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Mis à jour le 05/12/2019

Découvrez les sources d'énergie d'un aéronef

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Les grands types d’alimentation en énergie au sol et en vol

Tout d’abord, quelles sont les différentes sources d’énergies à bord d’un avion?

En fonction des phases de vol et des générations d’avion, les sources d’énergie peuvent être électriques, hydrauliques, chimiques, pneumatiques ou aérauliques. Regardons plus en détail.

Les sources d’énergie d’un aéronef

Dès leur mise en rotation les moteurs entraînent via un système d’engrenage appelé « boîte à relais d’accessoires» ou « accessory gearbox » en anglais :

  • des pompes hydrauliques qui pressurisent des circuits hydrauliques ;

  • des alternateurs électriques qui alimentent des circuits électriques.

Les circuits pneumatiques sont alimentés en air sous pression prélevé directement sur le moteur.

Au sol, des groupes de parc mobiles ou des prises connectées directement à l’aéroport alimentent électriquement l’avion. Des électropompes hydrauliques peuvent à partir du réseau électrique pressuriser les circuits hydrauliques. Des groupes de parc pneumatiques peuvent également fournir de l’énergie sous pression.

Turbine auxiliaire (Auxiliary Power Unit)
Turbine auxiliaire (Auxiliary Power Unit) - Source Adobe Stock

La turbine auxiliaire (Auxiliary Power Unit), située dans le cône arrière des avions, fournit au sol avant l’allumage des moteurs, ou en vol dans certains cas de pannes, de l’air sous pression pour le conditionnement d’air de l’avion ou l’allumage des moteurs, et de l’énergie électrique via l’entraînement d’un alternateur.

RAT (Ram Air Turbine)
RAT (Ram Air Turbine) - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bizjet_ram_air_turbine.jpg

Enfin, en cas de panne une éolienne de secours appelée RAT (Ram Air Turbine) située sous la voilure ou sous le fuselage délivre de l’énergie électrique ou hydraulique, selon les générations d’avion.

La dernière source d’énergie disponible à bord des avions est la batterie.

Les réseaux d’alimentation continus et alternatifs

Le réseau alternatif monophasé ou triphasé

Le réseau historique des avions commerciaux est le réseau 115 volts alternatif à fréquence fixe 400Hz. Le générateur est entraîné par le moteur de l’avion à vitesse variable. En effet, le rapport de vitesse entre la vitesse maximale au décollage du moteur et son ralenti est légèrement supérieur à 2. Cette vitesse est jusqu’aux générations récentes d’avion régulées à une vitesse constante par un système hydromécanique complexe.

La technologie la plus connue est l’IDG (Integrated Drive Generator). Il s’agit de l’association d’un régulateur de vitesse appelé CSD (Constant Speed Drive) et d’un alternateur.

Le réseau alternatif sur un avion sert à l’alimentation des équipements les plus consommateurs en énergie, tels que les ventilateurs de conditionnement d’air, les pompes carburants, les fours des cuisines...

Quelques ordres de grandeur : 500 km de câbles sont installés dans un A380 pour une masse de l’ordre de 4,5 tonnes. En effet, la masse d’un câble dépend de sa longueur liée à la localisation des équipements dans l’avion, de la section du matériau conducteur (cuivre ou aluminium), et de l’isolant utilisé. La section du matériau dépend du courant qui y transite. Celui-ci ne doit pas produire une élévation de température trop importante.

A iso puissance la section sera donc réduite et la masse diminuée.
A iso puissance la section sera donc réduite et la masse diminuée. 

Le doublement de la tension permet de diviser par deux les courants à faire transiter dans un câble pour une puissance donnée, et de réduire ainsi la masse des câbles.

Le réseau continu 28VDC

Il existe aussi un réseau 28 volts continu, obtenu :

  • soit par redressement de la tension alternative via des équipements appelés transformateurs redresseurs ;

  • soit directement par des batteries (au sol, lors de certains cas transitoires ou dans certains cas de pannes).

Le réseau 28VDC sert à l’alimentation des consommateurs de faible puissance : calculateurs, écrans du cockpit, éclairage secours...

Jusqu’à l’A380, la pression des circuits hydrauliques étaient de 3 000 psi (ou 210 bars). Afin de réduire la masse des tuyauteries (même raisonnement que pour les câbles), la technologie 5 000 psi (350 bars) a été développée pour l’A380.

L'alimentation de l'actionneur

Avant l’A380, tout actionneur de commandes de vol est une servocommande hydraulique alimentée en 3000 PSI par un des circuits hydrauliques de l’avion. Il en existe 3 afin de satisfaire toutes les exigences de sécurité. On les appelle circuit bleu, circuit vert ou circuit jaune.

Sur un A380 ou un A350, l’actionneur de commande de vol est soit une servocommande classique, soit un actionneur électrique de type EHA (Electro Hydrostatic Actuator) ou EBHA (ELectrical Back up Actuator).

Par la suppression d’un circuit hydraulique, l’A380 a effectué un premier pas vers l’avion plus électrique ou MEA (More Electrical Aircraft) en anglais.

Les calculateurs seront dans tous les cas alimentés par le circuit électrique.

L’avenir de l’avion tout électrique, ses défis et ses enjeux

Boeing a également franchi avec le 787 un grand pas vers l’avion plus électrique en remplaçant le démarreur pneumatique des moteurs par un démarreur électrique et en remplaçant le conditionnement d’air pneumatique par prélèvement d’air sous pression sur les moteurs par des compresseurs alimentés électriquement. Le freinage des roues est également électrique et non plus hydraulique. Le mégawatt installé est atteint.

L’avion tout électrique serait donc un avion :

  • sans énergie hydraulique et sans énergie pneumatique ;

  • qui permettrait de supprimer les fuites hydrauliques, de faciliter l’industrialisation et la maintenance.

Un avion tout électrique utiliserait une centaine d’équipements de puissance entre 10 et 100 kVA répartis dans l’avion. Parmi eux, un grand nombre de moteurs pilotés par des convertisseurs semblables à la chaîne de traction d’un véhicule électrique.

Le premier défi à relever pour rendre compétitives les technologies électriques est d’augmenter la densité de puissance de chacun des éléments, en maîtrisant les différents types de pertes et en optimisant l’intégration fonctionnelle et physique.

Schéma
Intégration des composants électroniques

Un autre défi est la compréhension des différents phénomènes physiques qui pourraient avoir un impact sur le vieillissement et la durée de vie des différents éléments.

Schéma
Décharges partielles

Il s’agit en particulier des décharges partielles qui apparaissent au-dessus d’un certain niveau de tension appelé seuil de Paschen (320 volts), et qui vont contribuer au vieillissement prématuré des isolants.

Enfin, il faut maîtriser la fiabilité et la robustesse des différents composants tout en réduisant les coûts. Il s’agit de mettre en place des méthodes pour déterminer la fiabilité, les modes de dégradation ou de défaillances de composants développés pour d’autres industries (telles que l’automobile ou le grand public, par exemple).

E-Fan, prototype d'Airbus Group
E-Fan, prototype d'Airbus Group - Source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:E-Fan.jpg

La prochaine étape est la propulsion hybride. Les défis associés seront le choix du niveau de tension et le développement de nouveaux matériaux isolants compatibles avec ces niveaux de tension, le développement de nouvelles sources de puissance plus performantes (batteries ou piles à combustibles) et toujours le développement d’électroniques de puissance et de moteurs de plus en plus optimisés et fiables.

Après avoir vu les sources d'énergie dans un avion, voyons à présent quels sont les moyens de communication entre systèmes à bord.

Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite