Par Lauren Nagel
La propulsion électrique distribuée (DEP) a été inventée pour tenter d'améliorer l'aéronef moderne : comment pouvons-nous accroître l'efficacité d'un aéronef ? Améliorer sa manœuvrabilité ? Raccourcir ses distances de décollage et d'atterrissage ?
Les concepts de DEP promettent de réduire la consommation de carburant tout en améliorant les performances, une perspective attrayante à une époque où nous travaillons sans relâche pour rendre l'aviation plus durable.
Dans cet article, nous abordons le fonctionnement de la DEP, ses avantages et ses inconvénients, ainsi que les aéronefs à DEP à suivre. De plus, nous proposons une solution pour tester les systèmes DEP. Tout est inclus ci-dessous.
Table des matières
- Qu'est-ce que la propulsion électrique distribuée (DEP) ?
- Comment fonctionne la propulsion électrique distribuée ?
- Quels sont les avantages de la propulsion électrique distribuée ?
- Quels sont les défis liés à la propulsion électrique distribuée ?
- Aéronefs à propulsion électrique distribuée notables
- Comment tester un système de propulsion électrique distribuée
1. Qu'est-ce que la propulsion électrique distribuée (DEP) ?
La propulsion électrique distribuée (DEP) décrit un système de propulsion où la génération de poussée est répartie entre trois propulseurs électriques ou plus. Dans de nombreux concepts de DEP, les propulseurs électriques (soufflantes ou hélices) sont répartis en parallèle le long d'une surface aérodynamique, telle que l'aile d'un aéronef.
Les systèmes DEP peuvent être entièrement électriques, où les moteurs électriques sont alimentés par des batteries, ou hybrides, où les moteurs électriques sont alimentés par un turbogénérateur.
De nombreuses organisations notables développent des concepts de DEP, y compris des géants comme la NASA qui testent activement différents modèles de DEP [1].
Il n'existe pas de définition universellement acceptée de la DEP à l'heure actuelle, hormis la présence nécessaire de multiples propulseurs électriques.
Figure 1 : Le VX4 de Vertical Aerospace lors d'un essai en vol (source : Business Wire)
2. Comment fonctionne la propulsion électrique distribuée ?
La propulsion électrique distribuée est un concept en évolution et il n'existe pas deux aéronefs à DEP identiques. Cela dit, la plupart des aéronefs à DEP ont tendance à appartenir à l'une des deux catégories principales : a) les aéronefs à DEP entièrement électriques, et b) les aéronefs à DEP turboélectriques hybrides.
1. Aéronefs à DEP entièrement électriques :
Dans un aéronef à DEP entièrement électrique, une batterie embarquée à haute densité sert de source d'alimentation principale. Les batteries entraînent plusieurs moteurs électriques qui sont chacun connectés individuellement à un propulseur (une soufflante ou une hélice). Les propulseurs produisent la poussée nécessaire au vol de l'aéronef.
Figure 2 : Disposition d'un aéronef à DEP entièrement électrique
Des exemples d'aéronefs à DEP entièrement électriques incluent le VX4 de Vertical Aerospace, le S4 de Joby Aviation et le Midnight d'Archer.
2. Aéronefs à DEP turboélectriques hybrides
Dans un aéronef à DEP turboélectrique hybride, la source d'alimentation est un moteur à turbine à gaz connecté à un générateur qui convertit l'énergie mécanique de la turbine en énergie électrique. Cette énergie électrique est acheminée vers les moteurs électriques distribués qui, à leur tour, font tourner les propulseurs, générant ainsi la poussée nécessaire.
Figure 3 : Agencement d'un aéronef à DEP turboélectrique hybride
Des exemples d'aéronefs à DEP turboélectriques hybrides incluent le modèle EL-2 « Goldfinch » d'Electra et l'aéronef EcoPulse d'Airbus.
Le placement de ces composants est soigneusement étudié dans les aéronefs à DEP, car les sources d'énergie, les propulseurs et les surfaces aérodynamiques fonctionnent tous ensemble pour atteindre une performance optimale.
3. Technologies émergentes dans la DEP
Plusieurs technologies émergentes sont explorées pour les aéronefs à DEP. ZeroAvia développe des moteurs électriques à hydrogène qui utilisent des piles à combustible à hydrogène pour générer de l'électricité, laquelle alimente ensuite des moteurs électriques. Ces piles à combustible ne produisent que de l'eau comme sous-produit.
