Voici l’hélicoptère du futur : plus sobre, doté du stop-and-start et d’écrans tactiles !
source : veille technologique
AÉRONAUTIQUE | MOTEUR | INNOVATION | IMPRESSION 3D | PROTOTYPAGE RAPIDE | COMPOSITES | CONCEPTION & DESIGN
PAR GUILLAUME LECOMPTE-BOINET PUBLIÉ LE À 08H26
Ce sont les technologies maturées dans l’automobile ou les smartphones qui débarquent dans les cockpits des hélicoptères du futur. Alors que la grand-messe annuelle des voilures tournantes, Heli Expo, débute ce 29 février à Louisville (Kentucky), voici un passage en revue des principales innovations que l’on verra apparaître dans les cinq années qui viennent.
Le monde de l’hélicoptère, au même titre que l’aviation commerciale, doit trouver de nouvelles solutions pour réduire ses émissions de CO2 et ses nuisances sonores. C’est l’un des enjeux majeurs en matière d’innovation dans un secteur où les impératifs de sécurité et de coût d’utilisation des machines sont aussi très importants.
La flotte mondiale des hélicoptères civils atteint la bagatelle de 35 000 machines, selon Flightglobal(étude Helicopters 2015). Chiffre auquel il faut ajouter 21 000 hélicoptères militaires. Certes, ces machines volent en moyenne beaucoup moins que les avions civils, mais elles n’en polluent pas moins.
Ces dernières années, les programmes de recherche se sont multipliés pour réduire les émissions polluantes des machines. Elles ont été divisées par plus de deux par rapport aux turbines des années 60. Mais le secteur va devoir aller beaucoup plus loin : dans le cadre du programme Clean Sky 2, le «moteur vert» doit – d’ici 2020 - consommer 22 % de moins par rapport à une turbine Arriel 2 dont la conception remonte à 2004 et émettre 60 % de NOx en moins. Ce moteur devra aussi réduire de 10 dB le bruit émis.
L’environnement n’est pas le seul enjeu. Il y aussi l’amélioration de la sécurité des vols, l’ergonomie du cockpit, la réduction des coûts de maintenance. « Nous œuvrons autour de trois dimensions principales : l’environnement, le marché et les normes de sécurité », résume Tomasz Krysinski, vice-président d’Airbus Helicopters, en charge de la recherche et de la technologie.
L’hélicoptère stop and start
Cela peut paraître incroyable, mais comme une voiture, l’hélicoptère de demain sera doté de ce type de dispositif. L’objectif est de mieux gérer la puissance des moteurs. En effet, lorsqu’un hélicoptère bi-turbine décolle, il utilise 100 % de la puissance de ses deux moteurs. Mais lorsqu’il arrive en phase de croisière, en général, il n’utilise plus que 50 % de cette puissance, sans pour autant consommer deux fois moins. L’idée, expérimentée tant par Turbomeca (Safran) que par Airbus Helicopters (programme Bluecopter), est de mettre en sommeil l’un des moteurs, sans l'éteindre. « On peut gagner entre 10 et 15 % en consommation de carburant », ajoute Eric Seinturier, chef de programme R&T de Turbomeca. L’un des défis est d’arriver à redémarrer immédiatement le moteur mis en sommeil, et ce, à pleine puissance, grâce à un système électrique équivalent à celui que l’on trouve dans une voiture. La filiale de Safran a d’ailleurs travaillé avec Valeo, l’équipementier automobile, pour mettre au point cette technologie. Il faudra aussi réduire la masse ajoutée (batterie notamment). Pour que le stop and start entre en service, ce qui est faisable vers 2020-2025, il faudra faire évoluer la réglementation… et convaincre les opérateurs.
De son côté, Airbus Helicopters travaille sur un concept d’hélicoptère hybride dans le cadre de CleanSky2, où il entend combiner vitesse et faible consommation, avec des premiers vols pour 2018. Car la vitesse reste un élément important pour le monde des voilures tournantes notamment dans les missions de sauvetage. « L’objectif est de voler 50 % plus vite que les modèles actuels, mais en ne consommant que 20 % de plus », explique Tomasz Krysinski. Son rival européen, Finmeccanica Helicopters (ex-AgustaWestland) planche depuis plusieurs années sur l’architecture Tiltrotor ou rotor basculant, avec son AW609, là aussi pour augmenter la vitesse (jusqu’à 500 km/h) sans trop consommer en plus. Le succès reste à prouver puisque l’appareil a volé pour la première fois en 2003 et qu’il n’entrera en service qu’en 2018.
Les moteurs « verts » seront… à pistons !
