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Conception intégrée optimale du système propulsif d’un avion régional hybride-électrique

par Laurence Laffont - publié le , mis à jour le

La soutenance de thèse de Matthieu PETTES-DULER, intitulée "Conception intégrée optimale du système propulsif d’un avion régional hybride-électrique" aura lieu le vendredi 23 avril 2021 à 10h.

Les travaux de thèse ont été supervisé par Xavier ROBOAM et Bruno SARENI. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet HASTECS (CleanSky2 - H2020).

Le lien pour y assister est le suivant :
https://inp-toulouse-fr.zoom.us/j/99265452655

Résumé :

En 2019, le transport était le secteur qui connaissait la croissance la plus rapide au niveau mondial, contribuant du même coup à la dégradation de l’environnement. Trouver des solutions durables moins polluantes est un élément clé pour résoudre ce problème, en particulier pour le secteur aéronautique, qui représente environ 2 % des émissions mondiales de CO2. Avec l’apparition de la Covid-19, le trafic aérien semble assez durablement interrompu, mais cette pandémie renforce la nécessité d’aller vers « un ciel plus propre » et respectueux de l’environnement, ce qui constitue l’objectif du programme Clean Sky2 (H2020 EU), contexte dans lequel le projet ‘’HASTECS’’ et notre thèse se situent.

L’objectif principal d’HASTECS (Hybrid Aircraft Academic reSearch on Thermal and Electrical Components and Systems) est de coupler études thermiques et électriques au sein de la chaine de propulsion hybrides électrique d’un avion régional, ceci en intégrant les contraintes d’environnement (en particulier les décharges partielles) spécifiques au secteur aérien. Le but est d’identifier les technologies et ruptures les plus prometteuses et de mettre au point les outils qui permettront d’accroitre de manière significative la compacité et l’efficacité des processus électriques au sein de la chaine de propulsion hybride. Dans notre cas, seule l’architecture électrique hybride série a été étudiée dans ce projet, car elle conduit à une grande puissance de dimensionnement maximisant les contraintes technologiques sur la chaîne.

Les cibles technologiques fixées dans HASTECS, considérées sous deux horizons (2025 puis 2035), sont les suivantes :

Moteur électrique + refroidissement

cible 2025 cible 2035
Densité de Puissance 5 kW /kg 10 kW/kg
Rendement en croisière 96% 98.5%
Rendement au point nominal 94.5% 97%

Electronique de puissance + refroidissement

cible 2025 cible 2035
Densité de Puissance 15 kW /kg 25 kW/kg
Rendement en croisière 98% 99.5
Rendement au point nominal 96.5% 99%

Dans le cadre de ce projet, notre thèse vise la conception par optimisation de la chaîne de propulsion complète intégrant en particulier les modèles issus des développements technologiques des constituants majeurs (électroniques de puissance, câblage et architecture de distribution, actionnement) tout en considérant, à partir d’une gestion d’énergie simplifiée, l’hybridation d’une source principale (thermique) et auxiliaire (électrique).

Un premier objectif de notre thèse a concerné le développement d’un modèle d’environnement. Ces conditions étant fixées, l’intégration système consiste à bâtir une suite de modèles réduits dont la granularité permet l’évaluation globale (systémique) des rendements énergétiques et des masses de chaque composant jusqu’à la chaine de propulsion complète. Le système propulsif est conçu, via un processus itératif estimant, selon les choix de conception, les variations de masses et leurs conséquences sur la poussée : cette approche de conception intégrée permet entre autre d’évaluer les effets boules de neige dont l’influence est majeure en aéronautique. En effet, l’ajout de masse sur un dispositif entraine des conséquences sur la structure et le carburant embarqué.

Après un état de l’art situant le contexte de l’étude, nous proposons une suite de « modèles réduits » intégrables au sein d’un processus d’optimisation de la chaine complète (avec un temps de calcul raisonnable) : ces modèles sont issus :

D’études antérieures : turbines à gaz, sources électriques auxiliaires (batteries, piles à combustible), réducteur de vitesse, hélice ;
Ou d’une adaptation (réduction) des modèles technologiques issus des work packages d’HASTECS : électroniques de puissance et leur refroidissement, moteurs électriques et leur refroidissement, contraintes de décharges partielles.
Avant de progresser vers l’intégration système et l’optimisation du dimensionnement, un chapitre est consacré à l’analyse de sensibilité dont l’objectif est de préciser les degrés de liberté (variables de décision) les plus sensibles vis-à-vis des principaux objectifs (réduction de masse et des pertes) de la conception. Des techniques d’analyse de sensibilité basées sur les indices de Sobol sont en particulier exploitées.

Enfin, la dernière partie et l’objectif final de ce projet concerne la conception optimale de la chaine complète intégrant une gestion d’énergie propre à l’architecture hybride électrique. Cette étude démarre par des études locales sur les constituants majeurs (chaine d’actionnement) pour progresser vers l’intégration système et la chaine complète. De nombreux résultats mettent en évidence l’émergence de couplages systèmes qui n’apparaissent pas dans l’assemblage d’optima locaux.

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