Le 15 octobre 2006, un salon de l'aviation verte a ouvert ses portes sur l'aérodrome d'aix en provence. c'est la première fois que la direction de l'aviation civile s'investit dans ce type de manifestation. Au programme de ce week end intéressant, une exposition de matériels volants divers, des visiteurs, du soleil, et un certain nombre de conférences, sur des thèmes variés. Je vous présente le texte de l'intervention que j'ai effectuée sur le thème des énergies futures que l'aviation pourra utiliser. Texte ci dessous.
Texte de la conférence : « Un avenir pour l’aviation générale? Energies et environnement. »
Salon de l’aviation verte ; 15 octobre2006
1. Analyse
rapide du contexte énergétique actuel. Scénarios pour le remplacement du pétrole.
L’épuisement programmé des
ressources pétrolières, lié à une croissance galopante, et à l’augmentation de
la consommation dans les pays asiatiques, annonce une évolution incontournable
de notre civilisation. Il ne sera pas possible en trente minute de rentrer dans
les détails de ces perspectives, mais une chose est certaine, les activités de
loisirs, coûteuses en énergie, seront les premières à être sacrifiées, et si
nous voulons pouvoir continuer à voler dans dix ou vingt ans il faut
s’intéresser dès maintenant aux solutions de remplacement
Selon les évaluations actuelles,
les réserves peuvent durer de trente à cinquante ans,
( peak de production en 2005)
mais bien avant ces dates, le
pétrole sera devenu tellement cher qu’il deviendra impossible de voler avec des
machines classiques dépassant une certaine puissance
Toutes sortes de scénarios sont
déjà envisagés, incluant des guerres élargies pour s’approprier les ressources,
ce qui entrainerait une situation internationale ou le sort de l’aviation
légère deviendrait assez secondaire.
Mais, faisons preuve d’optimisme,
et imaginons que l’on effectue une transition progressive, bien gérée, et que
l’on mette au point d’autres sources d’énergie.
On peut envisager un certain
nombre de pistes, qui permettraient de conserver un petit espoir de voler
encore pour le plaisir, et surtout sans aggraver la situation de
l’environnement.
L’aviation légère n’aura pas les
mêmes problèmes que les appareils commerciaux.
Quand on sait qu’un A380 ou un 747 consomment environ 15 tonnes de carburant à l’heure, ( 17OOO
litres) on sait déjà qu’ils devront un jour rester au sol définitivement.
L’industrie a déjà orienté ses
recherches vers des solutions de substitution, mais le problème n’est pas
mince.
La situation n’est pas encourageante, mais on va se trouver dans un contexte un peu
désespéré, qui donnera à la recherche une importance cruciale, et
dans lequel les petites structures, voire les individus, pourront faire émerger
des nouveautés et premier des idées
exploitables. D’ou l’intérêt de ce premier salon .organisé sur le thème.
La plupart des innovations en
matière d’aviation légère, viendront de
l’automobile, dont la capacité de recherche est infiniment supérieure et les enjeux également cruciaux
Les frères Wright utilisaient déjà un moteur de voiture, donc, rien de nouveau sous le soleil, par
contre il est probable que c’est dans
le domaine de l’électricité que l’on
peut avoir le plus d’espoir.
2. Positionnement
de l’aviation générale en termes d’évolution. Mutations possibles sur les
aéronefs, et utilisation pratique.
Sauf à concevoir des systèmes volants
totalement inédits, initiés par un
nouveau professeur Tournesol, c’est surtout par l’évolution des systèmes de
propulsion et de gestion que viendra
l’innovation.
Il y a peu à espérer dans le développement des cellules.
Depuis les débuts de l’aviation, on a
construit les avions avec le souci du poids minimal et de la meilleure finesse.
Il sera donc difficile d’aller chercher des améliorations importantes de ce
côté là, d’autant que le prix des composites est indexé sur celui du pétrole.
Les hélices peuvent encore évoluer, d’autant que la multiplication des pales
visant la réduction sonore augmente le poids et diminue le rendement.
L’informatique et la simulation sont dans ce secteur devenus les outils
incontournables du concepteur.
