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L'avenir des aéronefs électriques : gérer le glissement et le levage pour une portée et une efficacité accrues
La transition vers la propulsion électrique dans l'aviation promet de réduire les émissions de carbone, de réduire les coûts d'exploitation et de permettre de nouvelles configurations d'aéronefs. Cependant, la densité énergétique limitée de la technologie actuelle de la batterie place un plafond dur sur la portée et l'endurance du vol. Pour surmonter cette contrainte, les ingénieurs doivent tirer tout le profit possible de l'efficacité de la cellule, et aucun facteur n'est plus critique que la gestion prudente de la traînée et de l'ascenseur.
Le défi aérodynamique pour les aéronefs électriques
Les avions électriques, par contre, transportent des batteries dont le poids reste constant tout au long de la mission. Ce poids fixe exige une structure qui génère suffisamment de levage à toutes les phases du vol sans créer de traînée excessive. De plus, les moteurs et les contrôleurs électriques ont des exigences de gestion thermique différentes de celles des turbines à gaz, ce qui influe sur la circulation de l'air au-dessus et autour de l'aéronef.
Pourquoi la réduction de la vitesse de descente n'est pas négociable
La traînée est la somme de toutes les forces qui s'opposent au mouvement d'un aéronef dans l'air. Elle consiste en une traînée parasitaire (drag de forme, frottement de peau, traînée d'interférence) et en une traînée induite (drag créée par la génération de lift). Dans un aéronef électrique à batterie, chaque kilowatt-heure d'énergie stockée doit être utilisée aussi efficacement que possible.
Les modèles modernes d'aéronefs électriques intègrent donc des soufflettes à faible rainure, des rivets à chasse d'eau, des peaux composites sans soudure et des trains d'atterrissage rétractables même dans les petites classes d'aéronefs. Le projet NASA X-57 Maxwell a démontré comment la propulsion électrique distribuée (DEP) pouvait être utilisée pour faire sauter l'air sur la surface de l'aile, réduisant ainsi la friction de la peau et la traînée globale pendant le décollage et l'atterrissage.
L'impératif de levage
Pour un poids donné, l'aile doit produire suffisamment de levage pour maintenir le vol en palier. Des coefficients de levage plus élevés permettent une vitesse d'approche plus lente et des pistes plus courtes, mais ils augmentent également la traînée induite. Pour les aéronefs électriques opérant à partir d'aéroports urbains plus petits ou de vertiports, la capacité de générer des ascenseurs à basse vitesse est essentielle.
« Si nous pouvons concevoir des ailes qui génèrent l'ascenseur dont nous avons besoin sans la pénalité de drag qui vient habituellement avec, nous débloquons des vols plus longs sur le même pack de batterie », explique Elena Torres, chercheuse en aérodynamique à l'Université de technologie de Delft (source: TU Delft Research Portal.
Stratégies de réduction du glissement
La réduction du traînée pour les avions électriques s'appuie sur des décennies de recherche aérodynamique, mais elle s'applique avec une nouvelle urgence.
Conception simplifiée de l'appareil
La première ligne de défense contre la traînée est la forme générale de l'avion. Les corps d'ailes mélangés (BWB), les ailes volantes et les fuselages très minces réduisent la surface frontale et retardent la transition de la couche limite. Pour les avions électriques de taille générale, la tendance est vers des ailes à rapport d'aspect élevé qui coupent la traînée induite, souvent soutenues par des étriers ou des bretelles pour gérer le poids structurel.
Pour les petits avions électriques verticaux au décollage et à l'atterrissage (eVTOL), les concepteurs privilégient les ventilateurs canalisés qui réduisent les pertes de pointe et le bruit du rotor de bouclier, mais les conduits ajoutent une zone mouillée.
Traitements de l'aiguillage
Les vortex Wingtip sont une source majeure de traînée induite. Les spires pliantes, les spires mélangées et les clôtures d'aile se brisent et récupèrent une partie de l'énergie perdue à la vorticité. Sur un aéronef électrique, chaque point de réduction de traînée s'étend directement. Les conceptions eVTOL modernes comportent souvent des spires rainées ou plusieurs petites spires disposées pour distribuer la dissipation du vortex sur une zone plus grande.
Finition de surface et contrôle de la couche de démarcation
Les matériaux composites permettent des surfaces extrêmement lisses et certains fabricants appliquent des peintures thermoplastiques ou des micro-riblets (grosses minuscules alignées sur le flux d'air) pour réduire la traînée de 5 à 8 % à la vitesse de croisière. La commande active de la couche limite – utilisant des surfaces poreuses ou de petits jets d'air pour réalimenter le flux – reste un sujet de recherche, mais pourrait être particulièrement utile pour les aéronefs électriques qui ont déjà des systèmes électriques capables de conduire les pompes ou compresseurs requis.
