ELECTRIFICATION des AERONEFS LES TECHNOLOGIES CLES

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23544
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ELECTRIFICATION des AERONEFS LES TECHNOLOGIES CLES

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L’avion plus électrique La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 10 ELECTRIFICATION des AERONEFS LES TECHNOLOGIES CLES SERGE ROQUES1 - OLIVIER GOSSELIN2 1) Expert Emérite : SAFRAN ELECTRICAL & POWER 2) Expert Emérite : SAFRAN R&T et INNOVATION 1. Introduction Sur la plupart des avions fabriqués depuis la seconde guerre mondiale, les commandes de vol sont assistées en puissance par 2 ou 3 circuits hydrauliques indépendants généralement avec une pression de l’ordre de 3 000 PSI (environ 210 Bars) et les ordres de commande aboutissant sur les vérins hydrauliques de commande arrivaient du pilote par le biais de câbles souples mécaniques actionnés par les organes de commande du cockpit (volant de manche, manche et palonnier). Sur Concorde d’abord puis sur A320 avec le Mini-manche pour la première fois, les ordres de commande arrivent sur les vérins hydrauliques par des câbles électriques d’où le nouveau nom donné à ces commandes de vol : FLY BY WIRE Sur A380 pour la première fois, deux circuits hydrauliques seulement ont été installés au lieu de 4 circuits indépendants qui étaient demandés par les Services Officiels FAA et EASA. Pour obtenir les 4 circuits indépendants de commande de vol, il a été introduit une nouvelle technologie d’actionneur, EHA (Electro Hydrostatic Actuator), utilisant l’énergie électrique pour alimenter un ensemble motopompe qui fournit localement l’énergie hydraulique à un vérin. Au total, l’avion possède donc 2 circuits hydrauliques alimentant les actionneurs hydrauliques et 2 circuits électriques alimentant les actionneurs electrohydrostatiques. 2. Evolutions électriques récentes Sur le BOEING 787, 3 autres systèmes ont bénéficié d’une électrification. Le système de conditionnement d’air est alimenté par 4 gros compresseurs électriques au lieu d’un prélèvement d’air sur les compresseurs du moteur de propulsion. Le dégivrage des ailes est effectué électriquement au lieu d’être réalisé par air chaud prélevé sur le moteur de propulsion. Le freinage des roues est effectué à l’aide d’actionneurs électriques en remplacement des actionneurs hydrauliques. Résumé : Les avions nouveaux deviennent de plus en plus électriques pour 2 principales raisons : 1. les systèmes de l’avion font principalement appel à l’énergie hydraulique sujette à fuites très corrosives avec un produit très nocif (ester-phosphate) qui est plus énergétique que le kérosène lorsqu’il prend feu à haute température. D’autre part les circuits hydrauliques ne sont pas commutables en cas de fuite car cela entrainerait une fuite sur le circuit commuté et donc sa perte ! La connexion hydraulique manque de souplesse car elle nécessite un remplissage difficile du circuit puis sa purge par du personnel spécialisé donc des risques. A l’opposé, les circuits électriques sont très écologiques, commutables immédiatement en cas de pannes et directement connectables sur l’équipement à alimenter. 2. la propulsion thermique évolue vers une propulsion électrique ou hybride pour des raisons environnementales, de rendement, de nouvelles géométries ou de performances augmentées selon les types d’aéronefs et de missions. Abstract: New airplanes become more electric due to 2 main reasons: 1. Systems are mainly hydraulic and subject to corrosive leakages using a very harmful product (ester- phosphate) more energetic than the kerosene when burning at high temperature. Moreover hydraulic circuits are not interconnectable since a leakage should be connected to the new selected one and therefore its loss. Hydraulic refilling is not flexible with difficulty to introduce hydraulic liquid within pipes and operate purge by qualified personnel to limit risks. 