiocommande. Le drone-avion est équipé d un système de stabilisation multiaxes développé par la société Naveol. Ce système assure la tenue d assiette en vol stationnaire ainsi que la tenue d objectifs de plus hauts niveaux en vol Page 14 sur 33

15 d avancement (tels que le taux de virage ou encore le taux de descente) et les transitions automatiques entre ces deux phases de vol. Figure 5 : Carte de contrôle développée par la société Naveol En vol d avancement, le MPS2 se pilote comme un avion à une vitesse de croisière de 50 km/h pendant 2 heures (les durées de décollage et atterrissage verticaux étant déjà prises en compte pour le calcul de l autonomie). Pour cela, l aéronef est équipé d une batterie Lithium-Polymère 3S de 11,1 V pour 5 A.h située dans le fuselage. Le contrôle des moteurs se fait, à l avant, par 2 contrôleurs moteur de 30 A situés sur les supports moteurs et, à l arrière, par 2 contrôleurs moteur de 15 A logés aux extrémités de l empennage arrière. 2 servomoteurs se trouvent également dans l empennage arrière afin de piloter son basculement. Figure 6 : Vue en éclaté du MPS2 Page 15 sur 33

16 Le MPS2 possède les dimensions suivantes : envergure de 2,10 m ; longueur de 1,24 m ; hauteur de 12 cm ; surface alaire de 30 dm². Son poids en ordre de vol étant de 1,600 kg, le MPS2 permet l emport d une charge utile maximale de 400 g pouvant s adapter à tout type de mission. Ainsi, il est possible d embarquer à l avant de l aéronef une caméra Full HD ainsi qu un système d enregistrement vidéo sur carte µsd. Deux fonctions vidéo sont activables via la radiocommande : La caméra filme en permanence le point de décollage quelle que soit l orientation ou la position de l appareil ; La caméra filme de manière stabilisée vers l avant de l appareil. Les principales missions pouvant être effectuées par le MPS2 sont des missions de surveillance (feux de forêt, surveillance routière, etc). Les différents matériaux utilisés pour la construction du MPS2 sont le bois, le carbone et l ABS. Ceuxci ont été choisis pour leurs caractéristiques et leurs performances : Le carbone est employé pour les supports moteurs, les clés d aile et le tube de queue. Il assure rigidité, légèreté et résistance mécanique. Le bois (pin, balsa et contreplaqué) est appliqué pour le coffrage des ailes, le fuselage, l empennage arrière, les renforts de structure et les longerons. Il permet la liaison mécanique des structures. L ABS est utilisé pour toutes les nervures d ailes, les couples de fuselage et les pods (supports de moteurs avant). Toutes ces pièces sont réalisées par impression 3D à l aide d une imprimante par dépôt de fil chaud. Figure 7 : Vue en situation du MPS2 Page 16 sur 33

17 5.2. Décomposition du projet (Mantica) Les différents sous-projets du MPS2 sur lesquels nous avons travaillé au cours ce PJM sont : Le remplacement des roues des trains d atterrissage par des plots d atterrissage ; L optimisation de l aérodynamisme de l appareil ; L amélioration de la liaison pivot de l empennage arrière ; L intégration de cellules solaires Train d atterrissage (Chouquet et Mantica) Formalisation du besoin de la société Naveol La société Naveol nous a demandé d optimiser certains points de son prototype du MPS2. L un des changements voulus par la PME concerne les pneus présents sous les moteurs avant de l appareil. En effet, actuellement, le prototype proposé par Naveol possède 2 pneus situés, sous les 2 moteurs avant, permettant à l appareil d atterrir en mode avion en cas de non-fonctionnement de la fonction d atterrissage vertical, et d ensuite se maintenir au sol. Cependant, étant donné que le décollage ainsi que l atterrissage du MPS2 se déroulent verticalement (de la même façon qu un hélicoptère), ces roues s avèrent être inutiles et possèdent une masse trop importante pour un appareil recherchant la plus grande autonomie en vol possible. De plus, chaque moteur est commandé par une carte de commande qui est, comme on peut le voir sur la photo, maintenue dans une petite fente par des élastiques, ce qui ne la protège pas d un possible endommagement. Il est clair qu en vue d une production en série de l appareil il n est pas possible de conserver cette solution trop contraignante en termes de masse et non satisfaisante. Il nous a donc était demandé de réfléchir sur la conception d une pièce remplaçant le pneu tout en assurant la garde au sol de l appareil et protégeant la carte de commande du moteur. Figure 8 : Train d atterrissage initial avec roue Page 17 sur 33

