Evolution des besoins énergétiques dans les avions

Evolution des besoins énergétiques dans les avions

Sources primaires d’énergie des avions

Moteurs

Les principales sources primaires d’énergie d’un avion sont les moteurs. Ils permettent de propulser l’avion (en vol comme au sol). Les moteurs sont des machines complexes, qui peuvent représenter jusqu’à 30% du prix d’achat d’un avion. Ce sont aujourd’hui des turboréacteurs sur les avions civils de taille importante, tels que ceux de la famille Airbus, de l’A320 à l’A380. La poussée est produite par l’éjection de gaz à grande vitesse vers l’arrière. La technologie, utilisée sur les avions de ligne modernes, est dite à « double flux » car elle permet le meilleur compromis rendement/bruit/souplesse . L’air rentrant dans le moteur est composé de deux flux : le flux primaire qui fait un parcours complet dans le moteur et le flux secondaire qui passe uniquement dans le premier étage du moteur (la grande hélice appelée « soufflante »). La majeure partie de la poussée est produite par le flux secondaire (80 %) [LOU06]. Physiquement, le moteur est constitué de deux équipages mobiles : « basse pression » et « haute pression » (respectivement notés « BP » et « HP » ).

Sur des avions de taille moins importante (inférieures à 100 passagers), ne nécessitant pas une vitesse importante (moins de 800 km/h), des turbopropulseurs sont utilisés. Ce type de motorisation à hélice est utilisé pour les ATR42/ATR72 qui sont très populaires pour les trajets court- courriers (moins de 1500 km), grâce notamment à leurs faibles consommations de carburant.

APU

Lorsque l’avion est au sol et que les moteurs sont éteints, l’alimentation en énergie de l’avion est réalisée par une source auxiliaire de puissance (APU : Auxiliary Power Unit). Cette turbine alimentée en kérosène est installée dans la queue de l’avion. Elle tourne à fréquence fixe et fournit de l’énergie pneumatique et électrique à l’ensemble de l’avion. De plus, l’APU assure le démarrage des moteurs de l’avion. Une turbine (Air Starter Turbine) est entraînée par l’air comprimé fourni par l’APU afin d’entraîner mécaniquement le moteur pendant la phase de démarrage.

RAT

En vol, en cas de perte totale de génération, lorsque tous les moteurs sont perdus par exemple, la RAT (Ram Air Turbine) est déployée. Il s’agit d’une éolienne entraînée par le flux d’air créé par l’avion en mouvement. Cette éolienne, déployée sous l’aile de l’avion ou le fuselage, permet d’alimenter les systèmes permettant de ramener l’avion au sol (calculateurs, actionneurs de commande vol, alimentation des instruments du cockpit,…). Depuis l’A380, cette RAT jusqu’ici à puissance hydraulique est passée en puissance électrique.

Groupe de parc
Il existe une dernière option pour alimenter l’avion en énergie : le groupe de parc. Cet équipement n’est pas embarqué dans l’avion, il s’agit d’un groupe électrogène appartenant aux aéroports et pouvant être branché à l’avion par l’intermédiaire de prises situées sous le nez de l’avion : les prises de parc. L’avion peut ainsi être alimenté au sol en énergie électrique sans APU ou moteurs allumés.

Principaux vecteurs énergétiques des avions

L’analyse des sources de puissance primaire présentées nous apprend qu’il existe 4 vecteurs énergétiques produits dans un avion moderne : mécanique, électrique, hydraulique et pneumatique. Le moteur produit ces 4 vecteurs  tandis que l’APU ne produit que de l’énergie électrique et pneumatique. Selon les avions, la RAT fournit de l’énergie hydraulique et/ou électrique et les groupes de parc uniquement de l’électricité.

Pour les moteurs, l’énergie mécanique est directement produite à partir de l’arbre auxiliaire, lui-même mis en mouvement par un engrenage couplé sur l’arbre « haute pression » du moteur. Les pompes à huile et à carburant sont uniquement mises en mouvement grâce à l’usage du moteur et consomment une puissance moins élevée que les autres vecteurs énergétiques. L’énergie électrique et l’énergie hydraulique sont produites respectivement par des générateurs électriques et des pompes hydrauliques entraînés mécaniquement par les moteurs. Ces équipements sont également entraînés par l’arbre auxiliaire du moteur. Quant à l’énergie pneumatique, elle est issue d’un prélèvement d’air chaud comprimé dans les étages intermédiaires du compresseur du moteur. Cet air est prélevé avant toute adjonction d’hydrocarbures, il est donc parfaitement pur et sert en particulier au conditionnement d’air de la cabine.

