Quels sont les défis majeurs liés à la conception d’un moteur électrique pour l’aviation ?
Marie Fages (directrice stratégie de Safran Electrical & Power) : Le gros enjeu de l’aviation électrique, c’est la masse. Parce que les batteries, ça pèse ! Aujourd’hui, nous sommes limités par la densité massique des batteries.
Safran Florent Nierlich (directeur technique et innovation de Safran Electrical & Power) : Outre la masse, il existe d’autres enjeux de taille. Le premier, c’est l’altitude. Ce paramètre nécessite le renfort du système d’isolation du moteur. Le deuxième, c’est le matériau isolant. Entre les composantes du moteur et le châssis, il peut subir avec l’altitude des phénomènes d’usure prématurée provoquant jusqu’à des ruptures de continuité électrique empêchant le moteur de fonctionner. Typiquement, nous avons travaillé à espacer ces conducteurs. Le troisième est lié aux pannes. En plein vol, le moteur doit en effet être capable de supporter des défaillances temporaires et leurs conséquences. Par exemple le « windmilling » (rotation libre) : alors que le moteur s’est mis en panne, l’hélice, entraînée par le vent, va continuer à tourner et forcer sur le moteur.
Ces phases de panne peuvent durer quinze à vingt minutes en vol. Nous élaborons des mécanismes pour éviter les problèmes qui peuvent en résulter, tels que des propagations de feu ou des projections de débris. Cela pose d’énormes contraintes, notamment de protection des conducteurs et d’agencement mécanique de nos composants électroniques.
Depuis janvier, le moteur électrique de Safran Electrical & Power, l’EngineUS 100, est le premier au monde à être certifié pour l’aviation. Qu’est-ce que cela représente ?
M. F. : C’est un grand pas pour l’aéronautique. Les critères que l’Agence de l’Union européenne pour la sécurité aérienne (Easa) nous demandait sur l’électrique étaient plus élevés que pour la certification d’un moteur thermique, en termes d’endurance, de résistance... Cette certification d’un moteur électrique, c’était une première pour l’Easa, avec ce risque de certifier une nouvelle technologie. C’est l’acceptation de la technologie des moteurs électriques pour l’aviation qui était aussi en jeu avec cette certification. D’autant plus qu’un incident technique peut ralentir le progrès.
F. N. : Nous avons « cranté » la certification pour la famille de moteurs EngineUS 100. Aujourd’hui, le premier modèle, le 100 B1, est certifié. Il offre une puissance maximale de décollage de 125 kW. Et à l’intérieur de cette certification, nous allons pouvoir introduire d’autres modèles de moteurs et servir plusieurs clients aux demandes spécifiques, relatives à la puissance de décollage, à des variantes de durée de performance...
De nombreuses start-up se lancent dans la conception d’avions biplaces à batteries ou d’avions hybrides électrique-thermique pouvant transporter une vingtaine de passagers. Cette dynamique est-elle le signe de l’arrivée prochaine d’avions moyen et long-courrier électrifiés ?
M. F. : Cela n’arrivera pas dans un futur proche, le prochain grand programme d’appareils monocouloirs [des avions prévus pour 100 à 200 passagers, comme l’Airbus A320, ndlr] ne sera pas tout électrique. Un stade intermédiaire consistera à l’électrification partielle des monocouloirs dotés de moteurs thermiques frugaux et optimisés en termes aérodynamiques.
F. N. : Nous savons aujourd’hui électrifier les vols régionaux : du petit avion biplace à l’avion régional d’une vingtaine de places. Les technologies, du moteur électrique aux turbogénérateurs en passant par la batterie, existent pour ces usages. Mais l’avion commercial de plus de 100 places à moteurs électriques ne sortira pas demain. Ce n’est pas qu’on ne saurait pas faire le moteur, mais la complexité se situe plutôt au niveau du système d’alimentation. Le problème principal, c’est la source d’énergie.
