Les avions ont utilisé des actionneurs hydrauliques pour manœuvrer, mais l’électrification pousse l’aérospatiale à passer des actionneurs hydrauliques aux entraînements électroniques de puissance afin de réduire le poids, la complexité et les besoins de maintenance tout en améliorant la fiabilité.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Traditionnellement, les avions utilisaient des actionneurs hydrauliques pour manœuvrer, mais l’électrification pousse l’aérospatiale à passer des actionneurs hydrauliques aux entraînements électroniques de puissance, réduisant le poids, la complexité et les besoins de maintenance tout en améliorant la fiabilité.
Les avions disposent de plusieurs commandes de vol qui aident à manœuvrer au sol et dans les airs. Un avion pivote en inclinaison, en tangage et en lacet tout en se déplaçant horizontalement, verticalement et latéralement. Les quatre fondamentaux (vol rectiligne et en palier, virages, montées et descentes) sont les manœuvres principales qui contrôlent l’avion à travers les six mouvements de vol. Au sol, le gouvernail permet de faire rouler l’avion à gauche, à droite ou en ligne droite. Les commandes de vol primaires et secondaires sont utilisées dans les airs. Les commandes de vol primaires comprennent un gouvernail pour contrôler le lacet le long de l’axe vertical, un élévateur pour contrôler le tangage en haut et en bas le long de l’axe latéral, et un aileron pour contrôler l’inclinaison ou pour faire tourner l’avion le long de l’axe longitudinal, ce qui coordonne le gouvernail et l’élévateur si nécessaire.
Les commandes de vol secondaires comprennent les compensateurs, les volets et les aérofreins. Les surfaces de contrôle de trim sont nécessaires pour compenser toute pression constante des commandes de vol fournie par le pilote. Les moments de tangage peuvent également être générés en étendant et en rétractant les volets, le train d’atterrissage et d’autres dispositifs produisant de la traînée, tels que les spoilers. Les commandes de vol primaires sont nécessaires, tandis que les commandes de vol secondaires améliorent le mouvement de l’avion en vol avec un contrôle plus fin.
Figure 1. Commandes de vol primaires du Manuel de pilotage des avions de la FAA. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Lorsque l’avion prend de la vitesse et rencontre de forte forces, les commandes de vol s’activent. Les actionneurs pneumatiques ont été utilisés au début du 20ème siècle pour déplacer ces surfaces. Vers les années 1930, les avions ont commencé à utiliser des actionneurs hydrauliques. Ces actionneurs hydrauliques se composent d’un réservoir hydraulique centralisé, de filtres, de pompes et de liquide incompressible pour déplacer les actionneurs, le moteur de l’avion entraînant directement les pompes hydrauliques. Ces actionneurs ont finalement évolué vers des actionneurs électro-hydrauliques qui maintenaient le réservoir de fluide hydraulique centralisé, tandis que des moteurs électriques étaient utilisés pour entraîner les pompes hydrauliques centralisées. La plupart des avions de l’ancienne génération en service utilisent cette technologie. Les principaux problèmes avec ce système hydraulique central sont la maintenance, la plomberie, les changements fréquents de filtres, le poids plus élevé, les systèmes plus volumineux et la consommation d’énergie plus élevée.
Figure 2. Applications d’actionnement d’avion. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Technologie d’Actionnement
Avec l’invention de la technologie d’actionnement, il y a eu une transition des systèmes hydrauliques traditionnels (EH) vers les actionneurs électrohydrostatiques (EHA), les actionneurs hydrauliques de secours électrique (EBHA) et les actionneurs électromécaniques (EMA). Ces actionneurs remplacent le système hydraulique central par des systèmes de commandes de vol électriques (fly-by-wire) pour réduire le poids du système, la consommation d’énergie, la complexité et la maintenance tout en améliorant la fiabilité.
Le système d’actionnement électrohydrostatique (EHA) élimine le besoin de systèmes hydrauliques centraux. Ces systèmes utilisent l’énergie électrique pour l’actionnement des surfaces de commande de vol de l’avion, ce qui entraîne une réduction du poids de l’avion, une consommation d’énergie efficace et une amélioration de la maintenabilité.
Les systèmes EHA sont des systèmes d’actionnement power-by-wire qui utilisent l’énergie électrique de l’avion pour l’actionnement des surfaces de commande de vol. Ces systèmes sont très économes en énergie et offrent un avantage de poids global pour l’avion. La technologie EHA est un actionnement à la demande qui réduit la consommation d’énergie globale de l’avion. Les EHA améliorent la maintenabilité car il n’y a pas de connexions hydrauliques entre l’équipement d’actionnement et le système du véhicule. Les EHA se composent d’une pompe à déplacement fixe, à grande vitesse, réversible, entraînée par un moteur électrique BLDC (sans balais). La direction de rotation de la pompe contrôle la position de l’actionneur, et la vitesse de rotation de la pompe contrôle la vitesse du piston de l’actionneur. La force de sortie de l’actionneur est fonction du couple de sortie du moteur électrique.
Les systèmes d’actionnement hydraulique de secours électrique (EBHA) sont similaires aux systèmes EHA mais fournissent un secours pour les systèmes hydrauliques centraux avec des avantages similaires.
