Principaux concepts eVTOL en cours de développement

Principaux défis de la technologie eVTOL

Certification de type

Aucun aéronef ne peut opérer commercialement sans avoir reçu un certificat de type (TC : type certification) d’une autorité de certification reconnue (telle que la FAA, l’EASA, l’ANAC ou la TCCA) , ce qui est également le cas pour que l’eVTOL . soit utilisé sur les services OOM / UAM. L’Administration Fédérale de l’Aviation (FAA : Federal Aviation Admnistration) et l’Agence Européenne de la Sécurité Aérienne (EASA : European Aviation Safety Agency) sont les principales autorités au titre desquelles sont délivrés la plupart des TC et certification de type supplémentaire (STC : Supplementary Type Certification) du monde. En outre, les deux entités coopérent étroitement pour maintenir un niveau d’harmonisation relativement élevé entre leurs réglementations de certification. Les efforts de certification des futurs véhicules eVTOL, souhaitant fonctionner dans la plupart des pays occidentaux (y compris sur les grands marchés de l’aviation tels que les ÉtatsUnis et l’Europe), doivent être faits en coopération avec au moins une de ces deux entités.
Au Brésil (où se trouve Sao Paulo), l’Agence Nationale de l’Aviation Civile (ANAC: Agência Nacional de Aviaçao Civil) est l’autorité de certification de l’aviation civile à laquelle il faut s’adresser pour obtenir un certificat de type ou valider le certificat de type d’une autre autorité nationale pour opérer au Brésil. Un certificat de type de la FAA ou de l’AESA sera validé par l’ANAC avec des exigences mineures en termes d’essais supplémentaires ou de documentation.
Contrairement à la certification 1 qualification militaire (axée sur les exigences de la mission), le processus de certification des aéronefs civils (TC ou STC) se concentre sur la démonstration que la conception est conforme aux réglementations visant à garantir le plus haut niveau de sécurité. Gardant à l’esprit ce concept, un nouveau type d’aéronef, comme l’eVTOL, devrait faire l’objet d’un examen approfondi avant de recevoir un TC, ce qui permettra le transport de passagers et, par conséquent, l’exploitation commerciale.
Les discussions sur la base de certification de ces aéronefs ont déjà commencé, mais en raison des multiples types de conceptions (voir 2.3), la définition d’une base de certification unique constitue un défi de taille considérable pour les demandeurs (constructeurs) et les autorités. La base de certification d’un aéronef eVTOL n’est pas encore complètement définie et doit être convenue entre le constructeur et l’autorité, en fonction des spécificités de chaque conception.
Pour illustrer les difficultés rencontrées pour répondre à des exigences de certification spécifiques, choisissons par exemple la condition d’autorotation des hélicoptères. En raison des caractéristiques de rotors de la plupart des multicopters eVTOL (rotors de petit rayon et faible masse), ces véhicules peuvent ne pas être capables d’autorotation (dépend de la conception), condition dans laquelle les hélicoptères doivent pouvoir être contrôlés (FAA 1 EASA partie 27 ou 29, paragraphe 27. 143(a)(2)(v)). Les eVTOLs auront des difficultés à démontrer cette exigence, mais les demandeurs pourront démontrer (par une analyse de conception, des rapports) qu’il est hautement improbable que plusieurs moteurs 1 rotors tombent en panne simultanément, si bien qu’une auto rotation ne serait pas nécessaire.
En ce qui concerne la certification des aéronefs à voilure fixe, par exemple, la Part 23 originale (petits avions) ne convenait pas à la certification de nombreuses technologies utilisées sur les aéronefs eVTOL ailé, à commencer par les moteurs électriques. La Part 23 traitait des moteurs à piston ou à turbine et les moteurs électriques n’étaient pas certifiables en vertu de cette dernière.
