L’avion zéro carbone est-il pour demain ?

La crise de la COVID a mis à rude épreuve les acteurs du secteur aéronautique. Pour relancer la filière, le gouvernement a annoncé l’objectif « ciel propre » à horizon 2035. L’ONERA, dont la mission est de préparer les technologies aérospatiales de demain, a déjà anticipé en consacrant de nombreuses recherches à la réduction de l’impact environnemental des avions. Zoom n°1 sur les travaux ONERA sur les nouvelles formes de propulsion.

Depuis plus de 10 ans, l'ONERA explore des concepts de rupture pour rendre les avions moins polluants. Survol de quelques concepts de technologies de rupture, déjà creusées par l’ONERA.

Optimiser l’intégration motrice

L’ONERA a analysé dès 2008 des configurations d’intégration motrice innovantes avec le projet NOVA, dont la nouveauté était de penser la cellule avion et le moteur en même temps. En partant d’un moyen-courrier, l’idée était de positionner les moteurs à l’arrière de façon semi-enterrée : cette intégration partielle permet d’ingérer la couche limite du fuselage et de réduire ainsi la puissance nécessaire, et donc la consommation.

D’autres innovations étaient envisagées : sur la forme de la voilure, et des ailettes dirigées vers le bas (winglets) pour une diminution de la traînée. Côté moteurs, NOVA proposait des moteurs à très fort taux de dilution (Ultra High Bypass Ratio) qui apportent une réduction du bruit et de la consommation de carburant.

Dans la même logique, le projet E2IM « Etude de concepts innovants pour l'intégration motrice » imaginait également un positionnement différent des moteurs par rapport au reste de la structure. L’idée : mieux intégrer le moteur dans les ailes ou dans le fuselage. La problématique est de savoir dans quelle mesure l'écoulement de l'air autour de l'aéronef est compatible avec des entrées d'air suffisantes dans la nacelle pour alimenter correctement le moteur et quel est le gain de traînée en résultant.
Des essais en soufflerie seront réalisés dans la grande soufflerie de Modane d'ici à fin 2020, en préparation d’essais sur des formules encore plus en rupture à l’horizon 2022/2023.

Propulsion électrique distribuée

L’ONERA se pose en véritable maturateur de technologies, puisque dès 2017, il travaillait sur le projet AMPERE : un démonstrateur d'avion régional à propulsion électrique distribuée. Le projet a permis l’acquisition d’une base de données expérimentales importante dont l’analyse des résultats permettra de préparer au mieux l’intégration de cette technologie sur un avion futur pour une entrée en service après 2035.

Plus récemment, l’ONERA présentait au dernier Bourget 2019, son concept d’avion DRAGON, dont le but est d’évaluer les avantages et inconvénients de la propulsion électrique distribuée pour un avion de ligne.

Le concept : répartir la poussée, via un grand nombre de fan carénés électriques placés sous chaque aile, pour améliorer le rendement propulsif. Les moteurs électriques sont alimentés par de l’électricité produite par des turbines situées à l’arrière de l’appareil. Il s’agit d’une technologie de propulsion hybride, puisque le carburant embarqué serait transformé en électricité.

IMOTHEP : projet d’envergure européenne

La Commission européenne a sélectionné en janvier 2020 le projet d'étude de la propulsion hybride électrique IMOTHEP dirigé par l'ONERA, véritable « hub » entre les différents acteurs.
Financé dans le cadre d'Horizon 2020, ce projet est composé par un consortium de trente-trois acteurs clés de l'industrie aéronautique et de la recherche, qui mènera une étude approfondie des technologies électriques pour la propulsion hybride électrique des avions commerciaux, en relation étroite avec la conception de configurations innovantes développant de nouvelles synergies entre cellule et propulsion.

Conduire cette étude à l’échelle des avions commerciaux, qui constituent la majeure partie des flottes actuelles et des émissions, est fondamental pour la réduction des émissions du transport aérien.

L’avion à hydrogène

L’hydrogène n’était pas forcément perçu comme le sujet le plus porteur. Mais la capacité de l’ONERA à explorer des concepts de rupture (AMPERE, DRAGON, IMOTHEP, des projets détaillés ci-dessus) lui ont donné de l’avance sur la réflexion.

Défis de l’hydrogène

L’avion à hydrogèneCertes, il n’émet pas de CO2 mais il force à revoir la configuration de l’aéronef. Un tel avion suppose l’intégration de réservoirs de grand volume pour stocker l’hydrogène sous forme liquide à basse température ce qui implique de repenser son architecture.
En effet, le challenge sera de loger un réservoir volumineux, en prévoyant une isolation thermique (liquide cryotechnique de – 252, 85°C), enjeux de sécurité induits…

Deux types d’utilisation sont envisagés : en combustion dans des turbofans pour les avions de transport de passagers ou dans des piles à combustibles pour les avions plus petits.

Si aucun projet n’a encore permis de recommander tel ou tel design, la configuration NOVA, un concept pensé à l’ONERA il y a quelques années, apparaît être une piste intéressante.

Les atouts de l’ONERA

Le projet ENERGIA vise à faire le point sur les aspects "non avion" des filières de carburant alternatif : biocarburants, power-to-liquid et hydrogène.

Piloté par l’ONERA avec Airbus, Safran et Dassault, le projet permettra de connaître les perspectives de production, la durabilité et les aspects économiques.

L’ONERA dispose de toute façon d’atouts certains pour mener la réflexion : sa capacité de l’ONERA à travailler sur des problématiques transverses puisque seront à prendre en compte toutes les disciplines liées à la conception d’un aéronef : aérodynamisme,  matériaux, propulsion, etc.

Il dispose également des moyens d’essais complémentaires, expérimentaux et numériques pour tester les concepts.

L’ONERA apparaît ainsi comme le partenaire de référence des industriels.

Objectif 2035

L’objectif du plan de relance gouvernemental est très ambitieux ! Pour y parvenir, il convient d’investir dans les études amont, d’attribuer des crédits à la recherche fondamentale, pour permettre le développement de solutions de rupture, seule voie possible. L’ONERA doit bénéficier d’investissements conséquents pour être force de proposition.

L'investissement étatique est donc essentiel et il est au rendez-vous : le plan aéronautique annoncé par le gouvernement prévoit le doublement du budget R&D de la DGAC dès 2020, et son quadruplement en 2021 et 2022.

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