Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L’hydrogène constitue une solution crédible pour décarboner l’aviation à moyen et long terme. Les conditions de stockage et volumes requis nécessitent néanmoins de repenser l’architecture, la topologie et la forme de l’aéronef. À cet égard l’aile volante de grandes dimensions offre des perspectives qui permettent non seulement d’envisager des performances propres à un gros porteur à propulsion hydrogène au long cours, mais aussi de faire évoluer l’aménagement de la cabine pour des vols de très longue durée. Cette approche environnement intégrée – incluant les aspects logistiques et de recyclage structural – fait l’objet de cet article qui envisage les principales caractéristiques d’un tel aéronef.
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Hydrogen is a credible solution for decarbonizing aviation in the medium and long term. The storage conditions and volumes required call for a rethink of aircraft architecture and topology. In this respect, the large-scale flying wing offers prospects that not only make it possible to envisage the performance of a long-range wide-body hydrogen-powered aircraft, but also to upgrade the cabin layout for very long flights. This integrated environmental approach - including logistical and structural recycling aspects - is the subject of this article, which describes the main features of such an aircraft.
Auteur(s)
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Yves GOURINAT : Professeur - Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace, Université de Toulouse, Toulouse, France
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Clara TOCABENS : Étudiante - Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace, Université de Toulouse, Toulouse, France
INTRODUCTION
Pourquoi l’aile volante et ses technologies ? L’aviation future sera décarbonée ou ne sera pas. En effet, le secteur aérospatial générerait entre 5 et 6 % du réchauffement climatique au niveau mondial (GIEC). La moitié environ de cette contribution est due au CO2 et le complément reste aux traînées de condensation. L’architecture décrite dans cet article ouvre une piste dans ces deux directions, qui permet d’envisager ainsi une évolution de rupture, de nature à non seulement accélérer la décarbonation du transport aérien, mais aussi à promouvoir un modèle novateur durable.
Concernant le CO2, l’hydrogène vert apporte une solution. Toutefois, ce carburant a un impact radical sur l’architecture de l’avion, dès que l’on demande une distance franchissable transocéanique. En effet, en vols locaux, la solution qui consiste à intégrer des réservoirs dans des avions existants peut fonctionner. Mais, si l’on vise des étapes de plus de 10 000 km alors le volume requis nécessite de repenser la topologie et la géométrie même de l’avion.
Cet article propose une nouvelle gestion des volumes qui, non seulement offre la capacité d’embarquer l’hydrogène nécessaire, mais aussi ouvre des perspectives en matière d’aménagement des cabines pour les très longs vols.
Quant aux effets climatiques des traînées de condensation – cirrus étalés par les jetstreams – les solutions existent à l’heure actuelle. Elles consistent à optimiser et réorganiser les trajectoires. Concrètement, pour l’aile volante, il faudra voler moins haut et moins vite que les avions actuels . Cette nécessité environnementale, qui se traduit également par des économies d’énergie et de puissance, peut être satisfaite précisément grâce à la place dont les passagers vont disposer. En effet, la présence de l’hydrogène augmente considérablement le volume global de l’avion, ce dont on bénéficie pour les passagers également. On peut ainsi réaménager la cabine pour des vols de très longue durée (24 heures et plus).
Cette présentation architecturale de l’aile volante du futur – qui prend en compte l’histoire de l’aéronautique, en particulier les concepts développés par Jack Northrop et ses successeurs – propose une approche novatrice de l’avion dans son environnement et son utilisation. C’est cette description intégrée visant plus tard la certification de ce concept que nous proposons ici.
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MOTS-CLÉS
hydrogène aviation décarbonée propulsion cryotechnique certification environnementale architecture d'aéronef
KEYWORDS
hydrogen | decarbonized aviation | cryogenic propulsion | environmental certification | aircraft architecture
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
L’aile, vecteur technologique
En anglais
2. Dimensions caractéristiques
2.1 Prédéfinition de la mission
La transformation d’avions existants par l’intégration de réservoirs et l’adaptation de la propulsion ne peuvent répondre qu’à des missions de court, éventuellement moyen-courrier. En effet, le volume disponible dans une voilure classique ne peut répondre aux besoins d’un long-courrier propulsé à l’hydrogène. L’aile volante remplit cette mission, précisément en rupture avec l’architecture classique de l’avion.
S’il on souhaite rejoindre, voire dépasser, l’autonomie actuelle des gros porteurs de référence (A350 et B787), il faut donc afficher une distance franchissable de l’ordre de 18 000 km. On met ainsi à portée de vol direct la quasi-intégralité de la planète. Cet objectif est ambitieux mais il marque la volonté de valoriser l’aviation précisément là où elle est unique, c’est-à-dire là où sa mission se démarque de celle du train et des navires.
Comme cela a déjà été évoqué, les spécifications liées aux traînées de condensation et la frugalité en termes de puissance embarquée (notamment pour la phase de montée) requièrent de voler plus bas et moins vite qu’actuellement. Concrètement, cela revient à voler en croisière au FL 200 (Flight Level/niveau de vol 200, soit 20 000 pieds), atteint en une heure de montée, et auquel on se maintient entre M = 0,5 et M = 0,6.
Il faut donc dès à présent réaliser qu’un tel vol sera d’une durée comprise entre 30 et 40 heures. Cela n’est pas sans conséquence sur l’aménagement interne de la cabine qui devra être entièrement repensé.
HAUT DE PAGE2.2 Bilan et devis de masse
Si l’on se base sur les turbofans dont le fonctionnement à l’hydrogène a pu être validé au banc d’essai depuis une dizaine d’années, on peut proposer un moteur de référence dont les caractéristiques, en ordres de grandeur, sont les suivantes :
-
poussée au point fixe : 220 kN ;
-
consommation en croisière : 0,45 kgH2/s.
À...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - IATA - Liquid hydrogen as a potential low-carbon fuel for aviation. - IATA Fact Sheet 7, http://www.iata.org/contentassets/d13875e9ed784f75bac90f000760e998/fact_sheet7-hydrogen-fact-sheet_072020.pdf (2014).
-
(2) - RAYMER (D.L.) - Aircraft Design : A Conceptual Approach. - American Institute of Aeronautics & Astronautics, ISBN 978-1624104909, 1062 p. (2018).
-
(3) - TORENBEEK (E.) - Advanced Aircraft Design : Conceptual Design, Technology and Optimization of Subsonic Civil Airplanes. - Wiley, ISBN 978-1118568118, 436 p. (2013).
-
(4) - GUILER (R.W.) - Control of a swept wing tailless aircraft through wing morphing. - ICAS 2008 : 26th Congress of International Council of the Aeronautical Sciences, Paper ICAS 2008-2.7.1.
-
(5) - OKONKWO (P.), SMITH (H.) - Review of evolving trends in blended wing body aircraft design. - Progress in Aerospace Sciences, vol. 82, 2016, DOI 10.1016/j.paerosci.2015.12.002.
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