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Colloque transports du futur et mobilité durable

Université Technologique de Belfort Montbéliard

Plateforme MOBILITECH

13 octobre 2014, Musée Peugeot

Exposé « avions du futur » (Programme du colloque)

www.HKW-aero.fr

© Michel Kieffer 2006-2015 Indice G3 le 15.7.2015

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« Aujourd’hui, le temps passé à nous déplacer est très supérieur à

celui de nos ancêtres, il-y-a un siècle… »

Olivier Rey

Ceci sous entend :

- qu’une plus grande rapidité des moyens de transport débouche sur

une augmentation des temps de transport ;

- que les besoins en mobilité sont façonnés par la technologie, et ses

coûts énergétiques et climatiques, et non pas l’inverse.

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Contrairement à une recherche sur les motorisations ou sur les

carburants alternatifs, cet exposé développe la réduction du besoin en

énergie de nos moyens de transport.

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Sommaire

1- Introduction

2- Avions de transports

3- Avions de loisir, l’avion ultraléger HKW-aero

4- Défi aérospatial étudiant

5- Conclusion

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1 Introduction 1 1 Historique de la société HKW-aero

Début du projet HKW : avril 2005 (colloque de Cachan)

Constitution de la société : mai 2011

Forme de la société : SAS

Statut Jeune Entreprise Innovante (JEI) obtenu en 2013.

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Le point de départ, Ewald Hunsinger, aérotechnicien reconnu,

Cofondateur de l’association INTERACTION

rejoint par Claude Walter, industriel ;

Rodolphe Hunsinger, prototypiste ;

Michel Kieffer, concepteur.

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…et par de multiples contributeurs représentés par les membres de

l’association INTERACTION, par les stagiaires et partenaires

industriels :

- Vincent souffrant (AIRBUS) ;

- UTBM : Arnaud Granmougin, Pierre Leturcq, John Maurice,

Thomas Frévillier, Guillaume Wipf, Pierre Azaïs, Paul Parmentier ;

- IUT de Cachan : Yann Ciora, Maxime Tran-Thanh, César Parent,

Alexis Greibill, Jean Roda ;

- INSA : Romain Petit ;

- LEA : Alice Kieffer.

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…et par nos contributeurs industriels et institutionnels :

- Université Technologique de Belfort Montbéliard (UTBM) ;

- DASSAULT SYSTEMES ;

- AEROPORT INTERNATIONAL DE STRASBOURG ;

- ADIRA (Agence de Développement Economique du Bas-Rhin) ;

- BPI ;

- IFEM (expert Crédit Impôt Recherche, statut Jeune Entreprise

Innovante…) ;

- AVECO (Expert comptable).

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1 2 Activités de la société HKW-aero

Formations à l’aérotechnique et à l’éco conception dans le domaine

des transports (aéronautique et automobile).

Programme de recherche dans le domaine de l’automobile (extraits

modélisations : http://www.hkw-aero.fr/pdf/synthese_voiture_du_futur.pdf ).

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Programme de recherche dans le domaine de la modélisation des

avions. Programme JEI 2015, extrait :

- Méthode de pré dimensionnement intégrant la variation de masse de carburant au fil du vol.

- Méthodes de validation de la méthode ci-dessus, par :

a- calcul des performances sur la base des caractéristiques obtenues (calcul dans "l'autre sens") ;

b- pré dimensionnement d'un avion réel et comparaison des caractéristiques calculées et réelles ;

c- comparaison avec les résultats issus de la formule de Breguet Leduc.

- Méthode pour définir le profil de vol optimum (aller le plus loin avec une quantité donnée de carburant).

- Méthode de détermination de la consommation spécifique d'un avion.

- Méthode de validation de la méthode ci-dessus.

- Consommation au cent par siège, masse à vide, masse au décollage... en fonction de l'autonomie pour

laquelle est conçu l'avion. Idem avec la vitesse pour laquelle est conçu l’avion.

- Détermination du Cz max optimum en fonction de la vitesse pour laquelle est conçu l’avion.

- Changement de design en vue d’améliorer la qualité massique d’un avion.

- Méthode de détermination expérimentale en vol du Cx0 (ou Cfe) sans connaître la puissance max du

moteur et le rendement de propulsion. Ceci sous-entend une procédure garantissant un effort nul de

l'hélice en vol, le reste consistant à déterminer la finesse puis le Cx0 à partir de mesures de vitesses avion

et des Vz associées.

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Organisation et animation de colloques et de conférences.

Conception et fabrication d’un avion ultraléger (UL) et de ses dérivés.

