Pour développer la propulsion hybride des avions du futur et diminuer très fortement la pollution, un consortium(1) vient de démarrer ses recherches dans le cadre de Hastecs (Hybrid Aircraft, Academic reSearch on Thermal and Electrical Components) visant à réduire le bruit et les émissions de CO 2 dans l'aviation civile, et à pouvoir envisager des moteurs au kérozène qui convertissent tout ou partie de la puissance en électricité, cette puissance pouvant pousser des hélices ou des réacteurs à partir de moteurs électriques.
Prévu pour 5 ans, ce projet, qui fait partie de Cleansky 2, important programme de recherches aéronautiques visant à réduire de 20% les émissions de CO 2 et de bruit, est d'électrifier partiellement la propulsion de l'avion. Il ne s'agit pas là de faire un avion tout électrique, il n'est pas question de remplacer les moteurs thermiques par uniquement une source électrique, mais cette recherche doit permettre de fournir une certaine puissance et de la fournir à moindre masse, en minimisant le ratio masse puissance, la densité de puissance.
Ces objectifs ne pourront être remplis si les puissances spécifiques ne sont pas suffisamment élevées. Leader du projet Hastecs, le laboratoire Laplace s'est donné pour objectif de doubler la puissance spécifique des machines électriques.
En optimisant seulement la chaîne électrique, avec par exemple une puissance de 6 mégawatts pour l'avion régional, avec les cibles que Hastecs a en terme d'amélioration du ratio kilowatt/kilo, et en tenant compte des ruptures de concepts scientifiques, des ruptures technologiques les plus prometteuses, des batteries nouvelle génération, en doublant le ratio puissance/masse des machines et de leur alimentation, Hastecs espère à l'horizon 2035 gagner 1,8 tonne sur l'avion et donc de réduire la consommation de carburant.
Avec ses effets boule de neige (snowball effects), on estime que ce gain là serait à peu près de 3,5% de kérozène sur un vol régional de 400 miles nautiques.
Un enjeu très ambitieux, aujourd'hui incertain, malgré les promesses en terme d'évolution technologique et de nouveaux concepts que les chercheurs vont essayer de mettre en œuvre, enjeu qui nécessite une véritable synergie entre la chaîne électrique et la chaîne thermique, parce qu'une chaine électrique comme tout système physique dissipe des calories et nécessite d'être refroidie. Cette synergie, si elle faisait défaut pourrait être un premier frein. Le laboratoire P'prime à Poitiers est l'un des 3 partenaires d'Hastecs qui va œuvrer à ce refroidissement en coopération avec le laboratoire Laplace qui va pour sa part concentrer ses travaux sur la conversion d'énergie électrique, notamment les chaînes d'énergie, avec des domaines de prédilection comme l'électronique de puissance, les moteurs électriques, l'intégration systèmes et la problématique de l'isolement électrique.
Comme la montée en puissance s'accomode d'une montée en tension, il en résulte une problématique d'isolement qui est très pointue et qui fait partie des freins et des verrous technologiques à lever.
Parmi les ruptures il y a le fait de passer du kilowatt au mégawatt et on ne sait pas encore transporter correctement à moindre coût - en terme de masse - l'électricité. Il y a des centaines de mètres de cables dans les aéronefs et il est clair que si on transporte l'électricité sous une tension qui reste celle qu'on a aujourd'hui de quelques centaines de volts dans les aéronefs classiques , en passant au mégawatt, des sections de câbles monstrueuses pourraient être nécessaires, générant des tonnes de câblages. Aujourd'hui sur un moteur électrique les densités de puissance sont autour de 5 kilowatts par kilos et passer aux mégawatts alourdirait la masse en tonnes.
Monter en tension c'est bien l'une des voies pour gagner de la masse et un work package dans Hastecs fera l'objet d'une thèse et d'un post doctorat, qui seront dédiés à développer des solutions pour concevoir les câbles, concevoir les armoires électriques de puissance et les électroniques de puissance, de façon à ce qu' à la fois en termes de matériaux, de positionnement, d'architectures, de structures, on trouve des moyens pour résoudre ces problèmes d'isolement électrique et de masse.
Xavier Roboam, directeur de recherche au Cnes dans le cadre du laboratoire Laplace, précise que le programme Hastecs envisage d'aller à 10/15 kilowatts par kilo et à diminuer finalement le ratio kilogramme par kilowatt, d'un rapport de 2 voire plus.
