More Electric Aircraft 2012

Cette conférence, tenue à Bordeaux les 20 et 21 novembre 2012, fait suite à celle tenue pour la première fois à TOULOUSE les 28 et 29 janvier 2009 et organisée par 3AF et la SEE GRs Aquitaine et Midi Pyrénées. Compte tenu du contexte, il a été fait appel a une large participation européenne, la sponsorisation de cet événement étant assurée par AEROSPACE VALLEY, AIRBUS, SAFRAN, l’ONERA le Bordeaux Institut de Technologie (IPB) et le Conseil Régional d’Aquitaine. Plus de 230 participants de 6 pays d'Europe incluant une cinquantaine d’étudiants ont été enregistrés sur les 2 journées avec un programme qui comportait une vingtaine de présentations orales, et une quarantaine de présentations posters, voisinant avec cinq stands industriels.

But de MEA 2012 :

Les avionneurs n’ont évidemment pas attendu un tel colloque pour se lancer dans des études et des développements pour des « avions plus électriques »: voir notamment le programme GENOME ; des gros porteurs « plus électriques » volent déjà en compagnie. L’intérêt principal de ce MEA 2012 était donc de faire le point des diverses actions de recherches et de développements qui ont été lancées depuis un certain nombre d’années, notamment au niveau européen, permettant ainsi aux participants d’échanger sur les expériences respectives dans des domaines scientifiques et techniques très variés et de détecter les points difficiles ou critiques qui sont inévitables lors d’une rupture technologique.

Contenu

En tant que grand témoin, Jean Paul Herteman, Président de Aerospace & Defence Industries Europe et du Gifas, a fait part de ses réflexions sur  l’évolution du transport aérien pour affirmer en particulier qu’il est plus que nécessaire que les industries s’associent aux laboratoires et aux universités, afin de trouver des solutions innovantes, seules capables aujourd’hui de diminuer de façon significatives les consommations de carburant (20 à 40% d’économie des dépenses d’une liaison aérienne) et de réduire les émissions polluantes et sonores des avions aux abords des surfaces aéroportuaires. Il ne faut pas cependant se leurrer, a-t-il souligné, ce n’est pas demain que l’on verra des avions de ligne voler avec des moteurs électriques, le poids étant toujours un facteur pénalisant redoutable. Il a rappelé entre autre que la pollution de CO2 émise dans l’espace de l’aérodrome de Roissy est à considérer comme équivalente à celle émise par les automobiles circulant sur le périphérique Parisien. La solution du plus électrique apparait donc actuellement, comme incontournable pour diminuer l’empreinte environnementale. Le « Green aircraft », l’optimisation du trafic aérien, l’utilisation de carburants alternatifs, ne pourront pas à eux seuls contribuer à réduire de façon significative de 50% l’émission de carbone en 2050, si cela ne s’accompagne pas d’innovations au niveau de l’avion, donc des systèmes et de ses composants. Déjà Airbus avec ses A320 et ses commandes électriques et plus récemment Boeing avec son 787 avec les actionneurs de freins électriques en remplacement des vérins hydrauliques, intégrent des changements symptomatiques de cette évolution. Mais demain, on peut raisonnablement envisager une sortie et rentrée électrique des trains ainsi que l’utilisation de moteurs hybrides thermiques/ électriques. Et pourquoi ne pas voir une première application sur les hélicoptères afin d’assurer la sécurité en cas de descente en autorotation.

De l’avis du conférencier, les rencontres telles que celles organisées à l’occasion de ces deux journées de colloque ne peuvent que contribuer à améliorer la réflexion et par là même à faire progresser la science.

Le succès du vol SOLAR IMPULSE à propulsion entièrement électrique, utilisant des panneaux solaires couplés à des batteries en tampon, a constitué en quelque sorte une mise en évidence de l’avance technologique réalisée à ce jour chez les systémiers aéronautiques. Il est toutefois trop tôt pour imaginer que des gros porteurs transportant quelques centaines de passagers, voleront prochainement grâce à l’énergie solaire, même si pour les avions d’aéroclubs, l’intérêt du tout électrique avec batterie a été démontré pour des vols de courte durée, et de plus longue durée avec des moyens hybrides comme pour l’automobile.

