La science de la poussée et de la combustion avec des carburants d'aviation durables

Les carburants d'aviation durables (FSA) sont des solutions de remplacement synthétiques ou bio-dérivées du kérosène conventionnel Jet A/A-1, produit à partir de matières premières comme l'huile de cuisson usagée, les résidus agricoles, les déchets solides municipaux ou le carbone capté et l'hydrogène vert (puissance-liquide). Bien que les FSA puissent être mélangés avec du carburant conventionnel à des rapports allant jusqu'à 50 % (et bientôt 100 % sous certifications comme l'annexe ASTM D7566), leur composition chimique affecte le processus de combustion et, par conséquent, la production de poussée. La densité énergétique d'un carburant détermine la quantité de chaleur libérée par unité de masse pendant la combustion; même une réduction de 2 à 3 % de la densité volumétrique peut nécessiter des ajustements des débits de carburant ou de la géométrie de la buse pour maintenir la même température d'entrée de turbine et la même puissance de poussée dans un moteur donné.

La poussée est régie par le changement de régime de l'air dans le moteur : F = .]F = (V exit – V inlet]. Pour un turbofan, le cœur (générateur de gaz) fournit des gaz d'échappement à haute énergie qui alimentent le ventilateur et propulse l'aéronef. Les SAF ont généralement une valeur de chauffage gravimétrique légèrement inférieure (environ 42–44 MJ/kg) par rapport au carburant à réaction conventionnel (~43,5 MJ/kg), mais la différence est suffisamment faible pour que les fabricants de moteurs puissent compenser par le mesurage du carburant.

Propriétés chimiques des SAF

Les Aromatiques sont naturellement présentes dans le kérosène dérivé du pétrole et sont responsables de l'enflure des joints dans les systèmes de carburant existants, mais elles contribuent aussi à la formation de suies et aux cristaux de glace contrail. L'absence d'aromatiques dans les SAF purs signifie que les joints moteur et les joints O doivent être fabriqués à partir de matériaux compatibles, un changement déjà mis en œuvre dans les moteurs de génération actuelle comme le LEAP et le Genx. D'un point de vue de poussée, la teneur en aromatiques inférieure conduit à une combustion plus uniforme avant et à des gradients de température de flamme réduits, ce qui peut améliorer les performances de la lampe à feu haute altitude et prolonger la durée de vie des caissons de combustion. La lubricité de carburant est une autre préoccupation; les SAF hydroprocédés ne possèdent pas les composés de soufre naturels qui fournissent de la lubricité dans le combustible à jet, de sorte que les additifs sont nécessaires pour empêcher l'usure prématurée dans les pompes à carburant et les unités de dosage.

Injection de carburant et réglage de la combustion

Les moteurs modernes utilisent la combustion prémélangée maigre pour contrôler les NOx et la suie. Les SAF ont un rapport H/C plus élevé (hydrogène au carbone), ce qui réduit la température de la flamme adiabatique et supprime la formation thermique de NOx. Cependant, la réduction de la réactivité de certains SAF – en particulier les carburants à forte teneur en isoparaffine – peut causer des retards d'inflammation qui entraînent une instabilité de la combustion. Pour contrer cela, les fabricants de moteurs mettent en place des combusteurs à géométrie variable qui règlent en temps réel les rapports air/carburant. Par exemple, Rolls-Royce , les démonstrateurs d'ALECSys utilisent un système de mise en place adaptative du carburant pour maintenir une combustion stable dans l'ensemble de la gamme des gaz, quelle que soit la composition du carburant.

Progrès dans la technologie des moteurs

Les fabricants d'équipements d'origine (OEM) tels que GE Aerospace, Pratt & Whitney et Rolls-Royce investissent massivement dans des architectures de nouvelle génération entièrement compatibles avec 100 % SAF. L'accent n'est pas uniquement mis sur la substitution d'entrées en chute mais sur l'optimisation du cycle moteur pour les propriétés thermiques et de combustion uniques des carburants renouvelables.