Tous les avions
possèdent des moteurs thermiques, qui fonctionnent bien, et qu’il serait
difficile de remplacer du jour au lendemain. On peut raisonnablement penser que
l’évolution des technologies sur ces moteurs va freiner le prix de l’heure de vol pendant quelques années, . Par contre, les turbomachines de petite
puissance ont une consommation tellement prohibitive qu’ils risquent d’être évincés très rapidement.
Les minijets qui
apparaissent actuellement vont avoir beaucoup de mal à survivre en cas
de flambée des prix.
Le temps qui reste avant que les moteurs à piston soient
devenus prohibitif est difficile à évaluer précisément . Si
l’on imagine un prix doublé ou triplé, on sait déjà que le nombre des utilisateurs
chutera d’une façon spectaculaire. Il est probable que les utilisateurs de machines
ludiques, situées dans la plus bas de l’échelle de poids et de puissance, se
tourneront vers les ultra légers, les parapentes et les dérivés de cette classe
d’appareils.
Les propriétaires et pilotes aisés des plus grosses machines
conserveront aussi sans doute leur utilisation un peu plus longtemps. Mais
c’est dans la catégorie des machines moyennes que la disparition sera la plus
inéluctable. Elles sont souvent utilisées par des pilotes qui fournissent un
effort financier afin de voler sur des machines un peu plus prestigieuses,
.cela ne sera plus possible
L’échéance de dix ans correspondant aux courbes actuelles
d’augmentation des tarifs du carburant, ainsi qu’au temps de développement de
nouveaux concepts , est une première estimation.
Passé cette période, les appareils électriques pourraient apparaître, surtout si l’on
commence à les envisager dès maintenant.
3. Les évolutions à court et moyen
terme :
Optimisation des moteur thermiques et
bio- carburants
C’est d’abord
par les carburants qu’on trouvera un
élément modérateur, pour peu que les compagnies pétrolières jouent le jeu. Il
est plus facile pour la rentabilité immédiate d’augmenter les prix chaque
semaine, que d’investir dans la recherche, pour contrer la rareté !
Les diesters d’huiles végétales, l’éthanol de cane ou de
betterave, fonctionnent parfaitement, et depuis longtemps. La majorité des voitures les utilisent au
Brésil, ainsi qu’un avion agricole. Bien que n’étant pas adaptés aux critères
de l’aviation commerciale, ces produits constituent un appoint important pour
les carburants pétroliers, amené à se développer.
On envisage des kérosènes de synthèse, qui seraient des
mélanges de différents produits, ajoutés à une base de pétrole. La production
d’un kérosène utilisant la biomasse végétale est la piste la plus pragmatique, en raison de l’abondance de la matière première et de sa
faible exploitation actuelle.
Ces carburants seraient aussi utilisables sur des moteurs diesel à
pistons.
Les recettes et
dosages s’affinent, et la volonté politique semble être là, d’autant que c’est
un créneau porteur en période de
campagne présidentielle !
Le système est
viable, même si l’on sait que les surfaces agricoles ne seront pas suffisantes
pour produire assez de matière première.
De plus, une culture
intensive augmenterait la pollution de l’air par les engrais qui dégagent de
l’azote. Donc, les bio carburants ne feront pas tout le travail de
remplacement. Ils sont pourtant utiles, surtout si l’on utilise les moteurs diesel avec des filtres
à particules, qui ont encore un certain potentiel de développement,
Une autre piste pour ces moteurs, est l’utilisation du gaz
comme carburant. Sans aller jusqu’au gazogène des années folles, on a déjà vu des avions très classiques fonctionner
au butagaz ! C’est authentique, et
si à l’époque, l’idée semblait un brin déraisonnable, on l’envisage très
différemment aujourd’hui.
L'avion qui a volé au gaz de propulsion (butane) est un CP1320 saphir en
1982. l'avionneur est ( ou était ) Jean-Claude Lascoutounas
Référence : Avions PIEL de Xavier Massé
DENIS Jean-Christophe
On avait aussi tenté
l’expérience aux USA en 1955. , dans la
mouvance des essais spatiaux, et
des essais d’avions fusée . On utilisait de l’hydrogène sur des turbo réacteurs.
