L'avion électrique est-il une alternative à l'aviation moderne ?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Le moteur moderne à turbine à gaz (turbofan) qui entraîne les chemises n'est bien sûr pas un hochet à deux temps pour outils de jardinage, mais une machine très efficace et très fiable. Cependant, selon les avionneurs, il est proche d'épuiser les réserves pour de nouvelles améliorations.

Pourquoi y a-t-il des moteurs - tous les avions de ligne en construction sont si similaires les uns aux autres que seul un expert en aviation distinguera immédiatement Boeing ou Airbus de Bombardier ou MS-21. Et bien qu'il ne fasse aucun doute que les avions de ligne de type moderne avec deux moteurs à turbine à gaz sous les ailes nous feront rouler dans le ciel pendant des décennies, de grands espoirs pour une nouvelle configuration et une nouvelle aérodynamique des avions sont associés à la propulsion électrique.

Rapide, mais pas pour longtemps

Jusqu'à récemment, le terme "avion électrique" était compris comme un "avion plus électrique" - un avion à voilure fixe, dans lequel les transmissions mécaniques et hydrauliques étaient remplacées au maximum par des transmissions électriques.

Plus de tuyaux et de câbles - tous les travaux mécaniques, tels que la conduite des gouvernails et la mécanisation de l'aile, sont effectués par de petits moteurs-actionneurs électriques, qui sont alimentés en énergie et un canal pour le signal de commande. Désormais, le terme s'est doté d'un nouveau sens: un véritable avion électrique doit lui-même se déplacer en traction électrique.

Bien entendu, les perspectives de l'aviation électrique ne dépendent pas seulement (et même pas tant) des concepteurs d'avions que des progrès réalisés dans le domaine de l'électrotechnique. Après tout, les avions, comme on dit, "sur batteries" existent. Des moteurs électriques auxiliaires ont été installés sur les planeurs il y a plusieurs décennies.

L'Extra 330LE, qui a volé pour la première fois en 2016, embarque déjà des planeurs et établit des records de vitesse. Mais son bloc de 14 puissantes batteries lithium-ion et un moteur électrique de Siemens permettent à ce bébé d'embarquer seulement deux personnes, dont le pilote, et de rester en l'air plus de 20 minutes.

330LE supplémentaire

Bien sûr, il existe des projets avec des indicateurs beaucoup plus impressionnants. En septembre dernier, la compagnie low-cost britannique EasyJet a annoncé qu'elle lancerait dans dix ans un paquebot régional tout électrique (autonomie de 540 km, ce qui est beaucoup pour des vols intra-européens) d'une capacité de 180 passagers.

La startup américaine Wright Electric, qui a déjà construit un démonstrateur volant biplace, est devenue partenaire du projet. Cependant, aujourd'hui, la densité énergétique des meilleures batteries lithium-ion est inférieure de plus d'un ordre de grandeur à celle des hydrocarbures. On suppose que d'ici 2030, les batteries amélioreront leurs performances d'un maximum de deux fois.

Turbine, reste

La situation des piles à combustible semble beaucoup plus avantageuse, dans laquelle l'énergie chimique du combustible est directement convertie en énergie électrique, en contournant le processus de combustion.

L'hydrogène est considéré comme le combustible le plus prometteur pour une telle source d'énergie. Des expériences avec des piles à combustible comme source d'énergie pour un avion électrique sont menées dans différents pays du monde (en Russie, CIAM travaille principalement sur des projets de création de tels avions, et les piles à combustible pour eux sont créées à l'IPCP RAS sous le direction du professeur Yuri Dobrovolsky).

Des concepts volants et habités, on peut rappeler le démonstrateur européen ENFICA-FC Rapid 200FC - il utilisait à la fois des batteries électriques et des piles à combustible. Mais cette technologie a également besoin d'améliorations significatives et de recherches supplémentaires.

Les perspectives les plus réalistes pour aujourd'hui semblent être les perspectives d'avions électriques construits selon le schéma hybride. Cela signifie que l'hélice de l'avion (hélice ou propulseur) sera entraînée par un moteur électrique, mais qu'elle recevra l'électricité d'un générateur mis en rotation… par un moteur à turbine à gaz (ou autre moteur à combustion interne). A première vue, un tel schéma paraît étrange: ils veulent abandonner la GTE au profit du moteur électrique, mais ils ne vont pas le faire.

Il existe déjà pas mal de projets hybrides dans le monde, mais nous nous intéressons principalement à la Russie. Des travaux sur avion électrique, notamment avec un schéma hybride, ont été menés dans divers instituts scientifiques du profil aéronautique, tels que TsAGI ou TsIAM.

