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Colloque transports du futur et mobilité durable

Université Technologique de Belfort Montbéliard Plateforme MOBILITECH 13 octobre 2014, Musée Peugeot Exposé « avions du futur » (

Programme du colloque

)

www.HKW-aero.fr

© Michel Kieffer 2006-2014 Indice F1 le 21.10.2014

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« Aujourd’hui, le temps passé à nous déplacer est très supérieur à celui de nos ancêtres, il-y a un siècle… » Olivier Rey

Ceci sous entend : - q u’une plus grande rapidité des moyens de transport débouche sur une augmentation des temps de transport ; - que les besoins en mobilité sont façonnés par la technologie, et ses coûts énergétiques et climatiques , et non pas l’inverse.

3 / 65 Contrairement à une recherche sur les motorisations ou sur les carburants alternatifs, cet exposé développe la réduction du besoin en énergie de nos moyens de transport.

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Sommaire

1- Introduction 2- Avions de transports 3- Avions de loisir , l’avion ultraléger HKW-aero 4- Défi aérospatial étudiant 5- Conclusion

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1 Introduction 1 1 Historique de la société HKW-aero

Début du projet HKW : avril 2005 (colloque de Cachan) Constitution de la société : mai 2011 Forme de la société : SAS Statut Jeune Entreprise Innovante (JEI) obtenu en 2013.

6 / 65 Le point de départ, Ewald Hunsinger, aérotechnicien reconnu, Cofondateur de l’association INTERACTION rejoint par Claude Walter, industriel ; Rodolphe Hunsinger, prototypiste ; Michel Kieffer, concepteur.

7 / 65 …et par de multiples contributeurs représentés par les membres de l’association INTERACTION, par les stagiaires et partenaires industriels : - Vincent souffrant (AIRBUS) ; - UTBM : Arnaud Granmougin, Pierre Leturcq, John Maurice, Thomas Frévillier, Guillaume Wipf, Pierre Azaïs, Paul Parmentier ; - IUT de Cachan : Yann Ciora, Maxime Tran-Thanh, César Parent, Alexis Greibill, Jean Roda ; - INSA : Romain Petit ; - LEA : Alice Kieffer.

8 / 65 …et par nos contributeurs industriels et institutionnels : - Université Technologique de Belfort Montbéliard (UTBM) ; - DASSAULT SYSTEMES ; - AEROPORT INTERNATIONAL DE STRASBOURG ; - ADIRA (Agence de Développement Economique du Bas-Rhin) ; - BPI ; - IFEM (expert Crédit Impôt Recherche, statut Jeune Entreprise Innovante…) ; - AVECO (Expert comptable).

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1 2 Activités de la société HKW-aero

F ormations à l’aérotechnique et à l’éco conception dans le domaine des transports (aéronautique et automobile). Programme de recherche dans le domaine de l’automobile (extraits modélisations :

http://www.hkw-aero.fr/pdf/synthese_voiture_du_futur.pdf

).

10 / 65 Programme de recherche dans le domaine de la modélisation des avions. Programme JEI 2015, extrait : - Méthode de pré dimensionnement intégrant la variation de masse de carburant au fil du vol. - Méthodes de validation de la méthode ci-dessus, par : a- calcul des performances sur la base des caractéristiques obtenues (calcul dans "l'autre sens") ; b- pré dimensionnement d'un avion réel et comparaison des caractéristiques calculées et réelles ; c- comparaison avec les résultats issus de la formule de Breguet Leduc. - Méthode pour définir le profil de vol optimum (aller le plus loin avec une quantité donnée de carburant). - Méthode de détermination de la consommation spécifique d'un avion. - Méthode de validation de la méthode ci-dessus. - Consommation au cent par siège, masse à vide, masse au décollage... en fonction de l'autonomie pour laquelle est conçu l'avion. Idem avec la vitesse pour laquelle est conçu l’avion. - Détermination du Cz max optimum en fonction de la vitesse pour laquelle est conçu l’avion. - Changement de design en vue d’améliorer la qualité massique d’un avion. - Méthode de détermination expérimentale en vol du Cx0 (ou Cfe) sans connaître la puissance max du moteur et le rendement de propulsion. Ceci sous-entend une procédure garantissant un effort nul de l'hélice en vol, le reste consistant à déterminer la finesse puis le Cx0 à partir de mesures de vitesses avion et des Vz associées.

11 / 65 Organisation et animation de colloques et de conférences. Conception et fabrication d’un avion ultraléger (UL) et de ses dérivés.

