Le rôle évolutif de l'empilage dans les aéronefs électriques et hybrides

L'empennage, ou l'assemblage de queue, est un élément essentiel de tout aéronef à voilure fixe, responsable de la stabilité longitudinale et directionnelle ainsi que du contrôle du tangage et de la lacet. À mesure que l'industrie aéronautique se transforme en systèmes de propulsion électrique et hybride-électrique, le rôle traditionnel de l'empennage est réexaminé.Les motorisations électriques présentent des distributions de poids, des effets de couple et des exigences aérodynamiques sensiblement différentes par rapport aux moteurs à combustion interne conventionnels.

Les fonctions de base de l'Empennage

Avant d'examiner les considérations spécifiques à l'électricité, il est essentiel de comprendre les rôles aérodynamiques fondamentaux que remplit l'empennage. L'ensemble de queue assure la stabilité des axes latéraux (pitch) et verticaux (yaw) et abrite les surfaces de commande qui permettent au pilote ou au système de commande de vol de manœuvrer l'aéronef.

Stabilité et contrôle des points

Le stabilisateur horizontal génère une force aérodynamique descendante (ou parfois ascendante) pour contrer le moment de tangage de la tête de l'aile, ce qui permet à l'avion de revenir à son angle d'attaque paré après une perturbation. L'ascenseur, une surface de tangage articulée sur le stabilisateur horizontal, assure la maîtrise de la tangage. En configuration canard, la surface horizontale avant fournit plutôt la tangage et la surface arrière devient un stabilisateur, mais le principe demeure le même.

Stabilité et contrôle directionnels

Le stabilisateur vertical assure la stabilité du gouvernail, en gardant le nez aligné sur le vent relatif. Le gouvernail fixé au stabilisateur vertical contrôle le lacet et sert à des scénarios de virages coordonnés, d'atterrissages en travers du vent et de retrait du moteur. Dans les avions électriques bimoteurs à moteurs montés sur les ailes, la poussée asymétrique d'une panne de moteur impose un moment de lacet. La queue verticale doit être dimensionnée pour fournir suffisamment d'autorité pour contrer ce moment, en particulier à basse vitesse où les surfaces de commande sont moins efficaces.

Intégration de la surface de contrôle

Les accumulateurs modernes comprennent souvent des servomoteurs, des servomoteurs ou même des servomoteurs entièrement en mode fil. Dans les avions électriques, les exigences en matière de poids et de puissance des actionneurs sont critiques. Les actionneurs de commande de vol électriques (EMA ou EHA) deviennent courants, remplaçant les systèmes hydrauliques plus lourds. L'intégration de ces systèmes avec le bus de distribution de l'alimentation électrique de l'avion doit être soigneusement conçue pour assurer la redondance et la tolérance aux défauts.

Défis uniques de conception pour les motorisations électriques et hybrides

Les avions électriques et hybrides présentent plusieurs facteurs qui influent directement sur la conception de l'empennage, notamment les enveloppes décalées du centre de gravité, le couple élevé des hélices de gros diamètres, les systèmes électriques à haute tension et la nécessité de maximiser l'efficacité aérodynamique pour compenser la faible densité énergétique des batteries.

Gestion du centre de gravité (CG)

Les batteries sont lourdes, généralement de 200 à 250 Wh/kg au niveau du pack, comparativement à 12 000 Wh/kg pour le carburant à réaction. Dans une configuration hybride, le moteur à combustion interne et le générateur ajoutent du poids. L'emplacement des batteries est souvent limité par la structure de la cellule et les considérations de sécurité (conteneur d'incendie de batterie). Les emplacements communs comprennent le ventre du fuselage, les carex des racines des ailes, ou même dans l'empennage lui-même.

Effets du couple et du facteur P

Les moteurs électriques peuvent produire un couple complet instantané et de nombreux aéronefs électriques utilisent des hélices à grand diamètre à rotation lente pour obtenir de l'efficacité. Ces hélices génèrent un couple important et un levage asymétrique (facteur P) à des angles d'attaque élevés. Les moments de roulement et de lacet qui en résultent doivent être contrebalancés par les queues verticales et horizontales. Dans certains cas, la poussée différentielle peut être utilisée pour la commande de lacet (propulse différentielle à moteur), réduisant la charge sur le gouvernail.