Aujourd'hui, ces institutions et d'autres ont été réunies (depuis 2014) sous les auspices du Centre de recherche « Institut nommé d'après N. Ye. Zhukovsky », conçu pour devenir un seul puissant « cerveau trust » de l'industrie. La tâche d'intégrer tous les travaux sur l'aviation électrique au sein du centre est confiée à Sergueï Galperin, que nous avons déjà cité au début de l'article.

Décollage sur batterie

"La transition vers les moteurs électriques dans l'aviation ouvre de nombreuses perspectives intéressantes", explique Sergei Halperin, "mais il n'y a aucune raison de compter sur la création d'un avion électrique commercial avec une autonomie décente pour les conditions russes sur des sources d'énergie purement chimiques (batteries ou piles à combustible) dans un futur proche: le potentiel énergétique diffère trop d'un kilogramme de kérosène et d'un kilogramme de batteries. Une conception hybride pourrait être un compromis raisonnable. Il faut bien comprendre qu'un moteur à turbine à gaz qui crée directement une poussée et un moteur à turbine à gaz qui va mettre en mouvement l'arbre de la génératrice ne sont pas du tout la même chose.

Le fait est que les besoins énergétiques de l'avion changent considérablement au cours du vol. Au décollage, le moteur de l'avion développe une puissance proche de son maximum et pendant la croisière (c'est-à-dire pendant la majeure partie du vol), la consommation d'énergie de l'avion est réduite de 5 à 6 fois.

Ainsi, une centrale électrique traditionnelle doit pouvoir fonctionner dans une large gamme de modes (pas toujours optimaux du point de vue économique) et basculer rapidement de l'un à l'autre. Rien de tel n'est requis d'un moteur à turbine à gaz dans une installation hybride. Ce sera similaire aux turbines à gaz des centrales électriques, qui fonctionnent toujours dans le même mode, le plus économiquement avantageux. Ils travaillent depuis des années sans s'arrêter."

Ce-liner

A l'aide d'un générateur, le GTE pourra générer de l'énergie pour l'alimentation directe des moteurs électriques, ainsi que pour créer une réserve dans les batteries. L'aide de la batterie sera nécessaire juste au décollage.

Mais comme le fonctionnement des moteurs électriques en mode décollage ne durera que quelques minutes, la réserve d'énergie ne doit pas être très importante et les batteries embarquées peuvent être tout à fait acceptables en taille et en poids. Dans le même temps, le moteur à turbine à gaz n'aura aucun régime de décollage - son activité consiste à produire de l'électricité en silence.

Ainsi, contrairement à un moteur d'avion, un moteur à turbine à gaz dans un avion électrique hybride sera moins puissant, plus fiable et plus respectueux de l'environnement, plus simple de conception, ce qui signifie moins cher et, enfin, disposera d'une plus grande ressource.

Souffle sur l'aile

Dans le même temps, le passage aux moteurs électriques ouvre des perspectives d'innovations fondamentales dans la conception des avions civils du futur. L'un des sujets les plus discutés est la création de centrales électriques distribuées.

Aujourd'hui, la disposition classique du paquebot suppose deux points d'application de la poussée, c'est-à-dire deux, rarement quatre, moteurs puissants accrochés à des pylônes sous l'aile. Dans les avions électriques, la disposition d'un grand nombre de moteurs électriques le long de l'aile, ainsi qu'à ses extrémités, est envisagée. Pourquoi est-ce nécessaire ?

Le point est encore dans la différence entre les modes de décollage et de croisière. Au décollage à faible vitesse du flux incident, un avion a besoin d'une grande surface d'aile pour créer une portance. À vitesse de croisière, l'aile large gêne, créant un excès de portance.

Le problème est résolu grâce à une mécanisation complexe - volets et lattes rétractables. Les avions plus petits, décollant de petits aérodromes et dotés de grandes ailes pour cela, sont obligés de naviguer avec un angle d'attaque sous-optimal, ce qui entraîne une consommation de carburant supplémentaire.

Mais, si au décollage de nombreux moteurs électriques connectés aux hélices font en plus souffler l'aile, il ne faudra pas la rendre trop large. L'avion décollera avec un décollage court, et sur la section de croisière, une aile étroite ne créera pas de problèmes. La voiture sera tirée vers l'avant par des hélices entraînées par les moteurs de propulsion, et les hélices le long de l'aile à ce stade seront repliées ou rétractées avant l'atterrissage.

Un exemple est le projet X-57 Maxwell de la NASA. Le démonstrateur de concept est équipé de 14 moteurs électriques positionnés le long de l'aile et en bout d'aile. Tous ne fonctionnent que pendant le décollage et l'atterrissage. Sur la partie croisière, seuls les moteurs de bout d'aile sont impliqués.

Un tel placement de moteurs permet de réduire l'influence négative des tourbillons qui surviennent à ces endroits. D'autre part, la centrale s'avère complexe, ce qui signifie qu'elle est plus coûteuse à entretenir et que la probabilité de pannes est également plus élevée. En général, les scientifiques et les concepteurs ont de quoi réfléchir.

