Les ingénieurs aéronautiques du MIT créent un moteur électrique d’un mégawatt qui constitue une étape vers l’électrification des avions de ligne. Voici quelques concepts industriels d’avions hybrides-électriques. Crédit : @Airbus SAS 2023
Les démonstrations technologiques montrent que les principaux composants de la machine atteignent les performances requises.
Les ingénieurs du MIT développent un moteur électrique compact, léger et puissant de 1 mégawatt qui pourrait permettre l’électrification des avions commerciaux. Après avoir conçu et testé avec succès les différents composants, les essais complets du moteur assemblé sont prévus pour l’automne. Cette technologie pourrait potentiellement être mise à l’échelle pour des avions de passagers plus grands, contribuant ainsi à la réduction des émissions de carbone de l’aviation.
L’énorme empreinte carbone de l’aviation pourrait être considérablement réduite grâce à l’électrification. À ce jour, cependant, seuls de petits avions entièrement électriques ont décollé. Leurs moteurs électriques génèrent des centaines de kilowatts d’énergie. Pour électrifier des avions plus grands et plus lourds, tels que les avions de ligne, il faut des moteurs d’une puissance de plusieurs mégawatts. Ceux-ci seraient propulsés par des systèmes de propulsion hybrides ou turbo-électriques, dans lesquels une machine électrique est couplée à un moteur aéronautique à turbine à gaz.
Pour répondre à ce besoin, une équipe d’ingénieurs du MIT est en train de créer un moteur d’une puissance de 1 mégawatt qui pourrait constituer une étape clé vers l’électrification des avions de plus grande taille. L’équipe a conçu et testé les principaux composants du moteur, et a démontré par des calculs détaillés que les composants couplés peuvent fonctionner comme un tout pour générer un mégawatt d’énergie, à un poids et une taille compétitifs par rapport aux petits moteurs aéronautiques actuels.
Pour les applications tout électriques, l’équipe envisage de coupler le moteur à une source d’électricité telle qu’une batterie ou une pile à combustible. Le moteur pourrait alors transformer l’énergie électrique en travail mécanique pour alimenter les hélices d’un avion. La machine électrique pourrait également être associée à un moteur à réaction turbofan traditionnel pour fonctionner comme un système de propulsion hybride, fournissant une propulsion électrique pendant certaines phases d’un vol.
Le moteur mégawatt du MIT (en coupe en haut à droite et en pleine échelle en bas à droite) comprend des technologies clés : un rotor extérieur à aimant permanent à grande vitesse, un stator à dents et à rainures à faibles pertes, un échangeur de chaleur avancé et une électronique de puissance intégrée à hautes performances. Crédit : avec l’aimable autorisation des chercheurs
« Quel que soit le vecteur énergétique utilisé – batteries, hydrogène, ammoniac ou carburant aviation durable – indépendamment de tout cela, les moteurs de classe mégawatt seront un élément clé de l’écologisation de l’aviation », déclare Zoltan Spakovszky, professeur d’aéronautique T. Wilson et directeur du laboratoire des turbines à gaz (GTL) au MIT, qui dirige le projet.
Spakovszky et les membres de son équipe, ainsi que des collaborateurs de l’industrie, présenteront leurs travaux lors d’une session spéciale de l’American Institute of Aeronautics and Astronautics – Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS) à la conférence Aviation en juin.
L’équipe du MIT est composée de professeurs, d’étudiants et de chercheurs du GTL et du Laboratoire des systèmes électromagnétiques et électroniques du MIT : Henry Andersen, Yuankang Chen, Zachary Cordero, David Cuadrado, Edward Greitzer, Charlotte Gump, James Kirtley Jr, Jeffrey Lang, David Otten, David Perreault et Mohammad Qasim, ainsi que Marc Amato d’Innova-Logic LLC. Le projet est parrainé par Mitsubishi Heavy Industries (MHI).
Sommaire
Matériel lourd
Pour éviter les pires conséquences du changement climatique induit par l’homme, les scientifiques ont déterminé que les émissions mondiales de dioxyde de carbone doivent atteindre le niveau zéro d’ici à 2050. Selon M. Spakovszky, pour atteindre cet objectif dans le domaine de l’aviation, il faudra réaliser des « progrès décisifs » dans la conception d’aéronefs non conventionnels, de systèmes de carburant intelligents et flexibles, de matériaux avancés et de systèmes de propulsion électrifiés sûrs et efficaces. De nombreuses entreprises aérospatiales se concentrent sur la propulsion électrifiée et la conception de machines électriques mégawatts suffisamment puissantes et légères pour propulser des avions de passagers.