La quantité de puissance prélevée sur les moteurs, pour alimenter les systèmes non propulsifs, représente environ 3 % de la puissance totale produite par les moteurs (plus de 97 % de la puissance des moteurs sert donc à mouvoir l’avion). les quantités de puissance prélevées varient selon la forme de puissance et la phase de la mission. Ainsi nous remarquons la prédominance de la puissance pneumatique qui représente jusqu’à 75 % de la puissance prélevée aux moteurs pour certaines phases de la mission (Take-off, Climb,…). L’énergie électrique représente moins de 20 % de la puissance des « systèmes » prélevée au niveau des moteurs.

Dans la suite de cette partie, nous présentons un panorama synthétique des principaux systèmes consommateurs d’énergie présents dans des avions dits « conventionnels », (appartenant aux familles Airbus A320 ou A330). Les systèmes sont classés selon les 3 principaux vecteurs énergétiques.

Systèmes à puissance pneumatique

Les systèmes les plus énergivores dans un avion sont à puissance pneumatique. L’air comprimé prélevé au niveau des moteurs de l’avion est réparti vers les différents consommateurs par l’intermédiaire du réseau pneumatique (le Bleed). Ces consommateurs sont :

❖ le système de conditionnement d’air (ECS : Environmental Control System), en charge de maintenir dans l’avion une atmosphère sous des conditions de pression et de température suffisante pour effectuer un voyage en haute-altitude. Ce système complexe, dont un schéma est donné Figure I-6, est constitué de deux packs de conditionnement d’air alimentés par l’air sous pression issu des moteurs. Les packs produisent de l’air frais à la bonne pression. Cet air est envoyé dans un mélangeur (Mixer Unit) afin d’être mélangé avec celui issu des différentes zones pressurisées de l’avion : cabine, cockpit, baie avionique et soute. L’air produit par ce mélange est ensuite réinjecté dans les différentes zones de l’avion.

❖ le système d’antigivrage et de dégivrage (WIPS : Wing Ice Protection System), qui permet d’éviter (antigivrage : anti-ice) la formation de glace sur des surfaces telles que les ailes ou l’entrée des moteurs. En effet, l’existence de surfaces givrées peut modifier les profils des ailes augmentant excessivement le poids de l’avion et modifiant ses qualités de vol.

❖ le démarrage des moteurs (turbopropulseurs), est réalisé à l’aide de l’injection dans une turbine (Air Starter Turbine) d’un air comprimé et chaud prélevé au niveau de l’APU.

Systèmes à puissance hydraulique

Sur les avions conventionnels (jusqu’à l’A380), trois circuits hydrauliques sont pressurisés par des pompes hydrauliques entrainées mécaniquement par les réacteurs. Pour les avions civils, la pression nominale se situe autour de 200 bars. Ces trois circuits sont classiquement identifiés par un code couleur : Jaune, Bleu, Vert. Les différents systèmes hydrauliques sont alimentés par l’intermédiaire d’un réseau complexe de canalisations. Ces consommateurs d’énergie sont principalement des systèmes d’actionnement. En effet, les actionneurs hydrauliques offrent un bon ratio masse/effort et ils sont donc adaptés pour réaliser des fonctions nécessitant des efforts importants à faible vitesse et sur des temps courts. Un exemple typique est le vérin hydraulique utilisé dans les servocommandes.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I Contexte et problématiques de conception d’un réseau électrique embarqué
I.1 Evolution des besoins énergétiques dans les avions
I.1.1 Sources primaires d’énergie des avions
I.1.1.1 Moteurs
I.1.1.2 APU
I.1.1.3 RAT
I.1.1.4 Groupe de parc
I.1.2 Principaux vecteurs énergétiques des avions
I.1.2.1 Systèmes à puissance pneumatique
I.1.2.2 Systèmes à puissance hydraulique
I.1.2.3 Systèmes à puissance électrique
I.1.3 L’avion plus électrique
I.1.3.1 Avion « Hydraulicless»
I.1.3.2 Avion « Bleedless »
I.1.3.3 Les gains attendus
I.1.3.4 Les verrous à lever
I.2 Fonctions et composants des réseaux électriques embarqués
I.2.1 L’objectif du réseau électrique
I.2.2 Fonction F1 : Générer la puissance électrique
I.2.2.1 Fonction F1.1 : Générer la puissance électrique à partir des moteurs
I.2.2.2 Fonction F1.2 : Générer la puissance électrique à partir de l’APU
I.2.2.3 Fonction F1.3 : Générer la puissance électrique en situation d’urgence
I.2.2.4 Fonction F1.4 : Générer la puissance électrique pour une durée déterminée
I.2.3 Fonction F2 : Adapter les niveaux de tension
I.2.3.1 Fonction F2.1 : Convertir une tension AC ou HVAC en une tension DC
I.2.3.2 Fonction F2.2 : Convertir une tension HVAC en une tension AC (bidirectionnelle)
I.2.3.3 Fonction F2.3 : Convertir une tension HVAC en une tension HVDC
I.2.3.4 Fonction F2.4 : Convertir une tension HVDC en une tension DC (bidirectionnelle)
I.2.4 Fonction F3 : Distribuer la puissance électrique
I.2.4.1 Fonction F3.1 : Transporter la puissance électrique
I.2.4.2 Fonction F3.2 : Connecter les charges au réseau
I.2.4.3 Fonction F3.3 : Configurer le réseau
I.2.5 Fonction F4 : Gérer les charges
I.2.5.1 Fonction F4.1 : Protéger le réseau électrique
I.2.5.2 Fonction F4.2 : Connecter/Déconnecter les charges
I.2.6 Autres fonctions
I.2.7 Résumé de la description du réseau électrique embarqué
I.2.8 Profils de mission du réseau électrique : les cas de charge
I.2.8.1 Dimension d1 : les phases de la mission
I.2.8.2 Dimension d2 : les modes du réseau
I.2.8.3 Dimension d3 : les modes des systèmes
I.2.8.4 Dimension d4 : les conditions extérieures
I.2.8.5 Impact des cas de charge
I.3 PARTIE 1 : problématiques de conception du réseau électrique embarqué
I.3.1 Etat de l’art sur la conception des réseaux électriques dans les avions
I.3.1.1 Exemples illustratifs de recherches sur l’avion plus électrique
I.3.1.2 Positionnement et manque des études existantes
I.3.2 Un nouveau problème de conception
I.3.2.1 Positionnement dans le cycle de conception et problématiques traitées
I.3.2.2 Un problème de conception optimale
I.3.3 Problématique 1.A : définition des configurations du réseau
I.3.3.1 Mode du réseau
I.3.3.2 Configuration de contacteurs
I.3.3.3 Scénario de reconfiguration
I.3.4 Problématique 1.B : définition de l’allocation de charges
I.3.5 Dimensionnement des sources du réseau électrique
I.3.5.1 Etape n°1 : identification du « pire » cas pour les sources
I.3.5.2 Etape n°2 : application des lois de masse
I.3.5.3 Etape n°3 : application des contraintes économiques
I.3.5.4 Exemple de processus de dimensionnement
I.3.6 Approche globale retenue
I.3.6.1 Une explosion combinatoire
I.3.6.2 Approche séquentielle
I.3.7 Cas d’application
I.3.7.1 Réseau de référence
I.3.7.2 Deux problèmes de tailles et complexités différentes
I.4 PARTIE 2 : problématique de conception du cœur électronique modulaire et mutualisé
I.4.1 Pourquoi un nouveau type de cœur ?
I.4.1.1 Structures classiques d’alimentation des charges à piloter dans un avion
I.4.1.2 Des consommations de charges fluctuantes et non simultanées
I.4.2 Présentation du concept de cœur électronique modulaire et mutualisé
I.4.2.1 Etat de l’art sur la modularité et la mutualisation de l’électronique dans l’aéronautique
I.4.2.2 Constitution et principes de fonctionnement
I.4.2.3 Un dispositif robuste face à la perte de modules
I.4.2.4 Un dispositif capable de s’adapter aux fluctuations de consommation
I.4.2.5 Insertion du cœur électronique modulaire et mutualisé dans le réseau
I.4.3 La reconfiguration : une problématique centrale pour la conception du cœur électronique modulaire et mutualisé
I.5 Conclusions
Chapitre II : Scénarii de reconfiguration