2. On the other hand, electric circuits are more eco-friendly, flexible in case of failure and immediately usable at equipment level. L’avion plus électrique La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 11 Par ailleurs, SAFRAN propose pour un Airbus A320 un système électrique de roulage au sol permettant de se dispenser de la poussée des réacteurs Ce projet entre dans les actions écologiques de réduction de C02 et de NOx. 3. Hybridation de la propulsion Les objectifs ACARE (Advisory Council for Aviation Research and innovation in Europe) visent une réduction d’ici 2050 (base 2000) de 75% pour le CO2, de 90% pour le NOx et de 65% pour le bruit perçu. Ces objectifs ne pourront pas être atteints sans une rupture dans la conception des avions, de leur système de propulsion et des technologies associées. Parmi les initiatives en cours, on peut citer en Europe, Airbus qui s’apprête à expérimenter l’usage d’un moteur électrique de 2 MW alimenté par un turbogénérateur et une batterie, en lieu et place de l’un des 4 moteurs thermiques du BAe 146. Aux USA, la NASA s’apprête à faire voler le X 57 dont la voilure devrait avoir une amélioration aérodynamique de 40% avec une aile soufflée par des propulseurs électriques utilisant des moteurs électriques à haut rendement > 95% à comparer aux 30 à 40% de rendement des moteurs thermiques. Cette association de nouveautés : architecture aérodynamique, système de propulsion et technologies électriques, offre une réelle rupture sur l’efficacité globale, mais L’utilisation de moteurs électriques de rendement > 95% comparé aux 40% de rendement des moteurs thermiques amène un gain significatif mais cet avantage doit être évalué au regard de la quantité et de la masse des batteries à embarquer. 4. Limitations des batteries A ce jour les batteries Li-Ion ne fournissent qu’environ 150Wh /kg de batterie (ref TESLA, package compris) le kérosène fournit environ 11 000 Wh/kg soit 70 fois plus d’énergie pour même masse. De nouvelles technologies, comme le lithium-souffre ou le lithium-air permettront d’atteindre ou de dépasser respectivement 500 et 1000 Wh/kg. Cette pénalité par rapport au kérosène peut s’estomper pour des vols de courte durée et rendre la propulsion électrique alimentée par batterie réaliste mais n’est pas acceptable pour des vols long-courriers où la solution se trouve dans l’hybridation. 5. Les tendances futures De nombreuses études portent sur diverses architectures d’hybridation. Ce peut être une hybridation de sources électriques (générateur, batterie, pile à combustible,..) au profit d’une propulsion électrique et/ou une hybridation de propulsion thermique et électrique. Les solutions sont nombreuses et chacune répond à un cas particulier (drônes, taxis volants, avions d’affaires ou long-courriers) Il ne faut pas oublier l’hydrogène qui permettra de valoriser l’utilisation des piles à combustible qui commencent à être disponibles ou encore alimenter les moteurs thermiques. Les progrès à faire dans ce domaine portent principalement sur le mode de stockage dans l’avion qui peut être sous haute pression ou liquide et aussi dans le mode de production, de distribution et de stockage au sol. Enfin, la montée en puissance des systèmes électriques embarqués au-delà du MW nécessitera de monter la tension des réseaux vers quelques kV à l’image du ferroviaire et du naval tout en utilisant des technologies permettant encore d’augmenter les rendements et réduire la masse ( ex : composants semi-conducteurs SiC et GaN) Plus tard, l’application de la supraconductivité pour les câbles et les machines permettra de faire un pas supplémentaire vers des avions commerciaux à propulsion électrique. 6. Conclusions et perspectives Les technologies électriques disponibles aujourd’hui permettent déjà d’envisager leur déploiement dans l’aviation légère. Prochainement, des architectures innovantes, comme la propulsion distribuée permettront de faire voler à moyen terme des avions de petite ou moyenne capacité. Enfin, le développement de turbomachines de propulsion hybridées, de turbogénérateurs haute vitesse, de batteries haute énergie, de propulseurs électriques et la maîtrise de l’hydrogène permettra d’ici 2050 de développer des avions commerciaux long-courriers répondant aux objectifs environnementaux ACARE.