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Cap sur l'avion électrique

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Chercheurs et constructeurs s’activent pour réduire drastiquement la pollution des avions. L’hybridation semble être la solution la plus prometteuse… et atteignable.

Cap sur l'avion électrique
Si l’avion à propulsion distribuée de l’Onera (en haut) n’est encore qu’un projet, l’Extra 330LE de Siemens et l’E-Fan d’Airbus en sont déjà aux vols d’essai.

L’industrie aéronautique a longtemps mis en avant le chiffre de 3 %. C’est la part approximative des émissions de gaz à effet de serre du transport aérien. Il peut paraître faible, mais face aux changements climatiques, les constructeurs et les équipementiers n’ont d’autre choix que de poursuivre leurs efforts pour réduire la consommation des avions. Rappelons que dans ce domaine d’importants progrès ont été réalisés, puisqu’un appareil moderne de type Airbus A 350 consomme 60 % de moins que son homologue des années 1970. Mais, compte tenu du doublement de la flotte mondiale d’ici à vingt ans, ces efforts seront vite balayés. À moins que l’industrie et les chercheurs ne trouvent la martingale.

La piste de recherche la plus naturelle pour ne plus émettre de polluants consiste à passer au tout-électrique. Le principe est simple… en apparence : un moteur électrique alimenté par une batterie ou une pile à combustible entraîne une hélice. Airbus et Boeing ont travaillé sur ce genre de concept en développant des prototypes d’avions légers. Le plus connu est l’E-Fan d’Airbus (550 kilos), qui a traversé la Manche en 2015. De son côté, Siemens a fait voler en juillet 2016 un avion de voltige Extra 330LE (1 tonne) équipé d’un prototype de moteur électrique développant 260 kilowatts. Airbus et Siemens se sont associés en 2016 pour mener en commun des travaux sur l’avion électrique et hybride, avec pour objectif d’atteindre des puissances supérieures à 10 mégawatts. « D’ici à 2030, nous espérons faire voler un avion hybride électrique pouvant transporter jusqu’à 100 passagers sur une distance de 1 000 kilomètres », a annoncé Frank Anton, responsable de l’eAircraft au centre de recherche de Siemens. Il faudra toutefois être capable d’arracher du sol un avion près de 50 fois plus lourd que l’Extra 330.

L’un des problèmes de l’avion tout électrique est la trop faible densité d’énergie des batteries lithium-ion, dont ­l’E-Fan est équipé, par rapport au kérosène. « Pour obtenir la densité d’énergie d’un kilo de kérosène, il faut 60 kilos de batterie », souligne Jean Hermetz, l’adjoint au directeur du Département conception et évaluation des performances des systèmes de l’Office national d’études et de recherches aérospatiales (Onera). Difficile pour l’électrique de détrôner le carburant star de l’aviation. Sauf si l’on améliore les batteries. Airbus travaille au sein du réseau RS2E avec le Laboratoire de réactivité et chimie des solides d’Amiens (LRCS) sur des batteries lithium-air qui auraient une densité d’énergie dix fois plus élevée que la technologie lithium-ion et, surtout, une masse trois fois plus faible [lire page 16]. Un point clé pour l’aviation. Il reste encore de nombreux défis à relever pour que cette technologie arrive à maturité. En attendant, l’hybridation semble être la voie intermédiaire qui permettra d’atteindre une densité d’énergie suffisante.

Propulsion distribuée par une série de moteurs

De son côté, l’Onera teste, dans le cadre de son projet Ampère, un concept de propulsion distribuée. Une trentaine de petits moteurs électriques alimentés sont disposés sur la voilure. L’avantage est que ces moteurs peuvent être utilisés pour contrôler l’avion (ce qui dispense d’équiper les ailes de volets mobiles). Ils peuvent aussi améliorer la portance de l’aéronef à basse vitesse. Le centre de recherche mène de nombreuses simulations numériques [lire l’entretien page précédente]. Il s’en est même fait une spécialité. L’un de ses principaux domaines de recherche concerne la dynamique des fluides, avec l’étude des écoulements d’air le long du fuselage.

