Exploration de concepts de groupes motopropulseurs hybrides pour des opérations de taxi d’avions de transport régional

Les émissions de CO2 du transport aérien se chiffrent à 12% des émissions associées au transport en général. En considérant une croissance annuelle de 3.9% pour le transport aérien, de nombreux efforts sont requis pour diminuer l’impact environmental du secteur aéronautique. Une stratégie employée consiste en l’utilisation de batteries Li-ion et de groupes motopropulseurs électriques pour mouvoir les aéronefs. Cependant, malgré une meilleure efficacité de la chaîne de traction, la faible énergie spécifique des batteries limite la portée et la charge utile des avions électriques comparativement aux avions conventionnels. Similaire au secteur automobile, l’aviation hybride propose une solution de transition en combinant une turbine à gaz conventionnelle à un groupe motopropulseur électrique. L’aviation régionale, et plus précisément les turbopropulseurs, représentent d’excellents candidats pour maximiser les bénéfices d’une architecture hybride. En effet, avec ses courts vols, les turbopropulseurs utilisent rarement la turbine à son meilleur point d’efficacité et la faible énergie spécifique des batteries Li-ion est moins contraignante pour de courtes missions. Dans le cadre du projet HEPOS, un avion turbopropulseur similaire à un ATR- 42 a été sélectionné pour évaluer le potentiel de réduction de carburant d’une architecture hybride-parallèle avec Pratt & Whitney Canada et l’Université Laval. Les phases de taxi, périodes où la turbine est opérée à faible puissance, représente jusqu’à 5% du carburant d’une mission de 250 nm dû à une consommation élevée au ralenti. Ce mémoire investigue deux architectures électriques pour pallier cette inefficacité : une motorisation électrique au niveau de l’hélice et une motorisation électrique au niveau du train d’atterissage principal. Ces architectures sont simulées à partir de profils de taxi dynamiques afin de saisir l’impact des requis d’accélération sur la puissance requise, et donc la taille du système de taxi. Pour un même segment de taxi-out, il est démontré que l’architecture avec motorisation à l’hélice requiert 4 fois plus d’énergie et 3.3 fois plus de puissance que l’architecture avec motorisation au train d’atterissage principal. Comparée à l’avion de base, une réduction de consommation de carburant de 68.8 kg peut être obtenue en acceptant une pénalité de masse de 154.1 kg associée à l’architecture avec motorisation au train d’atterissage principal. Lorsque cette architecture est intégrée dans un environnement d’optimisation, des réduction de carburant de 4% à 4.5% sont obtenus pour une mission de 270 nm avec des charges utiles de 12500 lb à 7500 lb respectivement. Cette architecture semble donc prometteuse pour obtenir des réductions de consommation avec la technologie d’aujourd’hui, et ce de façon indifférente à la charge utile de l’appareil.

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