zehst une étude conceptuelle de transport à grande vitesse
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ZEHST une étude conceptuelle de transport à grande vitesse
et ASTRIUM
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EADS INNOVATION WORKS et ASTRIUM ont
lancé, en partenariat avec l’ONERA, le centre
français de recherche aérospatiale, un projet
financé par la Direction Générale de l’Aviation Civile
(DGAC), visant à développer une étude système
et des démonstrateurs technologiques associés
reposant sur le concept d’un futur système de
transport commercial à grande vitesse capable
d’effectuer des vols long-courriers, tels que Tokyo-
Los Angeles ou Tokyo-Londres, en moins de 2h30,
avec un très faible impact environnemental, et
pouvant être exploité comme un avion commercial
standard.
Baptisé ZEHST, ce concept de transport à
grande vitesse, qui s’appuie sur le savoir-faire
acquis par ASTRIUM dans le cadre de son
projet d’avion spatial suborbital, est intégré
aux activités eCO2avia d’EADS INNOVATION
WORKS, qui incluent également divers projets
visant à démontrer la faisabilité de l’utilisation de
biocarburant à base d’algues et d’énergie électrique
dans le transport aérien.
Réduire les temps de trajet pour les passagers a
toujours été, et demeurera, un aspect essentiel dans
le développement des systèmes de transport aérien
dans le monde. Les futurs avions long-courriers ne
sont pas seulement amenés à être plus rapides,
il leur faudra également satisfaire aux ambitieuses
exigences de l’industrie des transports aériens en
termes de protection de l’environnement, y compris
les objectifs fixés dans la feuille de route de la
Commission européenne intitulée « Flightpath 2050
– Europe’s Vision for Aviation ». Le rapport de la
Commission européenne prévoit une réduction de
75 % des émissions de carbone (CO2) dues au
transport aérien, accompagnée d’une réduction de
90 % des émissions d’oxydes nitriques (NOx) et de 65 %
des nuisances sonores par rapport à l’an 2000.
Réservoirs d'hélium Réservoirs d'oxygène
Stato-réacteur Turbo-réacteur
Réservoirs d'hydrogène Stato-réacteur
Turbo-réacteur
Moteurs-fusées
cryogéniques
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Les démonstrateurs ZEHST devraient être achevés
d’ici à la fin de la décennie et ouvrir la voie au
développement d’un aéronef opérationnel. Une
première étude de faisabilité et des systèmes financée
par la Direction générale de l’Aviation civile (DGAC)
a d’ores et déjà été initiée. De nombreux défis
techniques devront être maîtrisés pour permettre aux
futurs systèmes de transport commercial à grande
vitesse de fournir les performances requises, tout en
respectant les futures contraintes environnementales.
Les études menées ont pour but de définir les moyens
de répondre aux exigences et d’atteindre les objectifs
tout en tenant compte des contraintes techniques.
Dans cette optique, le projet ZEHST est chargé de
mener à bien les travaux suivants :
• définitiondesspécificationsinitialesetdes
objectifs ;
• développementitératifdesolutionstechniques
recevables ;
• évaluationdenouvellestechnologieseuégardà
leur pertinence, à leur maturité et aux risques et
opportunités associées ;
• identification,évaluationetsélectiondenouvelles
technologies prometteuses et développement
d’applications basées sur ces dernières ;
• évaluationdeservicespotentielsinnovants
dérivés de ce concept.
Le système de propulsion ZEHST a fait l’objet d’un
concept initial adoptant l’hydrogène liquide comme
carburant principal. Ce concept constitue la première
étape vers la définition d’une solution de référence
primaire susceptible d’être transmise aux centres de
compétences des organismes partenaires en vue
de la réalisation d’études de faisabilité technique
approfondies. Outre la conception initiale de l’appareil,
le projet ZEHST élaborera un programme de
maturation technologique ainsi que la définition
préliminaire des bancs d’essais associés. La
prochaine étape de ce projet à long terme consistera
à valider l’empreinte environnementale du concept
ainsi que l’architecture de son système de propulsion.
