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Prise en compte de la cascade des incertitudes climatiques et moteurs dans la modélisation de la phase de décollage des avions : vers l'adaptation du trafic aérien au changement climatique.

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Required Education : M2 ou école d'ingénieur
Start date : 4 October 2021
Mission duration : 36 mois
Deadline for applications : 30 June 2021
Salary : 1600 euros/mois (net)

Contacts :

Sophie Ricci (ricci@cerfacs.fr) –  Nicolas Gourdain (nicolas.gourdain@isae.fr) – Emilia Sanchez (sanchez@cerfacs.fr)

Présentation scientifique du projet de recherche

Le projet doctoral ClimateFly se positionne dans le cadre d’un axe stratégique qui s’intéresse aux conséquences du changement climatique sur le transport aérien et à son adaptation. La communauté scientifique est fortement mobilisée sur l'étude de l'impact climatique de l'aviation. En revanche l'impact du changement climatique sur le trafic aérien est peu étudié. Par exemple, la performance des moteurs d'avion est impactée par une augmentation de la température de l'air ambiant et de l’occurrence des pics de chaleur (GIEC 2013, GIEC 2018). L'augmentation de la température et de l'humidité atmosphérique tend aussi à réduire la portance de l'aéronef, ce qui a des conséquences sur la consommation de carburant et la masse maximale admissible au décollage (Coffel et al., 2015, Coffel et al., 2017).

Le projet doctoral ClimateFly s'inscrit à la suite du projet RTRA ICCA (Impact of Climate Change on Aviation), qui regroupe instituts de recherche et industriels avionneurs, pour étudier l'impact du changement climatique sur l'aviation commerciale. Le projet a deux objectifs : 1) quantifier l'évolution, sur les décennies à venir, du nombre de jours pour lesquels une température extrême est atteinte au sol (entraînant un allongement de la distance au décollage et/ou une restriction du poids au décollage) et 2) proposer des pistes d’adaptation pour adapter l’aviation au changement climatique. Modéliser l'impact du changement climatique sur le trafic aérien est une tâche extrêmement vaste, qui repose sur des choix de modélisation pour l'atmosphère et les scénarios d'émission, ainsi que pour l'aérodynamique de l'avion et la poussée des moteurs. Chaque modélisation est associée à des incertitudes épistémiques et aléatoires liées aux modèles, à la résolution numérique d'équations simplifiées de la physique, à la mise en données des codes de calcul et à la nature stochastique de certains processus en jeu. Les variables atmosphériques évoluent au fil du temps et selon les scénarios d'émission, représentées par des simulations climatiques imparfaites du fait d'erreurs sur la paramétrisation des modèles et sur les forçages. Les variables caractéristiques de la propulsion et de l'aérodynamique de l'avion sont aussi représentés par des simulations numériques simplifiées qui prédisent les performances au décollage et en vol de manière incertaine. Ces incertitudes sur les sous-systèmes schématisés sont propagées par le modèle numérique et se traduisent par une incertitude sur les sorties des simulations (par exemple le calcul de la distance de décollage ou les performances de vol, critères à partir desquels l'industrie aéronautique émet des certifications et des choix de conception). Pour traduire l'impact du changement climatique sur la distance de décollage d'un avion, il n'est donc pas suffisant de réaliser, de manière déterministe, une modélisation atmosphère-avion en faisant une hypothèse sur une augmentation de température et d'humidité. Il est indispensable de prendre en compte la cascade des incertitudes associées à chaque sous système, et de propager ces incertitudes dans la chaîne de modélisation, via une approche ensembliste. L'objectif du projet doctoral ClimateFly est de traduire les incertitudes sur les variables atmosphériques impactées par le changement climatique et sur les caractéristiques moteur et aérodynamiques de l'avion en une estimation quantifiée de la réduction de la charge maximale autorisée de l'avion pour satisfaire à la phase de décollage. La configuration étudiée pendant la thèse sera représentative d'un avion civil actuel.

La propagation ensembliste des incertitudes permettra de quantifier, par exemple, un nombre de jour de restriction de poids dans différentes régions du monde et pour différents niveaux de réchauffement global: 1.5 et 2°C (cible fixée dans les accords de Paris), 3 ou 4°C pour des scénarios plus pessimistes (qu'il faut néanmoins considérer dans une approche d'estimation des risques). Cette approche à l'avantage de présenter un résultat synthétique pour les différents scénarios d'émission et sur les décennies jusqu'à 2100. Cette stratégie dite “directe” sera complétée par une stratégie “inverse” qui consiste à identifier les valeurs et les incertitudes des variables en entrée pour respecter une contrainte sur les variables de sortie. Ce projet nécessite de mobiliser des compétences en modélisation de la mécanique de fluides (aérodynamique et performance moteur) et en modélisation du changement climatique, raison pour laquelle deux équipes sont associées pour encadrer ce travail de thèse : l’ISAE-Supaero (Département d’Aérodynamique, Energetique et Propulsion) et le CERFACS/CNRS (équipe Climat Environnement Couplages et Incertitudes).

Liens du sujet de thèse avec les activités des unités de recherche d'accueil

Le travail précédemment réalisé par les laboratoires CECI et DAEP sur l'analyse de sensibilité de la distance de décollage a mis en évidence la prédominance de l'effet lié à la température sur la diminution de la poussée et l’augmentation de la distance de décollage (Prado 2020), en se basant sur les données des scénarios RCP2.5, RCP4.5, RCP6.5 et RCP8.5 du GIEC. Les développements et les conclusions de cette étude constitue un point de départ pour ClimateFly. Chacune des deux équipes possède une expertise solide sur un des 3 axes piliers du projet doctoral : la dynamique et la performance du vol pour l'ISAE-SUPAERO/DAEP, la modélisation du changement climatique et les méthodes de quantification des incertitudes pour CERFACS/CECI. Ces deux laboratoires sont des acteurs clés du chantier RTRA ICCA (Impact du Changement Climatique pour l'Aviation) depuis 2018.

Valorisation du projet

Le projet doctoral bénéficie de la dynamique du consortium RTRA ICCA, constitué des partenaires académiques et industriels avionneurs. Outre la valorisation du projet par le biais de publications scientifiques, qui participeront au rayonnement de la région, ClimateFly doit permettre : 1) de préconiser et valider des modifications permettant d’adapter les avions civils et de les rendre plus résilient face au changement climatique (cible : TRL 4) et 2) de développer des connaissances utiles pour la formation des futurs ingénieurs et scientifiques, directement dans les formations dispensées à l’ISAE-Supaero et au CERFACS, mais aussi en s’appuyant sur la Fédération de Recherche qui regroupe l’ENAC, l’ONERA et l’ISAE-Supaero.

Profil recherché

Des compétences en statistiques, programmation (Python) et mécanique des fluides sont attendues pour un profil M2 ou école d’ingénieur. Un attrait pour les domaine de l’aviation, aéronautique et environnement sont également souhaitables.