Soutenance mémoire
Au cours des dernières décennies, les avionneurs n’ont cessé d’augmenter la quantité d’équipements électriques et électroniques présents dans les avions. D’une part, cette augmentation vient de la demande croissante en équipements électroniques de contrôle et de commande qui ont permis d’améliorer grandement la sécurité des avions grâce à des systèmes comme la gestion des réacteurs ou le pilotage des commandes de vol. D’autre part, du fait des progrès de l’électronique de puissance [Barruel05], on a vu apparaitre de plus en plus d’actionneurs électriques. Cette évolution, qui consiste à remplacer les systèmes fluidiques par des systèmes électriques, porte alors le nom d’avion plus électrique. Le principal inconvénient de l’électrification des avions est l’augmentation de la complexité des réseaux électriques. En effet, on peut compter entre 500 km et 800 km de câblages sur un A380. Dans ce contexte, la solution consistant à faire cohabiter les transmissions de données et de puissance au sein de mêmes câbles grâce à la technologie courant porteur en ligne (CPL) pourrait contribuer à réduire la complexité des câblages dans les avions. Nous proposons dans cette étude de nous focaliser sur le système de commande de vol, et ceci pour plusieurs raisons. Premièrement, les commandes de vol sont des systèmes électrifiées depuis plusieurs décennies (1980 pour Airbus), ce qui permet de bénéficier de la maturité des technologies dans ce domaine. Deuxièmement, les distances entre les calculateurs destinés aux commandes de vol et les actionneurs peuvent être relativement longues, une trentaine de mètres, ce qui permet d’envisager une réduction de câblage sensiblement importante. Enfin, le dernier avantage est que, dans cette étude, nous n’allons pas considérer le réseau alternatif de puissance actuellement utilisé pour les commandes de vol mais un nouveau réseau de transmission de puissance continue ±270 V (high voltage direct current, HVDC). Ce réseau à l’avantage d’être filtré, ce qui limite les perturbations électromagnétiques sur les lignes de puissance. De plus, comme ce réseau n’est pas encore défini, il est possible d’influencer sa conception pour l’adapter à une transmission CPL.
Le Projet Clean sky
Le projet Clean Sky est le projet finançant cette thèse [Clean Sky]. C’est un projet européen de recherche d’un budget de 1,6 milliard d’euros financé à 50 % par la commission européenne et à 50 % par des partenaires privés (EADS, Airbus, Eurocopter, Fraunhofer, Alenia Aermacchi, Agusta Westland, Safran, Thales, SAAB, Dassault aviation, Liebherr, Rolls-Royce) sur la période 2008-2013. Les objectifs de ce projet sont :
• d’accélérer le développement de technologies adaptées à une génération de transports aériens plus propres,
• de garantir une coordination efficace de la recherche aéronautique à l’échelle de l’Europe,
• de permettre la mise en place d’un système de transport aérien innovant et compétitif,
• d’améliorer la production de connaissances de même que l’exploitation des résultats de la recherche.
Du point de vue quantitatif le but est de réduire, d’ici à 2020, les émissions de CO2 de 50 %, celles des oxydes d’azote NOx de 80 % et la pollution sonore de 50 %.
Le projet Clean Sky est divisé en 6 démonstrateurs technologiques intégrés :
• Les aéronefs à voilure fixe intelligents ciblés sur les technologies d’ailes ;
• Les avions de transport régional verts (moteurs, gestion de l’énergie et nouvelles configurations silencieuses) ;
• Les giravions verts ciblés sur l’installation de pales et de moteurs innovants, moins bruyants, réduisant les traînées, plus économes en carburant;
• Les systèmes pour des opérations respectueuses de l’environnement ciblés sur les équipements et les architectures ainsi que la gestion thermique ;
• Les moteurs durables et verts ciblés sur le développement de technologies pour des systèmes à basse pression légers et silencieux de même qu’à la réduction des oxydes d’azote (NOx) ;
• L’écoconception ciblés sur le cycle de vie des matériaux et des composants (conception, fabrication, entretien et destruction/recyclage).
Les travaux sur les courants porteurs en ligne appliqués aux commandes de vol s’inscrivent dans le démonstrateur « systèmes pour les opérations respectueuses de l’environnement ».