Comment améliorer encore la performance des turbines à gaz, déjà très matures ? C’est la question à laquelle Turbomeca apporte une réponse en travaillant sur les systèmes de contrôle et de régulation du moteur. Le motoriste estime qu’il pourra encore générer des gains en consommation grâce à de nouveaux calculateurs, qui gèreront de façon encore plus optimisée l’injection du carburant dans la chambre de combustion. « Nous travaillons aussi sur la compacité et la fiabilité des actionneurs », ajoute Eric Seinturier. Le motoriste tarbais expérimente notamment des petits vérins électriques (au lieu d’être hydrauliques) plus compacts et plus précis à piloter, qu’on pourrait voir apparaître d’ici 5 à 10 ans. Mis bout à bout, ces éléments devraient aussi permettre de réduire les coûts de maintenance des turbines en allongeant les intervalles d’inspection à tous les 4 à 5 000 heures de vol, contre 3 000 heures actuellement.
Mais l’une des pistes étudiées serait de revenir au bon vieux moteur à pistons. Ainsi, Airbus Helicopters a testé en vol un modèle H120 équipé d’un moteur V8 de 4,6 litres à haute compression, doté d’un système d’injection directe à rampe commune (1 800 bar) et de deux turbos. Selon le constructeur, les résultats sont impressionnants : la consommation est diminuée de 40 à 50 % selon les régimes d’utilisation par rapport à une turbine. Pour lutter contre les kilos, le bloc est en aluminium et les bielles en titane. Le rapport masse puissance développé reste toutefois en défaveur du moteur à pistons avec 0,7 kg / kWh contre 0,3 kg pour une turbine à gaz. « Mais le haut taux de compression permet un rendement jusqu’à 45 % contre 25 % avec une turbine », argumente Tomasz Krysinski. Le constructeur de Marignane espère amener son prototype au niveau de maturité technologique 6 (TRL 6), quand les essais en vol seront achevés.
Pales et fenestrons nouvelle génération
Améliorer la traînée induite, alléger les structures, et diminuer le bruit. L’un des chantiers concerne les pales du rotor principal, la plus importante source de nuisances sonores avec le moteur. Au terme de plusieurs années de travaux menés conjointement par l’Onera, le DLR allemand etAirbus Helicopters, les premières pales nouvelle génération sont apparues vers 2010. Avec leur forme caractéristique de boomerang aux extrémités, qui permet de réduire la vitesse en bout de pales, elles équipent désormais le dernier né d’Airbus Helicopters, le H160. L'hélicoptériste poursuit d'ailleurs ses travaux sur ce sujet dans le cadre de Bluecopter avec un fenestron nouvelle génération, ce carénage qui abrite le rotor de queue. Un revêtement spécial a été par exemple conçu pour piéger le bruit. Au final, le constructeur estime le gain total à 10 décibels.
Côté fuselage et structures, la problématique concerne l’allégement. Et de ce côté, la réponse reste classique avec l’emploi de la fibre de carbone, 25 % plus légère que l’aluminium. Le H160 a non seulement son fuselage en composite, mais aussi le moyeu rotor, qui est normalement en alu, en acier ou en titane.
Les écrans deviennent tactiles
Une vraie révolution. C’est ainsi que Thales, l’un des principaux fournisseurs d’avionique pour les hélicoptères voit la généralisation du tactile dans les cockpits. « Les hélicoptères seront les premiers où nous allons proposer ces technologies dans le cadre de notre programme Avionic 2020 », explique Richard Perrot, vice président marketing de la division avionique du groupe français. D’ici 2020, la totalité des écrans pourront être tactiles. Les interfaces de l’avionique, très intuitives, seront autant orientées vers les systèmes (paramètres moteurs, météo, navigation, etc…) que missions (recherche et sauvetage, surveillance maritime, évacuation sanitaire, etc…). « Nous allons superposer d’autres types d’informations, par exemple une carte routière ou la visualisation des vents ou des courants marins », ajoute Richard Perrot. L’équipage pourra ainsi intervenir plus rapidement sur le lieu où doit récupérer des blessés.
Le tactile permettra aussi au pilote de modifier très facilement la trajectoire, en touchant un point et en le déplaçant sur l’écran. Le système calculera immédiatement la nouvelle trajectoire alors qu’auparavant, il fallait entrer les nouvelles cordonnées sur un clavier. Au final, la puissance de calcul sera 4 à 5 fois supérieure à celle des avioniques existantes. Les gains ne se comptent pas uniquement en terme de confort et de précision de pilotage, mais aussi en masse gagnée. Cette nouvelle avionique devrait être 20 à 25 % plus légère que les systèmes actuels puisqu’elle va intégrer plusieurs équipements ou fonctions dans un écran unique. Enfin, et l’argument devrait faire mouche, les fonctions seront désormais ségrégées : c’est à dire que si un constructeur veut faire évoluer une fonction, il n’aura pas à tout re-certifier auprès des autorités, mais uniquement la fonction changée. « On peut en espérer un gain d’au moins 30 % sur la durée de vie d’un hélicoptère », affirme Richard Perrot.
