La nouvelle frontière : certification pour les avions hybrides et électriques

L'industrie aéronautique est à un seuil de changement transformateur. Les avions commerciaux hybrides et électriques promettent une réduction considérable des émissions, une réduction du bruit et de nouvelles possibilités d'exploitation. Cependant, pour commercialiser ces avions, il faut une révolution parallèle dans les processus de certification.Les cadres qui régissent en toute sécurité les avions à combustible fossile depuis des décennies n'ont jamais été conçus pour les nouveaux systèmes, architectures et modes de défaillance inhérents à la propulsion électrique.

Défis actuels en matière de certification : Pourquoi les cadres existants sont-ils courts

La certification traditionnelle, telle que codifiée dans des règlements comme la 14 CFR Part 25 (FAA) et la CS-25 (EASA), suppose une référence des moteurs à combustion à hydrocarbure, des systèmes hydrauliques et des liaisons mécaniques. La propulsion hybride et électrique remplace ces derniers par des batteries à haute tension, des onduleurs, des moteurs électriques, des unités de distribution d'énergie et des systèmes complexes de gestion thermique.

Sécurité des batteries et fuite thermique

Contrairement au carburant d'aviation, qui brûle de manière prévisible avec des méthodes d'extinction connues, les incendies de batteries impliquent des réactions chimiques qui peuvent réapparaître après suppression et rejet de gaz toxiques. La certification doit définir la chimie acceptable de la batterie, les limites de propagation de cellules à cellules et les stratégies de confinement. Aucune exigence de la partie 25 ne régit spécifiquement le comportement des systèmes de batteries à grand format dans les scénarios de collision, de perforation ou de surcharge.

Systèmes haute tension et failles d'arc

La propulsion électrique des aéronefs fonctionne à des tensions allant de 600 V à plus de 1000 V CC, dépassant de loin les tensions typiques des bus (28 V ou 115 V AC). À ces niveaux, des failles d'arc peuvent survenir même en fonctionnement normal, par exemple lors de l'accouplement des connecteurs ou en raison de la panne d'isolation. Un arc non incorporé peut ioniser l'air, créer du plasma conducteur et une protection des circuits de contournement.

Compatibilité électromagnétique (CEM) et bruit de propulsion

Les essais EMC traditionnels portent sur les émissions conduites et irradiées dans la gamme de 150 kHz–30 MHz, mais la propulsion électrique introduit des émissions jusqu'à plusieurs mégahertz de l'électronique de puissance. De plus, les moteurs électriques produisent du bruit acoustique avec des harmoniques distinctes qui peuvent différer du bruit du moteur, affectant le confort de la cabine et les empreintes sonores communautaires. La certification doit fixer de nouvelles limites et des protocoles d'essai pour ces fréquences.

Logiciels et contrôle critique de la sécurité

Les avions hybrides et électriques dépendent fortement des logiciels de gestion de l'énergie, de contrôle du couple, de régulation thermique et de gestion de la redondance.Ces boucles de commande sont essentielles à la sécurité, une défaillance logicielle pouvant entraîner une perte de poussée ou une décharge de batterie non contrôlée. La certification en DO-178C s'applique déjà aux logiciels aéroportés, mais la complexité et l'intégration des logiciels de contrôle de puissance dépassent les systèmes traditionnels de contrôle de vol. De nouvelles directives peuvent être nécessaires pour les composants du réseau neuronal ou de l'IA, qui sont de plus en plus considérés pour une répartition optimale de l'énergie.

Normes et règlements émergents : le cahier des règles prend forme

Les organismes de réglementation du monde entier élaborent activement des normes spécifiques pour les avions électriques et hybrides, qui visent à fournir des voies de certification claires et prévisibles qui favorisent l'innovation sans compromettre la sécurité.

Conditions spéciales de la FAA

Par exemple, le 25 juillet 2022, la FAA a publié la condition spéciale no 23-008-SC pour Joby Aviation[ JAS4-1, qui couvre la protection contre l'incendie des batteries, la sécurité des systèmes à haute tension et la résistance aux chocs structuraux pour les installations de batteries. D'autres conditions spéciales ont été émises pour Beta Technologies[, Archer Aviation[ et Wisk Aero[. Ces documents, bien qu'ils soient spécifiques à chaque projet, créent un précédent et peuvent ensuite être généralisés dans les règlements officiels.