Le type de carburant utilisé sera sélectionné en
fonction de sa performance environnementale,
mais aussi des contraintes de production et de
distribution, sans oublier les aspects liés à la gestion
énergétique et à l’acceptation du concept par les
futurs passagers et équipages, et l’opinion publique.
Les campagnes de tests et les démonstrateurs
représenteront des jalons critiques pour le succès
de la seconde phase de cette feuille de route. Dans
un troisième temps, le projet abordera les
spécifications d’un aéronef à grande vitesse capable
d’effectuer un vol hypersonique intercontinental, à la
fois silencieux et respectueux de l’environnement, et
susceptible de devenir, en 2050, l’avion opérationnel
standard des compagnies aériennes.
ZEHST | Feuille de route du projet ZEHST
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Le concept initial propose une architecture de
système de propulsion centrée sur la sécurité
en vol, la réduction des émissions de gaz et de
bruit, en particulier l’atténuation de la perception
du bang sonique. Trois types de moteurs entrent
successivement en action au cours des différentes
phases d’un vol longue distance à une vitesse de
croisière hypersonique. Le savoir-faire accumulé
par ASTRIUM au cours des cinq dernières années
dans le cadre de recherches consacrées aux avions
spatiaux sera mis à profit pour maîtriser les phases
ascendantes et descendantes du vol.
ZEHST | Concept initial du système de propulsion ZEHST et profil de vol
L’un des critères essentiels dans la conception du
ZEHST consiste à garantir aux passagers des
conditions de vols agréables et « normales »
ne nécessitant aucun équipement ou entraînement
spéciaux. Durant la montée rapide et l’accélération
produites par les moteurs-fusées, les passagers
du ZEHST devraient ressentir une légère force
d’accélération (n’excédant pas 1,2 g) sur une
courte durée.
Décollage d’une piste standard (turbo-réacteurs)
Deux petits moteurs-fusées à ergols liquides
(hydrogène/oxygène) puis un troisième
modèle plus grand (développé à partir des
moteurs-fusées utilisés par les lanceurs
commerciaux Ariane) permettent ensuite à
l’aéronef de poursuivre son ascension
pour rejoindre son altitude de croisière
et effectuer une accélération en régime
transsonique pour atteindre Mach 2,5.
La poussée requise pour la phase initiale
du vol du ZEHST, qui débute par un
décollage classique depuis une piste
standard suivi de la montée initiale pour
atteindre 5 km d’altitude avant d’accélérer
jusque Mach 0,8, sera fournie par deux
turboréacteurs haute puissance, sans post
combustion, fonctionnant au biocarburant.
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Les activités de recherche autour du concept ZEHST
se concentreront sur les différents aspects des futurs
systèmes de transport aérien à grande vitesse. Elles
consisteront notamment à :
• évaluer la possibilité d’utiliser l’hydrogène
comme carburant, et déterminer s’il s’agit d’une
solution viable plus écologique que les
bio-hydrocarbures ;
• examiner les émissions de vapeur d’eau et
de NOx des aéronefs en mode strato-réacteur sur
diverses trajectoires de vol, en particulier eu égard à
la couche d’ozone de la Terre ;
• déterminerlespossibilitésqueprésentelevéhicule
pour réduire le bang supersonique ;
• maîtriserlacomplexitédestransitionsentreles
différents modes de propulsion de l’aéronef ;
ZEHST | Domaines de recherche
• développerdesmatériauxlégerscapablesde
résister à de hauts niveaux de contrainte et à de
hautes températures au cours de nombreux cycles
de vol consécutifs ;
• définirlaprotectionetlagestionthermiques
adéquates pour la cabine passagers et le cockpit ;
• évaluerlaproductionetlestockaged’électricité
à bord des aéronefs propulsés par des moteurs
hypersoniques dépourvus d’éléments rotatifs ;
• évaluerl’impactsurleconfortpassager(ycompris
en termes d’accélération, de rayonnement
cosmique naturel, d’interaction entre le pilote
et l’appareil, d’interfaces cabine/passagers, de
services à bord, et de gestion d’environnement
cabine en matière de bruit, température et
humidité, en conditions de vol standard).