Le HUD s’impose
Comme dans les avions de combat, les dispositifs tête haute (Head-up display) ou les systèmes de visualisation montés sur un casque, devraient se généraliser dans les cockpits des hélicoptères, comme d’ailleurs des avions commerciaux. Seules les fonctionnalités et l’interface seront un peu différentes de celles que l’on trouve à bord du Rafale. Le principe consiste à reconstituer une image synthétique à partir d’une base de données afin d’offrir au pilote un visuel en 3D sur la situation extérieure, tout en lui fournissant les paramètres de vol, ce qui évite au pilote de baisser la tête pour regarder ses cadrans. Ce genre de systèmes sera particulièrement utile pour les missions délicates, comme l’hélitreuillage ou la pose de pylônes.
Thales a développé un prototype, baptisé TopMax, constituée d’un viseur très léger (350 grammes) qui s’adapte sur un œil (droit ou gauche), et qui est deux fois moins coûteux qu’un HUD. Le système permet une vision quasiment à 360 degrés, ou de visualiser une dérive de trajectoire en phase d’approche. Une vingtaine de marqueurs sont disséminés dans le cockpit de sorte que lorsque le pilote tourne la tête, la caméra accroche l’un de ces marqueurs. Le système repère ainsi les mouvements du pilote et lui donne en permanence le bon affichage. Si tout va bien, cette solution, qui a été dévoilée en novembre dernier, pourrait entrer en service vers 2018-2019.
La fabrication additive pour baisser les coûts
La plupart des firmes aéronautiques testent, ou ont déjà validé des productions de pièces avec les technologies de l’impression 3D. C’est le cas des motoristes comme des constructeurs. Et le monde de l’hélicoptère n’est pas exempté de cette tendance, bien au contraire. Exemple : depuis début 2015, Turbomeca a lancé la fabrication en série de pièces moteur métalliques, les injecteurs de l’Arrano et les tourbillonneurs de la chambre de combustion de l’Ardiden 3, dans son usine de Bordes (Pyrénées-Atlantiques). « Nous y croyons beaucoup », lance de son côté Tomasz Krysinski. La fabrication additive permet notamment de produire et surtout de disposer beaucoup plus rapidement des pièces de rechange. Ces technologies aideront donc constructeurs et équipementiers à réduire les coûts de maintenance, un poste toujours élevé dans les voilures tournantes.
La flotte mondiale des hélicoptères civils atteint la bagatelle de 35 000 machines, selon Flightglobal(étude Helicopters 2015). Chiffre auquel il faut ajouter 21 000 hélicoptères militaires. Certes, ces machines volent en moyenne beaucoup moins que les avions civils, mais elles n’en polluent pas moins.
Ces dernières années, les programmes de recherche se sont multipliés pour réduire les émissions polluantes des machines. Elles ont été divisées par plus de deux par rapport aux turbines des années 60. Mais le secteur va devoir aller beaucoup plus loin : dans le cadre du programme Clean Sky 2, le «moteur vert» doit – d’ici 2020 - consommer 22 % de moins par rapport à une turbine Arriel 2 dont la conception remonte à 2004 et émettre 60 % de NOx en moins. Ce moteur devra aussi réduire de 10 dB le bruit émis.
L’environnement n’est pas le seul enjeu. Il y aussi l’amélioration de la sécurité des vols, l’ergonomie du cockpit, la réduction des coûts de maintenance. « Nous œuvrons autour de trois dimensions principales : l’environnement, le marché et les normes de sécurité », résume Tomasz Krysinski, vice-président d’Airbus Helicopters, en charge de la recherche et de la technologie.