La plupart des conceptions eVTOL en cours de développement, cherchant à être exploitées dans le cadre de la partie 135, présentent la masse maximale au décollage (MTOW: Maximum Take-offWeight) et le nombre de passagers entrant dans les certifications de la Part 23 (petit avion) ou de la partie 27 (giravion de catégorie normale) (FAA ou EASA).  » est donc probable qu’une combinaison des réglementations des parties 23 et 27 sera utilisée pour la certification de ces eVTOL en tant que classes spéciales d’aéronefs.
Le processus de certification d’eVTOL peut être traité dans le document 14 CFR, section 21 .17(b) (classes spéciales d’aéronefs), qui définit que pour ces aéronefs « les normes de navigabilité qui n’ont pas été émises …  » les exigences applicables seront  » .. . des parties de ces autres exigences de navigabilité énoncées dans les parties 23, 25, 27, 29, 33 et 35, que la FAA a jugées appropriées
pour l’aéronef et applicables à une définition de type particulière, ou les critères de navigabilité que la FAA peut trouver fournissent un niveau équivalent de sécurité à ces parties ».
En règle générale, les constructeurs d’eVTOL doivent avoir pour objectif de démontrer un niveau de sécurité équivalent ou supérieur aux conceptions actuelles d’avions et d’hélicoptères, afin d’obtenir la certification de type.Le règlement 14 CFR Part 23 de la FM adopté récemment (en vigueur à compter du 30 août 2017) a été reformulé (amendement 64), ce qui a introduit le concept de normes consensuelles pour la démonstration de la conformité aux normes de certification (FM, 2017). Selon la AC 23.2010-1 (FM, 2017), les normes consensuelles sont « des normes développées par l’industrie et que l’Administrateur a accepté d’utiliser comme moyen de conformité aux règlements de la Partie 23 … « . Cela signifie que des institutions non gouvernementales reconnues de l’industrie aéronautique, telles que la Société Américaine des Tests et des Matériaux (ASTM : American Society for Testing and Materials) et la Commission Technique de Radio de l’Aéronautique (RTCA: Radio Technical Commission for Aeronautics), par exemple, peuvent collaborer avec les fabricants pour proposer à l’administrateur (autorité de certification) un autre moyen de démontrer la conformité aux exigences de la Partie 23.
L’EASA s’est harmonisée avec l’amendement 64 de la Partie 23 et a publié une révision du CS-23 (amendement 5), en vigueur depuis le 1 er avril 2017 (EASA, 2017).
Par conséquent, les conceptions eVTOL qui demandent la certification avec une approche de la Partie 23 1 amendement 64 (possible pour les conceptions ailés), demandant une classification dans la classe spéciale (21.17 (b)), sont plus susceptibles d’obtenir la certification plus rapidement que l’approche de la partie 27 (comme le cas pour les multicopters).
Comme le montre ce qui a été exposé ci-dessus, le principal défi réglementaire pour la mise en service d’eVTOL est la certification civile. Bien entendu, cette certification n’exclut pas la nécessité de se conformer à d’autres réglementations locales pour l’utilisation de ces véhicules dans des environnements urbains spécifiques, telles que les réglementations municipales (voir 2.10). On s’attend à ce que les conceptions d’eVTOL qui obtiennent une certification de type soient mieux acceptées pour effectuer la mission UAM que les hélicoptères, en raison des nombreux avantages qu’elle présente en termes d’exploitation durable (pollution, bruit, sécurité).
Par conséquent, on peut dire qu’une base réglementaire est en train d’être établie pour la technologie eVTOL et, bien que cette base soit encore embryonnaire, de gros efforts (de la part des autorités et de l’industrie) sont en cours pour la définir comme un consensus entre les autorités de l’aviation et le l’industrie, et le point de départ pour cela existe déjà.