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Encadrement de projets d’ingénieurs :

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1 3 Etat des lieux

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Quelle énergie contient 1 kg de carburant fossile ?

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1 kg de carburant fossile

contient autant d’énergie que

celle produite par 100 cyclistes

entraînés pendant une heure :

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1 4 Critères de qualité et limites de la physique

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1 5 Le trublion du "coefficient spirale" (ou de la "synthèse")

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2 Avions de transport 2 1 Transport aérien : prospectives linéaires pour une réalité qui ne l'est pas...

Différentes prospectives prévoient le passage de 2,5 milliards de

passagers en 2011 à 16 milliards de passagers en 2050. Soit une

augmentation dans un facteur de 6,4.

Une telle prévision est-elle compatible avec l’engagement Européen du

« facteur 4 » (diviser par 4 les consommations d’énergies fossiles à

l’horizon 2050) ?

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…ces prospectives et ces objectifs sont TRES contradictoires :

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2 2 Une autre vision des avions de transport régional, étude conjointe Alain Marianne DASSAULT SYSTEMES et HKW-AERO

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2 2 Qu'en est-il des avions de transport moyens et longs courriers ?

Nos récentes modélisations permettent de réaliser des pré

dimensionnements d’avions intégrant la variation de masse de

carburant au fil du vol.

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Ces modélisations sont validées par comparaison avec la formule de

Breguet-Leduc et surtout par dimensionnement d’avions existants et

comparaison avec leurs caractéristiques réelles. Nous en concluons :

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Mais surtout, ces modélisations ouvrent la porte à de multiples

prospectives…

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Par exemple quel est l’impact de l’autonomie, pour laquelle est conçu

l’avion, sur la consommation au cent par siège ?

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Commençons par un cahier des charge :

- nombre de sièges (donc masse utile, surface occupée…) ;

- distance franchissable ;

- vitesse de croisière…

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…le modèle de pré dimensionnement proposé permet de déterminer la

puissance des moteurs, la masse de carburant embarqué, la masse à

vide, la masse maxi, la surface alaire etc.

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Pour un avion de transport moyen courrier type (proche de l’A319),

nous avons (valeurs identiques au résultats du calcul) :

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Que donnerait le même fuselage et la même charge utile mais en

augmentant l’autonomie de 50 % ? L’avion serait très différent :

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Ainsi, nous pouvons représenter la consommation au cent par siège en

fonction de l’autonomie…

Cette courbe est uniquement valable avec les

caractéristiques de notre avion moyen

courrier type (Cz max, vitesse mini etc.)

Il ne s’agit pas de

faire voler l’avion

existant moins loin

mais de le

dimensionner pour

une autonomie

différentes.

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Ceci traduit le coût

énergétique

considérable pour

transporter la masse

de carburant

nécessaire pour

aller loin.

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De même, nous pouvons dimensionner notre avion moyen courrier

type en fonction de sa vitesse de croisière (sur la base du cahier des

charges initial hors vitesse) :

Il ne s’agit pas de

faire voler l’avion

existant moins vite

mais de le

dimensionner pour une

vitesse différente.

Cette courbe est uniquement valable avec les

caractéristiques de notre avion moyen

courrier type (Cz max, vitesse mini etc.)

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Retenons que pour notre avion moyen courrier type :

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Ceci laisse préfigurer le design des avions du futur, design influencé

par la réduction des autonomies et des vitesses.

Mais alors, quelle est la raison majeure expliquant le relatif succès des

avions très longs courriers ? Hypothèse : il semble très intéressant de

baser des avions et de faire le plein de carburant à l’endroit où il coûte

le moins cher :

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Rajoutons qu’il-y-a d’autres pistes particulièrement intéressantes

mais nous sortons ici du cadre de notre exposé…

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2 4 Autres voies pour réduire les consommations ?

L’avion solaire

ouvre-t-il une

porte pour le

futur ?

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Qu’en est-il des agros carburants ?

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Partie aéronautique des « 34 projets industriels » pour la France

industrielle du futur : un avion de loisir électrique…

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…et un avion de transport hybride. Quel est l’impact de l’hybridation

sur la qualité massique et sur la consommation spécifique ?

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3 Avions de loisir, l’avion ultraléger HKW-aero

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3 1 Pourquoi un avion en aluminium ?

- processus industriel ;

- constance dans la qualité ;

- faible coût ;

- facilité de transformation et d’assemblage ;

- directive Européenne sur le recyclage…

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3 2 Un peu d’histoire, le rivetage…

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3 3 Tests et essais

Un objectif : la réglementation ULM impose de suivre l’essentiel de la

CS VLA, elle même issue de la CS23. Ceci concerne les appareils

industriels dont la charge alaire est supérieure à 30 kg/m².