L’hélicoptère stop and start
Cela peut paraître incroyable, mais comme une voiture, l’hélicoptère de demain sera doté de ce type de dispositif. L’objectif est de mieux gérer la puissance des moteurs. En effet, lorsqu’un hélicoptère bi-turbine décolle, il utilise 100 % de la puissance de ses deux moteurs. Mais lorsqu’il arrive en phase de croisière, en général, il n’utilise plus que 50 % de cette puissance, sans pour autant consommer deux fois moins. L’idée, expérimentée tant par Turbomeca (Safran) que par Airbus Helicopters (programme Bluecopter), est de mettre en sommeil l’un des moteurs, sans l'éteindre. « On peut gagner entre 10 et 15 % en consommation de carburant », ajoute Eric Seinturier, chef de programme R&T de Turbomeca. L’un des défis est d’arriver à redémarrer immédiatement le moteur mis en sommeil, et ce, à pleine puissance, grâce à un système électrique équivalent à celui que l’on trouve dans une voiture. La filiale de Safran a d’ailleurs travaillé avec Valeo, l’équipementier automobile, pour mettre au point cette technologie. Il faudra aussi réduire la masse ajoutée (batterie notamment). Pour que le stop and start entre en service, ce qui est faisable vers 2020-2025, il faudra faire évoluer la réglementation… et convaincre les opérateurs.De son côté, Airbus Helicopters travaille sur un concept d’hélicoptère hybride dans le cadre de CleanSky2, où il entend combiner vitesse et faible consommation, avec des premiers vols pour 2018. Car la vitesse reste un élément important pour le monde des voilures tournantes notamment dans les missions de sauvetage. « L’objectif est de voler 50 % plus vite que les modèles actuels, mais en ne consommant que 20 % de plus », explique Tomasz Krysinski. Son rival européen, Finmeccanica Helicopters (ex-AgustaWestland) planche depuis plusieurs années sur l’architecture Tiltrotor ou rotor basculant, avec son AW609, là aussi pour augmenter la vitesse (jusqu’à 500 km/h) sans trop consommer en plus. Le succès reste à prouver puisque l’appareil a volé pour la première fois en 2003 et qu’il n’entrera en service qu’en 2018.
Les moteurs « verts » seront… à pistons !
Comment améliorer encore la performance des turbines à gaz, déjà très matures ? C’est la question à laquelle Turbomeca apporte une réponse en travaillant sur les systèmes de contrôle et de régulation du moteur. Le motoriste estime qu’il pourra encore générer des gains en consommation grâce à de nouveaux calculateurs, qui gèreront de façon encore plus optimisée l’injection du carburant dans la chambre de combustion. « Nous travaillons aussi sur la compacité et la fiabilité des actionneurs », ajoute Eric Seinturier. Le motoriste tarbais expérimente notamment des petits vérins électriques (au lieu d’être hydrauliques) plus compacts et plus précis à piloter, qu’on pourrait voir apparaître d’ici 5 à 10 ans. Mis bout à bout, ces éléments devraient aussi permettre de réduire les coûts de maintenance des turbines en allongeant les intervalles d’inspection à tous les 4 à 5 000 heures de vol, contre 3 000 heures actuellement.Mais l’une des pistes étudiées serait de revenir au bon vieux moteur à pistons. Ainsi, Airbus Helicopters a testé en vol un modèle H120 équipé d’un moteur V8 de 4,6 litres à haute compression, doté d’un système d’injection directe à rampe commune (1 800 bar) et de deux turbos. Selon le constructeur, les résultats sont impressionnants : la consommation est diminuée de 40 à 50 % selon les régimes d’utilisation par rapport à une turbine. Pour lutter contre les kilos, le bloc est en aluminium et les bielles en titane. Le rapport masse puissance développé reste toutefois en défaveur du moteur à pistons avec 0,7 kg / kWh contre 0,3 kg pour une turbine à gaz. « Mais le haut taux de compression permet un rendement jusqu’à 45 % contre 25 % avec une turbine », argumente Tomasz Krysinski. Le constructeur de Marignane espère amener son prototype au niveau de maturité technologique 6 (TRL 6), quand les essais en vol seront achevés.
Pales et fenestrons nouvelle génération
Améliorer la traînée induite, alléger les structures, et diminuer le bruit. L’un des chantiers concerne les pales du rotor principal, la plus importante source de nuisances sonores avec le moteur. Au terme de plusieurs années de travaux menés conjointement par l’Onera, le DLR allemand etAirbus Helicopters, les premières pales nouvelle génération sont apparues vers 2010. Avec leur forme caractéristique de boomerang aux extrémités, qui permet de réduire la vitesse en bout de pales, elles équipent désormais le dernier né d’Airbus Helicopters, le H160. L'hélicoptériste poursuit d'ailleurs ses travaux sur ce sujet dans le cadre de Bluecopter avec un fenestron nouvelle génération, ce carénage qui abrite le rotor de queue. Un revêtement spécial a été par exemple conçu pour piéger le bruit. Au final, le constructeur estime le gain total à 10 décibels.Côté fuselage et structures, la problématique concerne l’allégement. Et de ce côté, la réponse reste classique avec l’emploi de la fibre de carbone, 25 % plus légère que l’aluminium. Le H160 a non seulement son fuselage en composite, mais aussi le moyeu rotor, qui est normalement en alu, en acier ou en titane.