18 Travail collaboratif avec le lycée Jean Perrin (Marseille) Etant donné le cadre collaboratif de notre PJM au sein du Campus Aéronautique PACA, nous avons fait le choix de travailler avec le lycée Jean Perrin à Marseille pour la réalisation de ce projet. La classe des premières années en BTS CPI (Conception de Produits Industriels) spécialisée dans les domaines de la mécanique et de la technologie, des procédés d élaboration ainsi que l organisation d une production, s est portée volontaire pour la réalisation de cette étude dans le cadre de leur projet de fin d année. Cette collaboration est ainsi le premier exemple de travail réalisé conjointement par deux établissements du Campus Aéronautique PACA, l ENSAM jouant le rôle de directeur des travaux Réalisation du cahier des charges pour Jean Perrin Afin de pouvoir lancer les élèves de BTS CPI de Jean Perrin sur le projet, nous avions pour mission de réaliser un cahier des charges précis de la pièce à concevoir pour le train d atterrissage avant du MPS2. Après plusieurs échanges avec les membres de la société Naveol afin de bien comprendre leurs besoins, nous étions en mesure d élaborer ce cahier des charges pour à notre tour transmettre du mieux possible nos attentes aux élèves de BTS CPI. La pièce à concevoir devra donc répondre à deux objectifs principaux : Supporter le drone au sol à l aide d un troisième pied situé à l arrière dans l axe longitudinale de l appareil au niveau de la dérive (le troisième pied ne faisant pas partie du cadre de votre étude) ; Accueillir la carte de contrôle du moteur. Voici ensuite la liste des contraintes du cahier des charges : Les plots devront supporter une masse maximale de 2 kg. Cependant, il est nécessaire de prendre en compte l éventualité d atterrissages brutaux. On considèrera donc un coefficient de sécurité de 5 qui rendra la masse de l appareil égale à 10 kg pour la conception des plots d atterrissage. Le pied devra résister aux contraintes que représente un atterrissage. La masse du plot d atterrissage doit être négligeable devant le poids du drone. Le plot situé sous le moteur ne doit pas perturber le flux d air généré par la rotation des pales ainsi que l aérodynamisme de l appareil lors du vol d avancement. La carte de contrôle et le moteur sont reliés par un câble (partant à côté des condensateurs pour rejoindre la surface périphérique du moteur). Nous avons obtenus de la part de Naveol les dimensions utiles à la réalisation du projet : Les dimensions du contrôleur à incorporer sont les suivantes : 24 mm x 50 mm x 9 mm (ces dimensions incluent l ensemble composé du circuit imprimé et des deux condensateurs). La hauteur entre le plan inférieur de l aile et le point le plus bas du pied doit être de 80 mm. Les moteurs avant ont une hauteur de 28 mm jusqu à la base de l hélice et font 42 mm de diamètre au niveau le plus large. Leur référence est KV 3S. Actuellement, le moteur est fixé sur un socle de 39 mm de diamètre par 2 vis (il est possible d en mettre jusqu à 4) de 3 mm de diamètre, avec un entraxe de 16 mm, 19 mm ou 25 mm. L hélice fait 10 pouces de diamètre. Page 18 sur 33

19 Figure 9 : Vue d ensemble de l ensemble moteur, carte de contrôle et couple de fuselage Figure 10 : Vue en éclaté de l ensemble moteur, carte de contrôle et couple de fuselage A noter qu un modèle SketchUp de la partie à étudier a également été fourni en plus de notre cahier des charges. Nous nous sommes ensuite chargés de présenter le projet ainsi que notre cahier des charges aux élèves pour s assurer d une bonne compréhension de nos attentes de leur part. Nous avons ainsi fait le déplacement le lundi 20 avril au lycée Jean Perrin à Marseille durant un cours des BTS CPI en compagnie de leurs professeurs M. Philippe Conny et Mme Véronique Ournac. Après avoir répondu Page 19 sur 33