12 / 65 Encadrement de projets d’ingénieurs :

1 3 Etat des lieux

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14 / 65 Quelle énergie contient 1 kg de carburant fossile ?

1 kg de carburant fossile contient autant d ’énergie que celle produite par 100 cyclistes entraînés pendant une heure : 15 / 65

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1 4 Critères de qualité et limites de la physique

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1 5 Le trublion du "coefficient spirale" (ou de la "synthèse")

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2 Avions de transport 2 1 Transport aérien : prospectives linéaires pour une réalité qui ne l'est pas...

Différentes prospectives prévoient le passage de 2,5 milliards de passagers en 2011 à 16 milliards de passagers en 2050. Soit une augmentation dans un facteur de 6,4. Une telle prévision est elle compatible avec l’engagement Européen du « facteur 4 » (diviser par 4 les consommations d’énergies fossiles à l’horizon 2050) ?

21 / 65 …ces prospectives et ces objectifs sont TRES contradictoires :

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2 2 Une autre vision des avions de transport régional, étude conjointe Alain Marianne DASSAULT SYSTEMES et HKW-AERO

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2 2 Qu'en est-il des avions de transport moyens et longs courriers ?

Nos récentes modélisations permettent de réaliser des pré dimensionnements d’avions intégrant la variation de masse de carburant au fil du vol.

24 / 65 Ces modélisations sont validées par comparaison avec la formule de Breguet Leduc et surtout par dimensionnement d’avions existants et comparaison avec leurs caractéristiques réelles. Nous en concluons :

25 / 65 Mais surtout, ces modélisations ouvrent la porte à de multiples prospectives…

26 / 65 Par exemple quel est l’impact de l’autonomie, pour laquelle est conçu l’avion, sur la consommation au cent par siège ?

27 / 65 Commençons par un cahier des charge : - nombre de sièges (donc masse utile, surface occupée…) ; - distance franchissable ; - vitesse de croisière…

28 / 65 …le modèle de pré dimensionnement proposé permet de déterminer la puissance des moteurs, la masse de carburant embarqué, la masse à vide, la masse maxi, la surface alaire etc.

29 / 65 Pour un avion de transport moyen courrier type ( proche de l’A319), nous avons (valeurs identiques au résultats du calcul) :

30 / 65 Que donnerait le même fuselage et la même charge utile mais en augmentant l’autonomie de 50 % ? L’avion serait très différent :

31 / 65 Ainsi, nous pouvons représenter la consommation au cent par siège en fonction de l’autonomie…

Cette courbe est uniquement valable avec les caractéristiques de notre avion moyen courrier type (Cz max, vitesse mini etc.) Il ne s’agit pas de faire voler l’avion existant moins loin mais de le dimensionner pour une autonomie différentes.

Ceci traduit le coût énergétique considérable pour transporter la masse de carburant nécessaire pour aller loin.

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33 / 65 De même, nous pouvons dimensionner notre avion moyen courrier type en fonction de sa vitesse de croisière (sur la base du cahier des charges initial hors vitesse) :

Il ne s’agit pas de faire voler l’avion existant moins vite mais de le dimensionner pour une vitesse différente. Cette courbe est uniquement valable avec les caractéristiques de notre avion moyen courrier type (Cz max, vitesse mini etc.)

34 / 65 Retenons que pour notre avion moyen courrier type :

35 / 65 Ceci laisse préfigurer le design des avions du futur, design influencé par la réduction des autonomies et des vitesses. Mais alors, quelle est la raison majeure expliquant le relatif succès des avions très longs courriers ? Hypothèse : il semble très intéressant de baser des avions et de faire le plein de carburant à l’endroit où il coûte le moins cher :

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Rajoutons qu’il-y-a d’autres pistes particulièrement intéressantes mais nous sortons ici du cadre de notre exposé …

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2 4 Autres voies pour réduire les consommations ?

L ’avion solaire ouvre-t-il une porte pour le futur ?

38 / 65 Qu’en est-il des agros carburants ?

39 / 65 Partie aéronautique des « 34 projets industriels » pour la France industrielle du futur : un avion de loisir électrique …

40 / 65 …et un avion de transport hybride. Quel est l’impact de l’hybridation sur la qualité massique et sur la consommation spécifique ?

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3 Avions de loisir , l’avion ultraléger HKW-aero

Un objectif majeur : diviser les consommations quasiment par deux !

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3 1 Pourquoi un avion en aluminium ?

