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L'Usine Aéro

Solar impulse, l’avion qui carbure aux data

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L’avion solaire ne consomme pas de kérosène, il vole grâce aux données numériques ! Sans les modèles conçus par Altran, jamais il ne pourrait effectuer un tour du monde.

Solar impulse, l’avion qui carbure aux data
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© À Monaco, la salle de contrôle du vol de Solar Impulse autour du monde ressemble à celles des missions spatiales.

Les entreprises citées

Partout des écrans, constellés de courbes colorées complexes, de cartes détaillées, d’indications sans cesse changeantes sur le vol. En hauteur, à la vue de tous, des images saccadées diffusées en direct sur un écran laissent deviner l’intérieur du cockpit. Le « mission control centre » (MCC, pour centre de contôle de mission) de Solar Impulse ressemble à celui des lancements de fusées. À ceci près qu’il ne se trouve pas au niveau de l’équateur mais dans la principauté de Monaco.

Dans un mélange d’excitation et de tension palpable, une vingtaine d’experts (météorologues, mathématiciens, ingénieurs de vol, contrôleurs aériens…) vivent une aventure industrielle sensationnelle : suivre la tentative de tour du monde d’un avion qui ne consomme pas la moindre goutte de kérosène. L’exploit repose sur deux pilotes d’exception suisses, Bertrand Piccard et André Borschberg. Mais aussi sur des modèles numériques et des systèmes de simulation mis au point par l’ingénieriste français Altran. Sans eux, jamais ce vol inédit n’aurait pu être tenté…

Les pilotes peuvent compter sur leur ange gardien numérique. S’ils sont seuls dans leur frêle aéronef confronté aux éléments, l’outil numérique a prédit quasiment à la seconde près la marche à suivre pour franchir les étapes. Explication : Solar Impulse a déjà fait 150 milliards de fois le tour du monde ! « Ce travail de simulation numérique nous a permis de détecter les points de passage optimums, de préconiser les routes aériennes les plus sûres et de décrire les meilleures stratégies de vol, explique Christophe Béesau, mathématicien chez Altran, tout en gardant un œil attentif sur l’écran de son ordinateur pour suivre le vol de l’appareil. Le but était de prévoir le plan de vol entre six mois et un an à l’avance. »

Un impératif de prévisibilité qui s’explique par les innombrables demandes d’atterrissage à effectuer auprès d’aéroports du monde entier, les besoins d’insertion dans l’espace aérien et le calendrier à respecter pour assurer une promotion efficace de l’appareil. Impossible pour les météorologues de fournir des prédictions à une telle échéance. « Plutôt que d’essayer de prédire la météo, nous avons cherché à maximiser la probabilité que l’avion arrive à destination », s’enthousiasme Christophe Béesau.

Des dizaines de milliers de résultats

Une approche originale qui revient à faire voyager l’avion solaire… dans le passé. « Les vols numériques de Solar Impulse que nous avons effectués l’ont été dans le flux des bases de données météorologiques des années passées, afin de comprendre son comportement, résume Christophe Béesau, sollicité en permanence par les membres du MCC. Cette méthode d’analyse permet de préconiser quelles seront les meilleures routes à suivre. » La solution répond au nom barbare d’optimiseur stochastique long terme. La méthode consiste à générer des dizaines de milliers de résultats possibles (ici des plans de vol) plutôt que de faire des calculs de probabilité, et d’appliquer des critères de tri dans cet énorme volume d’informations.

La solution logicielle a été mise au point en dix-huit mois – une performance ! – lors du survol des États-Unis par Solar Impulse en 2013, puis développée de manière plus fine et étendue pour le tour du monde en cours. Elle a été mise au point alors qu’aucun modèle équivalent n’existait. Il faut dire que sa complexité est sans précédent : d’un côté, des milliers de paramètres (conditions météo, niveau d’oxygène pour les pilotes, force du vent, charge des batteries…) doivent être pris en compte, de l’autre, la légèreté de l’appareil (2,3 tonnes) le rend sensible aux variations de son environnement.

Est-on en présence de big data ? « Pas tout à fait, sourit Christophe Béesau. Certes le volume des données est important, mais on sait ce que l’on cherche. » Alors que des vols pourront durer cinq jours sans escale, répondre à certaines questions est crucial pour réaliser le tour du monde. Comment prévoir le niveau de charge des batteries à la tombée de la nuit ? Le vent en altitude sera-t-il suffisant ? Grâce aux milliards de simulations réalisées, un plan de vol idéal est défini : points de passage, enchaînements les plus favorables, stratégies de vol. Des mois à l’avance, l’équipe d’Altran a fait la chasse aux incertitudes par le calcul de probabilité de réussite pour chaque scénario. Pour autant, elle ne peut se contenter de regarder les pilotes une fois aux commandes de l’avion solaire : à mesure que les vols approchent, les modèles numériques développés intègrent les prévisions météorologiques réelles. Durant le vol, des ajustements sont décidés en permanence. Une turbulence en haute altitude se forme, un avion oblige à se détourner de la trajectoire prévue, l’ensoleillement est plus faible que prévu : ces paramètres sont injectés dans la moulinette numérique pour élaborer une nouvelle stratégie de vol. De quoi susciter dans le MCC des moments de frénésie. 

L’efficacité de la solution est telle qu’Altran pourrait bien la faire sortir du cadre du projet Solar Impulse. C’est l’espoir de Christian Le Liepvre, le directeur de la Fondation Altran pour l’innovation : « Ce calcul d’optimisation des trajectoires de vol pourrait intéresser des compagnies aériennes. » L’ingénieriste, qui a déjà travaillé en collaboration avec Airbus Group sur des solutions destinées à l’aéroport du futur, pourrait bientôt investir le champ du trafic aérien, qui devrait connaître une forte croissance au cours des prochaines années. 

Un laboratoire volant pour les industriels


Pour les industriels qui y participent, l’aventure de Solar Impulse ce n’est pas qu’une question d’image. Ce laboratoire volant leur permet de tester de nombreuses technologies. Au côté d’Altran, on trouve parmi les plus actifs le chimiste Solvay, qui expérimente entre autres des films de protection des cellules photovoltaïques et des éléments de batteries. Bayer MaterialScience a, lui, fournit des matériaux composites à base de mousse polyuréthane, qui pourraient trouver des applications dans l’automobile. Le développement de l’appareil a mis à profit le savoir-faire de Dassault Systèmes, seul acteur de l’aéronautique impliqué dans ce projet, en ce qui concerne la modélisation numérique. Une partie de l’avionique du cockpit est fournie par le fabricant de montres Omega. Enfin, ABB, connu pour ses technologies de l’énergie et de l’automation, et Schindler, spécialiste des ascenseurs et des escalators, complètent le tableau de ces industriels. 

Un appareil unique au monde
 

L’avion : 17 248 cellules photovoltaïques ; 72 m d’envergure ; 4 batteries d’une puissance de 13 kW chacune ; 2,3 tonnes

Le tour du monde a débuté le 9 mars. Il comprend 12 étapes et devrait s’achever dans le courant de l’été.

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