Introduction à la propulsion solaire électrique à haute altitude

La propulsion électrique des avions à haute altitude à propulsion solaire représente une convergence entre le génie aéronautique, la science des matériaux de pointe et l'électronique à énergie renouvelable.Ces appareils fonctionnent dans la stratosphère, généralement entre 15 000 et 25 000 mètres, où ils peuvent récolter une énergie solaire abondante tout en faisant face à une traînée atmosphérique réduite et à des températures plus basses.

Considérations fondamentales en matière de conception

Minimisation du poids

Le poids est le facteur le plus critique dans la conception d'avions solaires à haute altitude. Chaque gramme ajouté au système de propulsion réduit directement la capacité de charge utile, l'endurance en vol ou l'altitude possible. Les ingénieurs doivent choisir des matériaux légers pour les moteurs, les hélices et les supports structuraux. Les composites en fibre de carbone et les alliages de titane sont souvent utilisés pour les boîtiers et les arbres d'hélices, tandis que les alliages de magnésium offrent une densité encore plus faible pour les composants non critiques.

Gestion de l'énergie et stockage de l'énergie

Les batteries doivent combiner une énergie spécifique élevée (Wh/kg) avec une efficacité élevée pour minimiser les pertes pendant les cycles de charge/décharge. Le système de gestion de l'énergie comprend également des capteurs de point d'alimentation maximum (MPPT) pour optimiser la sortie des panneaux solaires dans des conditions d'irradiation et de température variables. Un algorithme de gestion de l'énergie bien conçu planifie la charge de la batterie pendant la lumière du jour, alimente le moteur et la charge utile simultanément, puis passe à la batterie seulement pendant l'obscurité.

Intégration des panneaux solaires

Les cellules solaires doivent être intégrées dans les ailes et les surfaces du fuselage sans ajouter de poids significatif ni affecter l'aérodynamique.Les cellules multi-jonctions à haute efficacité, développées à l'origine pour des applications spatiales, sont souvent utilisées parce qu'elles permettent d'obtenir des rendements de conversion supérieurs à 30 % sous la lumière du soleil concentrée. Cependant, à haute altitude, le spectre solaire se déplace en raison d'une diffusion atmosphérique réduite, exigeant des cellules adaptées aux conditions spécifiques d'irradiation.

Efficacité du moteur et de l'hélice

Le moteur électrique doit fournir un couple élevé à de faibles vitesses de rotation pour conduire une hélice de grand diamètre optimisée pour l'air mince de la stratosphère. L'efficacité est primordiale parce que toute perte de moteur ou d'hélice se traduit directement par une consommation d'énergie plus élevée, réduisant ainsi l'endurance. Les moteurs DC (BLDC) sans brosse sont le choix standard, avec des rendements supérieurs à 95% à leurs points de fonctionnement optimaux. Les moteurs à flux axial sont de plus en plus populaires pour ces applications en raison de leur forme de crêpe, qui réduit la longueur axiale et permet le montage direct au moyeu de l'hélice sans boîte de vitesses.

Technologies habilitantes

Cellules solaires avancées

Les cellules solaires les plus efficaces disponibles pour les avions solaires à haute altitude sont les cellules composées de III-V multi-jonction, comme celles basées sur l'arséniure de gallue (GaAs) et le phosphure de gallue d'indium (InGaP). Ces cellules peuvent atteindre des rendements supérieurs à 30% dans des conditions d'essai standard, et encore plus élevés sous une lumière concentrée. Par exemple, les cellules solaires à triple jonction utilisées sur le prototype Helios de la NASA ont atteint presque 34 % d'efficacité en laboratoire. À haute altitude, l'intensité accrue de la lumière bleue et ultraviolette augmente encore la performance.

Batteries à haute densité d'énergie

Les piles LiPo modernes produisent des énergies spécifiques autour de 250-300 Wh/kg. Pour des missions d'endurance plus longues, les batteries lithium-ion avec anodes en silicium poussent vers 350-400 Wh/kg, tandis que les batteries à l'état solide promettent des valeurs encore plus élevées (500-600 Wh/kg) avec une sécurité accrue et une durée de vie plus longue. Cependant, les batteries à l'état solide sont encore en phase de développement et ont une disponibilité limitée pour les essais en vol. Le pack de batteries doit également comprendre un système de gestion de batterie (BMS) qui surveille la tension, la température et l'état de charge pour empêcher l'écoulement thermique, particulièrement critique dans l'environnement de basse pression de la stratosphère où le refroidissement convectif est réduit.

Moteurs sans brosses, à courant continu et à flux axial

Pour les avions solaires à haute altitude, le moteur doit fonctionner de façon fiable dans une atmosphère froide et mince où la dissipation thermique est réduite. Le refroidissement liquide peut être nécessaire pour les moteurs à haute puissance, mais il ajoute du poids et de la complexité. Les moteurs à flux axial sont particulièrement attrayants car leur géométrie plane permet d'intégrer le moteur dans le moyeu de l'hélice, éliminant ainsi la nécessité d'une boîte de vitesses et réduisant les pertes mécaniques. Ces moteurs utilisent des aimants permanents néodyme-fer-boron (NdFeB) qui maintiennent leur résistance magnétique sur une large plage de température.

Électronique de puissance et contrôleurs

Les capteurs de point de puissance maximum (MPPT) utilisant des convertisseurs à bille ou à résonance peuvent atteindre des rendements supérieurs à 98 %. Le contrôleur de moteur doit fournir une accélération en douceur et un freinage régénératif pour récupérer l'énergie pendant la descente ou pour réduire le pas de l'hélice. Les convertisseurs de puissance doivent gérer les fréquences de commutation élevées pour réduire les pertes harmoniques dans les enroulements du moteur. Les transistors de puissance au nitride de gallium (GaN) et au carbure de silicium (SiC) sont de plus en plus utilisés parce qu'ils fonctionnent à des fréquences plus élevées avec des pertes plus faibles que les MOSFET de silicium traditionnels, ce qui améliore encore l'efficacité du système.