X-57 Maxwell

Aidera l'azote liquide

« Un avion électrique offre de nombreuses possibilités d'optimisation », explique Sergueï Halperin. - Vous pouvez expérimenter, par exemple, avec une combinaison de vis à tirer et à pousser. Les moteurs électriques sont beaucoup plus avantageux par rapport aux moteurs à turbine à gaz dans les avions convertis, car la rotation sûre du moteur électrique en position horizontale ne présente pas un problème d'ingénierie aussi complexe que dans le cas des moteurs traditionnels.

Dans un avion électrique, vous pouvez assurer l'intégration complète de tous les systèmes, créer un nouveau système de contrôle. Même les voitures hybrides produiront moins de bruit et d'émissions. »

Comme les batteries, les moteurs électriques augmentent en masse, en volume et en dissipation thermique à mesure que la puissance augmente. De nouvelles technologies sont nécessaires pour les rendre plus puissantes et plus légères.

Pour les développeurs nationaux de systèmes de propulsion hybrides, une véritable percée a été la coopération avec la société russe SuperOx, l'un des cinq plus grands fournisseurs de matériaux dotés de propriétés de supraconductivité à haute température (HTSC) dans le monde. Aujourd'hui, SuperOx développe des moteurs électriques avec un stator en matériaux supraconducteurs (refroidis à l'azote liquide).

Ces moteurs aux bonnes caractéristiques aéronautiques formeront la base d'une centrale hybride pour un avion régional, qui pourrait prendre son envol au milieu de la prochaine décennie. Cette année, lors du salon MAKS, les spécialistes du CIAM ont présenté un démonstrateur d'une telle installation d'une capacité de 10 kW. L'avion prévu sera équipé d'une centrale hybride avec deux moteurs de 500 kW chacun.

« Avant de parler d'avion électrique hybride, précise Halperin, il faut tester notre installation au sol puis en laboratoire volant. Nous espérons que ce sera le Yak-40. Au lieu d'un radar, nous pouvons mettre un moteur électrique HTSC de 500 kilowatts dans le nez de la voiture.

Nous allons installer un turbogénérateur dans la queue à la place du moteur central. Les deux moteurs Yak restants suffiront à tester notre idée originale dans une large gamme de hauteurs (jusqu'à 8000 m) et de vitesses (jusqu'à 500 km/h). Et même si l'installation hybride échoue, l'avion peut terminer le vol et atterrir en toute sécurité. » Le laboratoire de démonstration sera équipé selon le plan en 2019. Le cycle de test est provisoirement prévu pour 2020.

Cieux intelligents

La propulsion électrique et hybride occupe une place importante dans les projets des plus grands avionneurs mondiaux. Voici à quoi ressemblent les principales caractéristiques de l'aviation de passagers du milieu de ce siècle selon le programme Smarter Skies de la société AIRBUS.

Vol "vert"

L'avion du futur sera conçu pour minimiser l'empreinte des hydrocarbures dans l'atmosphère. Les moteurs à turbine à gaz à hydrogène, les hybrides et les avions tout électriques alimentés par batterie gagneront en popularité.

Il est supposé que les batteries seront rechargées à partir de sources d'électricité respectueuses de l'environnement. L'apparition de grands parcs éoliens ou de centrales solaires dans la zone des aérodromes est possible.

Liberté dans le ciel

Les paquebots intelligents traceront indépendamment des itinéraires en fonction de paramètres de respect de l'environnement et d'efficacité énergétique basés sur l'analyse des données météorologiques et atmosphériques. Ils pourront également se rassembler en formations comme des volées d'oiseaux, ce qui réduira la traînée des aéronefs individuels de la formation et réduira la consommation d'énergie pour le vol.

Plutôt du sol

Les nouveaux systèmes de propulsion et l'aérodynamique des avions leur permettront de décoller sur la trajectoire la plus raide possible afin de réduire le bruit dans la zone aéroportuaire et d'atteindre le plus rapidement possible le niveau de croisière, où l'avion présente des caractéristiques économiques optimales.

Atterrissage sans moteur

Les avions du futur pourront atterrir en mode plané. Cela permettra d'économiser du carburant et de réduire les niveaux de bruit dans la zone aéroportuaire. La vitesse d'atterrissage diminuera également. Cela réduira la longueur des pistes.

Pas d'échappement

Les aéroports du futur élimineront complètement l'utilisation de moteurs à combustion interne qui brûlent du carburant. Pour le roulage, les paquebots seront équipés de roues motrices électriques. Comme alternative - des tracteurs électriques sans pilote à grande vitesse, qui seront capables de livrer rapidement des avions de l'aire de trafic à la piste et vice versa.