( J57 Shamrock
montés sur un B57. Lewis propulsion laboratory. NACA)
Airbus a repris l’idée avec le
Cryoplane qui a fourni des données pour un possible avion de ligne à
hydrogène Le budget de 15 millions
d’Euros investis dans cette étude montre l’importance de l’enjeu.
Nul doute que des moteurs à piston convenablement convertis
pourraient également fonctionner avec cette énergie.
Le problème de ce gaz est qu’il n’est pas une source
d’énergie, mais seulement un moyen de la transporter. L’hydrogène n’existe pas
à l’état naturel en quantité suffisante, et doit donc être synthétisé, ce qui
est coûteux et dangereux, si l’on parle de production industrielle.. Quand à
son stockage à bord de l’avion , le poids des réservoirs difficile à concevoir.
Une fois envisagés
les carburants, on peut encore
travailler à améliorer sur les moteurs, et réaliser de meilleures performances
de consommation avec la gestion
informatisée ( Fadec), réduction des frottements, évolution des matériaux, turbos évolutifs, distributions variables, et aussi un système qui était
tombé en désuétude mais qui pourrait revivre : le moteur compound qui
utilise une petite turbine sur l ‘échappement, utilisée pour ajouter de la puissance, par l’intermédiaire d’un
coupleur. Les plus gros de ces moteurs équipaient les avions Constellations et DC7, avant l’arrivée des turbo réacteurs civils.
Bien sur, ces évolutions auront un coût, et on peut craindre que la complexité
de ces groupes propulseurs ne nuise à leur fiabilité, et ne favorise pas les
petites machines.
Une simulation des coû,ts en envisageant une réduction de la
consommation des moteurs actuels, et le doublement du prix du pétrole, donne
des heures de vol à des prix qui deviendraient vite dissuasifs
La propulsion électrique.
Même si le
moteur thermique peut continuer à être utilisé pendant une longue période, il
est évident que des solutions totalement nouvelles pour son remplacement sont à
concevoir.
Le moteur
électrique présente beaucoup d’avantages : fiable, silencieux, non polluant, on aurait ici un système de
rêve, si on pouvait lui fournir du courant. Les moteurs « brushless » utilisés en modélisme, ont grossi, et équipent maintenant les
voitures hybrides. L’écueil du poids qu peut être prohibitif sur les moteurs de
grande puissance, est moins important pour les puissances réduites. On
envisage de remplacer les bobinages en
cuivre, très lourds, par de l’aluminium supra conducteur.
Ce n’est donc pas la
technologie des moteurs qui est encore un écueil, mais bien leur alimentation
en électricité qui doit progresser.
A moins de faire du vol circulaire avec une
grande rallonge, l’avion doit emporter son électricité avec lui. Pour cela ,
des solutions existent : batteries, capteurs solaires, et pile à
combustible.
Les batteries
La manière la plus
éprouvée de transporter une certaine quantité de puissance électrique est la
batterie d’accumulateurs. On peut recharger l’ensemble au sol, avant un vol, ou
pendant celui ci, avec un alternateur, ou des capteurs solaires. En raison des
problèmes liés au poids, une utilisation avec batteries seules, rechargées au
sol, serait concevable.
La batterie est un système éprouvé et performant, qui
comporte deux points faibles, son poids et son autonomie. Il est très possible
de faire décoller un motoplaneur équipé
de batteries, mais le problème reste
celui de la durée de fonctionnement.
Même avec les batteries les plus performantes, on ne peut pas envisager un quadriplace
qui puisse décoller et se maintenir en l’air plus de quelques instants. Ces
solutions sont seulement possibles pour
des avions très légers.
Un appareil comme la
Souricette, se maintient en vol avec un
moteur de 25 chevaux. Dont la puissance totale n’est utilisée qu’au décollage.
Il est raisonnable de penser que des appareils de la même catégorie puissent
décoller et se maintenir en l’air grâce à des batteries et un moteur électrique
Les recherches actuelles en matière de batteries se sont
orientées vers des systèmes utilisant le Lithium métal, et les polymères ;
on atteint de puissances intéressantes, et surtout une meilleure gestion du cycle charge-décharge.
