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1 - PRINCIPES ARCHITECTURAUX

2 - DIMENSIONS CARACTÉRISTIQUES

  • 2.1 - Prédéfinition de la mission
  • 2.2 - Bilan et devis de masse
  • 2.3 - Géométrie extérieure – réservoirs
  • 2.4 - Volumes intérieurs – partie centrale
  • 2.5 - Soutes de service

3 - L’AILE, VECTEUR TECHNOLOGIQUE

  • 3.1 - Contrôle prédictif généralisé
  • 3.2 - Une nouvelle approche de la cabine
  • 3.3 - Certification des phases critiques au sol

4 - L'AILE, PRÉCURSEUR ENVIRONNEMENTAL

5 - CONCLUSION – UN DÉFI ET DES PISTES DE SOLUTIONS

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : TRP4072 v1

Principes architecturaux
L’aile volante cryotechnique - Architecture, dimensionnement, volumes, enjeux technologiques et de certification

Auteur(s) : Yves GOURINAT, Clara TOCABENS

Date de publication : 10 mars 2024

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RÉSUMÉ

L’hydrogène constitue une solution crédible pour décarboner l’aviation à moyen et long terme. Les conditions de stockage et volumes requis nécessitent néanmoins de repenser l’architecture, la topologie et la forme de l’aéronef. À cet égard l’aile volante de grandes dimensions offre des perspectives qui permettent non seulement d’envisager des performances propres à un gros porteur à propulsion hydrogène au long cours, mais aussi de faire évoluer l’aménagement de la cabine pour des vols de très longue durée. Cette approche environnement intégrée – incluant les aspects logistiques et de recyclage structural – fait l’objet de cet article qui envisage les principales caractéristiques d’un tel aéronef.

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ABSTRACT

The Cryotechnic Flying Wing. Architecture, Sizing, Volumes, Technological and Certification Issue

Hydrogen is a credible solution for decarbonizing aviation in the medium and long term. The storage conditions and volumes required call for a rethink of aircraft architecture and topology. In this respect, the large-scale flying wing offers prospects that not only make it possible to envisage the performance of a long-range wide-body hydrogen-powered aircraft, but also to upgrade the cabin layout for very long flights. This integrated environmental approach - including logistical and structural recycling aspects - is the subject of this article, which describes the main features of such an aircraft.

Auteur(s)

  • Yves GOURINAT : Professeur - Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace, Université de Toulouse, Toulouse, France

  • Clara TOCABENS : Étudiante - Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace, Université de Toulouse, Toulouse, France

INTRODUCTION

Pourquoi l’aile volante et ses technologies ? L’aviation future sera décarbonée ou ne sera pas. En effet, le secteur aérospatial générerait entre 5 et 6 % du réchauffement climatique au niveau mondial (GIEC). La moitié environ de cette contribution est due au CO2 et le complément reste aux traînées de condensation. L’architecture décrite dans cet article ouvre une piste dans ces deux directions, qui permet d’envisager ainsi une évolution de rupture, de nature à non seulement accélérer la décarbonation du transport aérien, mais aussi à promouvoir un modèle novateur durable.

Concernant le CO2, l’hydrogène vert apporte une solution. Toutefois, ce carburant a un impact radical sur l’architecture de l’avion, dès que l’on demande une distance franchissable transocéanique. En effet, en vols locaux, la solution qui consiste à intégrer des réservoirs dans des avions existants peut fonctionner. Mais, si l’on vise des étapes de plus de 10 000 km alors le volume requis nécessite de repenser la topologie et la géométrie même de l’avion.

Cet article propose une nouvelle gestion des volumes qui, non seulement offre la capacité d’embarquer l’hydrogène nécessaire, mais aussi ouvre des perspectives en matière d’aménagement des cabines pour les très longs vols.

Quant aux effets climatiques des traînées de condensation – cirrus étalés par les jetstreams – les solutions existent à l’heure actuelle. Elles consistent à optimiser et réorganiser les trajectoires. Concrètement, pour l’aile volante, il faudra voler moins haut et moins vite que les avions actuels . Cette nécessité environnementale, qui se traduit également par des économies d’énergie et de puissance, peut être satisfaite précisément grâce à la place dont les passagers vont disposer. En effet, la présence de l’hydrogène augmente considérablement le volume global de l’avion, ce dont on bénéficie pour les passagers également. On peut ainsi réaménager la cabine pour des vols de très longue durée (24 heures et plus).