Autres défis de la technologie evrOL

L’obtention d’une certification de type n’est pas le seul défi que pose la mise en service de véhicules evrOL.
Cette session se contentera d’énumérer et de présenter brièvement quelques-uns des principaux défis supplémentaires. L’impact de ceux qui utilisent concrètement evrOL dans la mobilité aérienne urbaine doit faire l’objet de recherches et d’analyses approfondies.
• Endurance: la densité énergétique (quantité d’énergie disponible par kilogramme de batterie) des batteries chimiques est encore très faible par rapport au carburant fossile, se situant autour de 100-200 Wh 1 kg pour une batterie Li-Ion typique, contre environ 1600 Wh 1 kg pour le kérosène, par exemple (Tyan, Van Nguyen, Kim, & Lee, 2017). Ainsi, afin d’avoir une endurance pratique minimale, les batteries représenteront un pourcentage considérable Uusqu’à 30%) du poids brut de l’aéronef (Ullman, Homer, & Horgan, 2017). Les systèmes hybrides (batteries + générateur auxiliaire) peuvent être utilisés pour augmenter l’endurance, mais apportent le handicap de produire des émissions polluantes au cours de certaines phases du vol.
• Gestion de l’autonomie et de l’espace aérien: la plupart des solutions proposées sur le marché des UAM sont censées avoir des capacités de vol autonomes (Uber, 2016), bien que le vol autonome vienne dans une seconde phase, avec une opération initiale pilotée par un pilote humain. La capacité de vol autonome vise principalement à: réduire le coût de l’opération (pas de pilote à bord) et améliorer les niveaux de sécurité généraux (grâce à une procédure de vol entièrement automatisée). En outre, lorsqu’un grand nombre de ces aéronefs utiliseront l’espace aérien urbain restreint, des modifications considérables devront être apportées aux systèmes de gestion de l’espace aérien et aux règles permettant de faire face au nouveau trafic, tout en maintenant des niveaux de sécurité élevés.
• Licences de pilote: les pilotes seront embarqués au moins pendant les premières années d’exploitation des aéronefs eVTOL. Aucune réglementation spécifique n’indique quel type de licence sera nécessaire (et comment l’obtenir) pour piloter ces aéronefs. En outre, lors de la délivrance de ces licences, il faudra probablement des pilotes possédant une expérience préalable dans les hélicoptères et les avions (ce qui peut entraîner des coûts supplémentaires pour le processus);

Le concept OOM/UAM, et comment il peut contribuer à atténuer les problèmes de circulation dans les grandes métropoles

Le services aériens de mobilité à la demande (OOM : On Oemand Mobility) est un concept créé par la NASA (Holmes et aL , 2017) dans lequel des véhicules aériens entièrement électriques seraient utilisés pour le transport de personnes et de marchandises, dans les zones urbaines ou les trajets inter-urbains. Ces véhicules utiliseraient la troisième dimension (espace aérien) pour résoudre les problèmes créés par l’excès de véhicules dans les rues (espace à deux dimensions) des grands centres urbains. Ce type de service viendrait s’ajouter aux services UAM existants, déjà fournis par des hélicoptères (ambulance aérienne, maintien de l’ordre, surveillance aérienne, taxi aérien, entre autres) ou même le remplacer (et très probablement) à l’avenir.
Les problèmes de congestion du trafic dans les grandes villes comme Los Angeles (États-Unis), Sao Paulo (Brésil) et Bangalore (Inde) ont atteint des niveaux qui ne peuvent pas être facilement résolus par de simples mesures (telles que la limitation du trafic aux heures de pointe, comme à Sao Paulo). Des solutions plus coûteuses, telles que l’amélioration de l’infrastructure urbaine pour les voitures et les bus (élargissement des rues, construction de corridors à grande vitesse et de tunnels), sont longues à mettre en oeuvre, ce qui est généralement en retard sur le taux de croissance du trafic dans ces villes.
À Sao Paulo, par exemple, l’immatriculation de voitures neuves augmente en moyenne de 4% par an (Assunçao, 2005), bien plus que les investissements dans les infrastructures routières. Les investissements dans les véhicules de transport en commun terrestres, tels que le métro, ont également des coûts élevés et sont longs à réaliser. Et, dans le cas des bus, ils peuvent également contribuer négativement au trafic et à la pollution de l’air (car la plupart d’entre eux sont alimentés par des moteurs diesel).
Ce scénario de crise sur les transports au sol (avec les plus gros contributeurs étant les voitures et véhicules lourds) ne se limite pas aux pays en développement, bien que ses caractéristiques y soient plus marquées (en raison du manque criant d’investissements dans les infrastructures de transport). Los Angeles, New York, San Francisco, Londres, Atlanta et Miami font également partie des 10 métropoles les plus congestionnées au monde (INRIX, 2018). La population des 10 villes les plus congestionnées du monde passe en moyenne 2,7 heures par jour dans les embouteillages (voir Tableau 1).
La technologie eVTOL peut être utilisée (avec plusieurs autres, comme le covoiturage, par exemple) pour atténuer ce scénario de crise, en prenant une partie du trafic terrestre dans les airs, en utilisant des véhicules à zéro émission pour cette tâche (en conséquence, en évitant la pollution de l’air, bien que la pollution sonore doive être étudiée). La possibilité d’empiler ces véhicules aériens sur plusieurs niveaux, avec une séparation contrôlée verticale et horizontale entre eux, augmentera considérablement la capacité de transport de personnes / de biens dans l’environnement urbain (voir la Figure 15), ainsi que de courtes routes interurbaines.
Sien sûr, un service aérien de porte à porte (comme un taxi automobile ou un service Uber) ne sera probablement pas pratique dans un premier temps, en raison des aspects opérationnels d’un véhicule volant, comme par exemple: la nécessité de disposer d’une aire d’atterrissage préparée, ou similaire, les profils de décollage et d’approche doivent être dégagés de tout obstacle (tels que bâtiments, lignes électriques, etc.). En outre, l’utilisation privée de ces véhicules par l’utilisateur final, à l’instar des voitures privées, n’est pas envisagée dans un avenir proche, car une licence de pilote devrait pouvoir être utilisée.
Le CONOPS (Concept of Operations) d’UAM eVTOL considérera probablement que ces services de transport fonctionneront à partir de plateformes d’atterrissage dédiées (ou vertiports, appelées par USER) distribuées dans toute la ville et exploitées par des sociétés OOM / UAM. Si nous considérons ce scénario (qui est le plus probable pour le fonctionnement initial de ces services), un exemple de CONOPS pour un service ODM eVTOL pourrait être représenté à la Figure 17.