Les systèmes d’actionnement électromécanique (EMA) sont des systèmes de câblage électrique qui éliminent le besoin de systèmes hydrauliques centraux et de tout élément hydraulique car ils utilisent des actionneurs mécaniques. Un moteur électrique est dédié et situé à chaque actionneur mécanique sur l’avion. Ces actionneurs suppriment l’utilisation de pompes et utilisent à la place des boîtes de vitesses mécaniques ou des arrangements similaires alimentés par un moteur électrique. Cette boîte de vitesses mécanique entraîne la conversion de la rotation en mouvement linéaire pour déplacer les commandes de vol.
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Figure 3. Types d’actionneurs : la transition vers les EHA et EMA est la première étape vers la décarbonisation. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Les principaux avantages de cette transition des systèmes hydrauliques centralisés vers les EHA/EBHA et EMA incluent des économies de poids significatives, une performance accrue, une sécurité améliorée grâce à une meilleure fiabilité dans des conditions exigeantes, des coûts de maintenance réduits et des coûts de cycle de vie opérationnels plus faibles. Tous ces facteurs ensemble réduisent l’empreinte carbone de l’avion. Plus l’avion est grand, plus les avantages sont significatifs.
À mesure que les avions évoluent vers des avions de plus en plus électriques (MEA) et éventuellement des avions entièrement électriques, les systèmes d’actionnement seront parmi les premiers systèmes susceptibles d’être électrifiés. Cela nous donne l’opportunité de fournir des solutions pour des applications, y compris mais sans s’y limiter, les avions commerciaux, les avions cargo et les petits avions d’entraînement, en plus du secteur de la défense, des avions à décollage et atterrissage verticaux électriques (eVTOL), des drones et des multicoptères.
La Figure 4 montre un exemple de MEA nécessitant des solutions électroniques de puissance pour 24 commandes de vol, cinq trains d’atterrissage, dix pompes à carburant et huit portes. Cela montre le besoin de solutions énergétiques permettant le changement vers la décarbonisation.
Figure 4. Opportunités dans les MEA. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Plusieurs facteurs de croissance permettent de susciter la demande pour l’électrification de l’actionnement :
- Électrification des avions commerciaux et cargo
- Croissance du trafic passager
- Modernisation de la flotte
- Électrification des avions militaires et de défense
- Petits aéronefs entièrement électriques/H2/hybrides
- EVTOL pour le transport public et de fret
- Utilisation de drones et de multicoptères pour les services et l’agriculture
Figure 5. Segments de marché et moteurs de croissance. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Quelques prévisions et analyses clés du marché de l’aviation commerciale renforcent le potentiel d’un marché de l’actionnement électrique en expansion.
Modernisation de la flotte : Les compagnies aériennes auront besoin des avions les plus récents, les plus efficaces et les moins émetteurs. En 2022, seulement 25 % de la flotte commerciale a été électrifiée.
Trafic passager : Le trafic passagers devrait croître de 3,6 % entre 2019 et 2041, ce qui augmentera le nombre d’avions pour répondre à cette demande.
Nouveaux avions de génération : D’ici 2041, la dernière génération d’avions représentera plus de 95 % de la flotte. La demande sera probablement plus élevée, car ces avions utiliseront l’actionnement électrique au lieu de l’hydraulique. Par rapport à 2021, seulement 20% de la flotte représentait de nouveaux avions.
En résumé, il y aura une demande de plus de 40 000 nouveaux avions d’ici 2042, en tenant compte à la fois de la croissance (>23 000) et du remplacement (>17 000).
Pour permettre cette transition, il est nécessaire d’intégrer différents composants électroniques de puissance pour des fonctions telles que le contrôle du mouvement de puissance, ainsi que de fournir la reconfigurabilité, la normalisation, la modularité et la fiabilité pour répondre aux normes aérospatiales.
Modules de Puissance
L’actionneur génère un mouvement de translation dans la direction avant et arrière, converti en mouvement rotatif pour les commandes de vol. Nous avons besoin de plusieurs capacités pour remplacer le système hydraulique traditionnel par l’électronique de puissance. Les configurations peuvent être obligatoires ou facultatives, selon la nature de la commande de vol.
1. Entraînement du moteur pour contrôler le mouvement rotatif de la commande de vol. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
2. Entraînement de solénoïde pour maintenir la commande de vol à la position souhaitée. Cette fonction est importante pour les commandes de vol qui doivent être maintenues, telles que les volets. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
3. Hacheur de frein pour limiter la tension de bus CC en raison de la régénération du moteur, permettant à l’énergie de se mettre en roue libre via une résistance de freinage externe. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
4. Démarreur progressif pour contrôler le courant d’appel au démarrage du moteur ; cela est réalisé par un interrupteur de démarrage progressif. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Figure 6. Intégration de multiples topologies dans un module de puissance compact.
La plage de puissance de l’actionneur typique varie jusqu’à 25 kW pour une pression de fonctionnement de 5000 psig avec une longueur de course de 25 cm. Ces caractéristiques varient en fonction de l’application, mais elles fournissent une évaluation générique courante dans l’industrie aéronautique. Les tensions de liaison CC sont principalement de 270 V et 540 V. La fréquence de commutation du moteur électrique varie entre ~2 à 10 kHz. En raison de la tension plus élevée impliquée, il est important d’avoir un module