Plus rapide, plus silencieux, plus propre - Nouveau moteur d'avion

Il s'avère que pour changer beaucoup dans l'aviation, vous n'avez pas besoin de rechercher de nouvelles hélices, des conceptions futuristes ou des matériaux spatiaux. Il suffit d'utiliser une transmission mécanique relativement simple...

C'est l'une des innovations les plus importantes de ces dernières années. Les turbosoufflantes à engrenages (GTF) permettent au compresseur et au ventilateur de tourner à des vitesses différentes. L'engrenage d'entraînement du ventilateur tourne avec l'arbre du ventilateur mais sépare le moteur du ventilateur du compresseur basse pression et de la turbine. Le ventilateur tourne à une vitesse plus lente, tandis que le compresseur et la turbine basse pression fonctionnent à une vitesse plus élevée. Chaque module moteur peut fonctionner avec une efficacité optimale. Après 20 ans de R&D et des dépenses de R&D d'environ 1000 2016 milliards de dollars, la famille de turbosoufflantes Pratt & Whitney PurePower PWXNUMXG était opérationnelle il y a quelques années et a été massivement introduite dans les avions commerciaux depuis XNUMX.

Les moteurs à double flux modernes produisent une poussée de deux manières. Tout d'abord, les compresseurs et la chambre de combustion sont situés en son cœur. À l'avant se trouve un ventilateur qui, entraîné par le noyau, dirige l'air à travers les chambres de dérivation autour du noyau du moteur. Le taux de dérivation est le rapport entre la quantité d'air traversant le noyau et la quantité d'air le traversant. En général, un taux de dilution plus élevé signifie des moteurs plus silencieux, plus efficaces et plus puissants. Les turbosoufflantes conventionnelles ont un taux de contournement de 9 à 1. Les moteurs Pratt PurePower GTF ont un taux de contournement de 12 à 1.

Pour augmenter le taux de dérivation, les fabricants de moteurs doivent augmenter la longueur des pales du ventilateur. Cependant, lorsqu'il est allongé, les vitesses de rotation obtenues à l'extrémité de la lame seront si élevées que des vibrations indésirables se produiront. Vous avez besoin de pales de ventilateur pour ralentir, et c'est à cela que sert la boîte de vitesses. Un tel moteur peut atteindre 16 %, selon Pratt & Whitney. grande économie de carburant et 50 pour cent. moins d'émissions d'échappement et est de 75 pour cent. silencieux. Récemment, SWISS et Air Baltic ont annoncé que leurs moteurs à réaction GTF de la série C consomment encore moins de carburant que ne le promet le constructeur.

Moteur PW1100G-JM sur une ligne de production

Le magazine TIME a désigné le moteur PW1000G comme l'une des 50 inventions les plus importantes de 2011 et l'une des six inventions les plus respectueuses de l'environnement, car Pratt & Whitney PurePower est conçu pour être plus propre, plus silencieux, plus puissant et utiliser moins de carburant que les moteurs à réaction existants. En 2016, Richard Anderson, alors président de Delta Air Lines, a qualifié le moteur de "première véritable innovation" depuis que le Dreamliner de Boeing a révolutionné la construction composite.

Économies et réduction des émissions

Le secteur de l'aviation commerciale émet plus de 700 millions de tonnes de dioxyde de carbone par an. Bien qu'il ne soit que d'environ 2 pour cent. émissions mondiales de dioxyde de carbone, il est prouvé que les gaz à effet de serre contenus dans le carburéacteur ont un impact plus important sur l'atmosphère car ils sont libérés à des altitudes plus élevées.

Les principaux fabricants de moteurs cherchent à économiser du carburant et à réduire les émissions. Le concurrent de Pratt, CFM International, a récemment présenté son propre moteur avancé appelé LEAP, qui, selon les responsables de la société, fournit des résultats similaires à un turboréacteur à engrenages au détriment d'autres solutions. CFM affirme que dans une architecture de turbosoufflante traditionnelle, les mêmes avantages peuvent être obtenus sans le poids et la traînée supplémentaires du groupe motopropulseur. LEAP utilise des matériaux composites légers et des pales de ventilateur en fibre de carbone pour obtenir des améliorations en matière d'efficacité énergétique qui, selon la société, sont comparables à celles obtenues avec le moteur Pratt & Whitney.

