Propulsion distribuée

En aéronautique, la propulsion distribuée est un dispositif dans lequel les flux d'air propulsifs et associés sont répartis sur les surfaces aérodynamiques d'un aéronef. L'objectif est d'améliorer l'efficacité aérodynamique, propulsive et/ou structurelle de l'aéronef par rapport à une conception conventionnelle équivalente.

Les avantages attendus comprennent une amélioration du rendement énergétique , des émissions, du bruit, de la longueur du terrain d’atterrissage et de la maniabilité.

La propulsion distribuée peut être réalisée par la répartition longitudinale de plusieurs petits moteurs ou ventilateurs partiellement ou totalement intégrés le long de l'aile. Elle peut également impliquer la canalisation des gaz d'échappement le long de tout le bord de fuite de l'aile.

La propulsion distribuée d'un avion est généralement caractérisée non seulement par la nature distribuée de la poussée propulsive, mais aussi par l'utilisation de l'effet que cela a sur l'aérodynamique de l'avion. Les flux d'air propulsifs sont répartis sur les surfaces aérodynamiques de l'avion, généralement dans le sens de l'envergure au-dessus d'une aile fixe. Ces flux peuvent interagir avec d'autres flux d'air circulant sur l'aile et affecter considérablement l' aérodynamique . Cependant, il n'existe pas de définition formelle acceptée.

Trois grandes classes de systèmes de propulsion distribués ont été identifiées :

• Échappement distribué, tel que des volets à réaction.
• Plusieurs propulseurs discrets (ventilateurs, hélices ou jets), qui peuvent être alimentés individuellement ou par un entraînement à distance à partir de moins de moteurs.
• Ventilateurs à flux transversal , qui sont un type de rotor à axe horizontal .

En plus de fournir une propulsion, des dispositifs de propulsion distribuée ont été étudiés en vue de fournir diverses fonctions aérodynamiques. Il s'agit notamment de :

• Réactivation directe de la couche limite
• Contrôle de séparation des flux
• Contrôle de l'élévation/circulation motorisé
• Réduction de la traînée visqueuse
• Contrôle du vortex/de la vorticité
• Contrôle du véhicule/poussée vectorielle

Plusieurs domaines ont été identifiés dans lesquels la propulsion distribuée peut offrir des avantages par rapport aux conceptions conventionnelles. Il s'agit notamment de l'efficacité énergétique, de la réduction du bruit, des montées raides pour les décollages et atterrissages courts (STOL), des nouvelles approches de contrôle (en particulier l'élimination des surfaces de contrôle pour les moments de roulis, de tangage et de lacet) et des taux de dilution élevés. Il a également été suggéré que les propulseurs plus petits seront moins chers à fabriquer et plus faciles à manipuler pendant l'assemblage et la maintenance.

La stratégie des unités de propulsion multiples implique trois unités de propulsion ou plus. Ces unités sont disposées en configurations Leader ou Follower. Elles sont classées en cinq classes d'intensité (A-E) et trois catégories de rapport poussée/poids (I-III). Elles peuvent être disposées à l'intérieur/au-dessus/autour ou à travers les ailes/fuselages ou la cellule.

Les configurations de leader utilisent des unités de propulsion pour générer directement la poussée, c'est-à-dire des moteurs distribués. La configuration de suiveur utilise une ou plusieurs unités de propulsion secondaires, telles que plusieurs ventilateurs alimentés par un seul moteur. Dans ce dernier cas, la transmission de puissance entre les ventilateurs et les moteurs peut être assurée par des canalisations de gaz chaud, des engrenages mécaniques ou des lignes électriques.

La propulsion électrique distribuée (DEP) comprend plusieurs petits ventilateurs ou hélices entraînés par des moteurs électriques. En règle générale, chaque propulseur individuel est directement entraîné par son propre moteur électrique relativement petit et léger. L'énergie électrique peut être fournie par n'importe quelle source appropriée.

Les avantages de la propulsion distribuée pour les avions solaires légers et à allongement élevé sont illustrés par les projets AeroVironment HALSOL/Pathfinder / Helios , lancés en 1983, et le X-HALE de l'Université du Michigan, lancé vers 2012. La ​​répartition des moteurs électriques le long de l'envergure a permis de contrôler la flexion de la cellule en vol, ce qui a permis à la structure d'être beaucoup plus légère que l'équivalent rigide conventionnel.

Lorsque des unités de propulsion lourdes sont réparties le long d'une aile, cela permet d'alléger la structure de l'aile. Cependant, leur poids et leur poussée peuvent interagir avec la tendance naturelle de l'aile à fléchir sous des charges variables ( aéroélasticité ). Cela peut causer des problèmes, par exemple ce fut une cause majeure d'un crash impliquant l' avion de recherche Helios de la NASA . Une solution étudiée est l'utilisation de contrôles aéroélastiques actifs pour corriger ou même exploiter la flexion de l'aile pendant le vol.

Les installations multimoteurs sont une caractéristique des avions depuis l'introduction du Sikorsky Ilya Muromets peu avant la Première Guerre mondiale. Cependant, la plupart d'entre elles ne modifient pas de manière significative l'écoulement de l'air au-dessus des ailes et ne sont pas toujours considérées comme une propulsion distribuée.

En 1963, l' avion de recherche Hunting H.126 a été construit pour étudier l'utilisation directe d'un volet à réaction pour la propulsion, tandis que l' hydravion ShinMaywa US-2 de 2003 a utilisé des volets soufflés pour améliorer les performances de décollage et d'atterrissage courts (STOL) et est ensuite entré en production.

FanWing a commencé à développer le ventilateur à flux transversal comme système combiné de portance et de propulsion en 1997 et a fait voler plusieurs modèles et drones de recherche au cours des années suivantes. Les recherches ultérieures aux États-Unis se sont concentrées sur l'utilisation d'un ventilateur à flux transversal inséré dans le bord de fuite supérieur de l'aile, comme moteur principal pour le contrôle de la couche limite et la propulsion des volets de réaction.

Plus récemment, plusieurs projets de véhicules aériens sans pilote (UAV) ont exploré le potentiel de la propulsion distribuée pour offrir une réduction du bruit, une efficacité énergétique et des performances sur terrain court. En 2022, un avion X habité , le X-57 Maxwell, est en cours de développement à la NASA et plusieurs prototypes d'un avion léger, le Lilium Jet , ont volé en Allemagne.

• Aurora XV-24 LightningStrike : Ventilateurs électriques distribués. Drone de recherche. Volé en 2016.
• Ball-Bartoe Jetwing : Jet-flap. Avion de recherche habité. A volé à partir de 1977.
• English Electric P.10 : Turboréacteurs installés dans les ailes avec statoréacteurs distribués. Concept des années 1950.
• FanWing : Ventilateur à flux transversal. Série de drones de recherche.
• Chasse H.126 : Jet-flap. Avion de recherche habité. A volé à partir de 1963.
• Lilium Jet : Ventilateurs électriques distribués. Série de prototypes habités.
• NASA X-57 Maxwell (Sceptor) : ventilateurs électriques distribués. Avion de recherche habité. Développement interrompu.
• Electra EL-2 Goldfinch : Ventilateurs électriques distribués. Démonstrateur habité. En cours de développement.