Attente, approche et atterrissage sur piste standard
Quand l’appareil atteint une vitesse
suffisante et 23 km d’altitude, deux
statoréacteurs atmosphériques à hydrogène
prennent le relais pour assurer une vitesse
de croisière, à un nombre de Mach optimal
en termes de consommation de carburant,
pouvant dépasser (beyond) Mach 4 à une
altitude maximale de 32 km.
Lors de la phase d’approche vers la
destination, l’appareil effectue une descente
en plané permettant une décélération en
régime subsonique, suivie d’un réallumage
des turboréacteurs à une altitude de 10 km
pour une approche et un atterrissage
normal, avec une poussée suffisante
pour permettre la remise des gaz ou
une déviation de l’appareil vers un autre
aéroport, si nécessaire.
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Entrée d’air (M>1)
Compression (M<1)
Cone de choc
Injection carburant
Chambre de combustion
Grille Tuyère (M=1)
Éjection (M>1)
Les stato-réacteurs, qui devraient permettre
l’accélération du ZEHST pour atteindre sa vitesse
de croisière maximale et maintenir une vitesse de
vol très élevée, sont dépourvus d’éléments rotatifs
et utilisent l’air environnant pour assurer
la combustion du carburant, qu’il s’agisse
d’hydrogène, de kérosène, de méthane, de gaz
ou de biocarburant. Avec une consommation
de carburant relativement faible, ils sont
particulièrement adaptés à des vols longue
distance dans l’atmosphère. Pour produire
une poussée, les stato-réacteurs font circuler les
émissions de chaleur issues de la combustion d’un
carburant dans une tuyère, accélérant ainsi le flux.
C’est la réaction à cette accélération qui produit la
poussée. Pour maintenir le flux dans la tuyère, la
combustion doit avoir lieu à une pression supérieure
à la pression de sortie de la tuyère.
La haute pression des stato-réacteurs est produite
par une « injection » d’air dans la chambre de
combustion reposant sur la vitesse de propulsion de
l’appareil. Au sein du stato-réacteur, le processus
de combustion a lieu à un régime subsonique. Dans
le cas d’un aéronef dépassant la vitesse du son
(Mach >1), l’air entrant dans le moteur est ralenti
à une vitesse subsonique (Mach <1) grâce à des
ondes de choc produites par le cône d’entrée du
réacteur. Un stato-réacteur n’est en mesure de
produire une poussée suffisante qu’à partir du
moment où l’appareil se déplace à une vitesse
supersonique supérieure à Mach 2. L’absence
d’éléments rotatifs rend les stato-réacteurs
plus légers et plus faciles à construire que les
turboréacteurs. La technologie des stato-réacteurs
a été éprouvée jusqu’à Mach 5 sur des aéronefs
sans pilote.
ZEHST | Principes de base des stato-réacteurs
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Carburant Carburant ComburantComburant
Echappement générateur
Les moteurs-fusées destinés au projet ZEHST seront
dérivés des modèles employés par les lanceurs
commerciaux Ariane. Ces moteurs utilisent
actuellement comme carburant de l’hydrogène
cryogénique (refroidi et sous forme liquide) et comme
oxydant de l’oxygène cryogénique, tous deux stockés
dans des réservoirs distincts. Les réservoirs d’ergols
sont pressurisés par injection d’hélium stocké dans
des réservoirs à haute pression spécifiques. Quand
les moteurs-fusées entrent en action, les ergols sont
injectés à l’aide d’une pompe dans une chambre
de combustion, où ils sont mélangés puis brûlés.
Cette combustion produit de grands volumes de gaz
à haute température (de l’ordre de 2 500/3 000 K)
et à haute pression. La chaleur émise est envoyée
dans une tuyère, qui accélère le flux et produit une
poussée. Ces moteurs sont équipés d’un circuit
de refroidissement doté de tubes, qui entourent la
chambre de combustion et la tuyère et dans lesquels
circulent certains ergols refroidis leur permettant de
résister à ces hautes températures.
