Premier vol réussi pour la maquette d’aéronef à propulsion distribuée

DECOL, naissance d’un projet de recherche collaboratif et transverse

Baptisé DECOL pour DEmonstrateur COntrôle Latérale, le drone équipé de ses huit moteurs électriques d’une puissance de 1200 watts (W), a suivi un plan de vol précis et testé plus de 70 paramètres de vol. Ce protocole a permis de vérifier les vitesses de décollage, atterrissage et de décrochage et de valider les systèmes de mesure et de contrôle. Ce premier vol constitue une étape majeure dans le développement de ce démonstrateur de 2 mètres d’envergure.

Tout a commencé sur le Campus de l’Institut.
DECOL est né de la volonté de l’équipe du Département Conception et conduite des Véhicules Aéronautiques et Spatiaux (DCAS) de faire émerger une activité de démonstrateur volant.
L’expérimentation en vol sur maquettes d’avion entre dans le cadre des travaux de recherche de ce département sur les nouvelles configurations d’avions à propulsion électrique. Fruit de la collaboration entre les différents départements de recherche, les choix ont été faits en s’appuyant sur les capacités de fabrication et d’expertise des équipes techniques de l’ISAE-SUPAERO. Le démonstrateur a été construit pour les ailes et l’empennage en composite carbone aux ateliers du Département Structures et Matériaux (DMSM) et à l’espace de prototypage (Fablab) de l’InnovSpace pour la partie fuselage carbone et bois et l’assemblage final. Les équipes du Département Ingénierie des Systèmes Complexes (DISC) et du DCAS ont réalisé la partie câblage et les systèmes embarqués. Des étudiants en cursus ingénieur, master et alternants ont également participé au projet, à différents niveaux de conception. Une revue critique de conception a eu lieu avec des experts de l’ISAE-SUPAERO et de l’ONERA (Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales).

Une thèse dédiée à la propulsion distribuée pour réduire l’empreinte écologique

Cette activité de démonstrateur volant s’inscrit dans le cadre de la thèse d’Éric Nguyen Van de l’École doctorale Systèmes (EDSYS). Cette thèse est financée à hauteur de 50% par l’ONERA. Les objectifs sont, d’une part de proposer une méthode de co-design pour à la fois concevoir les lois de commande des moteurs et dimensionner la dérive tout en respectant des contraintes qualités de vol et de sûreté et d’autre part, de donner un point de comparaison avec une solution éprouvée en vol sur démonstrateur.
Ainsi un objectif plus précis est de rechercher le meilleur dimensionnement de la dérive d’un avion. Un empennage vertical plus petit permet de consommer moins de carburant, mais demande plus d’effort pour le pilotage de l’avion. Afin de soulager le pilote, des systèmes de contrôle automatique peuvent prendre le relais pour stabiliser l’avion en utilisant la poussée des moteurs, en jouant sur la propulsion distribuée.
« Plutôt que de concevoir les systèmes les uns après les autres, on va chercher à optimiser la taille de la dérive et les systèmes de contrôle ensemble par co-design tout en respectant des contraintes qui sont donnés par les qualités de vol et la sûreté » précise Éric Nguyen. Ce procédé permet d’avoir un résultat combiné de l’étude des deux systèmes, meilleur que l’optimum de chaque système pris séparément.
La propulsion électrique distribuée présente aussi un temps de réaction bien meilleur qu’un moteur à combustion ou une turbomachine. L’utilisation de la poussée différentielle pour contrôler l’avion est un avantage supplémentaire. En utilisant cette capacité, il est possible de réduire la surface de la dérive et d’économiser du carburant ou d’emporter plus de batterie sur un avion entièrement électrique.

Des perspectives d’avenir pour répondre aux enjeux environnementaux du transport aérien

Ce vol est ainsi le premier d’une longue série qui permettra d’estimer et d’étudier à la fois les interactions aéro-propulsives qui se produisent entre les hélices/fans et l’aile, la dynamique de vol avec l’utilisation de la propulsion comme moyen de contrôle actif de l’avion et sur l’emplacement optimal d’une propulsion électrique sur un avion. L’objet de l’étude est le segment du transport aérien régional mais la méthodologie peut aussi être appliquée à tout aéronef qui utiliserait une propulsion électrique distribuée, comme dans l’exemple des taxi-volants.

« La thèse d’Éric vise un avion de transport régional de 40 à 70 passagers à propulsion électrique distribuée à hélice (Mach 0.5-0.6). Il s’agit d’une étude complémentaire de celles menées à l’ONERA avec le concept d’avion général tout électrique AMPERE pour 6 passagers (500km à 250km/h) et celui d’un avion de transport hybride DRAGON pour 100 passagers (1000km à Mach 0.7), tous les deux à fans carénés » nous dit Carsten Döll, un de ses directeurs de thèse, chercheur à l’ONERA, co-financeur de la thèse.

Ces recherches sont ainsi menées grâce à la Chaire CEDAR « Chaire for Eco-Design of AiRcraft » créé conjointement par Airbus, l’ISAE-SUPAERO, sa Fondation et l’ONERA. Elle a pour objectif de définir des concepts disruptifs du transport aérien grâce à l’introduction, dès la conception de l’avion, de technologies innovantes afin de réduire l’empreinte écologique. Les efforts de recherche se focaliseront en particulier sur la prise en compte de missions émergentes dans le transport aérien, tel que le transport interurbain sur 200 à 300 km.

Plus d’informations sur la Chaire CEDAR.