Le futur de la propulsion d’hélicoptère

Le mode de pro­pul­sion des héli­co­ptères est bien sûr un des lieux prin­ci­paux d’innovation pour déve­lop­per l’hélicoptère du futur. Où en est-on ?

Le déve­lop­pe­ment des tur­bo­mo­teurs jusqu’alors obte­nu par des amé­lio­ra­tions incré­men­tales doit, pour la pro­chaine géné­ra­tion, venir de tech­no­lo­gies en rup­ture. C’est un chan­ge­ment com­plet de para­digme et de nom­breux défis sont à rele­ver, toutes les phases de vie du tur­bo­mo­teur sont concer­nées, depuis sa concep­tion, sa fabri­ca­tion, jus­qu’à sa main­te­nance. De nou­veaux moyens de confor­mi­té à la régle­men­ta­tion res­tent à imaginer.

REPÈRES

La recherche et déve­lop­pe­ment au sein de Safran vise à garan­tir, dans la durée, l’excellence tech­nique et la dif­fé­ren­cia­tion tech­no­lo­gique de l’entreprise pour répondre aux défis de l’avenir. Elle est à la fois décen­tra­li­sée au sein des socié­tés du groupe et com­plé­tée, pour les acti­vi­tés trans­verses et amont, par un pôle cen­tral de recherche et d’innovation. Les dépenses R & D repré­sentent 8 % du CA soit 1,7 mil­liard d’euros en 2020 et mobi­lisent 16 % des effec­tifs du groupe, dont envi­ron un mil­lier d’ingénieurs chez Safran Heli­cop­ter Engines. Safran se place depuis plus de huit ans dans le trio de tête des entre­prises fran­çaises ayant publié le plus de demandes de bre­vet, avec plus de 1 000 pour l’année 2020. C’est tou­jours à Bordes que sont conçus les moteurs et qu’ils y sont en grande par­tie fabri­qués. De même se per­pé­tue la tra­di­tion de bap­ti­ser les moteurs avec des noms d’inspiration pyrénéenne. 

Les spécificités du turbomoteur

L’hélicoptère couvre un large spectre de mis­sions néces­si­tant une grande plage de puis­sance. Le tur­bo­mo­teur est dimen­sion­né par la puis­sance néces­saire au décol­lage, entraî­nant des com­pro­mis sur le ren­de­ment pour les puis­sances inter­mé­diaires. Ce ren­de­ment, expri­mé par la consom­ma­tion spé­ci­fique, varie de façon décrois­sante de la puis­sance. La den­si­té de puis­sance est un autre para­mètre fon­da­men­tal sur les appa­reils à décol­lage vertical.

La recherche de com­pa­ci­té des tur­bo­mo­teurs, pour des puis­sances rela­ti­ve­ment faibles entre 400 et 2 000 kW, pré­sente des dif­fi­cul­tés de fabri­ca­bi­li­té de par la taille réduite des com­po­sants, péna­li­sant aus­si le ren­de­ment glo­bal et la tenue ther­mo­mé­ca­nique. Le sys­tème car­bu­rant et son cal­cu­la­teur numé­rique jouent un rôle essen­tiel par l’adaptation de la puis­sance aux besoins du rotor. Il contri­bue à la sécu­ri­té et à la manœu­vra­bi­li­té de l’hélicoptère en garan­tis­sant sa portance.

Les turbomoteurs du futur

La sécu­ri­té est la prio­ri­té abso­lue ; l’amélioration conti­nue de la fia­bi­li­té des tur­bo­mo­teurs per­met d’afficher des taux meilleurs qu’une panne par 100 000 heures de vol. Mais la quête de tou­jours plus de sécu­ri­té se pour­suit, avec les objec­tifs fixés par les orga­nismes de sécu­ri­té aérienne dont l’idée est de réduire le taux d’accident de 80 %. Même si l’hélicoptère réa­lise beau­coup de mis­sions d’utilité publique, le bruit est un fac­teur de nui­sance. Le tur­bo­mo­teur est une des sources d’émissions acous­tiques qui peut deve­nir pré­pon­dé­rante com­pa­ra­ti­ve­ment au bruit rotor. Le coût d’utilisation du moteur est aus­si un fac­teur clé de suc­cès, il repré­sente plus de la moi­tié du coût d’utilisation pour un héli­co­ptère léger.