Les écrans deviennent tactiles
Une vraie révolution. C’est ainsi que Thales, l’un des principaux fournisseurs d’avionique pour les hélicoptères voit la généralisation du tactile dans les cockpits. « Les hélicoptères seront les premiers où nous allons proposer ces technologies dans le cadre de notre programme Avionic 2020 », explique Richard Perrot, vice président marketing de la division avionique du groupe français. D’ici 2020, la totalité des écrans pourront être tactiles. Les interfaces de l’avionique, très intuitives, seront autant orientées vers les systèmes (paramètres moteurs, météo, navigation, etc…) que missions (recherche et sauvetage, surveillance maritime, évacuation sanitaire, etc…). « Nous allons superposer d’autres types d’informations, par exemple une carte routière ou la visualisation des vents ou des courants marins », ajoute Richard Perrot. L’équipage pourra ainsi intervenir plus rapidement sur le lieu où doit récupérer des blessés.Le tactile permettra aussi au pilote de modifier très facilement la trajectoire, en touchant un point et en le déplaçant sur l’écran. Le système calculera immédiatement la nouvelle trajectoire alors qu’auparavant, il fallait entrer les nouvelles cordonnées sur un clavier. Au final, la puissance de calcul sera 4 à 5 fois supérieure à celle des avioniques existantes. Les gains ne se comptent pas uniquement en terme de confort et de précision de pilotage, mais aussi en masse gagnée. Cette nouvelle avionique devrait être 20 à 25 % plus légère que les systèmes actuels puisqu’elle va intégrer plusieurs équipements ou fonctions dans un écran unique. Enfin, et l’argument devrait faire mouche, les fonctions seront désormais ségrégées : c’est à dire que si un constructeur veut faire évoluer une fonction, il n’aura pas à tout re-certifier auprès des autorités, mais uniquement la fonction changée. « On peut en espérer un gain d’au moins 30 % sur la durée de vie d’un hélicoptère », affirme Richard Perrot.
Le HUD s’impose
Comme dans les avions de combat, les dispositifs tête haute (Head-up display) ou les systèmes de visualisation montés sur un casque, devraient se généraliser dans les cockpits des hélicoptères, comme d’ailleurs des avions commerciaux. Seules les fonctionnalités et l’interface seront un peu différentes de celles que l’on trouve à bord du Rafale. Le principe consiste à reconstituer une image synthétique à partir d’une base de données afin d’offrir au pilote un visuel en 3D sur la situation extérieure, tout en lui fournissant les paramètres de vol, ce qui évite au pilote de baisser la tête pour regarder ses cadrans. Ce genre de systèmes sera particulièrement utile pour les missions délicates, comme l’hélitreuillage ou la pose de pylônes.Thales a développé un prototype, baptisé TopMax, constituée d’un viseur très léger (350 grammes) qui s’adapte sur un œil (droit ou gauche), et qui est deux fois moins coûteux qu’un HUD. Le système permet une vision quasiment à 360 degrés, ou de visualiser une dérive de trajectoire en phase d’approche. Une vingtaine de marqueurs sont disséminés dans le cockpit de sorte que lorsque le pilote tourne la tête, la caméra accroche l’un de ces marqueurs. Le système repère ainsi les mouvements du pilote et lui donne en permanence le bon affichage. Si tout va bien, cette solution, qui a été dévoilée en novembre dernier, pourrait entrer en service vers 2018-2019.
La fabrication additive pour baisser les coûts
La plupart des firmes aéronautiques testent, ou ont déjà validé des productions de pièces avec les technologies de l’impression 3D. C’est le cas des motoristes comme des constructeurs. Et le monde de l’hélicoptère n’est pas exempté de cette tendance, bien au contraire. Exemple : depuis début 2015, Turbomeca a lancé la fabrication en série de pièces moteur métalliques, les injecteurs de l’Arrano et les tourbillonneurs de la chambre de combustion de l’Ardiden 3, dans son usine de Bordes (Pyrénées-Atlantiques). « Nous y croyons beaucoup », lance de son côté Tomasz Krysinski. La fabrication additive permet notamment de produire et surtout de disposer beaucoup plus rapidement des pièces de rechange. Ces technologies aideront donc constructeurs et équipementiers à réduire les coûts de maintenance, un poste toujours élevé dans les voilures tournantes. 
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