Introduction aux réseaux de puissance avion
L’avion « plus électrique » est le nom donné par le monde aéronautique aux différentes évolutions apportées dans les avions grâce à l’utilisation de l’énergie électrique, et ceci dans le but de réduire les couts de construction et de possession et, au travers de la diminution de masse, de diminuer la consommation et donc la pollution. Pour ce faire, équipementiers et avionneurs cherchent à remplacer progressivement les systèmes fluidiques par des systèmes électriques. Dans ce paragraphe nous allons aborder la problématique de l’électrification des avions en expliquant pourquoi il a été nécessaire d’avoir plusieurs types de réseaux d’énergie (hydraulique, pneumatique et électrique) et pourquoi on cherche actuellement à électrifier le maximum de systèmes. Ensuite nous nous intéresserons à la génération des différentes sources d’énergie. Puis nous nous focaliserons sur l’étude des commandes de vol. Enfin nous présenterons les réseaux HVDC et les raisons qui poussent les équipementiers à proposer ce nouveau type de réseaux.
Électrification des avions : pourquoi des réseaux électriques dans les avions?
Dans un avion on peut classer les différentes sources d’énergie en deux types : premièrement l’énergie propulsive générée par les moteurs et, deuxièmement, l’énergie non propulsive ou de servitude qui sert au fonctionnement de tous les équipements annexes (commandes de vol, instrumentations…) [Barruel05], [Baumann09]. À l’origine, cette dernière était fournie par l’homme qui assurait toutes les fonctions annexes, du démarrage du moteur au contrôle du vol. Avec l’augmentation de la taille des avions et donc de la puissance des charges, il devint nécessaire d’utiliser d’autres énergies que l’énergie humaine pour assurer différentes tâches comme les commandes de vol ou le relèvement des trains d’atterrissage. Ainsi naquirent les premiers réseaux d’énergies avions dont la puissance est généralement générée par le ou les moteurs de propulsion. Ces réseaux sont de trois types : les réseaux hydrauliques (système de freinage…), les réseaux pneumatiques (pressurisation de la cabine, démarrage des moteurs, dégivrage…) et les réseaux électriques (commandes de vol, instrumentations…). Parallèlement aux réseaux d’énergies nécessaires aux actionneurs, la partie commande des avions nécessita de plus en plus de capteurs et autres instruments de vol.
L’augmentation du nombre de réseaux d’énergie n’est pas sans inconvénient :
• Pour gérer ces nouveaux systèmes pendant le vol, le nombre de membre d’équipage a augmenté. Ainsi 4 personnes sont nécessaires dans le cockpit pour assurer une liaison transatlantique dans les années 60 : un pilote, un copilote, un navigateur et un chef mécanicien ;
• Alors que, plus que tout autre véhicule, les aéronefs sont soumis à de fortes contraintes de masse et d’encombrements, ces systèmes ont pris une part de plus en plus importante dans les devis de masse et d’encombrement ;
• L’augmentation de la complexité liée à la multiplication des systèmes va à l’encontre de la nécessité d’assurer la sûreté des vols. Cette assurance à un impact direct non seulement sur les coûts de conception mais aussi sur la maintenance.
En ce qui concerne le réseau hydraulique, son utilisation implique une forte augmentation de la masse des organes mécaniques et des fluides embarqués. Les problèmes de fuites et d’usures sont les inconvénients majeurs de ce type de transmission de puissance. Sa complexité a induit des essais de certification nouveaux, des procédures de maintenance strictes, etc. De même, l’utilisation d’instruments de bord mécaniques a certes permis d’exploiter les aéronefs dans des conditions plus difficiles (vol sans visibilité, atterrissage aux instruments, etc.) mais a induit une saturation du cockpit et un niveau de bruit élevé. Ainsi, dans un souci de fiabilité, de maintenabilité, de flexibilité et de réduction de masse, différents réseaux électriques destinés à différents équipements électriques ont progressivement vu le jour dans le but de remplacer les équipements hydrauliques et mécaniques.
Génération d’énergie dans un avion
Comme nous l’avons vu précédemment dans un avion, les énergies sont de deux types : l’énergie de propulsion et l’énergie de servitude dont le but est de faire fonctionner les systèmes embarqués. Que l’énergie soit hydraulique, pneumatique ou électrique, cette dernière doit être générée par différentes sources dans le but de garder en fonction les organes indispensables (commandes de vol, instruments de bords …) y compris lorsque les moteurs de propulsion sont arrêtés (au parking, en panne).