II.1 Etat de l’art sur les reconfigurations des réseaux électriques
II.1.1 Les réseaux de distribution terrestres
II.1.1.1 Méthodes heuristiques
II.1.1.2 Méthodes métaheuristiques
II.1.1.3 Système experts
II.1.2 Les réseaux embarqués
II.1.2.1 Dans les navires
II.1.2.2 Dans les avions
II.1.3 Utilisation des graphes
II.2 Modélisation du réseau par la théorie des graphes
II.2.1 La théorie des graphes
II.2.1.1 Historique sur la théorie des graphes
II.2.1.2 Définitions relatives aux graphes non-orientés
II.2.2 Modélisation du réseau électrique par un graphe
II.2.2.1 Modélisation de la structure du réseau électrique
II.2.2.2 Modélisation de la configuration de contacteurs
II.2.3 Les algorithmes de la théorie des graphes
II.2.3.1 Algorithme de recherche des chemins entre 2 nœuds (ALGO-1)
II.2.3.2 Algorithme de recherche du plus court chemin entre 2 nœuds (ALGO-2)
II.2.3.3 Algorithme hybride : plus court chemin + N nœuds (ALGO-3)
II.2.4 Exploitation des algorithmes
II.2.4.1 Load Flow en puissance
II.2.4.2 Modélisation de la connectivité du réseau pour le système expert
II.3 Génération des scénarii de reconfiguration par un système expert
II.3.1 Systèmes experts
II.3.1.1 Présentation générale
II.3.1.2 Les systèmes experts pour résoudre le problème de reconfiguration
II.3.2 Environnement de développement CLIPS
II.3.3 Représentation des données du problème
II.3.3.1 Types de représentation des données
II.3.3.2 Classes d’objet
II.3.3.3 Exemple de représentation d’un réseau en CLIPS
II.3.4 Représentation de la connaissance par des règles
II.3.4.1 Architecture d’une règle
II.3.4.2 Règles de construction
II.3.4.3 Règles obligatoires
II.3.5 Génération de configurations par un raisonnement
II.3.5.1 Processus général de raisonnement
II.3.5.2 Construction de configurations par un raisonnement
II.3.5.3 Exemple de construction de configuration
II.3.5.4 Génération d’un scénario de reconfiguration
II.3.6 Génération de plusieurs scénarii de reconfiguration
II.3.6.1 Par réglage des priorités des règles de construction
II.3.6.2 Par ajout de règles de construction
II.3.6.3 Génération de plusieurs scénarii de reconfiguration
II.4 Evaluation et sélection des scénarii de reconfiguration par la programmation linéaire
II.4.1 Une allocation de charges dite « continue »
II.4.2 Formulation du problème d’allocation de charges par la programmation linéaire
II.4.2.1 Généralités sur la programmation linéaire
II.4.2.2 Formulation du problème d’allocation de charges par la programmation linéaire
II.4.3 Allocation « mixte » par la programmation linéaire
II.5 Performance de l’approche
II.5.1 Application d’un système expert à des réseaux existants
II.5.1.1 Objectif et méthodologie du test
II.5.1.2 Constitution des réseaux
II.5.1.3 Résultats et analyses
II.5.2 Application du système expert au réseau de référence
II.5.2.1 Complétude de la génération de configurations
II.5.2.2 Précision de l’évaluation des scénarii de reconfiguration
II.5.2.3 Performance des scénarii produits par le système expert
II.6 Conclusions
Chapitre III : Allocation de charges
III.1 Etat de l’art sur l’allocation de charges
III.1.1 Problème d’affectation à trois dimensions
III.1.1.1 Analogies et différences avec le problème d’allocation de charges
III.1.1.2 Méthodes de résolution
III.1.2 Problème du sac à dos
III.1.2.1 Analogies et différences avec le problème d’allocation de charges
III.1.2.2 Les méthodes de résolution
III.1.3 Conclusion sur le positionnement du problème d’allocation de charges
III.2 Problème d’allocation de charges
III.2.1 Rappels sur la définition du problème d’allocation de charges
III.2.1.1 Variables de décision
III.2.1.2 Fonction objectif
III.2.1.3 Contraintes
III.2.2 Modélisation des fiabilités des fonctions par des contraintes d’allocation au niveau des barres
III.2.2.1 Type 1 : contraintes d’allocation exprimées de manière quantitative
III.2.2.2 Type 2 : contraintes d’allocation exprimées de manière qualitative
III.2.3 Réalisation d’un codage indirect à valeurs entières
III.2.3.1 Problème de Satisfaction de Contraintes
III.2.3.2 Problème de Satisfaction de Contraintes pour l’allocation des charges
III.2.3.3 Résolution de plusieurs Problèmes de Satisfaction de Contraintes
III.2.3.4 Exemple de codage des variables de décision
III.2.3.5 Application du codage indirect sur les 2 cas d’application
III.3 Résolution du problème d’allocation de charges
III.3.1 Méthodes d’optimisation évaluées
III.3.1.1 Recuit Simulé (RS)
III.3.1.2 Algorithme génétique standard (SGA)
III.3.1.3 Algorithme génétique avec méthode de nichage
III.3.1.4 Algorithme de Monte-Carlo (MCS)
III.3.2 Evaluation des méthodes d’optimisation
III.3.2.1 Problème de taille réduite
III.3.2.2 Problème de taille réelle
III.3.3 Aspect multi-objectifs
III.3.3.1 Présentation des critères supplémentaires
III.3.3.2 Application des critères supplémentaires en post-traitement
III.3.3.3 Comparaison des résultats avec un algorithme multi-objectifs NSGA2
III.4 Conclusions
Conclusion générale

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