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.

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