Cela implique selon lui de nouvelles technologies, de nouveaux concepts de motorisation, et il se demande si les équipementiers traditionnels de l'aéronautique mais qui n'ont jamais travaillé au-delà de la centaine de kilowatts et voire même de quelques dizaines de kilowatts, seront les équipementiers élus au niveau de l'avion hybride ou bien si ce seront plutôt des spécialistes de la puissance, pas forcément des spécialistes de l'aéronautique.
Xavier Roboam indique aussi que cette recherche et ces gains de masse s'ils aboutissent aux résultats espérés nous autorisent à rêver à nouvelles façons de voler voire d'imaginer les nouvelles formes d'avions du futur.
Il rappelle que " les moteurs thermiques sont plus performants quant ils sont à leur calibre de puissance maximale nominale. Sur un moteur au ralenti, tout moteur thermique consomme beaucoup plus par kilomètre parcouru ou par usage rendu que lorsqu'il est à sa puissance optimale. En particulier sur un aéronef, sur des phases de vol ou de fonctionnement à puissance réduite, en descente, où les moteurs sont au ralenti, ou encore en roulage sur le tarmac. Lorsqu'un avion est en " taxiage" sur les aéroports, ses moteurs sont ultra surdimensionnés pour cette tâche. C'est pouquoi Safran a repris à son compte le développement du " green taxiing ".
L'idée est de ne pas utiliser les moteurs principaux pour amener l'avion en bout de piste ou pour le ramener. Raison pour laquelle Hastecs cible l'avion régional pour ses recherches car sur un avion régional lorsque la phase de croisière est très réduite par rapport aux phases de montée, de descente et de roulage, cette dernière devient non négligeables voire prépondérante dans la séquence de vol.
Il est clair que quand on traverse l'Atlantique la part énergétique de la phase de roulage au sol par rapport à l'énergie que va consommer l'avion pour faire un Paris-New York devient infime. Par contre on est presque plus longtemps en taxiage qu'en croisière sur un vol régional.
Or c'est précisément sur ces phases là que l'avion hybride va économiser du carburant ". L'idée du programme Hastecs c'est que dans certaines phases de vol quand on a besoin de moins de puissance on éteigne les moteurs thermiques au kérozene et on vole en descente sur batteries grâce à la propulsion tout électrique. Une fraction de la puissance fournie par les moteurs au kérozène pourrait aussi être convertie par des alternateurs et venir alimenter les moteurs électriques. C'est ce qu'on voit sur les véhicules hybrides, la motorisation hybride offre des dynamiques qui n'existent pas avec des moteurs thermiques. Ces dynamiques là sont nécessaires notamment pour faire de la poussée différentielle.
L'avion hybride permet d'autres types de gains, et notamment nous autorise aussi a rêver de nouvelles aérodynamiques, grâce au fait d'avoir des moteurs électriques qui pourraient être répartis, (on parle de propulsion répartie sur les voilures, avec des petits moteurs électriques et des petites hélices qui pourraient se répartir tout au long de la voilure) permettant ainsi de faire de la poussée différentielle. Si on imagine pousser plus sur l'hélice de gauche que sur celle de droite, on est capable de changer la direction de l'avion. Sur un avion classique c'est la gouverne arrière, l'empennage, qui remplit cette fonction, ce qui nous autorise à imaginer des avions sans empennage. Donc moins lourds, avec un meilleur CX (coefficient de pénétration dans l'air). Cela peut autoriser de nouvelles formes d'avions telles que par exemple le concept que propose la Nasa. L'avion hybride permettrait de diminuer l'empreinte carbone et d'économiser du carburant.
Enfin, la dernière rupture technologique concernant l'aérodynamique porte sur le concept de voilure soufflée, où, de nouveau avec la propulsion répartie - le fait d'avoir des petites hélices poussées par des moteurs électriques et qui sont quasiment dans l'épaisseur de l'aile - permettent d'avoir des effets de soufflage qui augmentent la portance de l'avion.
Xavier Roboam conclut : " Quand on parle de design de la structure de l'avion on pense au rapport entre la trainée et la portance. Le rapport entre l'effet de trainée c'est-à-dire l'effet de CX et la portance, c'est ce qui est dimensionnant pour la taille de la voilure, c'est-à-dire la longueur des ailes. Si on augmente le ratio portance sur trainée, on est capable de réduire l'envergure de l'avion. Qui dit réduire la taille des voilures dit meilleur CX, moins de trainée, moindre masse et meilleure performance en croisière. "
Autant de recherches qui pourraient révolutionner l'aéronautique du futur tant au niveau du vol que de la forme des avions.
Nadia Didelot, AeroMorning
- Le consortium de laboratoires toulousains Laplace et Cirimat et poitevin Institut Pprime