Le contrôle du débit de laminaire est une autre technique prometteuse.En maintenant le débit laminaire sur une plus grande partie de l'aile, le frottement de la peau peut être coupé en deux par rapport au débit turbulent. Plusieurs prototypes d'aéronefs électriques, dont Alice de Eviation, disposent d'ailes laminaires naturelles avec des surfaces lisses et ininterrompues et sans rivets ni joints en avant du point d'épaisseur maximale.
Réduction de l'interférence Drag
Les fairings et les filets peuvent lisser ces jonctions. Pour les conceptions de propulsion distribuées, l'intégration de nombreux petits moteurs le long du bord d'attaque de l'aile crée de multiples zones d'interférence qui doivent être soigneusement contournées. Le poids des fairings nécessaires compensera-t-il l'avantage aérodynamique? Les concepteurs utilisent l'optimisation multidisciplinaire pour trouver le meilleur compromis pour chaque véhicule.
Améliorer l'ascenseur sans pénalité
La production de lifting est relativement facile; la production de l'ascenseur efficacement aux vitesses et aux angles corrects est difficile. Les avions électriques bénéficient de plusieurs stratégies de renforcement de lifting qui n'imposent pas de pénalité de traînée disproportionnée.
Dispositifs haute pression et leurs variantes électriques
Pour les aéronefs électriques, le mécanisme d'actionnement peut être entièrement électrique (pas de système hydraulique nécessaire), réduisant le poids et l'entretien. Cependant, le déploiement de dispositifs de levage à haut débit augmente considérablement la traînée, de sorte qu'ils ne sont utilisés que pendant le décollage et l'atterrissage. Certains concepteurs d'aéronefs électriques étudient des volets de couleur bleue – faisant passer une partie de l'hélice ou du courant du ventilateur sur la surface du volet pour retarder la séparation – ou utilisant des moteurs électriques distribués pour fournir une augmentation directe de levage.
Morphage et ailerons adaptatifs
Les ailes adaptatives qui changent de torsion, de cambriolage ou même de planformage en vol offrent la promesse d'un levage optimal pour chaque condition de vol. Les alliages de forme-mémoire, les actionneurs piézoélectriques et les structures composites flexibles permettent des changements de forme lisses sans les trous et les charnières qui causent la traînée.Le FlexSys bord de piste adaptatif, testé sur NASA="Gulfstream III, a démontré une réduction de 6 % de la traînée de croisière tout en fournissant le même ascenseur que les volets conventionnels.
Allégation de charge de Gust
Les systèmes de contrôle actifs qui détectent les rafales et qui règlent rapidement les surfaces de contrôle peuvent réduire les charges et les traînées. Les aéronefs électriques, avec leurs contrôleurs moteurs précis et leurs systèmes de vol par fil, sont bien placés pour mettre en œuvre des mesures anti-rafales. Cela améliore non seulement la qualité de la conduite, mais permet également de concevoir l'aile pour un rapport de levage/raie plus élevé à son point d'exploitation moyen, car les marges pour les charges rafales peuvent être réduites.
Innovations technologiques
Au-delà des bases de l'aérodynamique, plusieurs technologies spécifiques permettent à la prochaine génération d'avions électriques de gérer plus efficacement la traînée et le levage.
Propulsion électrique distribuée (DEP)
Le débit d'air accéléré par les hélices non seulement fournit de la poussée, mais augmente également la pression dynamique sur l'aile, générant une ascension supplémentaire.Cela permet une zone d'aile plus petite pour la croisière (drag plus faible) tout en atteignant la montée élevée nécessaire pour le décollage et l'atterrissage.Le X-57 Maxwell[ a utilisé 12 moteurs de transport haut le long du bord d'attaque de l'aile, avec des moteurs de croisière plus grands aux extrémités des ailes pour récupérer l'énergie des tourbillons d'ailes. Le concept peut réduire la consommation d'énergie de 30 % sur un vol régional typique par rapport à un turbopropulseur conventionnel.
Composites légers et fabrication
Les progrès dans le placement automatisé de fibres et la co-curisation permettent de fabriquer des formes aérodynamiques complexes avec une grande répétabilité.Éviation Alice utilise un fuselage et une aile en fibre de carbone, et son rapport d'aspect élevé (estimé à plus de 15) est un résultat direct de l'efficacité structurelle des composites.
Ingestion de la couche limite (BLI)
BLI place les moteurs (ou les ventilateurs) à l'arrière du fuselage pour ingérer l'air de la couche limite plus lente que l'air libre. Cela réduit la traînée de ram et peut améliorer l'efficacité globale de propulsion de 5 à 10 %. Le Aurora Flight Sciences D8 (hybride à double bulle) utilise BLI pour ses moteurs montés à l'arrière.