20 aux différentes questions des élèves, nous avons mis en place un planning avec différents livrables afin de suivre du mieux possible l avancement du projet ; le but final du projet étant de fabriquer à l aide d une imprimante 3D la meilleure proposition de pièce par les élèves travaillant par binôme. Le planning a été le suivant : Mardi-mercredi avril : élaboration du cahier des charges formalisé par Jean Perrin ; Mardi-mercredi mai : proposition des solutions, préconception, maquette numérique ; Mardi-mercredi mai : pré-industrialisation et prototypage. Suite à cette collaboration, les différentes conceptions nous ont été fournies au format numérique sous Catia, et 2 solutions ont également été prototypées à l imprimante 3D. Nous nous sommes chargés d analyser leur pertinence et avons retenu les 2 suivantes : Solution 1 : Figure 11 : Modélisation sous Catia de la solution 1 Page 20 sur 33

21 Figure 12 : Modélisation sous Catia de l intégration de la solution 1 Solution 2 : Figure 13 : Modélisation sous Catia de la solution 2 Page 21 sur 33

22 Figure 14 : Modélisation sous Catia de l intégration de la solution 2 L analyse de ces 2 solutions nous a conduits aux réflexions suivantes : La jonction tube support moteur est peu robuste et devra être renforcée afin d améliorer sa résistance. L aérodynamisme du plot devra être amélioré en supprimant les angles vifs. Des simulations d atterrissages devront être réalisées afin de valider ou non la résistance de ces plots. Un compromis entre ces 2 solutions parait donc envisageable. Cette collaboration s est ainsi avéré être un succès et sera reconduite dès le semestre prochain par les mêmes élèves de BTS CPI, cette fois en deuxième année. Une étude de résistance mécanique sous Catia Analysis (module éléments finis) sera ainsi menée et l aérodynamisme amélioré Aérodynamisme (Hadri) Pour analyser un aéronef, il faut étudier trois paramètres essentiels : la charge utile, la vitesse et l autonomie en vol (en heures) ou encore la distance franchissable (ou rayon d action exprimé en km). Nous nous sommes focalisés sur ce dernier paramètre et nous l avons analysé en nous servant de la formule de Breguet qui permet de déterminer les différents paramètres définissant le rayon d action d un aéronef. On suppose que l avion décolle réservoir plein (dans notre cas batterie chargée), rejoint ses conditions de vol de croisière (altitude, vitesse) et poursuit son vol jusqu à épuisement de l énergie des batteries. Le rayon d action est la distance franchie, à l exclusion du décollage. Page 22 sur 33

23 Formule de Breguet et rayon d action Hypothèses : On se place dans le cas d un vol d avancement avec une vitesse de croisière constante de 50km/h. La consommation d énergie fournie par la batterie est donc considérée comme constante. On se place dans les conditions standards de la mécanique du vol. Le MPS2 étant un appareil à hélices, le calcul du rayon d action a demandé l utilisation de l efficacité du moteur plutôt que celle de la consommation spécifique (généralement utilisée pour les avions à réaction). L efficacité du moteur est définie par la formule suivante : Avec : η m = W m E c / t W m : puissance mécanique de l arbre moteur E c : énergie fournie par la batterie Δt : durée du vol Le rendement de propulsion est quant à lui défini par : Avec : η p = F x. v W m F x : effort de trainée v : vitesse de l appareil L effort de trainée est lui-même défini par : Avec : F x = F z /f = M. g/f F z : effort de portance M : masse de l appareil g : accélération de la pesanteur f : finesse de l appareil Page 23 sur 33