Les avancées dans la chimie des batteries jouent également un rôle crucial dans le progrès de la DEP. Les batteries à semi-conducteurs promettent des densités énergétiques de 400 à 500 Wh/kg, comparées aux cellules lithium-ion actuelles de 150 à 200 Wh/kg. Au-delà de leur densité énergétique plus élevée, les batteries à semi-conducteurs sont plus sûres car elles ne sont pas inflammables comme les batteries à électrolyte liquide.
Cependant, le plus grand défi pour les batteries à semi-conducteurs est la durée de vie en cycles. La durée de vie en cycles d'une batterie fait référence au nombre de cycles de charge et de décharge qu'elle peut effectuer avant de perdre en performance. Lyten a récemment démontré une batterie lithium-soufre à semi-conducteurs alimentant un drone imprimé en 3D qui a volé à des vitesses allant jusqu'à 86 mph pendant plus de trois heures.
Figure 4 : Les batteries lithium-soufre de Lyten utilisées dans un drone imprimé en 3D (source)
Bien que ces technologies n'en soient qu'à leurs débuts, elles montrent comment des sources d'énergie alternatives pourraient étendre l'autonomie et les capacités des aéronefs à DEP au-delà de ce que les systèmes actuels peuvent accomplir.
Dans les sections suivantes, nous discuterons de ces composants plus en détail, ainsi que des avantages et des défis qu'ils offrent.
3. Avantages de la propulsion électrique distribuée
Il existe plusieurs avantages potentiels associés à un système de propulsion électrique distribuée :
Couplage aéro-propulsif
L'intégration des propulseurs dans les surfaces produisant la portance de l'aéronef, comme le bord d'attaque de l'aile, conduit à un effet de couplage aéro-propulsif, qui peut être décrit comme l'interaction concertée entre les forces aérodynamiques et propulsives. Cela prend différentes formes :
L'ingestion de couche limite (BLI) est un exemple de ce concept, où les propulseurs ingèrent l'air se déplaçant plus lentement depuis la couche limite le long de la surface de l'aéronef. Moins d'énergie est nécessaire pour accélérer cet air et cela peut réduire la quantité totale de traînée produite le long de cette surface ; l'efficacité énergétique peut donc être augmentée jusqu'à 8,5 % [2].
Le concept E-Thrust conçu par le groupe EADS (Airbus, Astrium, Cassidian et Eurocopter) en collaboration avec Rolls-Royce, a été conçu pour ingérer l'air de la couche limite via des propulseurs situés au bord de fuite de l'aile.
L'inconvénient est que l'air de la couche limite est beaucoup plus perturbé que l'air du flux libre, il faut donc des hélices ou des soufflantes plus robustes pour le traiter.
Figure 5 : Concept de DEP Airbus E-Thrust utilisant l'ingestion de couche limite (source)
Le remplissage de sillage, un terme plus large pour les stratégies visant à réduire la traînée causée par le sillage d'un aéronef, la zone d'air perturbé derrière l'aéronef. Dans les aéronefs à DEP, le placement stratégique des propulseurs peut contribuer au remplissage de sillage. Par exemple, les propulseurs peuvent être placés près de l'arrière de l'aéronef pour ré-énergiser le flux d'air lorsqu'il passe le long du fuselage.
La redirection des tourbillons de bout d'aile est un autre concept de couplage aéro-propulsif qui a été étudié [3]. Le système utilise des unités de propulsion montées aux extrémités des ailes, où elles redirigent les tourbillons pour améliorer la propulsion et réduire la traînée.
Aéronef contrôlé par propulsion (PCA)
Un aéronef contrôlé par propulsion (PCA) est un aéronef dont les mouvements (tangage, roulis et lacet) sont contrôlés par des ajustements des propulseurs, plutôt que par des surfaces de contrôle traditionnelles. Contrairement aux jets et aux fusées qui utilisent la poussée vectorielle, le PCA s'appuie généralement uniquement sur des ajustements du niveau de poussée, plutôt que sur des changements de la forme réelle du système d'échappement de la poussée.
Les aéronefs propulsés par DEP sont des candidats de choix pour les manœuvres contrôlées par propulsion, car la poussée de chaque propulseur peut être ajustée indépendamment. Cela peut potentiellement conduire à une efficacité énergétique accrue, car la poussée de chaque propulseur peut être finement réglée pour répondre aux besoins en puissance de l'aéronef.
Dans la plupart des aéronefs contrôlés par propulsion, le pilotage par propulsion est généralement une redondance qui coexiste avec les surfaces de contrôle traditionnelles. Cependant, les aéronefs à DEP pourraient offrir le premier exemple où ce n'est pas le cas, permettant une réduction de la taille des surfaces de contrôle traditionnelles et du poids global de l'aéronef.