Systèmes à haute tension et interférence électromagnétique

Les empinages peuvent contenir des composants tels que des moteurs, des onduleurs ou des batteries montés sur la queue. Les câbles à haute tension acheminés par la queue peuvent créer des interférences électromagnétiques (IME) avec des signaux de commande de vol. Le blindage et la mise à la terre deviennent critiques. De plus, la gestion thermique de ces composants peut nécessiter des conduits de refroidissement ou des échangeurs de chaleur, ce qui peut perturber la forme aérodynamique propre des surfaces de la queue.

Exigences en matière d'efficacité aérodynamique

Chaque charge de traînée est importante. L'empennage contribue à environ 10-15% de la traînée totale de l'avion en croisière. Les concepteurs doivent minimiser la surface mouillée, optimiser les formes de la couche d'air et envisager le contrôle du débit laminaire. L'utilisation de la couche d'air laminaire naturelle (NLF) sur les stabilisateurs, parfois avec succion active, peut réduire la traînée de frottement de la peau. Cependant, NLF est sensible à la contamination de surface, ce qui est un défi d'entretien et de fonctionnement.

Conception aérodynamique et dimensionnement de l'Empennage

Le calibrage des queues horizontales et verticales est régi par des coefficients classiques de volume de queue, qui relient la zone de queue et le bras moment aux caractéristiques aérodynamiques de l'aile.

Coefficient horizontal du volume de queue

La formule de base est : V[H = (S[h * L[h) / (Sw * cw[], où S[h est une aire horizontale de queue, Lh est un bras de queue, S]w[] est une surface d'aile, et cw est un accord aérodynamique moyen.

Coefficient vertical du volume de queue

VV = (Sv * Lv) / (Sw * bw), où S[v est une aire verticale de queue, Lv est un bras vertical de queue, et b]w est une aire d'aile. Les valeurs typiques sont 0,04 à 0,08. Pour les aéronefs électriques à propulsion électrique répartie (DEP), les moteurs montés sur des ailes et les hélices peuvent fournir un amortissement et une commande en lacet fort, ce qui peut réduire la zone verticale de queue requise.

Sélection de la coque d'air de queue

Les hélices symétriques (par exemple NACA 0012, 0015) sont courantes pour les surfaces de queue parce qu'elles fournissent une levée zéro à un angle d'attaque zéro. Cependant, pour les avions électriques se concentrant sur une grande efficacité de croisière, les hélices cambrées qui produisent un petit téléchargement en croisière pour compenser le vol lourd de nez peuvent être bénéfiques.

Innovations structurelles et matérielles

L'empennage doit résister aux charges aérodynamiques, aux charges dynamiques des rafales et des manœuvres, et aux charges potentielles de manutention au sol (attaques à la queue).

Composites et fabrication additive

Pour les avions électriques, la capacité de relier ou de co-créer des éléments de structure avec des voies électriques intégrées (p. ex. pour le dégivrage, les antennes) est avantageuse. La fabrication additive (3D) de supports et d'accessoires en titane ou en aluminium permet d'obtenir des pièces optimisées par la topologie qui peuvent être 30-50% plus légères que les composants usinés.

Surveillance sanitaire structurelle

Pour les aéronefs électriques à forte utilisation (p. ex., mobilité de l'air urbain), la prédiction de la durée de vie de la fatigue est importante. La structure de la queue peut être conçue avec une tolérance aux dommages en utilisant plusieurs voies de charge et panneaux d'accès aux inspections.

Sécurité électrique et de la foudre

Les appareils électriques doivent satisfaire aux exigences de protection contre la foudre. L'empennage est un point de frappe probable. Le maillage conducteur dans les structures composites, les bandes de divertisseur de foudre et les sangles de liaison sont utilisés pour conduire les courants en toute sécurité.

Configurations d'empennage innovantes

L'espace de conception des queues d'aéronefs électriques s'étend au-delà des dispositions conventionnelles. Plusieurs nouvelles configurations sont à l'étude pour améliorer l'efficacité, réduire le bruit ou intégrer des composants de propulsion électrique.

Tailles et ruddervateurs en V

Une queue en V combine les fonctions des stabilisateurs verticaux et horizontaux en deux surfaces en boîte, avec des gouvernails qui permettent de contrôler le pas et le lacet. Cela réduit la surface et le poids mouillés et peut placer les moteurs propulsifs loin du réveil de l'aile. Le Pipistrel Velis Electro utilise une queue en V, qui simplifie également l'assemblage et réduit le nombre de pièces.