Systèmes de carburant haute pression

Pour compenser la faible densité volumétrique de certains FSA, les pompes à carburant doivent fournir un débit massique plus élevé, ce qui nécessite des entraînements plus forts, des conduites de carburant plus rigides et des vannes de dosage plus réactives. GE-HPC (compresseur haute pression amélioré) intègre un compresseur à plus haut niveau qui augmente le rapport de pression global du moteur, améliorant ainsi son rendement thermique. Combiné à un système de carburant capable de fournir des pressions supérieures à 5 000 psi, le moteur peut atomiser les gouttelettes SAF plus fines, ce qui permet une combustion plus complète et un rapport poussée-poids comparable ou supérieur à celui des systèmes conventionnels de kérosène.

Innovations en matière de conception de combustion

Les combustibles cannulaires traditionnels sont remplacés par des combustibles annulaires à combustion mince qui divisent la zone de combustion en phases pilote et principale. Dans ces conceptions, la phase pilote maintient une flamme stable pendant le ralenti et la descente, tandis que la phase principale s'active à haute puissance pour maximiser l'efficacité et minimiser les émissions. Les CAF, avec leur propension à la suie inférieure, permettent à la phase principale de fonctionner encore plus fin, poussant l'efficacité thermique au-delà de 60%. CFM International RISE (Innovation révolutionnaire pour moteurs durables) Le programme dispose d'une architecture à rotor ouvert avec un combustible compact pouvant fonctionner sur 100 % de la CAF tout en réduisant la combustion de carburant de 20 % par rapport aux moteurs actuels.

Matériaux et gestion thermique

Pour maintenir la poussée sans diluer le moteur, les fabricants adoptent superalliages à simple cristal avec des revêtements de barrière thermique (TBC) dans la turbine à haute pression. Pratt & Whitney="s Le moteur GTF Advantage utilise un TBC de deuxième génération qui réduit la température des lames métalliques de 100 °C, permettant une augmentation de 5% de la température de l'entrée de turbine – et donc de la poussée – sans sacrifier la durabilité. De plus, la fabrication additive (3D impression) permet des canaux de refroidissement internes complexes dans les buses et les vanes de carburant, optimisant le flux d'air pour maintenir des sections chaudes dans des limites sûres tout en extrayant le maximum de travail des gaz de combustion.

Propulsion hybride et électrique

Bien que l'aviation électrique pure reste limitée aux avions de banlieue à courte portée en raison des limites de densité énergétique de la batterie (actuellement de 250 à 300 Wh/kg vs. carburant à réaction de 12 000 Wh/kg), les systèmes hybrides électriques peuvent augmenter la poussée pendant le décollage et la montée, les phases les plus consommatrices de carburant. En utilisant des moteurs électriques pour conduire un ventilateur canalisé ou compléter la turbine à faible bobine, le moteur central peut fonctionner à son point le plus efficace tandis que le système électrique fournit la puissance maximale nécessaire pour la poussée maximale.

Systèmes de poussée supplémentaires

Une approche prometteuse est le concept turboélectrique, où une turbine à gaz conduit un générateur qui alimente un ventilateur électriquement à l'arrière de l'aéronef. Cette méthode découple la vitesse du ventilateur de la vitesse de base, permettant à la turbine de fonctionner à un rendement constant et élevé, tandis que le ventilateur varie son RPM pour produire la poussée au besoin. Les configurations de série/parallèles hybrides utilisent un pack de batteries pour stimuler le décollage et se recharger en croisière avec une puissance de turbine excédentaire.

Intégration des piles à piles et à combustible

Les piles à combustible à hydrogène peuvent produire de l'électricité avec seulement de l'eau comme sous-produit, et lorsqu'elles sont couplées à un moteur électrique, elles peuvent conduire un ventilateur directement. ]Les piles à combustible à hydrogène fonctionnant à 60–80 °C sont adaptées aux unités de puissance auxiliaires (APU) mais pas encore à la propulsion primaire en raison de leur densité de puissance. Cependant, ]les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) fonctionnant à 800–1000 °C peuvent être intégrées thermiquement au combustible pour préchauffer l'air entrant, améliorant ainsi l'efficacité du cycle global. Boeing Phantom Works et Airbus étudient des systèmes hybrides à puissance SOFC pour les avions long-courriers, avec un objectif de puissance de 2–3 MW d'ici la fin des années 2030.

