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J3eA, Journal sur l’enseignement des sciences et technologies de l’information

J3eA, Journal sur l’enseignement des sciences et technologies de l’information et des systèmes, Volume 4, Hors-Série 1, 1 (2005) DOI : http://dx.doi.org/10.1051/bib-j3ea:2005601 © EDP Sciences, 2005 De l’avion plus électrique à l’avion tout électrique : état de l’art et prospective sur les réseaux de bord O. Langlois 1 , E. Foch 1 , X. Roboam 2 et H. Piquet 2 1 Airbus France Engineering Electrical Systems Department 316 route de Bayonne PO BOX M0131/5 F-31060 Toulouse CEDEX 03, France 2 Laboratoire d’Électrotechnique et d’Électronique Industrielle Unité mixte de Recherche INPT-ENSEEIHT / CNRS BP 7122 2 rue Camichel F-31071 Toulouse CEDEX 7, France De l’avion plus électrique à l’avion tout électrique : état de l’art et prospective sur les réseaux de bord O. Langlois, E. Foch Airbus France, Engineering Electrical Systems Department 316 route de Bayonne - PO BOX M0131/5 - 31060 TOULOUSE Cedex 03 - France X. Roboam, H. Piquet Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique industrielle Unité mixte de Recherche INPT-ENSEEIHT / CNRS BP 7122 - 2 rue Camichel - 31071 TOULOUSE Cedex 7 - France Résumé—Depuis le début de l’histoire de l’aéronautique, les avions deviennent toujours plus électriques. Des progrès ont été obtenus petit à petit, notamment à travers les étapes suivantes : Changement de tension du 28 V DC au 115 V AC pour les fortes puissances (dans les années 50). Commandes de vol électriques sur A320 (années 80). Actionneurs à puissance électrique et remplacement d’un circuit hydraulique sur A380 (années 2000). Les programmes de recherche et développement aéronautiques récents mettent en évidence l’intérêt de systèmes plus électriques mais quelques questions restent posées : Comment répondre à une demande en énergie électrique toujours croissante ? Comment permettre le passage en électrique de quelques utilisateurs particuliers tels que train d’atterrissage, démarrage réacteurs, dégivrage ou conditionnement d’air ? Quelle sera la structure des réseaux de bord d’un « avion tout électrique » ? Sera-t-elle identique aux avions actuels, avec un simple remplacement des équipements présents par des éléments électriques, ou les systèmes devront-ils être entièrement repensés (réseau continu, nouvelles technologies de production et stockage de l’énergie, nouvelle gestion des ressources de puissance) ? Après un état de l’art sur les réseaux de bord électriques passés et présents, voici des questions que nous aborderons dans ce papier en tentant de projeter les répercussions des évolutions scientifiques et technologiques pressenties sur la sphère EEA. Mots clés—Avion plus électrique, architecture électrique, technologies des équipements, vision prospective. I. INTRODUCTION E N aviation, comme dans tout type de véhicule, le besoin énergétique auxiliaire est important. Les énergies dites de servitudes sont indispensables car elles permettent d’assurer les performances, la sécurité et le confort. Tout d’abord, il faut actionner les commandes de vol nécessaires pour diriger l’avion (ailerons, gouvernes…). Pour les avions de taille importante, la seule force de l’homme ne suffit pas pour réaliser ces actions ; une autre source d’énergie est donc indispensable. Ensuite, il y a l’alimentation de tous les équipements électroniques nécessaires à la navigation, et les instruments de contrôle. Enfin, les charges commerciales telles que l’éclairage et les appareils de cuisson requièrent une énergie conséquente. Tous ces systèmes embarqués imposent le recours à différentes natures de sources d’énergie. L’énergie utilisée se présente sous forme hydraulique, électrique et pneumatique. Les moteurs de l’avion alimentent divers équipements permettant de générer ces différentes sources d’énergie, comme indiqué Fig. 1. Pompes à carburant et à huile Générateur électrique Pompe hydraulique Air Entraînement mécanique Besoins moteur Moteur Fig. 1. Différentes sources d’énergie mises en œuvre dans un avion à réaction. Dans le cas des moteurs à réaction actuels, le conditionnement d’air est en partie obtenu par prélèvement d’air sur les étages compresseurs basse et haute pression des réacteurs. Il permet principalement la pressurisation et la climatisation du cockpit et de la cabine. L’énergie hydraulique est obtenue par une pompe entraînée mécaniquement par le moteur. Elle est utilisée pour actionner les commandes de vol ; elle délivre la puissance nécessaire pour diriger l’avion. Elle permet également la sortie et la rentrée du train d’atterrissage, ainsi que le freinage. La génération électrique est également obtenue par entraînement mécanique. Un générateur produit l’électricité alimentant de nombreux équipements : calculateurs, instruments de navigation, commandes d’actionneurs, éclairages et diverses charges commerciales. Ainsi, Journées 2004 de la section électrotechnique du club EEA, 18 -19 mars 2004, Cergy-Pontoise