24 On peut donc déterminer le rendement global du système : η = η m. η p = M. g. f. v E c / t En supposant une vitesse constante au cours du vol d avancement et le rayon d action étant défini par R = v.δt, on obtient finalement : R = η. f. E c M. g Analyse du rayon d action Nous avons calculé le rayon d action pour différentes valeurs de finesse et de rendement pour pouvoir situer le MPS2 et analyser les améliorations à apporter. Le tableau ci-dessous regroupe les résultats de calcul : Rendement Finesse R (km) , , Le MPS2 présente une autonomie en vol de deux heures (décollage et atterrissage compris). Le décollage et l atterrissage durent chacun trente secondes donc le vol d avancement dure presque 119 min ce qui donne à une vitesse de croisière de 50km/h, et un rayon d action de 99 km. De ces calculs on peut déduire que le MPS2 présente une finesse qui varie entre 15 et 17 et un rendement aux alentours de Optimisation du rayon d action Améliorer les performances de l appareil consistera à augmenter son autonomie en vol stationnaire, ce qui est équivalent à augmenter son rayon d action qui est directement lié à sa finesse, à son rendement, à l énergie délivrée par les batteries et enfin à sa masse totale. Optimiser la finesse : le profil actuel de l avion nécessite quelques améliorations notamment au niveau des bouts des ailes la section étant droite, la solution consistera à mettre des saumons au niveau des bouts des ailes. Un autre point qui pourra augmenter les performances aérodynamiques de l avion consistera en l ajout des carénages pour les moteurs arrière. Augmenter l'énergie délivrée par les batteries : ceci peut être assuré en changeant les batteries actuelles par d autres batteries qui soient plus performantes une solution plus poussée serait d intégrer les cellules photovoltaïques au planeur mais celle là nécessite des Page 24 sur 33

25 cellules souples pour pouvoir utiliser la surface totale des ailes et amortir ainsi le prix des cellules. Réduire la masse de l avion : la masse totale de l avion comporte la masse de la structure, la masse de la charge (caméra) et la masse de la(es) batterie(s) la masse de la structure étant prépondérante (tableau ci après) donc l optimisation de celle-ci permettra de réduire la masse totale et par la suite augmenter le rayon d action du MPS2. M/M totale (%) Structure 62,3 Equipements 20 Batterie 17, Liaison pivot de l empennage (Hadri) Description de la liaison L une des particularités du MPS2 réside dans la commande en lacet en vol stationnaire, celle-ci est assurée par une différence de poussée entre les deux moteurs arrière, de plus le stabilisateur possède un degré de liberté supplémentaire de pivot dans l axe longitudinal de 30 d amplitude assurant une meilleure autorité de la commande du lacet. Figure 15 : Aperçu du pivot de l'empennage Etat initial de la liaison Cette liaison pivot est assurée par des barres soumises à la torsion permettant d avoir une certaine élasticité qui donne le degré de liberté voulu. Mais cette solution a tendance à casser. Notre travail dans cette partie est d améliorer cette liaison ou de chercher d autres solutions. Pour ce faire nous avons établi un cahier des charges en accord avec la société Naveol. Page 25 sur 33

26 Cahier des charges de la liaison La solution doit répondre aux critères suivants : Doit être un pivot non actionné d axe X (l axe longitudinal de l avion) Le pivot doit être de ±15 donc il faut prévoir des butées Présenter une raideur et un amortissement Permettre le passage des fils qui connectent l avant de l avion à son arrière Simplicité et la légèreté de la solution Solution proposée La liaison pivot étant extrêmement courante dans les systèmes mécaniques, il existe un grand nombre de solutions technologiques pouvant l assurer. Comme nous voulons une solution simple et légère, nous avons opté pour un pivot assuré par deux cylindres en rotation l un par rapport à l autre et une butée peut être réalisée par une simple vis. Figure 16 : Solution proposée Cette solution a besoin d être dimensionnée pour calculer les différents diamètres, mais ceci doit se faire sur la maquette CAO du produit global afin de pouvoir à chaque fois visualiser l effet global de chaque changement. Etant donné que jusqu à présent nous n avons pas reçu de maquette CAO, nous n avons pas pu intégrer cette solution dans la CAO du MPS Cellules solaires (Hadri) Pour cette partie, nous avons envisagé d intégrer des cellules solaires souples en remplacement de l entoilage des ailes afin de pouvoir utiliser toute la surface alaire aux rendements élevés. Leur technique de fabrication consiste à encapsuler des cellules photovoltaïques en silicium entre des Page 26 sur 33