Performances actuelles : 9Oamp/h . 2.8 KW en continu. 8KW en crête ( 30s) 31 volts ;
Vol: 25 litres poids 25 kg
Les capteurs solaires
Le système le plus
élégant serait celui d’un avion couvert de capteurs solaires fournissant gratuitement l’ énergie. Les prototypes d’avions solaires ont montré
que le concept est viable, mais seulement encore une fois, pour des
appareils légers, pourvus de très grandes surfaces alaires
Le défi suisse du tour du monde, qui réussira très
probablement, se fera avec un avion
monoplace, car si le poids augmente, la puissance électrique fournie n’est plus suffisante. L’intérêt du défi est
néanmoins de dynamiser la recherche,
qui conduira peut être à créer des cellules solaires d’une puissance beaucoup
plus importante.
Une peau mince
solide et souple pouvant produire du courant aurait énormément d’intérêt :
couverture de maisons, d’immeubles, d’usines, ou même de routes, dans
lesquelles le capteur solaire serait déroulé sous une fine couche de
résine translucide très dure.
D’immenses surfaces déjà disponibles seraient ainsi convertibles pour produire
de l’électricité. On pourrait réaliser des pistes d’aérodromes solaires pour
recharger les batteries de petits avions électriques. C’est une des pistes que l’on peut approfondir. La
mise au point d’un tel produit pouvant être utilisé de façon élargie serait un
très gros enjeu commercia.
La pile à combustible.
Un dispositif
permet de produire du courant à bord. C’est la pile à combustible, système efficace, éprouvé, datant de 1839.
Il est utilisé dans
les vaisseaux spatiaux et les sous marins depuis très longtemps, et représente la solution à long terme la plus
viable, pour propulser les véhicules légers.
Son intérêt est de fonctionner en émettant très peu de
nuisances en utilisant de l’hydrogène, qui peut être produit de multiples
façons., ses inconvénients sont actuellement le poids, le prix, et sa puissance limitée. Mais le plus gros écueil
est qu’actuellement, il n’existe pas
d’infrastructures industrielles produisant l’hydrogène en quantités suffisante
Fonctionnement. :
Il s’agit d’un
dispositif chimique, qui capte des électrons pendant la réaction entre
l’hydrogène et l’oxygène, en produisant de l’eau, et de la chaleur ; Il
existe plusieurs systèmes, mais le procédé reste le même. Chaque cellule
produisant une petite puissance électrique, il est nécessaire e coupler les
éléments afin d’augmenter celle ci. Le poids de l’ensemble est assez important.
Actuellement, les électrodes sont réalisées en platine, ce qui rend le procédé
coûteux. On expérimente plusieurs alternatives
( alliages
nickel-cobalt-cuivre développé par l’ESA.)) et la technologie progresse.
La pile la plus puissante actuelle produit entre 700 et
1000KW, et pèse 3200kg. Cela la rendrait apte à propulser des avions de taille moyenne.
La NASA étudie activement les possibilités du concept, dans
son programme RACP
(
revolutionnary aeropropulsion concepts
program). Elle travaille sur des avions
de la taille du boeing737, pour ces expérimentations.
Boeing propose des unités auxiliaires de puissance ( APU)
sous forme de pile à combustible, pour équiper en option le 787. Le problème
actuel est un temps de 40 minutes pour le démarrage.Boeing, encore à financé la
création d’un planeur à pile, équipé d’une pile anglaise «
intelligent energy » produisant 50KW.
Le projet américain de drone Hélios, était équipé d’une pile
de 235 kg, lui donnant une autonomie de 8 heures.
On voit donc que le procédé est viable pour les petits
avions, et suscite de nombreuses recherches. Actuellement , le prix est encore
prohibitif mais c’est surtout la production de l’hydrogène nécessaire qui sera
le point crucial.
Il faudrait une
réelle révolution énergétique vers un carburant hydrogène produit et utilisé de
façon globale.
3. Techniques hybrides
Un certain nombre de « métissages » de diverse
technologies et de concepts , tant pour les propulseurs que les aéronefs eux
mêmes , sont faciles à imaginer. De leur réalisation effective dépendra
effectivementr en grande partie la survie de l’aviation légère. C’est ici que
l’a stimulation des idées, et leur réalisation pratique prend toute son
importance.