Conditions spéciales et règles proposées de l'AAF

EASA SC-E et moyens de conformité

En Europe, l'AESA a élaboré un cadre réglementaire pour les avions eVTOL (décollage vertical électrique et atterrissage) dans le cadre de sa série SC-E (condition spéciale pour VTOL).Pour les avions commerciaux hybrides et électriques de grande taille (classe CS-25), l'AESA travaille sur une tâche de réglementation spécifique (RMT.0742) qui créera une nouvelle sous-partie couvrant la propulsion électrique. L'Agence a également publié un document complet "Moyens de conformité" pour la certification Pipistrel Velis Electro, le premier avion électrique certifié de type, qui comprend des conseils détaillés sur la durabilité de la batterie, la gestion thermique et la protection contre la foudre.

Exemple de lien externe:[ Document de certification d'aéronef électrique EASA

Normes internationales: SAE, RTCA et ISO

Aux côtés des organismes de réglementation, des organismes de normalisation de l'industrie élaborent des spécifications techniques. SAE International a créé des comités de propulsion électrique des aéronefs (AE-7D), tandis que RTCA travaille sur DO-311A pour les batteries au lithium rechargeables et sur les mises à jour DO-160G pour les CEM à haute tension.

Efforts de collaboration : briser les silos

Aucune entité ne peut résoudre le seul défi de la certification. La complexité et la nouveauté de la propulsion électrique exigent une collaboration sans précédent entre les fabricants, les organismes de réglementation, les organismes de recherche et les exploitants.

Groupes de travail industrie-gouvernement

La FAA a créé le Comité de propulsion électrique[, sous l'égide du Comité consultatif sur les règles d'aviation (CCRA), avec des membres de Boeing, Airbus, Joby, Beta, Honeywell, NASA, etc. Ce groupe élabore des modifications réglementaires et des documents d'orientation recommandés.

Programmes conjoints d'essais et de partage de données

Plusieurs initiatives de tests collaboratifs sont en cours. NASA=Démonstration de vol de groupe motopropulseur électrifié (EPFD) partenaires du projet GE Aviation et magnix pour tester des groupes motopropulseurs de classe mégawatt sur des aéronefs modifiés.Les données d'essais résultantes, qui couvrent les performances thermiques, les émissions électromagnétiques et les marges de sécurité, sont partagées avec la FAA et l'AESA pour éclairer les exigences de certification.

Établissements de recherche et universités

Par exemple, l'Université de Nottingham exploite un banc d'essai de propulsion électrique à grande échelle utilisé par Airbus et Rolls-Royce pour les essais liés à la certification. Le National Renewable Energy Laboratory (NREL) aux États-Unis teste la sécurité des batteries dans des conditions d'abus spécifiques à l'aviation (décompression rapide, haute altitude, vibrations).

Méthodes novatrices d'essai et de certification : au-delà des prototypes physiques

La certification traditionnelle repose fortement sur des essais physiques : des centaines d'heures de vol, des essais de fatigue structurelle et des démonstrations au niveau du système.Pour les aéronefs électriques, le coût et le temps de construction de plusieurs prototypes de motorisations pour des essais destructeurs (p. ex., rafale thermique de batterie, résistance à l'écrasement) sont prohibitifs.

Jumelles numériques et certification virtuelle

Un jumeau numérique est une réplique virtuelle de haute fidélité de l'aéronef physique qui reçoit des données en temps réel et peut simuler le comportement dans des scénarios infinis. Au cours de la certification, un jumeau numérique peut être utilisé pour démontrer la conformité aux conditions de défaillance qui sont rares ou coûteuses à tester physiquement. Par exemple, un essai de propagation thermique par écoulement peut impliquer des centaines de combinaisons de cellules; un jumeau numérique validé peut extrapoler les résultats à des configurations non validées. Boeing[ et Airbus[ investissent massivement dans la technologie jumelle numérique pour leurs programmes d'aéronefs électriques.