M. F. : Ce que nous observons, à travers nos clients, c’est une appétence pour l’aviation de petite taille électrifiée. Les carnets de commandes se remplissent, par exemple pour la formation des pilotes, qui font un certain nombre d’entraînements sur des avions biplaces, l’aviation de loisir ou le secteur militaire, qui cherche à se décarboner. Il y a un marché qui émerge.
En parallèle du modèle EngineUS 100, une version XL, d’une puissance de 750 kW, est en préparation. Sa certification est-elle prévue prochainement ?
M. F. : Non, car ce marché-là ne se matérialise pas. La bonne nouvelle, c’est que tous les efforts fournis pour la conception et la certification de l’EngineUS 100 sont applicables à la version XL. Désormais, nous regardons la faisabilité technique et les crédibilités technique et financière des programmes existants. Mais une certification, c’est un énorme effort pour les équipes. C’est un investissement humain et financier. Ce n’est pas le moteur qui tirera le marché, mais l’usage et la décision des avionneurs. Et nous nous tenons prêts pour leur fournir un moteur à ce moment-là.
F. N. : L’EngineUS XL est à l’état de prototype. Il a déjà été testé intensivement en laboratoire et chez certains de nos clients. On saura accélérer en fonction de la demande. Aujourd’hui, elle se cristallise plutôt autour de l’EngineUS 100 et de ses variantes. Mais Safran veut être aussi un acteur, si jamais ce marché-là décolle. C’est pour cela que nous avons dans nos cartons le XL prêt à être dégainé et à aller vers la certification. (crédit photos : Safran)
EngineUS 100 : portrait du premier moteur électrique d’avion certifié
« La machine électrique, l’électronique de puissance et le contrôle électronique sont réunis dans un même carter, ce qui améliore grandement l’intégration de notre moteur », annonce fièrement Valentin Mesnil, ingénieur en chef de l’EngineUS 100, le moteur électrique pour avions de Safran Electrical & Power. D’une puissance maximale de 125 kW, il a été conçu selon une architecture compacte qui permet de réduire le câblage et par conséquent son poids. « Lorsque l’on déporte l’électronique, il faut gérer des harnais électriques supplémentaires », précise l’ingénieur. Pour rendre sa certification plus accessible, Safran a opté pour un moteur à flux radial. « À notre sens, cette technologie est la plus éprouvée pour une première certification. » Le graal, délivré par l’Agence de l’Union européenne pour la sécurité aérienne (Easa), a été attribué à l’EngineUS 100 le 24 janvier, une première dans l’aviation électrique.
L’EngineUS 100 peut équiper plusieurs types d’aéronefs : du biplace monomoteur aux avions plus massifs comprenant plusieurs moteurs. « L’avantage de l’électrique par rapport au thermique, c’est que la distribution de puissance est plus facile. Il est possible de placer des moteurs électriques, plus légers par ailleurs, sur les ailes et d’avoir accès à un effet de portance amélioré, avec une propulsion distribuée. Nous travaillons aujourd’hui sur ces modèles-là », indique Valentin Mesnil.
De nombreux défis ont balisé la conception d’un tel moteur. La tension d’alimentation élevée (800 V), nécessaire à la transmission énergétique venant des batteries, en fut un. Les phénomènes de décharges partielles à haute tension, comme l’apparition d’arcs électriques, peuvent provoquer des incendies au sein du moteur. « Il a fallu apprivoiser cette tension nouvelle. Plus elle augmente, plus on s’expose aux risques de décharges partielles. Il a fallu adapter les isolants et notre design pour gérer ces risques. Nous avons démontré qu’il n’existait pas de décharges partielles dans notre moteur », se félicite l’ingénieur en chef. Par ailleurs, le niveau de puissance de l’EngineUS 100 a permis d’utiliser directement l’air brassé par l’hélice du moteur comme système de refroidissement. « Nous avons mis au point un design pour tirer profit au maximum de ce flux d’air à notre disposition. Au final, nous avons un moteur à forte densité de puissance, à refroidissement totalement autonome et qui reste très compétitif », conclut Valentin Mesnil. (crédit photo : C. Abad / Safran)