A ce jour, les commandes de moteurs Airbus pour l'A320neo sont à peu près équitablement réparties entre CFM et Pratt & Whitney. Malheureusement pour cette dernière société, les moteurs PurePower causent des problèmes aux utilisateurs. Le premier est apparu cette année, lorsqu'un refroidissement irrégulier des moteurs GTF de l'Airbus A320neo de Qatar Airways a été enregistré. Un refroidissement inégal peut entraîner une déformation et un frottement des pièces, et en même temps augmenter le temps entre les vols. En conséquence, la compagnie aérienne a conclu que les moteurs ne répondaient pas aux exigences opérationnelles. Peu de temps après, les autorités aéronautiques indiennes ont suspendu les vols de 11 Airbus A320neo propulsés par des moteurs PurePower GTF. Selon l'Economic Times, la décision est intervenue après que les avions équipés d'Airbus GTF ont subi trois pannes de moteur en deux semaines. Pratt & Whitney minimise ces difficultés, affirmant qu'elles sont faciles à surmonter.

Ventilateur électronique Airbus

Un autre géant dans le domaine des moteurs d'avions, Rolls-Royce, développe sa propre Power Gearbox, qui d'ici 2025 réduira de 25% la consommation de carburant des gros turbosoufflantes. par rapport aux anciens modèles de la célèbre gamme de moteurs Trent. Cela signifie bien sûr un nouveau concours de design Pratt & Whitney.

Les Britanniques réfléchissent également à d'autres types d'innovation. Lors du récent salon aéronautique de Singapour, Rolls-Royce a lancé l'initiative IntelligentEngine, qui vise à développer des moteurs d'avions intelligents plus sûrs et plus efficaces grâce à la capacité de communiquer entre eux et via un réseau de support. En fournissant une communication bidirectionnelle continue avec le moteur et d'autres parties de l'écosystème de services, le moteur sera en mesure de résoudre les problèmes avant qu'ils ne surviennent et d'apprendre comment améliorer les performances. Ils apprendraient également de l'histoire de leur travail et d'autres moteurs, et dans l'ensemble, ils devraient même se réparer eux-mêmes en déplacement.

Le lecteur a besoin de meilleures batteries

La vision de l'aviation de la Commission européenne pour 2050 appelle à une réduction des émissions de CO.₂ de 75 %, les oxydes d'azote de 90 %. et le bruit de 65 %. Ils ne peuvent pas être atteints avec les technologies existantes. Les systèmes de propulsion électrique et hybride-électrique sont actuellement considérés comme l'une des technologies les plus prometteuses pour relever ces défis.

Il existe sur le marché des avions légers électriques biplaces. Les véhicules hybrides électriques à quatre places sont à l'horizon. La NASA prévoit qu'au début des années 20, ce type d'avions de ligne court-courriers à neuf places ramènera les services d'aviation dans les petites communautés. Tant en Europe qu'aux États-Unis, les scientifiques pensent que d'ici 2030, il est possible de construire un avion hybride-électrique d'une capacité allant jusqu'à 100 sièges. Cependant, des progrès significatifs seront nécessaires dans le domaine du stockage de l'énergie.

Actuellement, la densité énergétique des batteries n'est tout simplement pas suffisante. Cependant, tout cela pourrait changer. Le patron de Tesla, Elon Musk, a déclaré qu'une fois que les batteries seront capables de produire 400 wattheures par kilogramme et que le rapport entre la puissance des cellules et le poids total sera de 0,7 à 0,8, l'avion de ligne transcontinental électrique deviendra une "alternative difficile". Considérant que les batteries lithium-ion ont pu atteindre une densité d'énergie de 113 Wh/kg en 1994, 202 Wh/kg en 2004, et sont maintenant capables d'atteindre environ 300 Wh/kg, on peut supposer qu'au cours de la prochaine décennie, elles atteindra le niveau 400 Wh/kg.

Projet de taxi aérien biplace électrique Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce et Siemens se sont récemment associés pour développer le démonstrateur volant E-Fan X, qui constituera une avancée significative dans la propulsion hybride-électrique des avions commerciaux. La démonstration de la technologie électrique hybride E-Fan X devrait être -Fan X volera en 2020 après une vaste campagne d'essais au sol. Dans une première phase, le BAe 146 remplacera l'un des quatre moteurs par un moteur électrique de XNUMX mégawatts. Par la suite, il est prévu de remplacer la deuxième turbine par un moteur électrique après avoir démontré la maturité du système.

Airbus sera responsable de l'intégration globale ainsi que de l'architecture hybride de propulsion électrique et de contrôle des batteries et de son intégration avec les systèmes de contrôle de vol. Rolls-Royce sera responsable du moteur à turbine à gaz, du générateur de XNUMX mégawatts et de l'électronique de puissance. En collaboration avec Airbus, Rolls-Royce travaillera également à l'adaptation des ventilateurs à la nacelle et au moteur électrique Siemens existants. Siemens fournira des moteurs électriques de XNUMX MW et un contrôleur de puissance électronique, ainsi qu'un onduleur, un convertisseur et un système de distribution d'énergie.

