Optimisation de propulsion hybride électrique parallèle pour avion régional turbopropulsé avec considération de contraintes de certification et d'opération

Abstract

D’importants efforts de recherche sont aujourd’hui déployés afin de réduire la consommation en carburant des avions en vue de minimiser l’impact environnemental du secteur aérien. L’hybridation électrique du système propulsif constitue une alternative d’intérêt qui ouvre un large spectre de configurations possibles et permet le développement incrémental et donc à plus faible risque. L’aviation régionale turbopropulsée est une application de choix pour la diffusion de cette technologie dans un horizon proche considérant les niveaux de puissance réduits par rapport aux avions de transport commercial utilisant des soufflantes. Ainsi, un concept d’avion régional à propulsion hybride électrique parallèle est étudié pour des opérations de courte distance. La propulsion hybride introduit des degrés de liberté additionnels et augmente la complexité du problème de conception. Les niveaux d’hybridation en puissance et en énergie sont à considérer au même titre que la stratégie de gestion de puissance qui les relie. Dans le même temps, le concept d’avion hybride doit être en mesure de respecter les requis de la réglementation relatifs aux réserves et les scénarios d’urgence. Pourtant, les travaux passés font usage d’hypothèses optimistes, ne permettant pas de saisir l’impact d’une propulsion hybride sur une application concrète. Ce travail de thèse a pour objectif d’analyser les bénéfices potentiels du concept d’avion hybride autour d’un avion existant remotorisé. L’approche utilisée intègre l’ensemble des degrés de liberté en apportant des éléments de réalité opérationnelle, tels que la panne moteur ou l’enveloppe de performance, tout en considérant des projections technologiques de batteries réalistes à 2030. Premièrement, l’étape initiale du travail repose sur le développement d’un environnement d’analyse multimission et d’optimisation de niveau conceptuel, adapté à l’implémentation de systèmes de propulsion hybrides. Deuxièmement, une analyse comparative des principales stratégies d’opération hybride en mission est réalisée par analyse de simulation sur l’avion et la mission de référence en appliquant une technologie de batterie de 241 Wh/kg. Des gains de carburant jusqu’à 6% sont estimés et comparés aux résultats de la littérature. Troisièmement, l’impact des requis de certification sur les gains potentiels en carburant est évalué par optimisation de l’hybridation et de la stratégie d’opération pour minimiser la consommation en carburant. Une approche de sous-dimensionnement de la turbine à gaz et une autre qui conserve la turbine d’origine sont comparées relativement au scénario d’urgence, soit une panne moteur lors d’une montée à la fin d’un vol. La contrainte de certification réduit de 12.6% les gains possibles. Ceux-ci sont finalement identiques à l’approche conservant la turbine d’origine et estimés à 5.1%. Finalement, les gains de carburant sont évalués sur une large plage de conditions de vol par optimisation de l’opération, permettant de visualiser l’impact de la masse constante des batteries. Une méthodologie de dimensionnement est proposée afin d’adapter la conception aux réalités opérationnelles et augmenter la robustesse de performance de l’appareil avec une augmentation moyenne de +1 point de pourcentage des gains de carburant sur toute l’enveloppe de performance.