Cette présentation architecturale de l’aile volante du futur – qui prend en compte l’histoire de l’aéronautique, en particulier les concepts développés par Jack Northrop et ses successeurs – propose une approche novatrice de l’avion dans son environnement et son utilisation. C’est cette description intégrée visant plus tard la certification de ce concept que nous proposons ici.

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KEYWORDS

hydrogen   |   decarbonized aviation   |   cryogenic propulsion   |   environmental certification   |   aircraft architecture

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-trp4072


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1. Principes architecturaux

1.1 Architecture d’ensemble

Considérant les ailes volantes opérationnelles « historiques » (Northrop YB49, B2 et B21) on peut proposer et valider une structure alternant des parties pressurisées et des parties non pressurisées. Ces sections s’intègrent dans une géométrie d’allongement limité (< 5) et d’épaisseur relativement importante (ratio corde/épaisseur compris entre 4 et 6). La figure 1 donne l’allure générale de cet aéronef.

Cette architecture est proche de celle d’un lanceur, qui voit alterner des réservoirs pressurisés et des sections inter-étages non pressurisées. De fait, la technologie de l’aile volante nécessitera un rapprochement effectif entre le monde des lanceurs et celui des avions, à tous les niveaux.

On notera l’absence de dérives, la présence de six élevons et le redent – ou décrochement – caractéristique sur le bord de fuite, déjà mis en œuvre sur les ailes opérationnelles. L’absence de dérives améliore la tenue en vent latéral mais nécessite d’assurer le contrôle en lacet par les seuls élevons. C’est la raison pour laquelle ces derniers seront multiples, à double action, et commandés par des systèmes distincts et redondants. La stabilité des commandes de vol est en effet essentielle sur un aéronef instable et la certification de cet aspect-là est un enjeu majeur. Les ailes volantes sont en effet réputées pour leur instabilité.

Notons enfin que les atterrisseurs principaux cohabiteront avec la propulsion et les systèmes de puissance électrique dans les soutes bâbord et tribord, qui sont les seules sections non pressurisées.

HAUT DE PAGE

1.2 Parties pressurisées

Les réservoirs bâbord et tribord, de grands volumes, seront maintenus pressurisés à 1,5 atm en pression absolue, tant au sol qu'en vol. C’est la thermodynamique de l’hydrogène liquide à − 252 °C qui requiert cette pression pour limiter les pertes par évaporation. Cinquante années d’opération cryotechnique sur lanceur ont permis de stabiliser cette valeur d’usage entre 1,5 et 2,5 atm, on choisit la limite basse pour des raisons structurales. Cette spécification est en effet pénalisante...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - IATA -   Liquid hydrogen as a potential low-carbon fuel for aviation.  -  IATA Fact Sheet 7, http://www.iata.org/contentassets/d13875e9ed784f75bac90f000760e998/fact_sheet7-hydrogen-fact-sheet_072020.pdf (2014).

  • (2) - RAYMER (D.L.) -   Aircraft Design : A Conceptual Approach.  -  American Institute of Aeronautics & Astronautics, ISBN 978-1624104909, 1062 p. (2018).

  • (3) - TORENBEEK (E.) -   Advanced Aircraft Design : Conceptual Design, Technology and Optimization of Subsonic Civil Airplanes.  -  Wiley, ISBN 978-1118568118, 436 p. (2013).

  • (4) - GUILER (R.W.) -   Control of a swept wing tailless aircraft through wing morphing.  -  ICAS 2008 : 26th Congress of International Council of the Aeronautical Sciences, Paper ICAS 2008-2.7.1.

  • (5) - OKONKWO (P.), SMITH (H.) -   Review of evolving trends in blended wing body aircraft design.  -  Progress in Aerospace Sciences, vol. 82, 2016, DOI 10.1016/j.paerosci.2015.12.002.

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