La principale source de génération d’énergie des avions est ses réacteurs qui servent à la fois de source d’énergie de propulsion et de source d’énergie de servitude. Une grande innovation apportée par l’électronique est l’utilisation du full authority digital engine control (FADEC) qui permet de gérer le fonctionnement du moteur grâce à un calculateur numérique de pleine autorité. Ce dernier a la possibilité d’agir sur tous les paramètres de réglages du moteur (débit carburant, positions des stators, etc.) sur toute leur plage de variation et prend en compte un certain nombre de paramètres comme la densité de l’air, la position des manettes de gaz, la température et la pression des moteurs. Pour générer l’énergie hydraulique et électrique, un arbre relie le corps haute pression du réacteur à des génératrices hydrauliques et électriques. L’énergie pneumatique est quant à elle directement prélevée sur le compresseur du moteur. En ce qui concerne l’énergie électrique, le système couramment utilisé est l’integrated drive generator (IDG) qui fournit une tension de 115 V à une fréquence de 400 Hz. Ce dernier est cependant remplacé par le variable frequency generator (VFG) qui fournit une tension de 115 V à une fréquence comprise entre 360 et 800 Hz. L’utilisation d’un réseau alternatif variable vient du fait que le constant speed drive (CSD) qui régulait la vitesse de rotation du générateur pour fournir une fréquence fixe de 400 Hz à l’IDG a été supprimé. La suppression du CSD permet de s’affranchir d’un système couteux (sousbrevet) et dont la fiabilité n’est pas optimale. On peut aussi arguer que cela permet une diminution de masse d’environ 20 % par rapport au CSD. Cependant, cette diminution est à relativiser puisqu’il est alors nécessaire d’ajouter des charges électroniques qui compensent une partie de cette réduction de masse.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I, CPL POUR L’AVIONIQUE
I. Le Projet Clean sky
II. Introduction aux réseaux de puissance avion
2.1 Électrification des avions : pourquoi des réseaux électriques dans les avions ?
2.2 Génération d’énergie dans un avion
2.3 Commandes de vol électriques
2.4 Réseau HVDC
III. Introduction aux systèmes avioniques
3.1 Systèmes de tolérance aux fautes
3.2 Architectures avioniques
3.3 AFDX
3.4 Bus de terrain destinés aux commandes de vol
IV. Introduction générale à la technologie courant porteur en ligne
4.1 Principe et historique du CPL
4.2 Standard Homeplug Av
4.3 Autres standards CPL
4.4 État de l’art dans les systèmes embarqués
V. Intérêt de l’utilisation du CPL pour les commandes de vol par rapport aux autres technologies de transmission
VI. Présentation de l’étude
6.1 Intérêts du CPL pour les commandes de vol
6.2 Nécessité de redéfinir la couche physique
6.3 Définition de l’étude
VII. Conclusion
CHAPITRE II, ÉTUDE ET ANALYSE DU CANAL DE PROPAGATION
VIII. Rappels théoriques sur les lignes de transmission
8.1 Théorie des lignes de transmission
8.2 Intérêt de la paire torsadée
IX. Description des différents canaux de propagation
9.1 Architecture 1 : topologie point-à-point avec coupleurs capacitifs
9.2 Architecture 2 : topologie point-à-point avec coupleurs inductifs
9.3 Architecture 3 : topologie point-à-multipoint avec coupleur inductif
9.4 Les différents harnais utilisés
X. Études préliminaires
XI. Mesure et analyse de la fonction de transfert
11.1 Principe des mesures de fonctions de transfert
11.2 Configurations mesurées
11.3 Résultats
11.4 Analyse des caractéristiques du canal
XII. Mesures de bruit
12.1 Présentation générale des bruits présents sur les réseaux électriques
12.2 Description des mesures de bruit
12.3 Résultats
XIII. Conclusion
CHAPITRE III, DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME OFDM ET DE CODAGE DE CANAL
XIV. État de l’art des technologies de communications numériques utilisées dans les systèmes CPL
14.1 Codage de canal
14.2 Principe général de l’OFDM
14.3 Préfixe cyclique
14.4 Égalisation
14.5 Synchronisation
14.6 Extinction des sous-porteuses
14.7 Sous-porteuses pilotes
14.8 Allocation binaire
14.9 LP-OFDM
14.10 Intérêt de l’OFDM pour le CPL
XV. Étude paramétrique
15.1 Spécifications relatives à la qualité des communications
15.2 Démarche générale
15.3 Contraintes électromagnétiques
15.4 Durée du symbole OFDM
15.5 Contraintes de réalisation
15.6 Compatibilité avec les bus de terrain
15.7 Calcul de capacité et de débit
15.8 Optimisation des paramètres OFDM
XVI. Simulation d’une chaîne de transmission
16.1 Schéma synoptique de la chaîne
16.2 Définition du Eb/N0
16.3 Influence du préfixe cyclique
16.4 Dimensionnement du codage convolutif
16.5 Dimensionnement du système de codage Reed-Solomon
16.6 Optimisation du TEB
16.7 Point de fonctionnement
16.8 Temps de traitement des décodeurs
16.9 Résumé des caractéristiques de la couche physique
XVII. Conclusion
CHAPITRE IV, DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME DE SYNCHRONISATION
CONCLUSION
