AMPERE, l'envol de la propulsion électrique distribuée
De nouveaux modèles aéro-propulsifs - Construire un avion, c'est rechercher un compromis entre des points de vue souvent antagonistes, comme ceux de l'aérodynamique et des structures.
Jean Hermetz (DTIS),Chef du projet AMPERE
L'un des défis consiste à obtenir un rendement optimal pour la propulsion, tout en générant le moins de traînée possible. Le standard actuel de l'industrie aéronautique repose sur des moteurs thermiques puissants, en petit nombre.Or, cette architecture a livré l’essentiel de son potentiel en termes d'optimisation des performances. La propulsion électrique distribuée conduit à repenser la conception des avions, en espérant des bénéfices tant au plan aérodynamique qu'en matière de contrôle de vol. Les avantages de la propulsion distribuée Suivant le type d'avion auquel on s'intéresse, différents avantages intrinsèques de la propulsion distribuée peuvent être développés. Par exemple, la distribution peut favoriser l'ingestion de la couche limite par les fans, donc diminuer les pertes d'énergie liées aux frottements entre l'air entraîné par la surface de l'avion et l'air ambiant. À la clé, un meilleur rendement de propulsion.
Paroles d'experts
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Michael Ridel Spécialiste des aspects intégration système et de compatibilité électromagnétique DEMR
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Carsten Döll Spécialiste commande de vol et dynamique du vol DTIS
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Olivier Atinault Expert aérodynamicien DAAA
Propulsion électrique distribuée :32 fans électriques sont positionnés sur l’extrados de la voilure
Dans le cas d'AMPERE, les moteurs ont surtout un effet de soufflage de voilure, qui accroît la portance à basse vitesse, laquelle permet de décoller et d'atterrir sur de courtes distances.
En plus de propulser et de fournir de la portance, les moteurs participent au pilotage de l'avion, grâce à leur distribution. Une poussée différentielle aura pour effet un mouvement ou une stabilisation de l'avion. Cette configuration assure également le vol en cas de panne d'un ou de plusieurs moteurs, ce qui permet un dimensionnement au plus juste de la propulsion.
La mutualisation des fonctions permet ainsi d'améliorer la sécurité du vol tout en réduisant divers postes de masse et de consommation d'énergie.
AMPERE, un ensemble cohérent d’innovations
Une propulsion électrique optimisée
Source d’énergie hybride :piles à combustible alimentées par de
l’hydrogène hyperbare (700 bar) associées
des batteries
Les échanges opérés dans le cadre d’une action de prospective en partenariat avec le CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives), ont conduit à retenir des piles à combustible comme source d’énergie principale. Celles-ci ne rejettent pas de polluants lors de leur fonctionnement. Alimentées par de l'hydrogène à très haute pression, elles sont complétées par des batteries de type lithium-ion, plus « réactives », qui assurent les appels de puissance transitoires, comme lors de manœuvres de l'avion.
Contrairement aux moteurs thermiques, dont le rendement est moindre lorsque leur taille est réduite, les petits moteurs électriques conservent un excellent rendement. C'est ce qui permet d'envisager leur distribution le long des ailes. Les éléments aérodynamiques entraînés par les moteurs, les fans, subissent des effets d'échelle, mais la dégradation du rendement reste faible. Par ailleurs, l'architecture électrique est conçue pour réduire les pertes thermiques. Tous ces facteurs concourent au développement d'un avion plus performant.
Le projet AMPERE : enjeux et perspectives
Installation de l’architecture de propulsion etintégration de la maquette de soufflerie au 1/5ème
Le volet numérique du projet a permis de concevoir l'intégration motrice de la propulsion distribuée et de son effet de soufflage de voilure. Le volet expérimental se termine début 2017, dans une soufflerie de l'ONERA, à Lille. La maquette de soufflerie, motorisée, avec ses 32 moteurs et ses 2,90 mètres d'envergure (échelle au 1 / 5e), a pour rôle de vérifier la validité des calculs qui ont prédit les performances aérodynamiques d'AMPERE et de les compléter, notamment aux limites du domaine.
Les résultats de ces essais en soufflerie seront ensuite analysés afin de définir le modèle aérodynamique complet de l'avion. L'objectif est d'alimenter un simulateur de vol et de développer des outils permettant de concevoir les lois de pilotage de l'appareil, pour ensuite faire une démonstration virtuelle du vol de l'avion. Et, après le simulateur, pourquoi ne pas envisager l'étape suivante d'un démonstrateur en vol ?