Ingénierie des systèmes fondée sur les modèles (MBSE)

Pour un groupe motopropulseur hybride-électrique, le MBSE peut tracer une exigence de sécurité (p. ex., - aucun point de défaillance ne doit causer une perte totale de poussée) jusqu'à des composants spécifiques, une logique logicielle et des cas d'essai.Les outils d'analyse automatisés peuvent vérifier les incohérences et générer des preuves de conformité.Cette approche s'harmonise avec SAE ARP4754B[ (développement d'aéronefs et de systèmes civils) et facilite la certification en fournissant un argument clair et traçable de sécurité.

Essais en vol dans le monde réel avec surveillance intégrée

Malgré la montée des simulations, les essais en vol restent indispensables. Cependant, les vols d'essai modernes transportent maintenant des milliers de capteurs mesurant la tension, le courant, la température, les vibrations et les émissions électromagnétiques à haute fréquence. Les données de ces vols sont transmises aux stations au sol en temps quasi réel, permettant aux ingénieurs de rejouer les événements et de les comparer aux critères de certification.Cette approche « test-as-y-fly », lancée par des entreprises comme Joby et Beta, permet de perfectionner itérativement les logiciels et le matériel.

Intelligence artificielle dans la certification

L'IA est en cours d'étude pour automatiser des parties du processus de certification, comme l'analyse des modes de défaillance, la vérification des règles de conception ou la prévision des résultats des essais à partir de données historiques. Cependant, les régulateurs restent prudents quant aux algorithmes de la boîte noire dans les décisions critiques en matière de sécurité.Les efforts actuels portent sur l'IA expliquable qui peut fournir des justifications lisibles par l'homme pour ses recommandations.

Perspectives d'avenir: une nouvelle Cadence pour la certification

À mesure que l'industrie mûrira, les processus de certification des avions commerciaux hybrides et électriques évolueront d'une série de conditions spéciales ponctuelles à un cadre stable et répétable. Le rythme des changements s'accélérera, sous l'impulsion de plusieurs facteurs convergents.

Voies de certification simplifiées

Au cours des cinq prochaines années, la FAA et l'AESA devraient publier des règlements officiels codifiant les exigences clés en matière de propulsion électrique. Les candidats comprennent une nouvelle modification de la partie 23 pour les avions de banlieue et une nouvelle annexe de la partie 25 pour les gros aéronefs.

Approbation opérationnelle et maintien de la navigabilité

Les exigences de la partie 145 et de la partie M de l'AESA devront être adaptées aux systèmes à haute tension, tandis que les programmes de maintenance de la navigabilité continue (PCM) de la FAA intégreront le suivi de la dégradation de la batterie. Le concept de la santé de la batterie comme tâche de maintenance deviendra standard, les organismes de certification surveillant les calendriers de remplacement axés sur les données.

Harmonisation et mutualité mondiales

Les accords bilatéraux sur la sécurité aérienne (BASA) entre les États-Unis et l'UE devront être actualisés pour couvrir les normes spécifiques à l'électricité.Les négociations sont déjà en cours par l'intermédiaire de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI)[ et du Groupe de travail sur l'harmonisation des mesures de propulsion électrique[. Une norme mondiale unifiée empêcherait les fabricants de devoir renouveler leur certification pour chaque région, en réduisant les coûts et en accélérant le déploiement.

Crédits pour certification environnementale et durabilité

Au-delà de la navigabilité, les avions hybrides et électriques doivent satisfaire à la certification environnementale du bruit et des émissions. De nouveaux types de procédures de certification du bruit (par exemple, l'annexe 16 de l'OACI, volume I) tiendront compte des profils de fréquence uniques de la propulsion électrique.

Conclusion : L'impératif de certification

L'avenir de la certification des avions commerciaux hybrides et électriques ne se résume pas à mettre à jour les listes de contrôle; il s'agit de repenser la façon dont la sécurité est prouvée dans un monde de nouvelle complexité physique et logicielle. La voie à suivre exige une agilité réglementaire, une collaboration technique profonde et la volonté de valider par un mélange de méthodes physiques et numériques. Le succès sera mesuré non seulement dans les certificats délivrés mais dans la vitesse à laquelle ces machines plus propres et plus silencieuses peuvent être déployées.