Le projet HELIOS est un projet interne à AMETRA, développé dans le cadre de la nouvelle cellule R&D Ametra Research.
L’objectif du projet est d’aboutir à un système de distribution 100% électrique pour les réseaux aéronautiques, ce qui inclut aussi la propulsion. Ces recherches s’inscrivent dans le contexte de l’avion plus électrique (More Electric Aircraft, MEA)
Table des matières
Cadre, contexte et challenges du projet Helios
Le but du MEA est, entre autres, le remplacement des réseaux de transmission de puissance hydraulique et pneumatique par de l’électrique. Pour cela il faut augmenter la transmission de puissance électrique et ainsi :
- augmenter le courant
- ou augmenter la tension;
Le problème est que si l’on augmente le courant, on augmente aussi le volume et le poids des câbles. Ainsi, pour augmenter la transmission de puissance sans modifier le courant, on doit augmenter la tension. Sur cette base, des tests par paliers et selon différents scenarii peuvent être réalisés, en se posant par exemple la question : “sur 540V en continu au niveau de la tension réseau, que se passe-t-il?”
L’un des points les plus impactants est le bouleversement au niveau de la tension du réseau. À l’heure actuelle, l’avion le plus avancé au sens du MEA est le Boeing 787, qui intègre du 270 V en courant continu en plus d’un réseau électrique conventionnel (115 V courant alternatif et 28 V courant continu). Les évolutions vont permettre de passer à 540 V continu, puis à 1000 V continu pour les gros porteurs.
La question de la tension implique aussi des problématiques de maintenance et de sécurité. Des arcs électriques apparaissent déjà à 270 V en courant continu, ce qui n’est pas souhaité dans un avion. L’une des pistes de travail est l’utilisation d’un contacteur électromécanique hybridé avec un circuit électronique d’aide à la commutation, afin d’éviter ou de minimiser l’apparition d’arcs lors des phases de redistribution de puissance au niveau du réseau.
Cette problématique de sécurité doit être réglée pour pouvoir évoluer vers l’avion du futur, qui passera à 1000 V ou plus pour les gros porteurs à l’horizon 2030.
Cela explique qu’à l’heure actuelle les entreprises travaillent sur de l’hybride, car cela leur permet de gagner en autonomie, mais aussi de travailler sur le réseau et le système électrique de l’appareil. En cas d’avancée technologique majeure au niveau des batteries ou autres moyens de production électrique, ce réseau déjà “éprouvé” permettra d’avancer plus vite.
HELIOS (Hybrid ELectrical Implementation and Optimisation of aeronautical System) vise à définir et à hybrider les différentes sources de puissance électrique telles que des piles à combustible ou des batteries, et donc à pouvoir aussi analyser les avantages et inconvénients de ces sources au regard de la masse, du volume, de la puissance et de l’autonomie. En fonction de ces données et de différents scenarii arrêtés, il devient possible d’optimiser l’ensemble du système de distribution.
L’une des grosses problématiques du projet est qu’il existe encore un gap technologique important au niveau des moteurs électriques et du stockage de l’énergie pour la propulsion. Des batteries de type lithium-air sont toutefois prometteuses pour relever ce défi.
Na9234 [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]
Plusieurs laboratoires et universités travaillent actuellement sur des projets à plus long terme visant à utiliser la technologie des supraconducteurs au niveau des moteurs électriques.
Cette technologie permet d’obtenir une densité de puissance largement supérieure aux moteurs électriques conventionnels, mais elle demande tout un système de refroidissement qui n’est pas forcément bénéfique au niveau de la masse et des coûts qu’il implique, et n’est pas encore mature pour une utilisation en embarqué. Ces pistes, ainsi que les rapports d’études sur les différentes techniques utilisables et les possibilités d’intégration vont d’ailleurs accompagner la montée en compétences au sein d’AMETRA.
C’est dans ce contexte que s’inscrit le projet HELIOS.
Les 4 phases du projet HELIOS
- La modélisation et l’intégration du système de distribution
Au sein de cette phase de modélisation, de simulation et d’intégration pour petits réseaux de distribution, la 1ère étape est déjà avancée. Elle permet de définir les différents éléments qui se trouveront dans le réseau électrique de l’appareil. Elle implique de penser aux piles à combustible, aux batteries, aux supercondensateurs ou encore aux cellules photovoltaïques telles que les a utilisées Solar Impulse.
- Le développement de stratégies de contrôle
Cette seconde étape va consister à définir des scenarii de mission pour appareils court et moyen-courriers (de type ATR 72), dotés d’une capacité limitée en sièges. Cela permet de voir ce qui est modifiable à l’intérieur du système de distribution électrique. Le but est de supprimer la transmission hydraulique et pneumatique et de la remplacer par de l’électrique. Tout cela va conduire à une augmentation de la puissance et une modification du réseau électrique embarqué au sein de l’aéronef.
Le projet HELIOS a pour objectif d’analyser les différents changements et d’identifier des pistes pour répondre aux futurs besoins.
Un autre axe de réflexion à ce niveau du projet consiste à s’interroger sur ce que l’on gagne (ou perd) en remplaçant un système par un autre.
Le but du projet étant d’optimiser un système, ces deux phases sont particulièrement importantes car elles vont définir le cahier des charges et donner des pistes à suivre: choix des convertisseurs, réflexion sur la manière d’hybrider les différentes sources de puissance électrique, etc.
- L’optimisation de l’ensemble du système de distribution
La 3è étape du projet est rendue possible grâce à la modélisation de la première phase et le cahier des charges défini au cours de la 2è.
L’optimisation pose notamment la question des objectifs : que veut-on minimiser ?
Masse, volume, coûts, adaptabilité du réseau en fonction des différents scenarii… on utilise pour cela une approche d’optimisation multiobjective. Une approche envisageable est le recours à une optimisation ayant recours à des algorithmes évolutionnaires, en se basant sur la théorie de l’évolution et en l’appliquant aux différents éléments du système électrique.
- La réalisation d’un démonstrateur
Après avoir vérifié le principe de fonctionnement du système, il est possible d’entamer la 4è phase qui consiste en la réalisation d’un démonstrateur. Ce sera également le moment de présenter le projet à des partenaires et clients potentiels, afin d’organiser un développement conjoint du démonstrateur.
Cette quatrième et dernière étape devrait avoir lieu d’ici à 3 ans.
Auteur : Marc