L’attente des clients est une main­te­nance indi­vi­dua­li­sée et une dis­po­ni­bi­li­té accrue. Aujourd’hui la tran­si­tion éco­lo­gique est aus­si une prio­ri­té. Si aucune légis­la­tion n’existe à ce jour, l’Organisation de l’aviation civile inter­na­tio­nale pour­rait impo­ser des exi­gences pour les futures concep­tions. Les émis­sions de CO₂, direc­te­ment liées à la consom­ma­tion, sont pro­por­tion­nel­le­ment faibles par rap­port aux autres appli­ca­tions aéro­nau­tiques. L’usage en zone urbaine requiert éga­le­ment de réduire les autres pol­luants, comme l’oxyde d’azote ou les par­ti­cules fines.

Les réponses technologiques

Les réponses tech­no­lo­giques s’articulent autour de quatre grands axes : des tur­bo­mo­teurs tou­jours plus effi­caces et com­pacts ; l’usage de car­bu­rants durables à la place du kéro­sène ; l’hybridation élec­trique en assis­tance ou com­plé­ment de la tur­bine ; le trai­te­ment des don­nées de vol.

Le turbomoteur à haute efficacité

En 50 ans, la den­si­té de puis­sance a été aug­men­tée de 160 % et le ren­de­ment de 45 %. Ces gains sont liés aux évo­lu­tions des taux de com­pres­sion et à une meilleure tenue en tem­pé­ra­ture des pales de tur­bine. Les objec­tifs de la pro­chaine géné­ra­tion sont de gagner 20 % sup­plé­men­taires sur le ren­de­ment et donc autant sur les émis­sions de CO₂, ain­si que 10 % sur la den­si­té de puis­sance. L’amélioration des com­pres­seurs passe par la contrainte sur le rap­port de pres­sion qui ne peut pas dépas­ser cer­taines valeurs, afin de limi­ter la taille des com­pres­seurs. Le ren­de­ment des tur­bines est direc­te­ment lié à leur fabri­ca­bi­li­té. Pour dépas­ser ces limites, les géo­mé­tries 3D en modé­li­sa­tion, concep­tion et fabri­ca­tion doivent être par­fai­te­ment maî­tri­sées. Des nou­veaux maté­riaux mono­cris­tal­lins per­mettent de repous­ser tou­jours plus loin les limites de température.

Les tra­vaux sur les émis­sions conduisent aus­si à tra­vailler sur des com­bus­tions à cir­cuit d’injection éta­gé ou à richesse contrô­lée, per­met­tant de limi­ter les mon­tées en tem­pé­ra­ture – sources d’oxyde d’azote. Pour l’acoustique, les tra­vaux portent sur la réduc­tion des bruits des deux sources, la com­bus­tion et la com­pres­sion de l’air. La modé­li­sa­tion des phé­no­mènes et leur prise en compte dans la concep­tion des com­po­sants sont un élé­ment clé pour inté­grer des dis­po­si­tifs d’atténuation. La fabri­ca­tion addi­tive per­met de mutua­li­ser des fonc­tions entraî­nant des formes com­plexes non réa­li­sables par des pro­cé­dés conventionnels.

Par exemple, la pul­vé­ri­sa­tion des injec­teurs de car­bu­rant est amé­lio­rée en les entou­rant d’un flux d’air dont la dyna­mique est opti­mi­sée par des éjec­teurs que seule la fabri­ca­tion addi­tive rend pos­sible. Des gains en masse sont aus­si envi­sa­geables. Les prin­ci­paux défis à rele­ver sont la répé­ti­ti­vi­té du pro­cé­dé, la constance des pro­prié­tés des maté­riaux et la démons­tra­tion garan­tis­sant une non-régres­sion de la sécu­ri­té dans le temps.