De nombreux centres de recherche dans le monde travaillent sur les avions électriques, dont la NASA, qui construit le X-57 Maxwell. Le projet de taxi aérien biplace électrique Kitty Hawk et de nombreuses autres structures de grands centres, d'entreprises ou de petites start-up sont également en cours de développement.

Étant donné que la durée de vie moyenne des avions passagers et cargo est respectivement d'environ 21 et 33 ans, même si tous les nouveaux avions produits demain sont entièrement électriques, il faudrait deux à trois décennies pour éliminer progressivement les avions à propulsion fossile.

Cela ne fonctionnera donc pas rapidement. Pendant ce temps, les biocarburants peuvent alléger l'environnement dans le secteur de l'aviation. Ils contribuent à la réduction des émissions de dioxyde de carbone de 36 à 85 %. Bien que les mélanges de biocarburants pour moteurs à réaction aient été certifiés en 2009, l'industrie aéronautique n'est pas pressée de mettre en œuvre des changements. Il y a peu d'obstacles et de défis technologiques associés à la production de biocarburants à des niveaux industriels, mais le principal facteur de dissuasion est le prix - il faut encore dix ans pour atteindre la parité avec les carburants fossiles.

Entrez dans le futur

Parallèlement, les labos travaillent sur des concepts de moteurs d'avion un peu plus futuristes. Jusqu'à présent, par exemple, un moteur à plasma ne semble pas très réaliste, mais il ne peut être exclu que les travaux scientifiques se transforment en quelque chose d'intéressant et d'utile. Les propulseurs à plasma utilisent l'électricité pour créer des champs électromagnétiques. Ils compriment et excitent un gaz, tel que l'air ou l'argon, en un plasma, un état chaud, dense et ionisé. Leurs recherches débouchent maintenant sur l'idée de lancer des satellites dans l'espace extra-atmosphérique (propulseurs ioniques). Cependant, Berkant Goeksel de l'Université technique de Berlin et son équipe veulent mettre des propulseurs à plasma sur les avions.

L'objectif de la recherche est de développer un moteur plasma à jet d'air qui pourrait être utilisé à la fois pour le décollage et les vols à haute altitude. Les moteurs à réaction à plasma sont généralement conçus pour fonctionner dans une atmosphère sous vide ou à basse pression lorsqu'une alimentation en gaz est requise. Cependant, l'équipe de Göksel a testé un appareil capable de fonctionner dans l'air à une pression d'une atmosphère. "Nos buses à plasma peuvent atteindre des vitesses allant jusqu'à 20 kilomètres par seconde", déclare Göckel dans la série de conférences Journal of Physics.

Moteur SABRE dans le véhicule hypersonique du futur

Pour commencer, l'équipe a testé des propulseurs miniatures de 80 millimètres de long. Pour un petit avion, ce sera jusqu'à un millier de ce que l'équipe considère comme possible. La plus grande limitation, bien sûr, est le manque de batteries légères. Les scientifiques envisagent également des avions hybrides, dans lesquels le moteur à plasma sera combiné avec des moteurs à combustion interne ou des fusées.

Quand on parle de concepts de moteurs à réaction innovants, n'oublions pas le SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) développé par Reaction Engines Limited. On suppose qu'il s'agira d'un moteur fonctionnant à la fois dans l'atmosphère et dans le vide, fonctionnant à l'hydrogène liquide. Au stade initial du vol, le comburant sera de l'air de l'atmosphère (comme dans les moteurs à réaction conventionnels) et d'une hauteur de 26 km (où le navire atteint une vitesse de 5 millions d'années) - de l'oxygène liquide. Après être passé en mode fusée, il atteindra des vitesses allant jusqu'à Mach 25.

HorizonX, la branche d'investissement de Boeing impliquée dans le projet, n'a pas encore décidé comment SABRE pourrait l'utiliser, sauf qu'elle s'attend à "utiliser une technologie révolutionnaire pour aider Boeing dans sa quête du vol supersonique".

RAMJET et scramjet (moteur à réaction supersonique à chambre de combustion) sont depuis longtemps sur les lèvres des amateurs d'aviation à grande vitesse. Actuellement, ils sont développés principalement à des fins militaires. Cependant, comme l'enseigne l'histoire de l'aviation, ce qui sera testé dans l'armée ira à l'aviation civile. Tout ce qu'il faut, c'est un peu de patience.

Vidéo du moteur intelligent Rolls Royce :

Rolls Royce | Innovation dans le moteur intelligent