Montage de la maquette AMPERE en veine pour essais dans la soufflerie L2 au centre de Lille fin 2016
Cet article a été réalisé en collaboration avec
Jean Hermetz, Carsten Döll (DTIS)
Olivier Atinault (DAAA)
Michaël Ridel (DEMR)
Antoine Guigon (DPRA)
Paroles d'experts
Un des avantages de la propulsion électrique distribuée est l’optimisation du vecteur énergétique (puissance & énergie) à embarquer en prenant en compte à la fois les aspects aérodynamiques, de performances de vol et surtout sécuritaires (lié par exemple à la perte d’un ou plusieurs moteurs). En effet, la puissance mise en œuvre est fonction de la force propulsive nécessaire pour réaliser chaque phase de vol, tandis que l’énergie embarquée est déterminée par les caractéristiques de la mission à réaliser (durée et distance franchissable). Ainsi à partir des caractéristiques de l'avion AMPERE, il a été décidé de faire huit ensembles de quatre moteurs, placés symétriquement sur l’avion, et alimenté chacun par un vecteur énergétique (pile à combustible et batterie pour les aspects dynamiques).
Toutefois, la définition d’une architecture électrique sécuritaire nécessite de prendre en considération un ensemble de contraintes d’intégration. Tout d’abord, l'intégrité fonctionnelle des systèmes électriques nécessite de concevoir un réseau électrique permettant d’assurer une parfaite équipotentielle entre ces systèmes. Les contraintes de compatibilité électromagnétique sont, quant à elles, abordées à travers le choix de l’installation du réseau électrique ainsi que dans la nature conductrice (peau métallique ou matériaux innovants très bons conducteurs) de la structure de l’aéronef, satisfaisant aussi les contraintes de la foudre. Les pertes thermiques générées par les différents systèmes électriques (stockage, distribution et conversion) seront évaluées et éventuellement corrigées par des systèmes de refroidissement ou bien utilisées comme contributeur dans une solution de dégivrage.
Grâce à la propulsion distribuée, il est possible de faire participer les éléments propulsifs, les fans, à la commande de vol. Avec une poussée dissymétrique, en effet, on crée des moments dits de lacet autour de l'axe vertical de l'appareil, qui font tourner l'avion à plat. Les effets de portance procurés par le soufflage de voilure peuvent également être mis en œuvre de manière différentielle pour créer du roulis (rotation autour de l'axe longitudinal). Ces moments permettent de stabiliser l'avion même en cas de panne de moteurs et peuvent apporter des gains en matière de pilotage.
Par ailleurs, la taille de la dérive, la gouverne verticale à la queue de l'appareil, pourra alors être diminuée. Le gain de masse qui en découle compense partiellement la masse ajoutée par les moteurs. Dans la pratique, la dérive pourrait être réduite jusqu’à 30 % de sa taille actuelle. Dès lors, ce sont les moteurs qui devront permettre de contrer les effets de turbulences et de vents à haute fréquence, notamment lors de l'atterrissage. Les essais en soufflerie d'AMPERE doivent déterminer si leur réponse est suffisamment rapide. S'ils ne sont pas concluants sur ce point, d'autres pistes pourront être développées, comme associer de gros moteurs créant la poussée, à de petits moteurs plus réactifs. L'optimisation du pilotage disposant d'une quarantaine de gouvernes (les fans) est un des défis technologiques du projet.
La propulsion distribuée a été étudiée aux États-Unis depuis une dizaine d'années, avec des applications envisageables pour des avions commerciaux autour d'un horizon 2040. L'ONERA a repris ce concept à son compte pour le décliner sur des gammes d'avions de tourisme, en se fondant sur des technologies disponibles, donc réalisables à plus court terme. Je suis intervenu dans le cadre d'études prospectives qui ont permis de qualifier les géométries candidates et de quantifier le nombre de moteurs, montrant que celui-ci pouvait s'élever à 40, au lieu des 16 prévus initialement.
Les essais en soufflerie nous permettent d'évaluer la rapidité de la réponse lors de la commande via le différentiel de poussée des moteurs. De plus, l'étude du vol sans propulsion, autrement dit en cas de panne de tous les moteurs, est coûteuse en temps en simulation. Les essais permettent d'étudier dans quelles conditions la portance peut être conservée, autrement dit à quel moment le décrochage intervient.
L'enjeu est de comprendre les tenants et aboutissants de la mise en parallèle de plusieurs moteurs. Le projet AMPERE étudie ce type particulier de propulsion distribuée, que l'on appelle l'hyperdistribution. Les enseignements qui en découleront pourront par la suite être transposés à d'autres types d'avions, de taille plus importante.