Comprendre la poussée dans les moteurs hybrides électriques

Les moteurs hybrides d'avions électriques représentent un changement central dans la propulsion aérienne, fusionnant la fiabilité des moteurs à réaction traditionnels avec l'efficacité de la puissance électrique. Au cœur de cette transformation se trouve thrust – la force fondamentale qui conduit un aéronef vers l'avant. Sans gestion prudente de la poussée, les systèmes hybrides ne peuvent pas réaliser les performances, la sécurité et les avantages environnementaux qu'ils promettent.

Qu'est - ce qui est important et pourquoi?

En termes de Newton, c'est la réaction à l'accélération d'une masse d'air (ou de gaz d'échappement) dans la direction opposée du voyage. Pour les moteurs à réaction, la poussée provient de l'expulsion de gaz chauds à grande vitesse; pour la propulsion électrique, elle est produite par la rotation d'une hélice ou d'un ventilateur canalisé via un moteur électrique. L'ampleur de la poussée requise varie selon les phases de vol : le décollage exige la poussée la plus élevée, la montée nécessite une puissance soutenue et la croisière nécessite une poussée efficace et plus faible.

L'architecture de la propulsion électrique hybride

Les moteurs électriques hybrides sont généralement classés en series et configurations parallèles. Dans une série hybride, une turbine à gaz ou un moteur à piston entraîne un générateur qui charge des batteries; les moteurs électriques fournissent à eux seuls de la poussée. Dans un hybride parallèle, les moteurs thermiques et électriques peuvent directement contribuer à la poussée, souvent par l'intermédiaire d'une boîte de vitesses.

Gestion de poussées dans les systèmes de série et parallèles

  • Série profil de poussée hybride:[ Toute propulsion provient de moteurs électriques, donc la poussée est limitée par la puissance du moteur et les débits de la batterie.
  • Profil de poussée hybride de parallèle:[ Les deux sources peuvent être combinées pour la poussée maximale pendant le décollage, puis le moteur thermique peut être réduit ou éteint pendant la croisière, réduisant la combustion de carburant.
  • Profil de poussée Turboélectrique: La turbine fonctionne à une vitesse optimale indépendamment de la vitesse du ventilateur, permettant des ventilateurs à haut rendement, mais le système de poids et la gestion thermique deviennent critiques.

Les ingénieurs doivent concevoir des systèmes de gestion de poussée qui transition sans couture entre les sources d'énergie sans sacrifier la réponse de poussée ou la sécurité de vol. Cela implique des algorithmes de contrôle sophistiqués et une électronique à haute puissance.

Les principaux défis du développement

1. Densité de puissance et poids

Les moteurs électriques offrent aujourd'hui un excellent couple, mais leur rapport puissance/poids est encore à la recherche de turbines à gaz. Pour faire face à la poussée d'un turbofan classique, les moteurs et les batteries doivent être incroyablement légers. Chaque kilogramme de système de propulsion ajoute à la masse de l'avion, nécessitant plus de poussée pour le soulever— un cycle vicieux.

2. Gestion thermique

Contrairement à la combustion du combustible, la chaleur résultant de pertes électriques doit être rejetée par des systèmes de refroidissement qui ajoutent du poids et de la traînée. Une gestion thermique efficace est essentielle pour maintenir la poussée sans surchauffe.

3. Taux de décharge des batteries

Les batteries doivent être capables de débits C élevés (taux de décharge par rapport à la capacité) sans inclinaison de tension ou fuite thermique. Des batteries Li-ion de haute puissance et des batteries à l'état solide émergent sont en cours de développement pour répondre à ces exigences transitoires de poussée.

4. Conception de l'hélice et de l'éventail

Les moteurs électriques peuvent tourner à des vitesses beaucoup plus élevées que les moteurs traditionnels, ce qui permet de réduire les hélices ou les ventilateurs. Cependant, les RPM élevés augmentent le bruit et réduisent l'efficacité en raison des limitations de vitesse de pointe. On étudie des hélices à pas variable, des rotors ouverts à pales multiples et des ventilateurs d'ingestion à couche limite] pour optimiser la poussée sur toutes les phases de vol.