Intégration de la gestion thermique
Les systèmes de refroidissement (boucles de fluide, radiateurs, prises d'air) ajoutent de la traînée. Des innovations comme échangeurs de chaleur de peau qui utilisent la surface de l'aéronef pour le rejet de chaleur peuvent réduire la traînée de refroidissement. Certains modèles intègrent des canaux de refroidissement dans des panneaux composites ou utilisent la surface de l'aile comme radiateur. Une gestion thermique efficace n'est pas seulement nécessaire pour la sécurité; elle affecte directement la propreté aérodynamique de l'aéronef.
Opérations aériennes et gestion de l'énergie
L'aérodynamique ne s'arrête pas à la phase de conception. La façon dont un aéronef électrique est piloté a un impact majeur sur la gestion de la traînée et de l'ascenseur, et donc sur la portée.
Profils de vol optimisés
Les moteurs électriques ont une grande efficacité sur une large gamme de réglages de puissance, mais l'efficacité aérodynamique varie en fonction de la vitesse et de l'altitude. L'escalade à une vitesse qui maximise le rapport de levage-ragage, puis la croisière à une altitude où la densité est faible (réduction de la traînée) et descendant avec freinage régénératif peut tous conserver l'énergie.
Contrôle précis de la distribution des ascenseurs
La commande active de la caméra, la torsion variable et les réglages différentiels des volets à travers l'aile peuvent être réglés automatiquement pour maintenir la distribution de levage près de la traînée elliptique (idéale pour une traînée minimale induite).
Charge et solde
Comme le poids de la batterie est fixe, la charge utile (passagers, cargaison) doit être gérée avec soin pour maintenir le centre de gravité dans une plage étroite. Un CG avant augmente la force de descente de la queue nécessaire pour la garniture, ce qui augmente la traînée induite.
Considérations relatives aux batteries et aux systèmes énergétiques
Bien que non aérodynamique, le système de batterie interagit avec la conception aérodynamique de l'avion de plusieurs façons.
Placement de la batterie et centre de gravité
Les batteries sont lourdes et denses. Elles sont généralement placées dans le fuselage ou la racine des ailes pour éviter d'affecter le moment de flexion de l'aile excessivement. Cependant, les grands paquets de batteries dans le fuselage peuvent perturber les lignes lisses et augmenter la surface mouillée. Certains modèles eVTOL placent les batteries dans des gousses près du centre de l'ascenseur pour minimiser la traînée de coupe.
Gestion thermique des batteries
Les batteries génèrent de la chaleur pendant la décharge et surtout pendant la charge rapide. Le refroidissement nécessite souvent des prises d'air qui augmentent la traînée. Les progrès dans le refroidissement passif (tuyaux de chaleur, matériaux de changement de phase) ou les boucles de refroidissement liquide intégrées dans la structure de l'aile peuvent réduire l'impact.
La route à suivre : ce que la prochaine décennie apportera
Les avions électriques ne resteront pas à jamais des créneaux. À mesure que les densités d'énergie de la batterie approcheront de 400 à 500 Wh/kg au niveau du pack (de 250 à 300 Wh/kg aujourd'hui), la portée augmentera de façon spectaculaire.
- Ailes de rapport d'aspect plus élevé rendues possibles par des composites légers et des tailleurs aéroélastiques, réduisant la traînée induite.
- Propulsement intégré à répartition[ qui synergise le contrôle de la couche limite, l'augmentation de la lift et la réduction du bruit.
- Les jumeaux numériques et l'optimisation de conception par l'IA qui permettent des milliers d'itérations sur les formes d'ailes et les systèmes de commande avant la construction d'un prototype.
- Systèmes de levage à haute tension normalisés qui utilisent l'actionnement tout électrique pour un poids et un entretien inférieurs.
Des organismes de réglementation comme l'AESA et la FAA élaborent des normes de certification spécifiquement pour les aéronefs électriques, ce qui encouragera les investissements dans les innovations aérodynamiques pouvant être certifiées en vertu des règles de la partie 23 ou de la partie 25, avec des conditions particulières pour la propulsion électrique.
Conclusion
La gestion de la traînée et de l'ascenseur n'est pas une préoccupation secondaire pour les aéronefs électriques, c'est le défi d'ingénierie central. Chaque amélioration de l'efficacité aérodynamique se traduit directement par un plus grand nombre de passagers transportés ou par des routes plus longues desservies par une seule charge de batterie. Des ailes balayées et du contrôle du débit laminaire aux structures de propulsion et de morphage adaptatifs distribuées, les outils sont déjà testés.
À mesure que la technologie de la batterie mûrira, les leçons aérodynamiques apprises aujourd'hui deviendront encore plus précieuses. L'avenir du vol électrique ne se résume pas à une propulsion propre; il s'agit de voler plus intelligemment – en utilisant moins d'énergie pour rester à l'écart, de sorte que le ciel puisse rester ouvert et vert pour les générations à venir.
Pour plus de renseignements sur l'aérodynamique des aéronefs électriques, voir la page NASA Electric Aircraft Research[ et la page EASA sur l'avion électrique