Ces réglementations imposent notamment des cas de charges et des

essais biens précis.

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Par exemple, l’essais final « avion complet » clôt les essais au sol :

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Essais liés à l’aérodynamique de la machine :

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Détermination des

polaires avec différents

angles de volets :

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3 4 Origine du design HKW

Le design de l’appareil HKW-aero est atypique : petite motorisation

donc capot court, avant léger donc aile très reculée et implantée à mis

hauteur dans le fuselage…

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3 5 Réduire les coûts

Produire en France tout en étant compétitif

nécessite de simplifier les solutions à

l’extrême… ce qui s’avère long et difficile.

Ainsi, les solutions techniques imaginées pour

l’appareil HKW sont particulièrement simples

(plusieurs brevets déposés). Ceci permet aussi

d’une part de réduire sensiblement les coûts de

maintenance, d’autres part d’atteindre une

fiabilité élevée pour une coût minium (ce qui n’existe pas ne tombe pas

en panne…).

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3 6 Précisions sur l’avion ULM HKW-aero…

La démarche a consisté à travailler sur les trois critères de qualité afin

de réduire la puissance nécessaire au vol.

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Les masses ci-après sont données avec une cellule conforme aux exigences de la

CS VLA , notamment :

- La cellule résiste aux essais statiques sous 6 g sans déformations permanentes ;

- Le train principal résiste aux contraintes du « drop test ;

- Etc.

Voir plus particulièrement : http://www.hkw-aero.fr/pdf/HKW-

aero_calculs_essais_et_reglementation.pdf . Plusieurs machines ont été détruites

au sol avant d’arriver à ce résultat.

Une option cellule allégée sera ultérieurement proposée. Cette option aura un impact

sensible sur les coûts. Voir le document critères de qualité et plus particulièrement

la notion de taux d’échange abordée.

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3 7 Premiers vols

Essais en vol réalisés par Marc Mathis, pilote de ligne, de voltige et de

« warbirds » (FOCKE-WULF 190, MUSTANG P51, CURTISS P40,

YAK 9, YAK 11, YAK 3U, JUNKERS 52...).

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3 8 Autres aéronefs en projet…

En cours : dérivé motoplaneur >

99% des pièces sont

communes avec la version

ULM de base.

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Projet possible : industrialisation de l’Agrion

(ULM développé par Thierry Pujolle)

Avion biplace le plus léger jamais construit :

Masse à vide = 70 kg !

Processus industriels

issus de l’ULM HKW.

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Autre projet envisageable : avion d’affaire bimoteur à bas coût d’achat

et d’exploitation : 15 litres au cent à 300 km/h à 4 personnes, grande

facilité de contrôle et de maintenance…

Technologies, méthodes de calculs et

d’essais, processus industriels… issus

de l’avion UL. Nombreuses pièces

communes.

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4 Vol suborbital, « Défi Aérospatial Etudiants »

Concours inter-écoles Européennes

proposé par les majors de

l’aérospatiale Français et Européens.

Définition du vol suborbital : dépasser

une altitude de 100 km pendant

quelques instants. Un tel vol est donc

par nature de très courte durée.

A noter qu’une mise en orbite nécessite une dépense d’énergie 30 fois

supérieure à un vol suborbital.

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L’UTBM et HKW concourent depuis trois ans sur le thème du « porteur

de la navette ». Propositions 2013 (prix des Partenaires) et 2014 (Prix

Airbus) :

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Points forts de la proposition 2014, amélioration de l’aérodynamique

afin de réduire la puissance installée :

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Stratégie 2014 : sortir du CdC pour rendre le projet réaliste…

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Mais un tel projet est-il

réaliste ?

Il ne semble pas envisageable

d’aller plus que loin que les pré

dimensionnements réalisés

compte-tenu de la complexité

extrême et du coût démesuré

d’un tel projet.

A ceci se rajoute la dépense énergétique considérable d’un vol

suborbital. Cette dépense énergétique est difficile à justifier dans le

contexte actuel, raréfaction des énergies et réchauffement climatique,

compte-tenu du peu d’intérêt scientifique et/ou collectif de la mission.

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5 Conclusion

Par sa consommation réduite, son faible coût et sa grande facilité de

maintenance, l’avion UL HKW-aero est résolument différent des

machines actuellement proposées.

Merci pour votre attention