L’aspect réglementaire est une étape obligée dans l’avènement du « plus électrique » afin d’assurer toujours un très haut niveau de sécurité, évidemment sans négliger l'impact économique .

Au titre des programmes européens recommandés par l'ACARE, des gains sont attendus dans la réduction des émissions des gaz à effet de serre, ainsi que le niveau de bruit émis au sol lors des phases d’atterrissage et de décollage ceci en application de directives européennes qui ont été rappelées lors de la session d’ouverture par le représentant européen de la DG « Research & Innovation » qui a indiqué un objectif de réduction de 80% des NOX et de 50 % du CO2 par passager et par km sur un trafic de 16 millions de vols par an tout en garantissant 99% des vols dans les 15 min.

Par ailleurs, l’objectif de réduction du coût du transport aérien a été largement abordé par les avionneurs. Il faut veiller à ne pas augmenter le coût de l’aéronef en intégrant ces innovations aux technologies, plus performantes, mais à coût d’acquisition plus élevé et par conséquent à un coût d’exploitation peu attractif. Il devient alors nécessaire de démontrer, non seulement la fiabilité de ces nouvelles technologies, en gardant au minimum les mêmes objectifs de sécurité des vols, voire améliorer la disponibilité et la rentabilité, mais aussi viser impérativement à la réduction de la consommation de carburant pour faire face au renchérissement des énergies fossiles.

Dès lors, les changements technologiques qui visent principalement à substituer (soit progressivement, soit dans le cadre d’une rupture), l’énergie électrique à l’énergie hydraulique et à l’énergie pneumatique, ont été abordées lors des présentations orales ou posters dont on retiendra les grands thèmes suivants:

  • Poursuite du remplacement des actionneurs hydrauliques (programme ACTUATION 2015) déjà largement répandu dans les commandes de vol, par des actionneurs électriques pilotés grâce à une électronique de puissance résistante aux contraintes d’environnement propres à un avion (température, altitude, pression, vibrations), ce qui tend à simplifier largement la maintenance et améliore significativement la détection de panne. Freinage électrique, vérin électrique de sortie de train ou de volet de reverse ont fait l’objet de plusieurs exposés.
  • Une expérimentation originale de « e-taxying » au sol a été conduite par LUFTHANSA sur un A320, en remplaçant 2 blocs de freinage dans 2 des roues des trains principaux par des moteurs électriques pilotées par une électronique de puissance. Il reste encore bien des étapes à parcourir avant qu’un tel changement soit intégré sur les roues car il faut garder la puissance de freinage de détresse sur toutes les roues (réponses aux exigences règlementaires) et prendre en compte les problèmes de dissipation thermique.
  • Les systèmes de conditionnement d’air pour les passagers, le refroidissement des équipements basés sur des compresseurs entrainés par un moteur électrique en lieu et place du prélèvement d’air directement sur un étage du réacteur, ne sont pas oubliés. Ceci pourrait se traduire par des économies évidentes en besoins de carburant avec en prime des possibilités de lois de pilotage du conditionnement d’air plus adaptées aux différentes configurations de vol et aux différentes zones de cabine à contrôler.
  • Dans le domaine des hélicoptères, le couplage au rotor d’un moteur électrique, alimenté par une génératrice entrainée par le moteur thermique, pourrait assurer soit une puissance additionnelle (architecture parallèle) soit une sustentation secours, permettant une descente en autorotation contrôlée jusqu’au sol et assurant un atterrissage de sécurité.
  • Dans le domaine des alimentations, compte tenu des nouvelles possibilités de couplage des électroniques de puissance fonction des différentes phases de vol, de nouvelles structures de réseau de bord sont envisagées (programme PRISCA) se traduisant par une réduction de poids. Le besoin de puissance électrique accrue se traduit par une augmentation de la tension électrique continue ou alternative afin d’éviter l’augmentation démesurée de la section des câbles et donc du poids. Par contre ces tensions plus élevées peuvent entrainer  des problèmes d’arc électrique (ARC TRACKING) générés lors de commutation de charge, pouvant se propager sur des circuits sensibles. Ils se posent d’ores et déjà avec acuité comme cela a été présenté notamment par SAFRAN. Si on ne met pas en place des protections adaptées aux contraintes électromagnétiques, notamment foudre -effets directs et indirects- l’emploi généralisé de matériaux composite carbone pour la structure avion dont la résistivité est environ mille fois plus élevée que celle des alliages d’aluminium, complique sérieusement le travail des ingénieurs chargés de la qualification des systèmes de protection de distribution électrique/électronique.