Table des matières

SOMMAIRE 
TABLE DE MATIÈRES 
LISTE DE TABLEAUX
LISTE DE FIGURES 
LISTE DES ABRÉViATIONS
LISTE DES ANNEXES
REMERCIEMENTS 
1. INTRODUCTION
1.1. Contexte
1.2. Problème général
1.3. Objet de l’étude et localisation
1.4. Objectif et questions de recherche
1.5. Perimètre
2. REVUE DE LITTÉRATURE 
2.1. L’aéronef VTOL convertible (le converti plane)
2.2. Le VTOL électrique
2.2.1. Propulsion électrique et DEP
2.2.2. Contribution environ mentale du eVTOL
2.2.2.1. Pollution sonore
2.2.2.2. Pollution de l’air
2.3. Principaux concepts eVTOL en cours de développement
2.3.1. Complexité de la conception
2.3.2. Performance et bruit
2.4. Principaux défis de la technologie eVTOL
2.4.1. Certification de type
2.4.2. Autres défis de la technologie eVTOL
2.5. Le concept ODM/UAM, et comment il peut contribuer à atténuer les problèmes de circulation dans les grandes métropoles
2.6. Sao Paulo et ses grands problèmes de trafic
2.7. Les helicoptères à Sao Paulo
2.8. Expériences ODM/UAM actuels à Sao Paulo
2.9. L’impact des hélicoptères dans l’environnement urbain
2.10. L’expérience pionnière de New York avec des hélicoptères au service de l’UAM
3. METHODOLOGIE 
3.1 . Les villes idéales pour server de projets pilotes
4. RÉSULTATS ET DiSCUSSiONS
4.1. Sao Paulo et la vision d’USER pour une ville idéale pour la première application eVTOL
4.2. Autres considérations sur Sao Paulo en tant que projet pilote pour le service OOM/UAM
4.3. Proposition de la première opération OOM/UAM eVTOL à Sao Paulo
4.3.1. La décision entre OOM ou horaire fixe
4.3.2. La route
4.3.3. L’aéronef
4.4. Le niveau TRL actuel de la technologie eVTOL
5. CONCLUSIONS
5.1. Technologie
5.2. Réglementaire
5.3. Le marché
RÉFÉRENCES

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