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Micro-turbines, maxi-difficultés

Les futurs drones miniatures devront être alimentés par des sources d’énergie miniatures. Les plus adaptées semblent être les microturbines. Mais concevoir des turbines de quelques centimètres cube relève de la gageure. Modification des écoulements, conception de nouvelles géométries, microfabrication et études thermiques sont au programme des chercheurs.

Numéro 29

Cette chambre de combustion ne mesure que 20 mm de diamètre et 2,7 mm d'épaisseur. Alimentée par un mélange hydrogène-air, elle produit une puissance jusqu'à 1200 W.
Cette chambre de combustion ne mesure que 20 mm de diamètre et 2,7 mm d'épaisseur. Alimentée par un mélange hydrogène-air, elle produit une puissance jusqu'à 1200 W.

Imaginez des drones de la taille d’un oiseau, capables de voler des heures, filmer des scènes et transmettre des informations. De nombreux ingénieurs s’attachent à concevoir de tels drones miniature (cf. Zomm in the lab n° 6 : "Le drone du futur copie la nature"), pour des applications civiles et militaires. Parmi les nombreuses difficultés, figure l’alimentation en énergie de ces engins, qui doit être à la fois puissante et extrêmement légère. Pour ces microdrones de 15 centimètres d’envergure et autant de long, pesant une centaine de grammes, les batteries sont trop lourdes et disposent de trop peu d’autonomie. Quant aux piles à combustible, elles n’existent pas encore dans la gamme de puissance recherchée. Restent les turbines à gaz, qui pourraient fournir dix fois plus d’énergie qu’une batterie à masse égale.

Une turbine transforme l’énergie provenant du combustible en mouvements de rotation, soit pour alimenter directement une hélice, soit pour produire de l’électricité. " Notre objectif est de réaliser une micro-turbine à gaz, afin d’équiper les futurs micro-drones ", raconte Joël Guidez, Ces microturbines serviront à alimenter le moteur électrique actionnant les ailes du drone, mais aussi tous les équipements électriques, comme des capteurs, voire une petite caméra.

Mais pour miniaturiser une turbine, il ne suffit pas de réduire les dimensions de chaque composant. Les écoulements ne se déroulent pas de la même façon sur de toutes petites échelles, par exemple dans les chambres de combustion de ces microturbines, qui ne mesurent que quelques centaines de millimètres cube. Les écoulements sont beaucoup moins turbulents, et les gaz ont donc plus de difficultés à se mélanger. Gênant, pour une combustion, où le combustible doit être mélangé avec de l’air ! Il faut donc créer dans la chambre de combustion des structures favorisant le mélange des gaz. " Nous concevons des zones de circulation ramenant les gaz chauds vers les gaz frais ", explique Joël Guidez. Cela permet d’entretenir la combustion qui, sinon, s’éteindrait.

Le code de simulation aérodynamique elsA, en révélant les détails des écoulements entre les aubes, permet d'optimiser les caractéristiques. Le code de simulation aérodynamique elsA, en révélant les détails des écoulements entre les aubes, permet d'optimiser les caractéristiques.
Le code de simulation aérodynamique elsA, en révélant les détails des écoulements entre les aubes, permet d'optimiser les caractéristiques.

Cependant, ces structures microscopiques ne peuvent pas être trop complexes, sous peine de ne pas pouvoir les fabriquer. La première chambre construite avait une géométrie assez simple : c’était un cylindre de 20 millimètres de diamètre et 2,7 mm de hauteur, comportant un tube en son centre sur lequel le gaz rebondit. Il est ainsi envoyé en périphérie de la chambre, où il se mélange avec les gaz présents. Cette chambre sert surtout à tester les méthodes de fabrication et de mesure du laboratoire de l’Onera. La fabrication d’une deuxième chambre plus complexe et plus performante est en cours.

Qui dit chambre de combustion de petit volume dit grandes pertes thermiques. En effet, les petits objets ont plus de surface rapportée au volume comparativement aux gros objets, ce qui engendre davantage de pertes thermiques. Celles-ci sont à la fois un avantage et un inconvénient. D’un côté, elles évitent aux parois de trop chauffer et de fondre, mais de l’autre, elles peuvent éteindre la combustion si elles sont trop importantes. Il faut donc concevoir des chambres telles que les pertes sont juste au bon niveau.

La microchambre de combustion et son enceinte d'expérimentation. Le code de simulation aérothermique Cèdre permet de reproduire la combustion en 3D et de mieux comprendre les phénomènes en jeu.
La microchambre de combustion et son enceinte d'expérimentation. Le code de simulation aérothermique Cèdre permet de reproduire la combustion en 3D et de mieux comprendre les phénomènes en jeu.

Concernant le combustible, les expérimentations actuelles s'effectuent avec l’hydrogène pour plusieurs raisons. Comme il est très léger, il diffuse très bien. Par ailleurs, son temps de réaction chimique (le temps nécessaire pour que la réaction chimique de combustion ait lieu) est de 50 microsecondes, dix fois plus court que celui des hydrocarbures habituellement utilisés. Or, dans une microchambre de combustion, le temps que mettent les gaz à traverser la chambre de combustion est très bref. Et plus on diminue les dimensions de la chambre, plus ce temps de séjour diminue. Mais il doit rester deux à cinq fois supérieur au temps de réaction chimique, sans quoi la combustion sera mauvaise. En revanche, un hydrocarbure est plus simple à stocker que l'hydrogène. De prochaines études auront donc pour objet la stabilité de combustion d'hydrocarbure dans ces toutes petites chambres

Dans quels matériaux ces microturbines seront-elles fabriquées ? Le Massachussett Institute of Technology (MIT) tente de fabriquer une turbine toute en silicium, afin de profiter des technologies de gravure sur silicium de la microélectronique pour créer les canaux permettant de mélanger les gaz. L’Onera préfère fabriquer des microturbines comportant plusieurs matériaux.

Parties tournantes de micro-turbine gravées dans le silicium (SilMach).
Parties tournantes de micro-turbine gravées dans le silicium (SilMach).

Enfin, n’oublions pas le reste de la turbine à gaz, notamment les pièces tournantes. Les aubes des turbines peuvent être amenées à tourner à très grande vitesse, jusqu’à un million de tours par minute. Fabriquer des aubes de turbine de 8 millimètres s’avère complexe. La gravure sur silicium peut être une solution, à moins que les techniques de micro-usinage ne soient privilégiées. " Cette fabrication demandera de toute façon des technologies spécifiques ", observe Joël Guidez. Mais la question cruciale est celle des paliers et des butées, qui servent à tenir l’arbre des turbines. Dans les turbines habituelles, ce sont des roulements à billes qui jouent ce rôle. Ici, ce seront des paliers hydrodynamiques : les écoulements de gaz sustentent les parties tournantes sans qu’elles touchent les parties fixes.

Les microdrones ne sont pas les seules applications potentielles des microturbines, qui allient une grande puissance spécifique à une petite taille. L’alimentation d’appareils portables pourrait en bénéficier, par exemple pour équiper le fantassin du futur, qui transporte de plus en plus de matériel électronique. Il faut néanmoins parvenir à évacuer les gaz, extrêmement chauds. L’Onera se donne un an pour examiner la faisabilité des microturbines à gaz, et en cas de conclusions favorables, souhaite construire un démonstrateur d’ici à 2010.

 

Cécile Michaut, journaliste scientifique.

 

17.10.2006