Un exemple est le modèle à 21 % d'échelle d'un Cirrus SR22T développé par le Département de génie aérospatial de l'Université de l'Illinois, qui est modifié pour un contrôle basé sur la propulsion via 8 ventilateurs carénés [3].
Figure 6 : L'aéronef RC Cirrus SR22T contrôlé par propulsion électrique distribuée de l'Université de l'Illinois
Taux de dilution
Dans la propulsion aérienne, des taux de dilution élevés sont souhaitables car ils offrent une meilleure efficacité propulsive et moins de bruit. Dans un moteur à turbine à gaz standard, le taux de dilution est une mesure de la masse d'air dans le flux de dérivation par rapport à la masse d'air entrant dans le cœur du moteur.
Nous pouvons également considérer le « taux de dilution effectif » [1] lorsque nous discutons de certains types de systèmes DEP, qui est une mesure de la masse d'air entrant dans la turbine et les propulseurs par rapport à la masse d'air entrant dans le cœur du moteur à turbine. Ce principe est présent dans le concept d'aéronef à propulsion distribuée turboélectrique (TeDP) N3-X de la NASA [4], où des turbogénérateurs montés sur les extrémités des ailes alimentent des moteurs connectés à des soufflantes montées sur le corps de l'aéronef (figure 6). Le concept a un taux de dilution effectif de l'ordre de 29-36:1 [5] avec une réduction estimée de la consommation de carburant de 70 % [6].
Figure 7 : Concept de propulsion distribuée turboélectrique (TeDP) N3X de la NASA
Les avantages pratiques des améliorations ci-dessus comprennent :
Coût d'exploitation réduit
Deux facteurs principaux contribuent au potentiel de réduction des coûts d'exploitation :
- Coûts de carburant réduits : les avantages propulsifs et aérodynamiques décrits dans les paragraphes précédents contribuent à une efficacité globale accrue du système, conduisant à une réduction de la consommation de carburant et à des émissions plus faibles.
- Coûts de fabrication et de réparation réduits : la fabrication de plusieurs composants plus petits, tels que des petits moteurs électriques et des hélices, peut être moins coûteuse que la fabrication d'un nombre restreint de grosses unités produisant une quantité égale de puissance et de poussée. De même, ces composants sont moins coûteux à remplacer en cas de défaillance.
Bruit réduit
En général, les systèmes de propulsion électrique produisent moins de bruit que les systèmes équivalents à essence, comme cela a été démontré par de multiples études. Une étude menée par l'Université de Waterloo a noté une réduction de 30 dB du bruit des avions d'entraînement alimentés par des moteurs électriques par rapport à leurs équivalents traditionnels à essence [7].
Couplé à la réduction du bruit offerte par le taux de dilution élevé du système, les aéronefs propulsés par DEP devraient produire beaucoup moins de bruit que d'autres types d'aéronefs aux performances similaires.
Performance améliorée au décollage et à l'atterrissage
Les effets de couplage aéro-propulsif décrits ci-dessus peuvent produire un effet de portance soufflée, résultant en un coefficient de portance effectif relativement plus élevé, surtout à basse vitesse. Cette portance accrue à basse vitesse peut réduire considérablement les distances de décollage et d'atterrissage de l'aéronef, offrant l'équivalent d'une performance de décollage et d'atterrissage courts (STOL) [8].
En prime, la manœuvrabilité à basse vitesse est également améliorée.
Redondance et sécurité accrues
Les systèmes DEP intègrent une redondance à plusieurs niveaux, ce qui améliore la sécurité globale de l'aéronef. Comme mentionné, les propulseurs DEP peuvent être utilisés pour manœuvrer l'aéronef, offrant une couche de redondance qui peut être utile si l'une des surfaces de contrôle de l'aéronef est endommagée.
De plus, le grand nombre de propulseurs signifie qu'aucune unité individuelle ne joue un rôle unique dans le maintien de l'aéronef en vol. Dans un système avec 8 ou 16 propulseurs, perdre la puissance d'un seul ou même de quelques-uns ne serait pas critique pour la mission. Par exemple, le N3X de la NASA dispose de 16 propulseurs, le Goldfinch EL-2 d'Electra en a 8, et le Midnight d'Archer est équipé de 12, assurant une opération continue même en cas de défaillance partielle.
4. Défis liés à la propulsion électrique distribuée
Bien qu'elle offre de nombreux avantages potentiels, la propulsion électrique distribuée s'accompagne également de son lot de défis :
Intégration et complexité
L'utilisation de la propulsion électrique ou hybride introduit une complexité supplémentaire et des défis d'intégration.