Le développement de l’électronique de puissance ne va pas sans poser  des problèmes d’émission électromagnétique conduite ou rayonnée dans un spectre assez large, qui peuvent entrainer des dysfonctionnements des systèmes sensibles critiques ou essentiels de l’aéronef, de plus en plus nombreux, compte tenu du besoin accru des aides à la navigation et au pilotage. Ces problèmes se traitent par des structures optimisées de filtrage mais celles-ci entrainent un accroissement de la masse, le bilan reste donc à faire.

  • De manière paradoxale on notera également une nette tendance à réduire le nombre et le volume des câblages (Programme TAUPE). On peut concevoir des moyens de transmission sans fil, notamment pour des capteurs alimentés par des petites batteries à forte densité énergétique, ou encore pour différents systèmes utilisant l’environnement (variation/écart de  température, vibrations…) afin de générer un courant d’alimentation suffisant pour ces capteurs dont les informations sont adressées, suivant la criticité, en permanence ou par séquence aux différents calculateurs embarqués.
  • Il faut également évoquer les outils de simulation permettant de modéliser les électroniques de puissance, de prévoir les performances avant de passer à la réalisation et de recaler le modèle en fonction des résultats obtenus.
  • Les technologies des composants à base de SiC permettant d’augmenter les températures de fonctionnement et de réduire les pertes, au-delà d’une certaine puissance, nécessitent  de traiter différemment la dissipation thermique. Les études conduites par les grands laboratoires universitaires en partenariat avec les industriels élaborant des semi-conducteurs ont été, également présentées à cet effet.
  • Les sources de puissance électrique, batteries Lithium ion, piles à combustible et autres auxiliaires électriques, font également l’objet d’études et de développements exploratoires. On notera par exemple un APU couplé à une génération de puissance pour éviter la mise en route des réacteurs lors de l’attente en début de piste, donc gagner en consommation pour un régime de fonctionnement pour lequel ceux-ci n’ont pas un bon rendement. Enfin, compte tenu des faibles pertes de puissance, l’apport éventuel sur les systèmes électriques, de techniques supraconductrices à haute température critique, a été évoqué pour la réalisation de générateurs/moteurs électriques.

Conclusion de MEA 2012

La diversité des thèmes abordés lors de ce colloque témoignent  que les avionneurs et systémiers, aidés par les laboratoires de recherche européens, sont particulièrement actifs pour relever le défi du coût énergétique du transport aérien, en s’orientant de plus en plus, non vers la propulsion électrique, sauf pour quelques cas particuliers (drone de petite taille) mais bien vers le « plus électrique » tout en gardant, voire en améliorant, la sécurité des vols.

Il a été aussi exprimé l’idée que tout système innovant en ces domaines, ne pourra être  implémenté à bord des aéronefs civils, que si la démonstration est faite d’une maturité et d’un progrès suffisants dans la quête de diminution de l’empreinte environnementale.

Les participants ont exprimé fermement leur désir qu’une future édition soit organisée  en 2014.

Note:

PRISCA (Power Integrated and SCAlable)- Modular Electrical Power Management

GENOME (Gestion OptiMisée de l’Energie)

ACARE (Advisory Council for Aviation Research and innovation in Europe)

TAUPE (Transmissions in Aircraft on Unique Path wirES)