Technologies qui conduisent à des améliorations de poussée

Moteurs électriques à haute efficacité

Les moteurs permanents à aimants synchrones (PMSM) avec des aimants à rare-terre[ atteignent un rendement supérieur à 95 % et des densités de couple supérieures à 20 Nm/kg. Les topologies de moteurs à flux axial sont particulièrement prometteuses pour l'aérospatiale, car elles peuvent être intégrées dans des ventilateurs ou des hélices à longueur axiale minimale.

Électronique de puissance avancée

Pour moduler la poussée en douceur, les onduleurs et les convertisseurs doivent gérer des semi-conducteurs haute tension (800 V à 1 000 V) avec de faibles pertes de commutation. Le carbure de silicium (SiC) et le nitride de galle (GaN) permettent un changement de vitesse et des exigences de refroidissement réduites.

Propulsion électrique distribuée (DEP)

DEP utilise plusieurs petits propulseurs électriques (p. ex., huit à une douzaine) répartis le long de l'aile ou du fuselage. Cette configuration peut augmenter l'efficacité aérodynamique en soufflant de l'air sur les surfaces des ailes, en améliorant la portance à basse vitesse et en réduisant la poussée nécessaire au décollage.

Systèmes de commande hybrides

Les ordinateurs modernes de contrôle de vol intègrent désormais le contrôle numérique du moteur à pleine autorité (FADEC)[ avec les systèmes de gestion de la batterie. Ces contrôleurs coordonnent la poussée des deux sources, optimisant la consommation de carburant, la santé de la batterie ou la réduction du bruit.

Barrières de réglementation et de certification

Les performances de poussée des aéronefs hybrides doivent satisfaire aux mêmes normes de certification rigoureuses que les moteurs classiques (p. ex., FAA, partie 33, EASA CS-E), ce qui comprend la démonstration des temps de réponse, des modes de défaillance et de la capacité de commande pendant les scénarios de sortie d'un moteur. Puisque les systèmes hybrides comportent de l'électricité à haute tension et des logiciels complexes, de nouveaux moyens de conformité sont en cours de développement.

Perspectives d'avenir : Solutions de poussée de la prochaine génération

Systèmes cryogéniques et supraconducteurs

Le refroidissement des moteurs électriques et des câbles électriques à des températures cryogéniques (p. ex. 77 K utilisant de l'azote liquide) permet une supraconductivité, augmentant considérablement la densité du courant et réduisant les pertes électriques. Cela pourrait entraîner des densités de puissance ultra-hautes (20–30 kW/kg) avec un rejet minimal de chaleur. NASA=Le projet de technologie avancée du transport aérien étudie des machines supraconductrices pour les futurs avions hybrides électriques.

Piles à combustible à hydrogène comme extenseurs de gamme

Pour les avions hybrides à plus longue portée, les piles à hydrogène peuvent agir comme prolongateurs de portée, fournissant de l'énergie électrique pour la poussée de croisière sans batteries lourdes. Les piles à combustible produisent de l'eau comme sous-produit et ont une énergie spécifique élevée (kWh/kg) par rapport aux batteries. Cependant, la densité de puissance des piles à combustible est encore insuffisante pour la poussée de décollage, de sorte qu'une combinaison hybride avec des batteries ou une turbine à gaz demeure nécessaire.

Systèmes d'aide au décollage à haute poussée

L'assistance électrique au sol (p. ex. tracteurs de remorquage ou bobines d'induction à embase de piste) pourrait réduire la poussée à bord nécessaire au décollage, permettant aux moteurs et aux batteries de plus petite taille. Ce concept est en cours d'étude pour les avions électriques à courte distance, ce qui pourrait permettre de décoller et d'atterrir à zéro émission tandis que les moteurs hybrides manipulent les croisières.

Conclusion

Le rôle de la poussée dans les moteurs hybrides d'avions électriques va bien au-delà de la simple propulsion. Elle dicte l'architecture de la motorisation, du système de stockage de l'énergie, de la conception de la gestion thermique et même de la disposition des ailes. À mesure que les technologies avancent, des moteurs à haute densité aux câbles supraconducteurs, les ingénieurs surmontent sans cesse le compromis historique entre puissance et poids.