La CEM en aéronautique, objectifs du travail

Évolution vers un avion « plus électrique »

Les sources d’énergie disponibles dans un avion Les sources d’énergie disponibles à bord d’un avion moderne sont généralement des sources pneumatiques, hydrauliques et électriques. Ces trois sources d’énergies sont toutes obtenues à partir du réacteur. L’énergie primaire dans un avion est par conséquent le kérosène et nous pouvons définir comme énergies secondaires les sources d’énergie hydraulique, pneumatique et électrique, précédemment citées. L’énergie pneumatique est obtenue par prélèvement d’air chaud sur les étages haute-pression et bassepression du réacteur. Les fonctions réalisées par les actionneurs pneumatiques sont principalement le conditionnement d’air de la cabine et du cockpit (climatisation et pressurisation) ainsi que le dégivrage des bords d’attaque des ailes. Le circuit d’air permet également le démarrage des réacteurs, mais dans ce cas, l’alimentation se fait par l’APU « Auxiliary Power Unit ». L’APU est un générateur électrique auxiliaire alimenté lui aussi par du kérosène. Il est essentiellement utilisé au sol avant le démarrage des réacteurs. L’énergie hydraulique est fournie par une pompe hydraulique couplée mécaniquement sur l’arbre du réacteur. Les principales fonctions du circuit hydraulique sont l’actionnement des commandes de vol, le relevage du train d’atterrissage ainsi que le freinage. Enfin, l’énergie électrique est générée par l’intermédiaire d’un alternateur entraîné mécaniquement par la rotation de l’arbre du réacteur. Les fonctions de l’énergie électrique sont nombreuses et variées. Dans les applications récentes et futures, la source d’énergie électrique tend à remplacer de plus en plus les autres sources d’énergie de l’avion : elle est par conséquent en perpétuelle augmentation. Un petit historique s’impose pour se rendre compte de cette évolution progressive vers l’avion « plus électrique ». 

Historique de l’évolution de l’énergie électrique de la Caravelle au BOEING

Lors des débuts de l’aéronautique civile, le réseau de bord d’un avion était alimenté par une tension continue de 28V. Ce n’est que dans les années 50, avec la mise en service de la Caravelle de l’AEROSPATIALE, premier avion civil long courrier, qu’est apparu le réseau triphasé 115V/200V – 400Hz pour l’alimentation des charges importantes. La fréquence plus élevée que pour les réseaux électriques terrestres s’explique par le fait que le volume des matériaux magnétiques diminue lorsque la fréquence augmente. A cette époque, l’électricité était utilisée uniquement pour l’instrumentation de vol. La CEM en aéronautique, objectifs du travail 9 Dans les années 80, l’AIRBUS A320 est le premier avion à intégrer des commandes de vols électriques. Sur cet avion, les volets sont toujours actionnés par pression hydraulique mais leur commande est entièrement électrique. Aujourd’hui, le confort et le divertissement des passagers représentent une part non négligeable de la consommation électrique. La cuisine de bord constituait par exemple une des principales sources de consommation électrique jusque dans les années 90. Par ailleurs la puissance totale installée sur un gros porteur actuel de type A330 ou A340 est de l’ordre de 300kVA [LANGLOIS-04]. L’A380 d’AIRBUS-EADS représente incontestablement un tournant dans l’histoire de l’évolution vers l’avion « plus électrique » avec ses 600kVA de puissance disponible. Sur cet appareil, plusieurs innovations en termes de source d’énergie électriques sont particulièrement remarquables. Notamment, l’un des trois circuits hydrauliques des architectures dites « 3H » (trois circuits Hydrauliques) est remplacé par un circuit électrique pour obtenir l’architecture dite « 2H+2E » (deux circuits Hydrauliques et deux circuits Électriques). La Figure I-1 [LANGLOIS-05] présente l’architecture « 2H+2E » d’un avion biréacteur. Dans une telle configuration, le système de secours est alimenté électriquement par une éolienne (RAT « Ram Air Turbine ») qui fournit suffisamment de puissance pour assurer les fonctions vitales de l’avion. La mise en place d’un circuit électrique a ainsi permis de supprimer l’ensemble d’un circuit hydraulique, notamment composé de plusieurs pompes et de leur tuyauterie associée, entraînant par conséquent un gain de masse non négligeable sur l’avion, qui a été estimé à 1,2 tonne [BARRUEL-05], [SCIENCE-05]. Le remplacement du circuit hydraulique par deux circuits électriques présente de ce fait un atout considérable pour les avionneurs, sachant que la diminution de masse est une contrainte majeure de dimensionnement dans le domaine aéronautique. Figure I-1 : Architecture réseau 2H+2E  La deuxième évolution vers l’avion plus électrique sur l’A380 est la suppression du système complexe et lourd d’entraînement à vitesse constante de l’alternateur alimentant le réseau AC. L’alternateur n’est donc plus entraîné à vitesse fixe : ainsi, la fréquence d’alimentation du cœur électrique primaire devient variable avec une excursion allant de 360Hz à 800Hz. Les charges électriques alimentées par le réseau AC ont par conséquent été dimensionnées pour prendre en compte cette nouvelle spécification. Enfin, sur l’A380, une partie des fonctions hydrauliques a été remplacée par des actionneurs électriques. Pour la première fois, l’inverseur de poussée est actionné électriquement par un EMA « Electro-Mechanical Actuator ». En outre, l’utilisation des EHA « Electro-Hydrostatic Actuator », qui sont des sources locales d’énergie hydraulique fournie par un compresseur électrique, se généralise pour l’actionnement des commandes de vol. La Figure I-2 illustre l’utilisation de plus en plus fréquente des EHA dans le domaine aéronautique. En effet, dans l’avion schématisé à la Figure I-2, les EHA (rectangles rouges) permettent notamment de commander les systèmes hyper sustentateurs (primary controls and secondary controls) et les trains d’atterrissage.