Comme source de secours, on trouve une éolienne (RAT - Ram Air Turbine) se déployant en cas de besoin. Cette éolienne entraîne une pompe hydraulique permettant de pressuriser un des trois circuits. La puissance disponible est certes moindre qu’en fonctionnement normal, mais les fonctions vitales sont assurées. l’électricité est utilisée non seulement pour les systèmes de l’avion, mais aussi pour le confort et le divertissement des passagers. La demande en électricité est en constante augmentation, et la tendance est à son utilisation dans les systèmes de puissance tels que les servocommandes par exemple. D’une manière générale, le système de freinage du train d’atterrissage possède son propre accumulateur hydraulique local. Ainsi, le freinage est garanti en cas de perte des deux hydrauliques l’alimentant en temps normal. A. Pourquoi un avion de plus en plus électrique ? L’électricité offre des avantages certains par rapport à l’hydraulique. La génération, la distribution et l’utilisation de l’énergie électrique sont plus aisées, car elle est plus facilement maîtrisable que l’énergie hydraulique ou pneumatique. De plus, les progrès en électronique de puissance permettent des conversions d’énergie électriques très fiables et très performantes. Les actionneurs électriques actuels associés à leur électronique de puissance offrent une grande souplesse de contrôle. Le schéma Fig. 2 montre l’architecture du réseau hydraulique et électrique d’un avion actuel. Trois circuits hydrauliques se chargent de fournir la puissance aux actionneurs ; l’architecture est dite 3H. IDG 1 Pump Pump Accu Accu RAT RAT Accu Accu CSM/G CSM/G TR 1 TR 1 AC BUS 1 AC BUS 2 AC ESS BUS ESS TR ESS TR STAT INV DC ESS BUS DC BUS 1 DC BUS 2 IDG 2 Pump Accu Accu EXT Engine 1 Engine 2 TR 2 TR 2 APU TR APU TR APU START Pump Pump Pump Pump APU GEN APU GEN Blue Green Yellow BAT 1 BAT 2 H2 H3 H1 Outre la simplification de mise en œuvre obtenue par des systèmes électriques, l’objectif principal reste la réduction de la masse globale de l’avion. La masse est un critère déterminant dans le choix des technologies avionables. B. Contenu de l’article Cet article présente tout d’abord un état de l’art des technologies actuellement employées sur les avions commerciaux1 (avions « à puissance hydraulique » et « plus électrique »). Il sera ensuite exposé certaines technologies et évolutions prospectives au niveau système (avions « de plus en plus électrique » voire « tout électrique »). II. AVION « A PUISSANCE HYDRAULIQUE » Tous les avions construits jusqu’à présent utilisent l’énergie hydraulique pour actionner les commandes de vol. Depuis les années 80, les avions de la gamme Airbus sont dits « à commande électrique », c’est à dire qu’il n’y a plus de liaisons mécaniques entre les leviers de commande du pilote et les servocommandes. Les actionneurs des commandes de vol sont à puissance hydraulique, mais commandés électriquement. Fig. 2. Architecture type d’un biréacteur actuel 3H, constituée de trois circuits hydrauliques ainsi que d’un réseau électrique AC et DC. (Basé sur un Airbus A330.) B. Circuits électriques Le réseau électrique de ces avions est constitué d’une partie alternative (triphasé 115/200 V – 400 Hz) et continue (28 V). Comme c’est généralement le cas pour les avions moyens et longs courriers, le réseau primaire est alternatif, et le sous réseau continu. Les gros consommateurs sont alimentés en AC tandis que les petits le sont en DC. La puissance installée disponible sur un gros porteur tel qu’un A330 ou A340 est de l’ordre de 300 kVA. A. Circuits hydrauliques La plupart des avions commerciaux disposent de trois circuits de puissance hydrauliques pour actionner les gouvernes, les becs et volets, les freins et les trains d’atterrissage. De cette manière, l’alimentation des actionneurs se répartit sur les trois circuits hydrauliques, permettant de conserver partiellement les commandes de vol en cas de problème sur un ou deux circuits, et d’assurer un « safe flight and landing ». Sur chaque réacteur est couplé un IDG (Integrated Drive Generator) permettant la génération électrique normale (115/200 V AC). L’IDG est entraîné en rotation par le compresseur haute pression, tout comme la pompe hydraulique. Chaque générateur alimente un des bus alternatifs principaux (AC BUS). Pour un bimoteur, il y a deux réseaux fonctionnant totalement indépendamment l’un de l’autre (cf. Fig. 2). Cependant, un générateur prend en charge l’alimentation d’un autre bus pour lequel l’IDG associé La génération hydraulique est obtenue par des pompes (Pump) entraînées par le compresseur haute pression des réacteurs. Un accumulateur (Accu) est également disposé sur chaque circuit pour éviter les variations de pression lors du fonctionnement d’actionneurs puissants. 1 Les descriptions concernent principalement les avions de la gamme Airbus. aurait été perdu suite à une défaillance. Le réseau continu (28 uploads/Voyage/de-l-x27-avion-plus-electrique-a-l-x27-avion-tout-electrique.pdf