L’illustration présente le cycle de production de gaz
dans le moteur Vulcain d’Ariane (à gauche). Dans
les types de moteurs qui tirent l’énergie nécessaire
du circuit de refroidissement et non d’un générateur
de gaz pour actionner les pompes, on a affaire à un
cycle expander, tel que dans le moteur Vinci (à droite)
en cours de développement.
Les moteurs-fusées de ZEHST devront être adaptés
à de multiples usages. Le savoir-faire de l’industrie
spatiale européenne en matière de réutilisabilité des
moteurs-fusées, qui repose sur la construction de
moteurs réutilisables et sur des études réalisées
notamment dans le cadre des programmes de
lanceurs réutilisables, laisse présager de la faisabilité
de ce projet ambitieux.
ZEHST | Principes de base des moteurs-fusées cryogéniques
Pompes
Turbine
Chambre de Combustion
Tuyère Tuyère
E A D S C O R P O R AT E T E C H N I C A L O F F I C E
81663 MunichGermany
12 rue Pasteur92152 Suresnes CedexFrance
Contact: [email protected]
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ZEHST | Des objectifs ambitieux
Au-delà des objectifs environnementaux, la feuille
de route « Flightpath 2050 – Europe’s Vision for
Aviation » aborde l’orientation client et les besoins du
marché, de même que la compétitivité industrielle et
la nécessité de maintenir les compétences requises
et de préserver une infrastructure de recherche en
Europe. Elle souligne par ailleurs que le leadership en
matière de technologie restera un atout concurrentiel
décisif et que les percées technologiques seront
indispensables pour préserver les avantages
compétitifs.
Le projet ZEHST soutient les objectifs de « Flightpath
2050 » dans tous ces domaines. EADS INNOVATION
WORKS, ASTRIUM et l’ONERA exploitent pleinement
leur expertise en matière d’architectures globales de
systèmes complexes par le biais d’une optimisation
multi-physique, soutenue par des simulations
numériques et associée à une intégration poussée
des maquettes numériques, à des outils d’ingénierie
collaborative et à diverses disciplines de l’ingénierie
des matériaux. Ces sociétés partenaires déploient
leurs compétences en matière de gestion de projet
à l’échelle internationale dans le cadre de leur
collaboration avec de multiples partenaires industriels,
instituts de recherche et organismes publics.
Le programme ZEHST a pris, entre autres, sa source
dans une coopération Franco-japonaise, suite à la
signature au Salon du Bourget 2005, d’un accord
de coopération sur les technologies supersoniques
entre le Groupement de Industries Françaises
Aéronautiques et Spatiales (GIFAS) et la Société des
Compagnies Aérospatiales Japonaise (SJAC). Le
but était de nourrir et d’enrichir les relations entre
les industries Aérospatiales des deux pays. EADS a
ensuite proposé d’étendre cette coopération à l’étude
d’un concept de transport haute vitesse.
EADS INNOVATION WORKS est le réseau de
Recherche & Technologie du Groupe EADS. Ses
équipes hautement qualifiées, qui comptent plus
de 700 personnes, travaillent dans les laboratoires
garants du potentiel d’innovation technologique
d’EADS à des projets axés sur le long terme. Le
réseau et les équipes d’EADS INNOVATION WORKS
s’articulent autour de sept centres de compétences
techniques transnationaux :
• Technologiescomposites
• Technologiesmétalliques&Ingénieriedes
surfaces
• IngénierieStructures,Production&Mécanique
aéronautique
• Ingénierie,Physique,IT,ServicesdeSécurité
et de Simulation
• Senseurs,ElectroniqueetIntégrationsystèmes
• Energie&Propulsion
• Concepts&Scénariosinnovants
ZEHST est l’un des projets de plate-forme aérienne
destinés à la nouvelle génération de produits
EADS menés par le service « Transversal Projects
and Demonstrators » (projets transversaux et
démonstrateurs) du centre de compétences
techniques « Concepts & Scénarios innovants ».