Les chercheurs du CNRC repoussent une nouvelle fois les frontières de l'électrification en offrant au secteur de l'aérospatiale des solutions novatrices qui contribueront à décarboniser l'économie planétaire.
En Saskatchewan, il est courant d'apercevoir des avions Cessna « Skymaster » à 6 places en mission de surveillance aérienne des feux de forêt. En Afrique, ces mêmes avions sont utilisés pour les safaris. On peut aussi les voir survoler certaines îles tropicales lointaines, dans le cadre de missions de recherche et de secours ou pour la dispersion de produits chimiques destinés à éliminer les moustiques. L'un de ces Cessna 337 se trouve aujourd'hui au Centre de recherche en aérospatiale du CNRC, à Ottawa, en Ontario, où les chercheurs l'ont transformé en avion électrique hybride.
Bâti pour la première fois dans les années 1960, ce bimoteur a vite gagné en popularité grâce à l'emplacement unique de ses moteurs qui simplifie la tâche du pilote en cas de défaillance de l'un d'entre eux. Surnommé le « Mixmaster », cet avion diffère des avions à hélice traditionnels qui portent leurs moteurs sur les ailes. Il est en effet équipé d'un moteur sur son nez, qui le tire vers l'avant, et d'un moteur à l'arrière, qui le pousse. Cette configuration combinée de propulsion et de traction est idéale pour le premier grand projet du CNRC dans le domaine de l'aviation électrique qui vise à remplacer des combustibles fossiles par des sources d'énergie renouvelables, à base d'électricité ou d'hydrogène.
En 2019, le Centre de recherche en aérospatiale a mis sur pied un partenariat avec le Centre de recherche sur l'énergie, les mines et l'environnement, la Direction des services de conception et de fabrication et le Centre de recherche en construction pour installer un système de moteur électrique hybride sur un Cessna 337. Une équipe pluridisciplinaire composée d'une quarantaine de chercheurs répartis d'un bout à l'autre du Canada met depuis à profit les expertises ainsi réunies pour remplacer le moteur arrière original de l'avion par un système de propulsion entièrement électrique comprenant un moteur électrique, une batterie et les systèmes connexes. Le prototype est également équipé de systèmes électriques alimentés sous la plus haute tension jamais mise en œuvre sur un aéronef.
Les pilotes d’essai du CNRC se préparent aux essais en vol pour évaluer la performance de base du Cessna 337 dans le cadre du projet HEAT.
Selon Patrick Zdunich, directeur technique de la plateforme d'essais de l'aéronef hybride électrique du CNRC (HEAT), l'aviation est destinée à suivre le même chemin que l'automobile, qui a vu l'avènement progressif de voitures électriques dont l'autonomie initiale limitée a forcé au préalable l'adoption de véhicules hybrides. « Comme dans le secteur de l'automobile, nous parviendrons à mettre au point des aéronefs électriques dotés d'une autonomie qui répond largement aux besoins. » Les hybrides ne représentent donc qu'une première étape de la révolution qui va remodeler l'ensemble de l'écosystème aéronautique.
Les systèmes hybrides gagnent de la vitesse
Le Cessna 337 et son système de propulsion électrique mis au point dans le cadre du projet HEAT ont été soumis à une série d'essais et d'expériences en préparation du premier vol de l'avion qui s'effectuera à l'aéroport d'Ottawa. « Nous avons évalué ses performances sur un dynamomètre, mesuré le niveau de bruit à l'intérieur et à l'extérieur et soumis la batterie à des tests de tolérance aux vibrations, explique Patrick Zdunich. Contrairement aux études purement théoriques ou à celles qui se cantonnent à des simulations numériques, ce projet nous a obligés à retrousser nos manches et mettre nos mains dans le cambouis pour mener à bien des expériences pratiques aux différentes phases de conception, d'essais et de construction. »
Le système de moteurs en tandem longitudinal du Cessna 337 se prête idéalement à la conversion à l'électrique. Un bimoteur traditionnel converti en hybride, avec un moteur sur chaque aile, serait difficile à équilibrer puisque le moteur électrique — qui fait à peu près la taille d'une pile d'assiettes — est beaucoup plus léger qu'un moteur à explosion. « Avec notre appareil, nous avons réussi à répartir le poids du système longitudinalement en plaçant les batteries à l'arrière du fuselage, derrière le pilote, précise Zdunich. Cette géométrie en tandem longitudinal nous permet de mettre le moteur avant au ralenti lors de l'évaluation des performances du système électrique installé à l'arrière. » Il est également possible de couper ce système de propulsion électrique sans déséquilibrer ni faire virer l'avion et de le faire atterrir en utilisant uniquement le moteur avant.