Défis et possibilités

Malgré les progrès techniques, plusieurs défis subsistent avant que les moteurs SAF ne deviennent omniprésents. Le principal obstacle est la certification [ – tant des carburants eux-mêmes que des moteurs qui les brûlent. Le processus d'approbation actuel ASTM D4054 pour les nouveaux trajets de carburant peut prendre des années et coûter des millions. Les régulateurs, y compris la FAA et l'AESA, travaillent sur des catégories simplifiées -drop-in plus - , qui permettent aux moteurs certifiés sur carburant conventionnel de fonctionner sur jusqu'à 50% SAF mélange avec un minimum de retestage, mais 100% SAF certification exige la démonstration que le moteur maintient la poussée, la durabilité et l'opérabilité dans toutes les conditions de vol – un processus qui implique des essais de vol, de vol et de vol étendus.

Combustibles non-dégradables

La plupart des CAF actuels sont des remplacements à ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Émissions du cycle de vie et coût du carburant

D'un point de vue environnemental, l'avantage de la SAF=1 réside dans sa réduction du carbone du cycle de vie[], jusqu'à 80 % par rapport au combustible fossile à réaction lorsqu'il utilise des matières premières usagées. Toutefois, le volume de production actuel est inférieur à 0,5 % de la demande mondiale de carburant à réaction et le coût de la SAF 2 à 5 fois plus élevé que celui du kérosène classique. Pour encourager l'adoption, les gouvernements mettent en œuvre des mandats (p. ex., ReFuelEU Aviation exigeant 2 % de SAF d'ici 2025, pour atteindre 70 % d'ici 2050) et offrent des subventions.

La route à l'horizon

L'avenir des moteurs SAF sera façonné par trois forces : politique, investissement et convergence technologique[. Des organismes internationaux comme l'OACI ont fixé un objectif de croissance neutre en carbone à partir de 2020, et l'Association internationale du transport aérien (IATA) cible des émissions nettes nulles d'ici 2050.Ces engagements conduisent à des programmes de recherche massifs, dont l'entreprise commune «Clean Aviation» de l'UE et le Grand Challenge américain sur le carburant pour l'aviation durable.

Les étapes techniques déjà franchies comprennent les premiers vols 100% motorisés SAF sur un aéronef commercial (un United Airlines 737 MAX en 2021 utilisant un moteur) et le premier vol transatlantique sur 100 % SAF (Virgin Atlantic en 2023). Ces vols ont démontré qu'avec des réglages de moteurs appropriés – des unités de contrôle du carburant modifiées, des buses à réglage et des mises à jour logicielles – les niveaux de poussée peuvent être entièrement maintenus. La prochaine étape consiste à certifier une famille de moteurs spécialement conçue pour fonctionner à 100 % SAF. Pratt & WhitneyGTF Advantage, entrant en service en 2024, sera compatible avec 100 % SAF dès le premier jour, et GE=2]GE9X (alimentant le Boeing 777X) a été testé sur 100 % SAF à sa pleine puissance de 110 000 lbf.

En regardant plus loin, des cycles avancés comme le moteur de récupération interrefroidi et le cycle de combustion en volume constant pourraient extraire encore plus de poussée par unité de SAF. Les combustibles en volume constant (moteurs à détonation par impulsion ou à détonation tournante) offrent théoriquement une amélioration de l'efficacité thermique de 15 à 25 %, mais ils produisent des oscillations de pression intense qui contraintent les pales de turbine. Des travaux récents à l'Université du Michigan et au Laboratoire de recherche de la Force aérienne montrent que la vitesse de flamme plus lente de la SAF par rapport à l'hydrogène en fait un mauvais candidat à la combustion de détonation; cependant, la combustion de la pression-gain en utilisant des détonations tournantes dans un mélange SAF/air pourrait devenir viable avec un refroidissement actif.

En conclusion, l'industrie aéronautique est sur une trajectoire claire vers les moteurs qui fournissent une poussée élevée avec un impact environnemental minimal[. La combinaison de combustibles avancés, de systèmes de carburant adaptatifs, d'augmentation électrique hybride et d'une base d'approvisionnement croissante de la SAF signifie que les aéronefs de l'avenir n'auront pas à compromettre les performances pour la durabilité.

Pour plus de détails : la page du département de l'Énergie des États-Unis intitulée Sustainable Aviation Carburants page donne un aperçu des voies de production, et le portail de la SAF de l'OACI suit l'évolution des politiques mondiales et les vols de démonstration.