Systèmes de gestion thermique

La gestion de la chaleur dans l'air stratosphérique mince est un défi important. Les puits de chaleur dépendent du refroidissement convectif, qui est moins efficace à faible densité d'air. Les ingénieurs utilisent souvent des tuyaux de chaleur passifs remplis de fluides de travail en deux phases pour transporter la chaleur loin de l'électronique de puissance et des moteurs vers les surfaces radiatrices sur les ailes ou le fuselage. Le refroidissement actif avec l'air forcé de l'hélice peut être utilisé pour les composants de haute puissance, bien qu'il ajoute de la traînée.

Intégration et contrôle du système

Un ordinateur central de gestion de l'énergie (EMC) surveille l'irradiation solaire, l'état de la batterie, la demande de puissance du moteur et la consommation de charge utile en temps réel. L'EMC utilise des algorithmes prédictifs pour décider quand charger la batterie, combien de puissance à allouer au moteur pour monter par rapport à la croisière, et si elle doit réduire la puissance de charge utile pour préserver l'énergie pour le vol de nuit.

Les lois de contrôle du moteur doivent tenir compte de la densité d'air changeante avec l'altitude. À mesure que l'avion monte, la poussée de l'hélice diminue, exigeant du contrôleur moteur d'augmenter le RPM pour maintenir la même vitesse. Le contrôleur doit également gérer la transition de la montée à l'énergie solaire pendant la journée à la descente à l'énergie de batterie la nuit. Certains aéronefs utilisent des hélices à pas variable pour maintenir une efficacité optimale pendant les phases de vol, bien que cela ajoute complexité mécanique et poids.

Défis de conception

Intégrité structurelle en haute altitude

La structure de l'aéronef doit supporter des températures extrêmes allant de -70°C à +50°C, des rayons ultraviolets intenses et des charges aérodynamiques élevées pendant les turbulences. Les matériaux composites doivent résister à la dégradation UV et à la micro-craquage. Les points de montage du système de propulsion subissent des cycles d'expansion thermique répétés qui peuvent causer de la fatigue.

Bilan énergétique et endurance

L'objectif fondamental de la conception est d'obtenir une énergie positive nette sur un cycle de 24 heures. Cet équilibre dépend de la latitude, de la saison, de la couverture nuageuse et de la trajectoire de vol de l'avion. Pendant le solstice d'été aux latitudes moyennes, un aéronef bien conçu peut récolter suffisamment d'énergie solaire pendant la journée pour charger la batterie et alimenter le moteur pendant la nuit. Cependant, à des latitudes plus élevées ou en hiver, les jours plus courts et l'angle de soleil inférieur nécessitent des réseaux solaires plus importants ou une consommation réduite.

Gestion thermique dans l'air mince

Comme mentionné plus haut, le refroidissement convectif est considérablement réduit à haute altitude. L'électronique électrique génère de la chaleur qui doit être éliminée pour éviter la perte d'efficacité ou la défaillance. Par exemple, un régulateur de moteur qui dissipe 100 W à une altitude de 20 km nécessiterait un dissipateur thermique environ quatre fois plus grand qu'au niveau de la mer pour atteindre la même élévation de température.

Fiabilité et redondance des composantes

Tous les composants de propulsion doivent avoir une fiabilité prouvée, avec un temps moyen entre les défaillances (MTBF) dépassant la durée de la mission. La redondance est essentielle pour les composants critiques : les remontages moteurs doubles, les canaux de commande redondants et les cordes de batterie multiples. Le système de commande de vol doit être capable de détecter une défaillance, d'isoler le composant défectueux et de reconfigurer le système pour continuer le vol. Par exemple, si une phase moteur échoue, le contrôleur peut fonctionner en deux phases avec un couple réduit. Ces conceptions tolérantes aux défauts nécessitent des essais minutieux dans des environnements simulés de haute altitude.

Perspectives d'avenir

La prochaine décennie verra probablement des progrès importants dans la propulsion électrique des avions solaires à haute altitude. La recherche sur les matériaux ultralégers, tels que les composites améliorés par le graphène et les aérogels, réduira encore le poids structurel. Les batteries à l'état solide avec 500+Wh/kg pourraient permettre des vols d'une année à 30 km d'altitude.

Les nouvelles applications comprennent des relais de télécommunications persistants, l'observation hyperspectrale de la Terre, l'échantillonnage atmosphérique pour la recherche climatique et la couverture Internet à haute vitesse pour les régions éloignées.Des entreprises commerciales comme AeroVironment, Airbus Zephyr et BAE Systems déploient déjà des pseudosatellites à propulsion solaire qui peuvent rester en altitude pendant des mois. Les systèmes de propulsion de ces avions devront devenir plus modulaires et évolutives pour supporter différentes masses de charge utile et niveaux de puissance.

Pour plus de détails sur la technologie des panneaux solaires utilisée dans ces applications, voir cellules solaires multi-jonction.Les repères de performance de la batterie sont suivis par la page du département de l'Énergie des États-Unis . Une analyse de la conception du moteur à flux axial est disponible à partir de de la recherche sur les moteurs à haute efficacité. Les défis structurels du vol à haute altitude sont couverts par la division de recherche aérospatiale de la NASA. Enfin, un aperçu des programmes commerciaux de pseudosatellites à haute altitude peut être trouvé à [Airbus HALE UAV page[.