T-Tailles et batteries à empennage

Une queue en T place le stabilisateur horizontal au sommet de la nageoire verticale. Cette configuration déplace la surface horizontale du lavage des ailes et des hélices, améliorant ainsi la réponse au pas. Elle permet également d'utiliser le fuselage arrière pour le stockage de la batterie. Plusieurs concepts d'hydravion électrique utilisent des queues en T pour garder le plan arrière propre du spray. Le principal inconvénient est le poids et le moment ajoutés sur la structure de la nageoire, nécessitant des espars plus lourds.

Dessins de canard et de trois surfaces

Les configurations de canards ont une surface horizontale avant et une surface arrière (plus petite).Dans les avions électriques, les canards peuvent permettre aux ailes principales d'avoir des rapports d'aspect plus élevés et une traînée induite réduite.La surface arrière agit comme stabilisateur et parfois comme surface de contrôle.L'avion Electra Aero eSTOL utilise un système de levage soufflé à neuf moteurs avec une queue en T et une canard? (Utilise en fait la queue conventionnelle, mais de nombreux concepts explorent la canard).

Conceptions d'ailes volantes et sans queue

Certains avions électriques éliminent entièrement l'empennage en utilisant des élevons et des gouvernails à ailettes pour le contrôle. La NASA X-57 Maxwell (propulseur distribué) et divers modèles de drones suivent cette approche. Les configurations sans queue ont la moindre traînée, mais nécessitent des systèmes d'augmentation de stabilité sophistiqués (SAS) pour maintenir le contrôle. Ils sont sensibles aux déplacements de CG, ce qui est un défi pour les conceptions alimentées par batterie où la position de la batterie peut changer pendant le vol (p. ex., batteries à l'état solide avec expansion thermique).

Contrôle actif du débit sur les surfaces de queue

Les chercheurs expérimentent des actionneurs à réaction synthétique, soufflant et aspirant sur les surfaces de queue pour améliorer la séparation de levage et de retard à basse vitesse.Pour les avions électriques avec puissance électrique disponible, ces systèmes peuvent réduire la taille de queue requise et la traînée. Un exemple notable est le projet AFFECT de l'Union européenne qui a démontré un contrôle actif du débit sur une queue verticale pour réduire la taille des gouvernails.

Intégration et certification des systèmes

La conception de l'empennage d'un aéronef électrique ou hybride n'est pas seulement une tâche aérodynamique ou structurelle; elle implique une intégration étroite avec les systèmes de commande électrique, thermique et de vol. La certification en vertu de la partie 23 ou de la partie 25 (ou l'équivalent pour l'Europe, CS-23/25) exige la preuve que la queue peut supporter toutes les charges et défaillances prévisibles.

Augmentation de la vitesse de vol par fil et de la stabilité

De nombreux appareils électriques sont conçus avec des systèmes de contrôle en fil intégral (FBW), y compris les surfaces d'empennage. Cela permet une stabilité statique détendue (RSS) pour réduire la taille de la queue et la traînée. Les ordinateurs de contrôle de vol modulent les surfaces des milliers de fois par seconde pour maintenir la stabilité.

Gestion thermique des composants à bord de la queue

Si des onduleurs ou des moteurs sont logés dans l'empennage, il faut rejeter la chaleur résiduelle, ce qui peut nécessiter des éviers thermiques montés en surface, des entrées d'air de ram ou des boucles de refroidissement liquide acheminées à travers la structure. L'impact aérodynamique de ces caractéristiques doit être minimisé. Par exemple, une pelle sur la nageoire verticale pour refroidir l'air peut ajouter une traînée de pression.

Certification du bruit

Les avions électriques sont généralement plus silencieux, mais l'empennage peut encore contribuer au bruit, surtout en configuration d'approche lorsque les pilotes déploient des freins de plongée ou des volets montés sur la queue. De plus, l'interaction des sillages d'hélices avec les surfaces de queue peut produire du bruit tonal.

Conclusion

La conception des empennages pour avions électriques et hybrides est un défi multidisciplinaire qui s'appuie sur l'aérodynamique classique tout en intégrant de nouvelles technologies et contraintes. Le déplacement au centre de la gravité dû au placement de la batterie, au couple élevé et au facteur P des moteurs électriques, et la poussée incessante pour l'efficacité aérodynamique exigent des solutions novatrices telles que le contrôle actif du débit, la stabilité accrue de la FBW et d'autres configurations de queues comme les queues en V ou les conceptions sans queue. Les matériaux comme CFRP et la fabrication additive permettent des structures plus légères et plus fortes, tandis que les systèmes thermiques et électriques intégrés doivent être harmonisés avec la cellule.