27 feuilles de matériau flexible, dont l'un au moins est transparent. Ce type de cellules a été développé par la société Nexcis qui a hélas déposé le bilan durant notre projet. A l avenir, il sera nécessaire de trouver une autre entreprise capable de réaliser de tels panneaux solaires pour pouvoir réaliser cette optimisation. 6. Journée aéronautique «Armée de l Air - Éducation nationale» Dans le cadre de leur partenariat et pour favoriser la mise en place de projets communs, l académie d Aix-Marseille et l École de l Air ont organisé la journée aéronautique «Armée de l Air Éducation nationale» le samedi 23 mai 2015 sur la base aérienne 701 de Salon-de-Provence. Les objectifs de cette journée étaient multiples : Favoriser les rencontres entre acteurs civils et militaires issus de l industrie et de l enseignement Sensibiliser les collégiens et lycéens à la diversité et la richesse des métiers de l aéronautique Transmettre la dimension «passion» de l aéronautique à travers diverses activités, notamment des conférences et des démonstrations (parachutisme, simulateur, drones, ) Du fait de sa position stratégique, à mi-chemin entre le monde de l enseignement et celui de l industrie aéronautique, le Campus Aéronautique PACA a été convié à participer à cette journée en tant qu exposant. Plusieurs établissements du Campus ont donc pu venir exposer leurs formations et projets, notamment le lycée Jean Perrin, SeaTech ou les Arts et Métiers (représentés par M. Philippe Collot, directeur du CER d Aix-en-Provence, M. François Malburet, enseignant en charge du projet et les cinq étudiants de notre groupe). Etait aussi présent à cette journée M. Laurent Renaux. Figure 17 : Stand d'exposition du projet Page 27 sur 33

28 Cette journée a été pour nous un excellent moyen de communication. En effet, les collégiens et lycéens présents à la journée, tous soucieux de choisir leur orientation future, se sont montrés extrêmement demandeurs d informations sur le cursus Arts et Métiers. Dans ce contexte, notre projet était une excellente illustration de la formation dispensée aux Arts et Métiers car il nous permettait de mettre en avant la présence importante du monde industriel dans notre formation ainsi que les partenariats dans lesquels l école est investie. 7. La législation pour les drones De par la forte expansion de leurs domaines d applications, les drones sont de plus en plus populaires et ont été sujet à de récentes poursuites. En effet, un appareil volant est soumis à des règlementations autant pour son utilisateur que pour son fabricant Lois L arrêté du 11 avril 2012 de la Direction de l aviation civile définit toutes les règlementations relatives à l utilisation et la conception d aéronefs civils sans pilotes. Il définit l aéromodèle comme «un aéronef télépiloté utilisé exclusivement à des fins de loisir ou de compétition par un télépilote qui est à tout instant en mesure de contrôler directement sa trajectoire pour éviter les obstacles et les autres aéronefs.» L article D du code de l aviation civile définit les règlementations des prises de vues aériennes. L article L du code pénal définit les peines concernant l atteinte à la vie privée d autrui. Les aéromodèles sont donc classés en 7 catégories (de A à G) suivant leur poids, leur mode de propulsion, s ils sont captifs ou non. Tous les aéromodèles ont pour obligation de voler à une altitude inférieure à 150 m Les confusions Les médias emploient souvent le terme drone pour parler d un appareil volant télécommandé. En réalité un drone est un appareil volant sans pilote et indépendant qui est donc capable de naviguer tout seul. Partout dans le monde, le mot drone fait référence à un appareil militaire sauf en France où l on parle souvent de drones civils Le cas du MPS2 Le Moto Planeur Solaire 2 en faut n en est pas un de par son décollage vertical. Il aurait pu être classé en catégorie A : Aéromodèle de moins de 25 kg avec une propulsion d un seul et même type (moteur électrique) avec une puissance totale inférieure à 15 KW. Cependant la notion d aéromodèle implique que l appareil soit utilisé à des fins de loisirs. Ainsi, le MPS2 serait plutôt classé dans la catégorie D : Aéronef télépilotés qui ne sont pas des aéromodèles avec une masse au décollage inférieure à 2kg. L activité du MPS2 à savoir surveillance de feu est considérée comme «activité particulière» d après l article 2 de l arrêté, il devra donc recevoir une dérogation de la part de la préfecture pour pouvoir voler. En effet l utilisation d une caméra à bord est soumise à diverses législations. Page 28 sur 33