Les carburants alternatifs durables

Les bio­car­bu­rants sont aujourd’hui auto­ri­sés jusqu’à un mélange à 50 % avec le kéro­sène, l’extension à un usage à 100 % est à l’étude. Ces car­bu­rants issus de la bio­masse, dont les filières res­tent à déve­lop­per, ont des pro­prié­tés phy­si­co­chi­miques proches du kéro­sène mais pas com­plè­te­ment iden­tiques. Ils sont plus pauvres en aro­ma­tique et en soufre, deux com­po­sés assu­rant le pou­voir lubri­fiant, et donc peuvent poten­tiel­le­ment entraî­ner une usure pré­ma­tu­rée des pièces ou amoin­drir la tenue méca­nique des élas­to­mères des joints. Cer­tains car­bu­rants alter­na­tifs sont issus de matières pre­mières hydro­philes qui peuvent cap­ter l’humidité ambiante et engen­drer des pro­blèmes de fonc­tion­ne­ment. Pour des aspects logis­tiques, les nou­velles chambres de com­bus­tion devront aus­si auto­ri­ser le fonc­tion­ne­ment du tur­bo­mo­teur indif­fé­rem­ment de la nature du car­bu­rant, qu’il soit d’origine fos­sile, bio­masse ou de synthèse.

“La sécurité est la priorité absolue.”

L’hybridation électrique propulsive

La faible den­si­té en puis­sance et éner­gie des bat­te­ries ne per­met pas à des sys­tèmes tout élec­trique de riva­li­ser avec une tur­bine, même en tenant compte des pro­jec­tions à long terme de per­for­mance des bat­te­ries. C’est pour­quoi les appli­ca­tions envi­sa­gées pour l’hybridation élec­trique dans la pro­chaine géné­ra­tion de tur­bines sont des apports ponc­tuels de puis­sance en assis­tance ou en com­plé­ment du turbomoteur. 

Les gains atten­dus sont de deux ordres : une baisse de la consom­ma­tion car­bu­rant en fai­sant fonc­tion­ner la tur­bine avec un meilleur ren­de­ment ; mais aus­si des effets au niveau de l’aéronef. Sur les héli­co­ptères de type mono­mo­teur, la source élec­trique peut appor­ter tran­si­toi­re­ment de la puis­sance au rotor via une machine élec­trique. La sécu­ri­té est ain­si amé­lio­rée, car la source élec­trique auto­rise un vol de quelques minutes en cas de panne de la tur­bine. Le pilote peut se poser dans une zone déga­gée plu­tôt que de faire une manœuvre d’autorotation (atter­ris­sage moteur éteint) déli­cate à gérer. 

Les prin­ci­paux défis de l’hybridation élec­trique sont la den­si­té des com­po­sants élec­triques et des organes de sto­ckage, la sécu­ri­té pour pro­té­ger les pas­sa­gers et les sys­tèmes des effets de la haute ten­sion (plu­sieurs cen­taines de volts) qui ali­mente les machines élec­triques. De nou­veaux modes de défaillance comme les décharges par­tielles ou les arcs élec­triques néces­sitent de déve­lop­per des pro­tec­tions élec­tro­tech­niques spécifiques.

La digitalisation au service des clients

Les opé­ra­tions de main­te­nance sont aujourd’hui pério­diques et les mêmes quelles que soient les mis­sions. Demain, il sera pos­sible de pro­po­ser une main­te­nance per­son­na­li­sée et de réduire le temps d’immobilisation de l’hélicoptère. La col­lecte et l’analyse de la don­née sont au centre de nou­veaux concepts. Une main­te­nance selon « état » fon­dée sur la sur­veillance d’indicateurs de san­té et la pré­dic­tion de défaut via la modé­li­sa­tion embar­quée d’un jumeau numé­rique du tur­bo­mo­teur. Une main­te­nance selon « usage », basée sur l’analyse des mis­sions avec une car­to­gra­phie d’entretien adaptée.

Les tech­no­lo­gies à déve­lop­per sont mul­tiples, depuis des cal­cu­la­teurs à grande capa­ci­té de sto­ckage, des cap­teurs intel­li­gents, de la connec­ti­vi­té avec la contrainte gran­dis­sante de la cyber­sé­cu­ri­té, l’analyse de don­nées com­plé­tée par l’utilisation de l’intelligence arti­fi­cielle. Un des défis est de convaincre les auto­ri­tés de cer­ti­fi­ca­tion de la fia­bi­li­té des trai­te­ments algo­rith­miques des don­nées pour ne pas remettre en cause l’accidentologie.

---

Articles similaires :

Les tout débuts des héli­co­ptères en France Les héli­co­ptères de l’État Les héli­co­ptères de la Gen­dar­me­rie nationale Les recherches héli­co­ptères à l’Onera Les héli­co­ptères civils et leur avenir