Les pilotes d’essai et les chercheurs du CNRC inspectent le Cessna 337 dans le cadre du projet HEAT.
Reagh Sherwood, l'un des pilotes d'essai du CNRC affecté au projet HEAT, explique que l'équipe rédige actuellement les listes de vérification pour cet avion, les plans d'essais en vol et au sol ainsi que les protocoles d'évaluation des risques. L'équipe évalue aussi la sécurité de l'avion et de ses sous-systèmes, ses performances et l'influence des facteurs humains, autant d'éléments essentiels dont il faut tenir compte lors de la validation de l'appareil. C'est la première fois que le CNRC est amené à tester le système de propulsion d'un aéronef dans son ensemble, des batteries jusqu'au moteur.
« L'importance de ces travaux dépasse de loin le mandat du CNRC, continue-t-il. L'infrastructure et l'expertise que nous avons développées dans le cadre du projet HEAT pourront par exemple être utilisées par des clients du secteur de l'aérospatiale qui souhaitent concevoir, tester et valider leurs propres systèmes de propulsion électrique. »
Les résultats obtenus par l'équipe et les recommandations qu'elle a formulées sont aussi partagés avec Transport Canada, l'organisme de réglementation canadien. « Un des objectifs est d'aider Transport Canada à formuler les critères d'homologation pour les systèmes électriques et les configurations des nouveaux aéronefs, ajoute Sherwood. Les nouveaux fabricants vont sûrement chercher à faire homologuer une myriade de configurations différentes et de configurations hybrides pour les systèmes de propulsion ainsi que des systèmes de contrôle de la propulsion électrique et des profils de vol. »
Prêt au décollage
Zdunich fait remarquer que même si l'aviation électrique n'en est encore qu'au stade des découvertes et de l'exploration, elle ouvre la voie à de nombreuses possibilités. « Nous pouvons mettre au point des configurations d'aéronef radicalement nouvelles tout en affrontant la crise bien réelle du dérèglement climatique puisque l'utilisation de systèmes hybrides ou exclusivement électriques éliminera les émissions directes de carbone. »
L'électrification contribuera ainsi grandement à l'atteinte des objectifs fixés par l'Association du Transport Aérien International (IATA) dans le cadre de l'action mondiale contre le dérèglement climatique. Ces objectifs comprennent notamment une amélioration annuelle de 1,5 % du rendement énergétique de la flotte mondiale, la stabilisation des émissions totales de CO2 par le secteur de l'aéronautique grâce à une croissance carboneutre et la diminution de 50 % des émissions nettes de CO2 par ce secteur d'ici à 2050.
« Mais s'agissant d'une nouvelle frontière, nous devons trouver de nouvelles solutions pour atténuer les nouveaux risques auxquels nous devons faire face, dit-il. Nos travaux dans le cadre du projet HEAT illustrent ce qui peut être accompli lorsque des chercheurs, des techniciens et des ingénieurs rassemblés au sein d'une même équipe multidisciplinaire combinent leurs expertises et leurs ressources. »
Les moteurs électriques rendront les avions moins polluants et plus silencieux, mais ils contribueront aussi à révolutionner notre façon de voler. Encore une raison de surveiller le ciel.
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