Preliminary Design of Hybrid Aircraft Thermal Management System (Tms) Experimental Test Campaign in Cira Icing Wind Tunnel (IWT)
Ce document présente la conception préliminaire et les mises à niveau en cours de la soufflerie givrante du CIRA afin de permettre la validation expérimentale à pleine échelle des systèmes de gestion thermique des aéronefs hybrides avec des niveaux de puissance allant jusqu'à 0,5 MW dans des conditions de vol réalistes, dans le cadre du projet AMBER financé par l'UE.
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Le ciel au-dessus de nous devient un lieu encombré pour un nouveau genre de voyageur. Pendant des décennies, l'industrie aéronautique s'est appuyée sur la combustion de carburant pour propulser de massifs tubes métalliques à travers l'air, un processus qui rejette du dioxyde de carbone et d'autres gaz dans l'atmosphère. Pour atteindre les objectifs climatiques mondiaux, les ingénieurs conçoivent désormais des aéronefs qui fonctionnent à l'électricité ou à un mélange d'électricité et de carburant. Ces avions hybrides et électriques promettent un avenir plus propre, mais ils apportent un problème caché qui n'a rien à voir avec l'air qu'ils traversent. Les batteries, les moteurs électriques et les piles à combustible qui alimentent ces nouvelles machines génèrent une quantité immense de chaleur. Tout comme un ordinateur portable ralentit lorsqu'il devient trop chaud, ces composants puissants peuvent tomber en panne ou perdre en efficacité s'ils ne parviennent pas à évacuer cette chaleur rapidement. Le défi consiste à construire un système de refroidissement qui fonctionne parfaitement, que l'avion soit posé sur la piste sous une chaleur estivale ou en train de grimper à travers l'air glacial à haute altitude. Si le système est trop petit, le moteur surchauffe ; s'il est trop grand, le poids supplémentaire et la résistance de l'air nuisent à l'autonomie de l'avion.
Des chercheurs du Centre de recherche aérospatiale italien, connu sous le nom de CIRA, s'attaquent à ce casse-tête en construisant un nouveau type de laboratoire d'essai. Ils modernisent leur soufflerie cryogénique (Icing Wind Tunnel), une installation massive conçue à l'origine pour étudier la formation de la glace sur les ailes d'avion, afin de tester plutôt les systèmes de gestion thermique de ces futurs avions électriques. L'équipe, dirigée par Marco Invigorito et ses collègues, a réalisé que les modèles informatiques seuls ne suffisaient pas. Bien que les simulations puissent prédire le comportement d'un système de refroidissement, elles ignorent souvent la réalité complexe de la façon dont l'air circule autour d'un véritable avion. Pour résoudre cela, ils ont d'abord effectué des simulations informatiques détaillées d'un échangeur de chaleur — un dispositif qui déplace la chaleur d'un liquide chaud vers l'air froid extérieur. Ils ont modélisé une trajectoire de vol pour un avion régional, suivant les performances du système du sol jusqu'à une altitude de 5 500 mètres. Les résultats de ces simulations ont révélé une faille surprenante et dangereuse dans la conception actuelle de ces systèmes.
Lorsque les chercheurs ont examiné les données, ils ont découvert qu'un système de refroidissement dimensionné pour fonctionner en toute sécurité au sol serait dangereusement surdimensionné une fois l'avion décollé. À mesure que l'avion monte en altitude, l'air extérieur devient plus froid et plus ténu. Dans leur simulation, un système conçu pour gérer 300 kilowatts de chaleur au sol se retrouvait soudainement capable de rejeter plus de 900 kilowatts de chaleur en haute altitude. Cette augmentation massive de la puissance de refroidissement, bien qu'apparemment positive, a créé un nouveau problème. Les piles à combustible à l'intérieur de l'avion fonctionnent de manière optimale dans une fenêtre de température étroite. Si le système de refroidissement devient trop efficace en haute altitude, il pourrait faire chuter la température du liquide de la pile à combustible à 50,8 degrés Celsius, bien en dessous de la plage de fonctionnement sûre. Cette « hypothermie » pour la pile à combustible pourrait entraîner une perte d'efficacité ou un arrêt complet de son fonctionnement. Pour éviter cela, les ingénieurs devraient ajouter des vannes et des commandes complexes pour réguler le refroidissement, ce qui ajoute du poids et crée de nouveaux points de défaillance. Alternativement, s'ils dimensionnaient l'échangeur de chaleur uniquement pour les conditions de haute altitude, celui-ci serait bien trop grand et lourd pour le décollage, créant une traînée inutile et gaspillant du carburant.
Pour comprendre exactement comment résoudre ce problème, l'équipe transforme sa soufflerie en un terrain d'essai pour des systèmes de refroidissement à pleine échelle. L'installation, capable de simuler des vitesses de vol allant jusqu'à Mach 0,7 et des températures aussi basses que moins 40 degrés Celsius, est en cours d'équipement d'un nouveau système de génération thermique. Ce système peut pomper un liquide chauffé à travers un article de test à des débits allant jusqu'à 1 200 litres par minute, imitant la production de chaleur d'un véritable moteur électrique ou d'une batterie. Contraquirement aux bancs d'essai standards qui utilisent des ventilateurs pour souffler de l'air sur un radiateur, cette soufflerie utilise la pression naturelle de l'air en mouvement pour pousser l'air à travers le système de refroidissement, tout comme un véritable avion le fait. Cela permet aux chercheurs de mesurer non seulement l'efficacité du refroidissement, mais aussi la traînée aérodynamique qu'il crée et la manière dont la glace pourrait se former sur ses surfaces pendant le vol.
La soufflerie modernisée permettra à l'équipe de mener des tests correspondant aux profils de vol spécifiques des avions régionaux, passant des conditions au sol aux montées à haute altitude tout en surveillant chaque degré de température et chaque goutte de pression. Ils prévoient de tester le comportement du système lorsque l'avion vole en ligne droite, mais aussi lorsqu'il tourne ou glisse latéralement, des conditions que les modèles informatiques peinent à prédire avec précision. En combinant ces tests physiques avec leurs simulations antérieures, les chercheurs visent à créer une méthode fiable pour dimensionner ces systèmes de refroidissement. L'objectif est de trouver un design assez léger pour le décollage, assez puissant pour le vol à haute altitude et assez simple pour être sûr. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet plus large AMBER, financé par l'Union européenne, qui cherche à valider les technologies nécessaires à un avenir de l'aviation à zéro émission. Les conclusions aideront à garantir que la prochaine génération d'aéronefs puisse transporter ses passagers de manière sûre et efficace, sans risque de surchauffe ou de gel dans le ciel.
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