- processus industriel ; - constance dans la qualité ; - faible coût ; - f acilité de transformation et d’assemblage ; - directive Européenne sur le recyclage …

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3 2 Un peu d’histoire, le rivetage…

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3 3 Tests et essais

Un objectif : la réglementation ULM impose de suivre l ’essentiel de la CS VLA, elle même issue de la CS23. Ceci concerne les appareils industriels dont la charge alaire est supérieure à 30 kg/m². Ces réglementations imposent notamment des cas de charges et des essais biens précis.

45 / 65 Par exemple, l ’essais final « avion complet » clôt les essais au sol :

46 / 65 Essais liés à l’aérodynamique de la machine :

Détermination des polaires avec différents angles de volets : 47 / 65

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3 4 Origine du design HKW

Le design de l’appareil HKW-aero est atypique : petite motorisation donc capot court, avant léger donc aile très reculée et implantée à mis hauteur dans le fuselage…

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3 5 Réduire les coûts

Produire en France tout en étant compétitif nécessite de simplifier les solutions à l’extrême… ce qui s’avère long et difficile. Ainsi, les solutions techniques imaginées pour l’appareil HKW sont particulièrement simples (plusieurs brevets déposés). Ceci permet aussi d’une part de réduire sensiblement les coûts de maintenance, d’autres part d’atteindre une fiabilité élevée pour une coût minium (c e qui n’existe pas ne tombe pas en panne…).

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3 6 Précisions sur l’avion ULM HKW-aero…

La démarche a consisté à travailler sur les trois critères de qualité afin de réduire la puissance nécessaire au vol. Par le jeu du coefficient spirale, l’appareil HKW a des performances élevées avec une puissance de 40 cv au lieu des 80 à 100 cv usuels. La consommation se trouve réduite proportionnellement à la puissance installée.

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3 7 Premiers vols

…prévus fin octobre et réalisés par Marc Mathis, pilote de ligne, de voltige et de « warbirds » (FOCKE-WULF 190, MUSTANG P51, CURTISS P40, YAK 9, YAK 11, YAK 3U...).

3 8 Autres aéronefs en projet …

En cours : dérivé motoplaneur >

99% des pièces sont communes avec la version ULM de base.

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57 / 65 Projet possible : i ndustrialisation de l’Agrion (ULM développé par Thierry Pujolle) Avion biplace le plus léger jamais construit : Masse à vide = 60 kg !

Processus industriels issus de l’ULM HKW.

58 / 65 Autre projet envisageable : a vion d’affaire bimoteur à bas coût d’achat et d’exploitation : 13 litres au cent à 300 km/h à 4 personnes, grande facilité de contrôle et d e maintenance…

Technologies, méthodes de calculs et d’essais, processus industriels… issus de l’avion UL. Nombreuses pièces communes.

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4 Vol suborbital, « Défi Aérospatial Etudiants »

Concours inter-écoles Européennes proposé par les majors de l’aérospatiale Français et Européens. Définition du vol suborbital : dépasser une altitude de 100 km pendant quelques instants. Un tel vol est donc par nature de très courte durée. A not er qu’une mise en orbite nécessite une dépense d’énergie 30 fois supérieure à un vol suborbital.

60 / 65 L’UTBM et HKW concourent depuis trois ans sur le thème du « porteur de la navette ». Propositions 2013 (prix des Partenaires) et 2014 (Prix Airbus) :

61 / 65 Points forts de la proposition 2014 , amélioration de l’aérodynamique afin de réduire la puissance installée :

62 / 65 Stratégie 2014 : sortir du CdC pour rendre le projet réaliste…

63 / 65 Mais un tel projet est-il réaliste ? Il ne semble pas envisageable d’aller plus que loin que les pré dimensionnements réalisés compte-tenu de la complexité extrême et du coût démesuré d’un tel projet. A ceci se rajoute la dépense énergétique considérable d’un vol suborbital. Cette dépense énergétique est difficile à justifier dans le contexte actuel, raréfaction des énergies et réchauffement climatique, compte-tenu du peu d’intérêt scientifique et/ou collectif de la mission.

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5 Conclusion

Par sa faible consommation, son faible coût et sa grande facilité de maintenance, l’avion UL HKW-aero est résolument différent des machines actuellement proposées. La machine de base et son dérivé moto-planeur sont une réponse réaliste à la problématique énergétique et climatique actuelle et à venir.

65 / 65 Retenons aussi que de nouvelles technologies ou des designs surprenants, aussi novateurs soient-ils, n’ont de poids que comparés aux critères de qualité…

Merci pour votre attention