Les avions à propulsion solaire représentent l'une des frontières les plus prometteuses de l'aviation durable.En exploitant l'énergie directement du soleil, ces avions éliminent les émissions d'échappement et réduisent la dépendance aux combustibles fossiles, en faisant une alternative écologique pour des rôles spécifiques de l'aviation tels que la surveillance de haute altitude, le relais de télécommunications et la surveillance de l'environnement.Par exemple, l'Impulsion solaire 2, qui a circumnavigé le globe en 2016, et les Pseudo-Satellites de haute altitude (HAPS) comme Airbus Zephyr ou l'hélios d'AeroVironment. Toutefois, avant que tout aéronef à propulsion solaire puisse fonctionner dans le système aérien national, que ce soit pour la recherche, les services commerciaux ou, éventuellement, le transport de passagers, il doit suivre un processus de certification exigeant et hautement structuré.

Aperçu des cadres de certification aérienne

Pour les aéronefs classiques, les autorités comme la FAA ont établi des normes détaillées en vertu du titre 14 du Code de réglementation fédérale (14 CFR), en particulier des parties comme la partie 23 pour les avions de catégorie normale ou la partie 25 pour les avions de catégorie transport. L'AESA suit des spécifications de certification similaires (CS-23, CS-25). Pour les aéronefs à propulsion solaire, qui entrent souvent dans la catégorie des aéronefs de classe spéciale, des aéronefs expérimentaux ou des systèmes d'aéronefs sans pilote (UAS), la voie de certification peut être différente. Certains aéronefs à propulsion solaire, en particulier ceux dont le pilote est à bord comme Solar Impulse, ont été certifiés selon des normes modifiées ou au moyen de certificats de navigabilité spéciaux dans la catégorie expérimentale. D'autres, comme les drones à propulsion solaire de haute altitude, peuvent être certifiés selon des règlements spécifiques de la SAU ou au moyen d'autorisations de vol spéciales.

Phase 1: Considérations relatives à la certification de la conception et du développement

Intégrité structurelle et matériaux légers

La conception et le développement des aéronefs doivent être soumis à l'approbation de conception ou à une consultation préalable de l'autorité compétente. Cette première intervention aide à déterminer la base de certification. Pour les aéronefs à propulsion solaire, qui ont généralement des rapports d'aspect très élevés, des charges d'ailes basses et des structures extrêmement légères, la démonstration de l'intégrité structurelle devient un défi majeur. La cellule doit résister aux charges opérationnelles, y compris les rafales, les manœuvres et la manutention au sol, tout en étant aussi légère que possible pour permettre un vol solaire durable. La certification exige une analyse rigoureuse des contraintes, une modélisation des éléments finis et des essais de matériaux à coupon. Les autorités s'attendent à ce que les exigences en matière de résistance statique et de fatigue, souvent adaptées aux normes existantes.

Intégration des panneaux solaires et certification du système électrique

L'un des aspects uniques de la certification des avions à propulsion solaire est l'intégration de panneaux photovoltaïques sur les ailes et parfois du fuselage. Ces panneaux ne sont pas seulement des sources d'énergie; ils font partie de la surface aérodynamique et doivent être certifiés pour leur navigabilité. Le processus de certification porte sur l'attachement mécanique des cellules solaires, la protection contre les coups de grêle ou d'oiseau, l'isolation électrique et la résistance aux coups de foudre. Le système électrique, y compris les traceurs de points d'alimentation maximum (MPPT), les barres d'autobus et les onduleurs, doit satisfaire aux exigences du système électrique de la partie 23 ou de la partie 25, y compris la tolérance aux défauts, la séparation des fils et la prévention des incendies.

Phase 2 : Construction de prototypes et essais au sol

Avec un plan de conception certifié en place, le constructeur construit un prototype ou un avion de préproduction. Cette phase comprend des essais au sol approfondis pour vérifier les performances et la sécurité avant le premier vol. Les essais au sol pour les avions à propulsion solaire couvrent plusieurs domaines critiques :

  • Essais statiques de structure:[ La cellule est chargée à des charges de conception ultimes à l'aide de sacs de sable ou de vérins hydrauliques pour vérifier la résistance.
  • Essais environnementaux:[ Les panneaux solaires et les batteries subissent des essais de cycles de température, d'humidité et de chambre d'altitude pour s'assurer qu'ils fonctionnent dans l'environnement de fonctionnement.
  • Compatibilité électromagnétique (EMC):[ L'électronique de l'aéronef ne doit pas interférer avec les systèmes de navigation ou de communication et doit survivre aux champs électromagnétiques externes.
  • Essais de sécurité des batteries : Les batteries au lithium-ion utilisées dans les aéronefs solaires sont soumises à des essais thermiques de fuite, à une protection contre les surcharges et à des exigences de confinement des incendies.
  • Essais électriques à réseau solaire:[ Les ingénieurs mesurent la sortie du réseau PV sous un rayonnement solaire simulé et vérifient que le système de gestion de l'énergie peut gérer différentes irradiances.