- Développement d’aéronefs dérivés des planeurs ultra légers.
- Relance des dirigeables ( à propulsion électrique, et capteurs solaires)
-
Couplage moteur thermique – moteur électrique- batteries.
(
exemple des montages utilisés sur les bateaux de plaisance)
- Développement pour le vol minimal de petits appareils monoplaces dérivés du
Deltaplane,
à décollage à pied, et pourvus de très
petits moteurs électriques
5 Un avenir aléatoire mais ouvert
Nécessité de lancer des
recherches à différents niveaux : recherche fondamentale, industrie, construction amateur, échange de
données.
Les
innovations viendront surtout pour la propulsion, de l’industrie automobile dont
la capacité
de recherche est sans commune mesure avec celle de l’aviation légère.
Un tremplin pour l’innovation.
La conclusion de
l’exposé portera sur l’idée de créer
une structure dédiée à ces
recherches,
dont le rôle serait d’aider l’innovation et la conception de projets
innovants
pour l’aviation
générale.
Cet
organisme, indépendant pourrait créer des synergies, et informer
les acteurs
du milieu
aéronautique, et être élargie à d’autres secteurs . Il pourrait proposer des
bases de
données, des moyens d’aide et de financement, relier les laboratoires de recherche, dans le
but de faire
évoluer le plus rapidement possible
l’utilisation de l’énergie dans l’aviation
générale, et éventuellement
à plus large échelle.
Les premiers thèmes d’étude et de recherche concrets
seraient absolument dédiés à l’aviation
dite légère. La limite entre aviation légère et aviation générale est
déterminée par la limite de poids des aéronefs, mais il est évident que la
recherche de solutions technologiques ne se cantonnera pas à l’une ou l’autre
des catégories. On peut donc citer, en conclusion :
- l’optimisation des moteurs thermiques, la recherche
intensive sur les carburants, la création de moteurs électriques, de batteries
adaptées, d’un film capteur solaire universel, et le suivi des progrès sur les
piles à combustible.
.
Ces quelques
cogitations sur l’énergie que l’on utilisera pour en créer s’adressent en premier lieu aux écoles d’ingénieurs, aux
universités, mais aussi à tous ceux qui, concernés par l’environnement aimeraient transmettre aux futures
génération la possibilité de continuer à voler, qui est à mon sens une des plus
belles réussites de l’intelligence humaine.
HG.
Bibliographie,
sources et citations.
. Les personnes
qui désirent se documenter sur le thème des énergies utilisables dans
l’aviation générale trouveront une
importante documentation en « surfant » sur internet. Le
problème de cette source de données reste cependant leur fiabilité. On se
retrouve vite avec des dizaines de pages qui présentent souvent un intérêt
réel, mais qui ne sont pas toujours absolument sérieuses. Une bonne méthode
pour effectuer une première sélection est de vérifier les sources des
informations ; C’est ce que vous êtes en train de faire si vous lisez
cette partie du texte.
Ensuite, le
lecteur doit garder un scepticisme prudent, et ne pas s’enflammer pour telle
idée ou telle autre, même si les solutions présentées semblent vraiment
intéressantes. La base du raisonnement
scientifique restant le doute, et l’expérimentation, on pourra utilement
chercher si les solutions techniques imaginées par l’auteur d’un article ont
déjà été commentées, et font l’objet
d’essais, ou de réalisation d’un prototype
- Analyse des carburants,
moteurs thermiques.
-Conférence
de Paul Kuentzmann. » le transport aérien face au défi énergétique 3.2.2005. Toulouse.
- Hydrogen aircraft technology C.D. Brewer CRC press
- Advanced engines development. Pratt et
Whitney. SAE international 2001 .
- Propulsion électrique
-
Batteries : site Batscap. (Groupe Bolloré)
- Fuel cell
works . com. Site très complet ( en anglais) sur
la
recherche actuelle et tous les liens sur le sujet.
- Aircraft design projects. L Jenkinson / J.Marshmann. Butterworth:Heinemen
Conception d’un Avions racer électrique;
- The design of the aeroplane Darrol Stinton Blackwell publishin
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