Cette illustration montre les modèles de transmission a) parallèle et b) série. Crédit :Département d'ingénierie aérospatiale de l'Université de l'Illinois.
Bien que les voitures hybrides-électriques deviennent monnaie courante, une technologie similaire appliquée aux avions présente des défis très différents. Les ingénieurs en aérospatiale de l'Université de l'Illinois s'adressent à certains d'entre eux pour développer une alternative plus durable aux combustibles fossiles pour propulser les avions.
« Le carburéacteur et l'essence d'aviation sont faciles à stocker dans un avion. Ils sont compacts et légers par rapport à la quantité d'énergie qu'ils fournissent. Malheureusement, le processus de combustion proprement dit est très inefficace. Nous n'exploitons qu'une petite fraction de cette énergie, mais nous n'avons actuellement pas de systèmes de stockage électrique qui peuvent rivaliser avec cela, " a déclaré Phillip Ansell, professeur adjoint au Département d'ingénierie aérospatiale du Collège d'ingénierie de l'Université de l'Illinois.
Ansell a déclaré qu'ajouter plus de batteries pour voler plus loin peut sembler logique, mais cela va à l'encontre de l'objectif de rendre un avion aussi léger que possible. "C'est l'un des grands obstacles que nous rencontrons lors de la conception d'avions électrifiés alimentés par batterie. La technologie actuelle présente des inconvénients d'autonomie très importants. Mais de forts avantages en termes de consommation de carburant."
Il, avec un ancien étudiant de premier cycle en aérospatiale, Tyler Dean, et actuelle doctorante Gabrielle Wroblewski, a utilisé une série de simulations pour modéliser les performances des avions hybrides électriques.
« Nous avons commencé avec un avion bimoteur existant et avons examiné comment nous pourrions créer une transmission hybride-électrique pour lui en utilisant du matériel existant sur étagère, " Ansell a déclaré. "Nous voulions savoir à quel point il serait performant. Si j'utilisais un certain ensemble de composants de transmission, Je veux savoir jusqu'où l'avion pourrait voler, combien de carburant ça brûle, à quelle vitesse peut-il monter, toutes les performances de vol globales changent. »
Un simulateur de performances de vol a été créé pour représenter avec précision les performances de vol réelles d'un Tecnam P2006T lors d'une mission générale comprenant le décollage, monter, croisière, descente, et l'atterrissage, ainsi que des réserves suffisantes pour répondre aux réglementations de la FAA. Des segments de transition ont été intégrés à la simulation pendant la montée et la descente où le réglage des gaz, déploiement des volets, taux de rotation de l'hélice, et toutes les autres variables des commandes de vol étaient soit réglées pour imiter les entrées d'un pilote type, soit prescrites conformément au manuel de vol de l'avion.
Gabrielle Wroblewski, candidate au doctorat en génie aérospatial de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, avec le professeur adjoint Phillip Ansell. Crédit :Département de génie aérospatial de l'Université de l'Illinois
Après avoir configuré le simulateur pour collecter les données de performance de base, une transmission hybride parallèle a été intégrée à la simulation. Les chercheurs ont comparé la sensibilité de l'autonomie et de l'économie de carburant au niveau d'électrification, densité d'énergie spécifique à la batterie, et la densité de puissance du moteur électrique. Les mêmes sensibilités ont été étudiées avec une transmission hybride-électrique série.
Ansell a dit que, globalement, une transmission hybride-électrique peut conduire à des améliorations substantielles du rendement énergétique d'une configuration d'avion donnée, bien que ces gains dépendent fortement des variations couplées du degré d'électrification de la transmission et de la plage de mission requise. Ces deux facteurs influencent la répartition du poids des systèmes de batterie et de carburant, ainsi que la mise à l'échelle du poids imposée par les composants du moteur à combustion interne et du moteur électrique. En général, pour obtenir le meilleur rendement énergétique, une architecture hybride doit être utilisée avec autant d'électrification dans la transmission que cela est permis dans une exigence de plage donnée.
Les améliorations de l'efficacité énergétique se sont avérées particulièrement brillantes pour les missions à courte portée, ce qui est une bonne chose car les limitations de portée constituent l'un des principaux goulots d'étranglement dans la faisabilité des avions hybrides. Bien que, Grâce à cette étude, les changements dans les capacités de portée de l'avion ont également pu être prévus avec les progrès des technologies de composants hybrides. "Par exemple, " Ansell a dit, « le système de propulsion d'aujourd'hui pourrait être configuré pour que 25 % de sa puissance de propulsion provienne d'un moteur électrique. Cependant, il ne serait capable de voler qu'à environ 80 milles marins. Avance rapide vers les projections de technologies de batteries plus légères pour environ l'année 2030 et le même avion pourrait voler deux fois et demie à trois fois plus loin. L'augmentation de la portée est non linéaire, Ainsi, les améliorations les plus importantes peuvent être observées pour les améliorations les plus immédiates avec la densité d'énergie spécifique à la batterie, avec des rendements progressivement décroissants pour cette même augmentation proportionnelle de l'énergie spécifique."
"Un résultat intéressant et inattendu que nous avons observé, cependant, est né en comparant les architectures hybrides parallèle et série. Étant donné que l'architecture parallèle couple mécaniquement la puissance d'arbre du moteur et du moteur ensemble, une seule machine électrique est nécessaire. Pour l'architecture en série, un générateur est également nécessaire pour convertir la puissance du moteur en énergie électrique, avec un moteur plus gros que la configuration hybride parallèle pour entraîner le propulseur. De façon inattendue, cet aspect a rendu l'architecture parallèle plus avantageuse pour une meilleure autonomie et une consommation de carburant presque globale en raison de son poids plus léger. Cependant, nous avons observé que si des améliorations significatives sont apportées à la maturation des composants des moteurs électriques à très long terme, nous verrons peut-être un jour une meilleure efficacité des architectures hybrides en série, car ils permettent une plus grande flexibilité dans le placement et la distribution des propulseurs."
L'équipe a choisi de modéliser le Tecnam P2006T en utilisant une série de variables de performance trouvées dans des articles publiés par l'avionneur. Ils ont sélectionné cet avion en particulier, en partie, parce que la NASA a travaillé sur son avion X-57, qui a des hélices de pointe pour une portance élevée. "Cette étude était menée pour la NASA, et l'utilisation de cet avion a également permis à nos résultats d'être mieux applicables au véhicule concept X-57, " a déclaré Ansell. " En utilisant nos données, ils pourront avoir au moins une idée approximative de la façon dont le système hybride fonctionnera sans les autres modifications de propulsion distribuées."
Ansell a déclaré que l'électrification de la propulsion est encore très inconnue en termes de construction d'un véhicule, conçu, volé. "Notre étude aide à éclairer ces discussions. Nous n'avons examiné que les systèmes de stockage par batterie, bien qu'il y en ait beaucoup d'autres qui peuvent être mis en œuvre, chacun avec ses avantages et ses inconvénients. Cette étude nous a permis d'examiner quels types d'avancées doivent être réalisées dans la technologie motrice, dans la technologie des batteries, etc."
L'étude, "Analyse de mission et étude de sensibilité au niveau des composants des systèmes de propulsion hybrides-électriques de l'aviation générale, " a été dirigé par Tyler Dean, Gabrielle Wroblewski, et Phillip Ansell. Il apparaît dans le Journal des aéronefs .