Tous les résultats des essais au sol sont consignés dans les rapports de conformité qui font partie de la demande de certification. Les autorités peuvent assister à des essais clés ou exiger une vérification indépendante de la part des laboratoires accrédités.

Phase 3 : Essais en vol et collecte de données

Les essais en vol constituent sans doute la phase la plus critique de la certification, car ils valident les performances, les qualités de manutention et les systèmes de l'aéronef dans des conditions réelles. Pour les aéronefs à propulsion solaire, les essais en vol sont particulièrement sensibles aux conditions météorologiques et au moment de la journée.

Extension de l'enveloppe

Les avions à propulsion solaire ont souvent un comportement de décrochage très doux en raison de la faible charge des ailes, mais ils peuvent avoir une autorité de contrôle réduite en raison de l'envergure des ailes et des commandes légères. Les pilotes ou les opérateurs à distance effectuent des décrochages, des virages à différents angles de rive et des descentes de vitesse. L'avion doit démontrer qu'il est contrôlable et récupérable dans toute l'enveloppe.

Validation des performances solaires et batteries

Contrairement aux aéronefs classiques, les avions à propulsion solaire dépendent d'une source d'énergie renouvelable qui varie selon l'angle de rayonnement solaire, la couverture nuageuse et l'altitude. Les essais en vol mesurent l'entrée solaire réelle, les taux de charge/décharge de la batterie et l'efficacité motrice. Pour les avions solaires destinés à des missions de longue durée, le programme d'essai doit comprendre un cycle complet de nuit pour démontrer que les batteries peuvent maintenir le vol pendant la nuit avec une réserve suffisante.

Essais de défaillance du système

La certification exige la preuve que l'aéronef peut gérer des défaillances, notamment une panne de moteur (le moteur électrique est coupé), une panne de batterie et une défaillance de la section du panneau solaire. Pour les conceptions multimoteurs, il faut vérifier un seul gradient de montée inopérante. L'aéronef doit également être testé pour la perte de puissance des nuages ou des motifs d'ombre.

Essais de navigabilité continus

Au-delà de la certification initiale, l'autorité exige souvent une série de vols pour simuler l'utilisation opérationnelle, notamment des décollages et des atterrissages répétés (si le train d'atterrissage classique est utilisé) ou des procédures de lancement et de récupération pour les systèmes à haute altitude.

Phase 4 : Demande de certification, examen et approbation

Compilation du dossier de certification

Une fois les essais en vol terminés et tous les problèmes résolus, le constructeur présente une demande officielle de certification de type, qui comprend généralement :

  • Description de la conception du type
  • Listes de contrôle de la conformité montrant comment chaque règlement est respecté
  • Rapports techniques (structurels, électriques, systèmes, logiciels)
  • Rapports et données des essais en vol
  • Instructions pour le maintien de la navigabilité (ICA) et manuels de maintenance
  • Manuel de vol ou manuel d'exploitation du pilote
  • Plan d'assurance de la qualité pour la production

Pour les aéronefs à propulsion solaire, d'autres documents peuvent comprendre un plan de gestion de l'énergie solaire, des procédures spéciales d'entretien des batteries et des limites des heures d'exploitation ou des conditions météorologiques.

Inspection, vérification et conformité

Les autorités de certification procèdent à des inspections approfondies des prototypes d'aéronefs et des installations de production, vérifient que l'aéronef est conforme à la conception du type et que les composants sont produits selon les normes de qualité requises. Pour les aéronefs expérimentaux, l'autorité peut délivrer un certificat de navigabilité spécial dans la catégorie expérimentale, avec des restrictions telles que « aucune opération commerciale » ou « VFR de la lumière du jour seulement ». Toutefois, pour les aéronefs commerciaux en vertu de la partie 135 ou de la partie 121, un certificat de navigabilité standard est requis, ce qui exige une certification de type complet.

Délivrance du certificat de type

Si toutes les exigences sont satisfaites, l'autorité délivre un certificat de type (TC) pour la conception de l'aéronef. Ce TC définit la configuration approuvée, les limites d'exploitation et toutes conditions spéciales.

  • Niveaux maximaux de rayonnement solaire pour le décollage
  • État de charge minimal de la batterie pour le vol
  • Altitude maximale pour une énergie solaire soutenue
  • Restrictions à l'exploitation dans les conditions de précipitations ou de givrage (les panneaux solaires ne pouvant tolérer l'accumulation de glace)

Avec un TC, le constructeur peut ensuite demander un certificat de production (PC) pour construire des aéronefs en série. Chaque aéronef reçoit un certificat de navigabilité après inspection.

Défis uniques de certification pour les aéronefs à puissance solaire

Bien que le processus général de certification soit parallèle à celui de tout aéronef, les conceptions à énergie solaire présentent des obstacles spécifiques qui nécessitent des approches novatrices.