Ces travaux, réalisés avec l’outil maison Elsa, visent à extraire des grandeurs caractéristiques sur les variations de pression, de vitesse… L’interprétation des variations permettra d’évaluer des données sur la portance et la traînée de l’avion. Avec Ampère, l’Onera veut montrer que l’on peut obtenir de très bons résultats sur l’absorption de la couche limite, c’est-à-dire la fine couche d’air (quelques centimètres à peine) qui se trouve entre l’air collé au fuselage, circulant à la même vitesse que l’avion, et l’air extérieur, à vitesse nulle. « Si l’on peut absorber cette couche limite via les moteurs, on récupère de l’énergie inutilisée et on augmente le rendement global de la propulsion », explique Jean Hermetz.

Les piles à combustible, et notamment les échanges d’électrons avec la membrane électrolyte, font partie des études en cours. Le groupe Safran, comme Airbus, l’Onera et le Commissariat à l’énergie atomique, réalise des travaux de simulation pour embarquer cette technologie à bord des avions. L’un des chantiers consiste à modéliser via Catia un système complet intégrant une pile à combustible avec la méthode de maillage par éléments finis. Ce système repose sur un découpage en petits éléments de ce que l’on doit modéliser, le réduisant à un nuage de points. Les réservoirs d’hydrogène font aussi l’objet d’une attention particulière en raison de l’inflammabilité de ce gaz.

Un autre chantier, moins connu mais pourtant très stratégique, concerne la compatibilité électromagnétique. En intégrant de plus en plus de puissance électrique, les avionneurs vont être obligés de revoir l’architecture des aéronefs du futur pour protéger les équipements (avioniques en particulier). L’Onera et Safran travaillent activement sur ce sujet. Le centre de recherche a développé une chaîne de calcul pour établir les niveaux de rayonnement des systèmes électriques et pour étudier leurs répercussions sur l’avion. C’est plus que crucial : l’avionneur sera peut-être obligé de blinder tel ou tel équipement critique ou de le déplacer. Les chantiers de simulation sont loin d’être terminés.

« On ne modélise que ce que l’on connaît déjà »

Jean Hermetz, adjoint au directeur du département conception et évaluation des performances des systèmes de l’Onera

  • Que peut la simulation pour l’avion à propulsion électrique ?

La simulation joue un rôle central. C’est pourquoi l’Onera s’en est fait une spécialité. Nous travaillons sur la dynamique des fluides (CFD) avec notre outil développé en propre, Elsa. Son code est utilisé par Airbus et Safran pour modéliser les écoulements d’air. Nous simulons aussi la mécanique du vol, c’est-à-dire l’association des différentes forces et leur impact sur l’avion. Enfin, nous avons créé des outils dédiés à la dynamique du vol, aux lois de pilotage.

  • Quels sont les principaux défis ?

D’une façon générale, la CFD est bien maîtrisée. Nous avons fait des progrès énormes, notamment grâce à nos souffleries, qui nous permettent de vérifier les résultats de la simulation. Nous améliorons les codes en permanence. Mais nous butons encore sur la modélisation de certains écoulements d’air, ce qui nous oblige à passer par l’expérimentation en réel.

  • C’est un aller-retour permanent entre simulation et expérimentation ?

C’est indispensable. On ne modélise que ce que l’on connaît déjà ! Si l’on est dans l’inconnu, il faut passer par l’expérimentation. Pour le projet Ampère sur la propulsion distribuée, nous avons effectué des essais en soufflerie pour confirmer les calculs numériques, que nous avons terminés en février dernier. 

Les enjeux de la simulation

  • Simuler les écoulements des avions hybrides
  • Étudier l’impact des ondes électromagnétiques
  • Développer des batteries lithium-air

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