Par exemple, la chaleur générée par les batteries et l'électronique stockées à bord doit être gérée, et les systèmes de refroidissement ajoutent à la fois du poids et de la complexité à l'aéronef.
La distribution sécurisée de l'énergie électrique haute tension est également un défi à relever, en tenant compte de l'isolation, des interférences électromagnétiques (IEM) et du poids combiné de tous les composants.
Refonte des pièces standard
Bien que les conceptions DEP offrent certaines efficacités, certains changements de conception sont nécessaires pour les atteindre.
Par exemple, afin de tirer parti de l'ingestion de la couche limite, des ventilateurs/hélices plus robustes doivent être conçus et fabriqués pour supporter l'air turbulent de la couche limite.
De même, bien que les effets améliorant les performances tels que la portance induite par soufflage permettent de réduire la taille des surfaces de contrôle, il convient également de prendre en compte les redondances nécessaires pour garantir la sécurité en cas de défaillance de composants du système DEP.
Ces considérations offrent un contrepoids physique et financier aux exigences opérationnelles réduites évoquées dans la section précédente.
Évolutivité et besoins en puissance
Comme pour d'autres concepts d'avions électriques, l'évolutivité devient un problème car les alimentations électriques sont encore loin d'égaler les carburants traditionnels en termes de densité énergétique. Même les batteries à la densité énergétique la plus élevée [9] n'atteignent qu'une fraction (7 %) de la densité énergétique du carburéacteur.
Les systèmes hybrides, tels que les concepts TeDP abordés ci-dessus, pourraient aider à combler ce fossé, mais ces systèmes présentent des défis complexes et supplémentaires (sans parler du fait qu'ils brûlent eux-mêmes du carburant). De même, les systèmes cryogéniques peuvent fournir des puissances de sortie plus élevées, mais ils sont lourds et globalement moins efficaces par kilogramme.
Bien que le vol propulsé par DEP puisse être possible à plus petite échelle, tant en termes de taille d'avion que de longueur de trajet, les vols longue distance avec des avions de taille commerciale restent irréalisables.
5. Avions à propulsion électrique distribuée notables
Vous trouverez ci-dessous une liste de concepts d'avions à propulsion électrique distribuée ayant atteint un stade de développement assez avancé, ayant réussi à faire voler un avion à taille réelle ou un modèle réduit.
Electra EL-2 Goldfinch
L'EL-2 Goldfinch d'Electra est un démonstrateur eSTOL (décollage et atterrissage courts électriques) qui utilise une propulsion électrique distribuée et un système de propulsion hybride-électrique. L'avion dispose de huit moteurs électriques et d'une architecture à portance soufflée pour augmenter la portance des ailes et permettre des performances STOL. Le 20 novembre 2023, l'EL-2 Goldfinch a effectué son premier vol avec équipage, avec le pilote Cody Allee aux commandes.
Figure 8 : L'EL-2 Goldfinch lors d'un vol d'essai le 20 novembre 2023 (Source)
Airbus Eco-pulse
L'EcoPulse est un démonstrateur turbo-électrique hybride développé par Airbus, Daher et Safran. L'avion est équipé de six propulseurs électriques montés sur les ailes, alimentés par un turbogénérateur Safran et construit sur une cellule de Daher TBM 900 modifiée. L'EcoPulse a effectué son premier vol avec succès le 29 novembre 2023 à Tarbes, en France. Après 50 vols d'essai et 100 heures de vol, le projet a pris fin en décembre 2024, les conclusions clés étant attendues pour influencer les futurs développements du DEP.
Figure 9 : Présentation de l'Airbus EcoPulse au salon du Bourget 2019 (Source)
Wisk 6th Generation Air Taxi
Wisk Aero, une filiale de Boeing, a fait de la génération 6 un eVTOL doté d'un système DEP avec 12 hélices pour une portance verticale et un vol vers l'avant efficaces. Conçu pour une opération autonome avec une capacité de quatre passagers, il vise à améliorer la mobilité urbaine avec un minimum de bruit. L'avion a effectué de multiples essais en vol, progressant vers la certification réglementaire et le déploiement commercial.
Figure 10 : Wisk se préparant à commencer les essais en vol (Source)
Joby Aviation's S4
Toyota, un investisseur clé dans Joby, a utilisé son expertise en fabrication automobile pour soutenir le développement du S4, un eVTOL doté d'un système DEP avec six propulseurs basculants. En octobre 2023, Joby a commencé des vols d'essai pilotés, avec quatre pilotes effectuant des évaluations, notamment le vol stationnaire et les transitions vers le vol vers l'avant. Plus récemment, Joby a commencé la construction de son premier vertiport à l'aéroport international de Dubaï, avec des plans pour lancer des services de taxi aérien d'ici fin 2025.