Stockage de l'énergie et sécurité des batteries

La certification des batteries selon les normes de l'aviation (par exemple RTCA DO-311 pour les batteries au lithium rechargeables) est exhaustive. Le risque de fuite thermique est particulièrement préoccupant. Pour la certification, les batteries doivent démontrer une tolérance à la surcharge, au court-circuit externe, à la température élevée et à la pénétration physique. De plus, le système de gestion de la batterie (BMS) doit être certifié comme un logiciel essentiel à la sécurité.

Dépendance environnementale et météorologique

La certification doit définir des critères de performance fiables malgré des conditions météorologiques variables, ce qui entraîne des limitations opérationnelles qui réduisent la flexibilité de l'aéronef. Par exemple, l'aéronef ne peut pas décoller si la prévision montre des nuages persistants ou une basse altitude solaire. Les autorités peuvent exiger une marge de sécurité pour les réserves d'énergie équivalant à une heure de vol supplémentaire. Cette dépendance complique la certification de l'aéronef en tant que véhicule « capable de jour/nuit ». Certains aéronefs solaires, comme l'Impulsion solaire 2, ont été certifiés dans des conditions spéciales exigeant que le pilote plane les vols autour des conditions météorologiques et qu'il ait toujours un point d'atterrissage d'urgence à distance de glisse.

Flexibilité structurelle et aéroélasticité

Pour minimiser le poids, les ailes à propulsion solaire sont souvent très flexibles, ce qui introduit des préoccupations aéroélastiques telles que les fluctuations, les divergences et les retournements de commande. La certification exige une analyse des fluctuations et des essais de flutters de vol pour s'assurer qu'aucun phénomène dangereux ne se produit dans l'enveloppe de vol. Comme la distribution de la rigidité est affectée par la mise en place du panneau solaire, les ingénieurs doivent modéliser avec précision la structure composite.

Rapport faible entre la poussée et la masse

Les avions à propulsion solaire ont des rapports de poussée à poids très bas (souvent de 0,1 à 0,2) par rapport aux avions à réaction, ce qui signifie qu'ils ont de mauvaises performances de montée et qu'ils ne peuvent pas exécuter les procédures d'approche interrompue normalisées utilisées dans l'aviation commerciale. La certification exige que l'avion puisse encore respecter les pentes de dégagement des obstacles même lors d'une montée avec un moteur à moteur unique (si ce n'est qu'à moteur multiple).

Perspectives futures : Évolution des normes de certification pour l'aviation solaire

Le paysage de certification des avions à propulsion solaire évolue rapidement. À mesure que la technologie arrive à maturité et que les avions solaires entrent en service pour des missions comme la connectivité Internet, l'observation de la Terre et la surveillance des catastrophes, les régulateurs s'efforcent de les intégrer dans l'espace aérien.

  • Harmonisation des normes:[ La FAA et l'AESA collaborent à la réglementation axée sur la performance des aéronefs électriques et solaires, en s'éloignant des règles normatives, notamment en élaborant de nouvelles catégories de certification pour les «mobilités aériennes avancées» et les «VTOL électriques» qui peuvent également s'appliquer aux aéronefs solaires à voilure fixe.
  • Conditions spéciales pour les HAPS: Les Pseudo-Satellites haute altitude incitent à des cadres de certification dédiés. L'AESA a publié Conditions spéciales pour les HAPS en 2020, traitant de l'énergie solaire, de la longue endurance et de la commande automatique de vol.
  • Les progrès technologiques des panneaux solaires et de batterie:[ Les améliorations de la densité énergétique, de la durée de vie du cycle et de la sécurité réduisent les charges de certification.
  • Autonomie et systèmes de détection et d'évitement:[ De nombreux avions solaires sont sans pilote. La certification des systèmes de vol autonomes est un objectif majeur. Les autorités ont besoin d'une capacité fiable de détection et d'évitement pour satisfaire aux normes de «cas de sécurité» équivalentes à celles d'un aéronef habité.
  • Certification environnementale: Au-delà de la sécurité, des organismes comme la FAA et l'AESA envisagent de plus en plus des critères environnementaux.Les avions solaires produisent déjà zéro émission en vol, mais la certification peut aussi tenir compte du bruit, des émissions électromagnétiques et de la durabilité du cycle de vie.

Alors que la certification des premiers avions solaires comme Solar Impulse a pris près d'une décennie et a exigé de nombreuses conditions spéciales, de nouveaux projets comme Skydweller (un successeur de la technologie Solar Impulse) et Sunglider d'Aerovironment mettent à profit leur expérience antérieure et la réglementation mise à jour. Les directives de navigabilité FAA sont également en cours d'adaptation pour ces nouveaux modèles.

En conclusion, le processus de certification des avions à propulsion solaire est un parcours complet et en plusieurs phases qui exige une étroite collaboration entre les fabricants et les autorités aéronautiques.De la conception initiale et des essais au sol à la validation des vols et à l'examen réglementaire, chaque étape doit répondre aux défis uniques de la propulsion solaire, des structures légères et de la gestion de l'énergie.