« Il n’existe pas de solution miracle pour y parvenir, et le diable se cache dans les détails », explique M. Spakovszky. « Il s’agit d’une ingénierie difficile, qui consiste à co-optimiser les composants individuels et à les rendre compatibles les uns avec les autres tout en maximisant les performances globales. Pour ce faire, nous devons repousser les limites des matériaux, de la fabrication, de la gestion thermique, des structures et de la dynamique de rotation, ainsi que de l’électronique de puissance. »
L’équipe a réalisé de nombreuses expériences d’atténuation des risques pour montrer que chaque composant peut fonctionner comme prévu et dans des conditions dépassant les exigences opérationnelles normales, notamment le stator (a, b et f), le rotor magnétique (c), l’échangeur de chaleur (d) et les cartes électroniques de puissance (e). Crédit : avec l’aimable autorisation des chercheurs
D’une manière générale, un moteur électrique utilise la force électromagnétique pour générer un mouvement. Les moteurs électriques, tels que ceux qui alimentent le ventilateur de votre ordinateur portable, utilisent l’énergie électrique – provenant d’une batterie ou d’une source d’alimentation – pour générer un champ magnétique, généralement par l’intermédiaire de bobines de cuivre. En réponse, un aimant, placé près des bobines, tourne dans la direction du champ généré et peut alors entraîner un ventilateur ou une hélice.
Les machines électriques existent depuis plus de 150 ans, étant entendu que plus l’appareil ou le véhicule est gros, plus les bobines de cuivre et le rotor magnétique sont grands, ce qui rend la machine plus lourde. Plus la machine électrique génère de puissance, plus elle produit de chaleur, ce qui nécessite des éléments supplémentaires pour refroidir les composants – tout cela peut prendre de la place et ajouter un poids important au système, ce qui le rend difficile à utiliser dans les applications aéronautiques.
« Les produits lourds ne vont pas dans les avions », explique M. Spakovszky. « Nous avons donc dû concevoir une architecture compacte, légère et puissante.
Bonne trajectoire
Tels qu’ils ont été conçus, le moteur électrique et l’électronique de puissance du MIT ont chacun la taille d’une valise enregistrée et pèsent moins qu’un passager adulte.
Les principaux composants du moteur sont les suivants : un rotor à grande vitesse, garni d’un ensemble d’aimants à orientation et polarité variables ; un stator compact à faibles pertes qui s’insère dans le rotor et contient un ensemble complexe d’enroulements en cuivre ; un échangeur de chaleur perfectionné qui maintient les composants au frais tout en transmettant le couple de la machine ; et un système électronique de puissance distribué, composé de 30 cartes de circuits imprimés fabriquées sur mesure, qui modifie avec précision les courants traversant chacun des enroulements en cuivre du stator, à haute fréquence.
« Je crois qu’il s’agit de la première conception intégrée véritablement co-optimisée », déclare Spakovszky. « Cela signifie que nous avons procédé à une exploration très poussée de l’espace de conception où toutes les considérations, de la gestion thermique à la dynamique du rotor, en passant par l’électronique de puissance et l’architecture de la machine électrique, ont été évaluées de manière intégrée afin de trouver la meilleure combinaison possible pour obtenir la puissance spécifique requise à un mégawatt. »
Dans l’ensemble du système, le moteur est conçu de manière à ce que les cartes de circuits distribués soient étroitement couplées à la machine électrique afin de minimiser les pertes de transmission et de permettre un refroidissement efficace de l’air par l’échangeur de chaleur intégré.
« Il s’agit d’une machine à grande vitesse, et pour la maintenir en rotation tout en créant un couple, les champs magnétiques doivent se déplacer très rapidement, ce que nous pouvons faire grâce à nos circuits imprimés qui commutent à haute fréquence », explique M. Spakovszky.
Pour limiter les risques, l’équipe a construit et testé chacun des principaux composants individuellement, et a montré qu’ils pouvaient fonctionner comme prévu et dans des conditions dépassant les exigences opérationnelles normales. Les chercheurs prévoient d’assembler le premier moteur électrique entièrement fonctionnel et de commencer à le tester à l’automne.
« L’électrification des avions est en progression constante », explique Phillip Ansell, directeur du Centre pour l’aviation durable de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign, qui n’a pas été impliqué dans le projet. « La conception de ce groupe utilise une merveilleuse combinaison de méthodes conventionnelles et de pointe pour le développement de machines électriques, ce qui lui permet d’offrir à la fois robustesse et efficacité pour répondre aux besoins pratiques des avions du futur.
Une fois que l’équipe du MIT sera en mesure de faire la démonstration du moteur électrique dans son ensemble, elle affirme que sa conception pourrait alimenter des avions régionaux et qu’il pourrait également être associé à des moteurs à réaction conventionnels, pour permettre la mise en place de systèmes de propulsion hybride-électrique. L’équipe envisage également que plusieurs moteurs d’un mégawatt puissent alimenter plusieurs ventilateurs répartis le long de l’aile sur de futures configurations d’avion. À l’avenir, les fondements de la conception de la machine électrique d’un mégawatt pourraient être étendus à des moteurs de plusieurs mégawatts, afin de propulser de plus grands avions de passagers.
« Je pense que nous sommes sur la bonne voie », déclare Spakovszky, dont le groupe et les recherches ne se sont pas limités aux turbines à gaz. « Nous ne sommes pas ingénieurs électriciens de formation, mais relever le grand défi climatique de 2050 est de la plus haute importance ; travailler avec les professeurs, le personnel et les étudiants en génie électrique pour atteindre cet objectif permet de tirer parti de l’étendue des technologies du MIT afin que le tout soit plus grand que la somme des parties. Nous nous réinventons donc dans de nouveaux domaines. Et le MIT nous donne l’occasion de le faire ».
Références :