Figure 11 : S4 exposé au World Governments Summit, Dubaï (source)
Archer's Midnight
Le Midnight est un avion eVTOL développé par Archer Aviation, doté d'un système DEP avec 12 hélices : six fixes pour la portance verticale et six basculantes pour la transition vers le vol vers l'avant. Cette conception améliore la sécurité grâce à la redondance tout en assurant un fonctionnement silencieux, générant seulement 45 décibels en croisière. Archer a effectué plus de 400 vols d'essai alors qu'il progresse vers la certification de la FAA, ciblant des opérations commerciales d'ici 2025.
Figure 12 : Le Midnight d'Archer effectuant son vol de transition (source)
Vertical Aerospace's Valo
Le Valo est le successeur de production du prototype VX4, doté d'un système DEP à huit hélices. S'appuyant sur les essais en vol du VX4, le Valo intègre une conception plus aérodynamique, un meilleur placement de la batterie et des ailes repensées basées sur les données d'essai et les retours des compagnies aériennes. L'avion peut transporter quatre passagers avec une autonomie allant jusqu'à 100 miles. Vertical vise la certification en 2028 avec environ 1 500 précommandes de grandes compagnies aériennes telles qu'American Airlines et Japan Airlines.
Figure 13 : Le nouvel avion eVTOL commercial de Vertical Aerospace, le Valo (source)
BETA Technologies Alia eVTOL
L'Alia A250 est un avion eVTOL pour cinq passagers avec une variante à décollage conventionnel connue sous le nom de CX300. Il a une vitesse maximale de 153 nœuds et une portée conçue de 250 milles marins. Helijet International, basée à Vancouver, a commandé quatre unités avec des options pour quatre autres. L'A250 devrait recevoir la certification de type de la FAA en 2026.
Figure 14 : Avion eVTOL Alia A250 de Beta Technologies (source)
S'il existe un autre concept DEP que vous pensez que nous devrions inclure dans cette liste, faites-le nous savoir dans les commentaires.
6. Comment tester un système de propulsion électrique distribuée
Avec la complexité des systèmes de propulsion électrique distribuée, les tests font partie intégrante d'un développement sûr. Mais comment tester un système DEP ?
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Références
[1] H. Kim, A. Perry, P. Ansell, "A Review of Distributed Electric Propulsion Concepts for Air Vehicle Technology", 2018 AIAA Propulsion and Energy Forum. https://www1.grc.nasa.gov/wp-content/uploads/2018EATS-Review-of-DEP-Hyun-D.-6.2018-4998.pdf
[2] NASA Glenn Research Center, "Boundary Layer Ingestion Propulsion". Consulté le 10 juillet 2024. https://www1.grc.nasa.gov/aeronautics/bli/
[3] K. Pieper, A. Perry, P. Ansell and T. Bretl, "Design and Development of a Dynamically, Scaled Distributed Electric Propulsion Aircraft Testbed," 2018 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS), Cincinnati, OH, USA, 2018, pp. 1-2. https://ieeexplore.ieee.org/document/8552755
[4] Miranda, L. R., and Brennan, J. E., “Aerodynamic Effects of Wingtip-Mounted Propellers and Turbines,” AIAA Paper 86-1802, June 1986. https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.1986-1802
[5] NASA Glenn Research Center, "N3X". Consulté le 10 juillet 2024. https://www1.grc.nasa.gov/aeronautics/eap/airplane-concepts/n3x/
[6] "NASA N3-X with Turboelectric Distributed Propulsion", Fundamental Aeronautics Program Fixed Wing Project. James L. Felder. NASA Glenn Research Center Cleveland, Ohio. Consulté le 10 juillet 2024. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20150002081/downloads/20150002081.pdf
[7] Noisy neighbours: Do electric aircraft reduce airport noise pollution? par Paul Parker et Gabriel Song. Janvier 2024. https://uwaterloo.ca/sustainable-aeronautics/blog/noisy-neighbours-do-electric-aircraft-reduce-airport-noise
[8] Qin, Jiachen and Zhou, Zhou and Yang, Guowei and Shao, Zhuang and Zong, Jia, "Aero-Propulsive Coupling Modeling and Dynamic Stability Analysis of Distributed Electric Propulsion Tandem-Wing Uav with Rapid Ascent Capability", Avril 2024. https://ssrn.com/abstract=4783514
[9] Quan Li et al 2023 Chinese Phys. Lett. 40 048201 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/40/4/048201