29 Le MPS2 est sensé pouvoir voler de manière automatique pour surveiller des incendies. Toutefois ce type de vol n est pas mentionné dans l arrêté et ceci limite donc le développement de tels produits. C est d ailleurs pour cela que le MPS2 dispose d un boîtier de télécommande, sans lequel il ne serait pas autorisé à voler. 8. La propriété industrielle Comme le MPS2 est un produit comportant une réelle innovation technique, nous nous sommes interrogés sur la protection de la propriété intellectuelle INPI L Institut National de Propriété Industrielle fournit une protection des idées innovantes des industriels sous peine de poursuites judiciaire. On peut déposer un brevet, une marque ou un dessin. Lorsque un Brevet est attribué, sa protection est valable 20 ans (6 ans pour un certificat d utilité) à condition de payer des annuités (dont les frais augmentent en fonction de l ancienneté du brevet) après quoi il sera rendu public et tout le monde pourra tirer profit de l innovation. Un brevet peut-être déposé par : - Une personne physique - Une personne morale (une société par exemple) - Plusieurs personnes. Dans ce cas la demande nécessitera un mandataire (un représentant du dépôt) Le dépôt d un brevet coûte environ 700 mais une remise de 50% est accordée lorsque la demande est effectuée par un particulier ou une PME de moins de 1000 salariés. Pour maintenir celui-ci en vigueur, cela coûtera en tout plus de 5000 sur les 20 ans. Seule une solution technique qui peut être industrialisée peut être brevetée. Une idée, un théorème ne peut pas être breveté. La solution ne devra également pas avoir été rendue publique avant la date du dépôt, même si l auteur de la publication en est le dépositaire. Lorsqu un brevet est déposé, il peut s écouler 2 ans avant que celui-ci soit délivré car l INPI doit étudier votre solution et effectuer un rapport de recherche pour vérifier l innovation technique et la faisabilité de votre solution. Si le brevet vous a bel et bien été délivré, il est possible d étendre sa protection à l international en passant par l OEB (Office Européen des Brevets) ou l OMPI (Organisation Mondiale de la Propriété Intellectuelle) 8.2. Le cas du MPS2 Pour le MPS2, un dépôt de brevet ou de certificat d utilité (moins coûtant) pourrait être déposé concernant la solution de l empennage arrière qui bascule. En effet, cette solution est réellement innovante et c est ce qui rend le produit unique : On ne peut ni le qualifier de quadri-rotor ni de moto-planeur. Page 29 sur 33

30 Antoine Carayon (le PDG de Naveol) nous a cependant dit qu aucune demande n avait été faite concernant cette solution-là. C est pour cela que malgré les interactions que nous avons eu avec Jean Perrin, nous avions pour consigne de ne pas parler de cette solution en dehors du projet. 9. Conclusion Au commencement de notre projet, nous nous sommes trouvés confrontés à un questionnement majeur : qu attend-on de nous? Chargés de mettre en place un outil qui ne pouvait être a priori opérationnel qu après plusieurs années, le périmètre de notre projet nous semblait vague sinon inexistant. Ainsi, la première grande étape de notre démarche, et probablement la plus longue, a été de définir clairement ce qui était attendu de notre PJM. Deux éléments nous ont alors éclairés : nos premiers échanges avec M. François Malburet puis notre rencontre avec MM. Laurent Renaux et Antoine Carayon en semaine 2. A partir de là, nous avons pu identifier les objectifs principaux de notre projet : Optimisation de plusieurs éléments du drone MPS2 : o Train d atterrissage o Empennage o Autonomie o Cycle énergétique Réalisation d un échange de documents à l aide de CATIA V6 A ce point de notre projet, nous avons été confrontés à nos premières difficultés : délais pour l achat du MPS2 et donc absence des données nécessaires aux différents dimensionnements, dépôt de bilan de la société Nexcis, et rareté des établissements du Campus possédant CATIA V6. Face à ce constat, nous avons été amenés à revoir les objectifs de notre projet. Nous avons ainsi décidé que seule l optimisation du train d atterrissage serait menée à terme, en partenariat avec le lycée Jean Perrin (détenteur du logiciel CATIA V6). Nous avons cependant décidé de toute de même analyser le besoin en optimisation de l autonomie (avec l équation de Breguet) et de l empennage du MPS2. Ces objectifs ayant été atteints (à l exception de l échange via CATIA V6 qui devra attendre le mois de septembre 2015), nous avons pu prouver la validité du concept-même de la collaboration au sein du Campus Aéronautique PACA. Nous pouvons donc espérer que, d ici à l année prochaine, le Campus sera totalement opérationnel et pourra répondre à des appels d offre en provenance d entreprises aéronautiques de la région PACA. Page 30 sur 33