Brevet FR3096029A1 — publié le 20201120

Description Titre de l'invention : AERONEF COMPORTANT DES RE- SERVOIRS A HYDROGENE Domaine technique [0001] La présente invention concerne un aéronef comportant un fuselage avec une structure et délimitant un espace pressurisé, des réservoirs à hydrogène fixés à ladite structure dans ledit espace pressurisé, et des systèmes de propulsion alimentés en énergie à partir d'hydrogène issu (lesdits réservoirs d'hydrogène. Technique antérieure [0002] Afin de se déplacer, un aéronef comporte des systèmes de propulsion où chacun comporte un moteur. Selon une première alternative, ce moteur est un moteur à combustion interne qui fait partie d'un réacteur (« turbofan » en anglais). Selon une autre alternative, ce moteur fait partie d'un turbopropulseur (« turboprop » en anglais) dans lequel le moteur entraîne en rotation une hélice. Ce moteur de turbopropulseur peut être un moteur à combustion interne ou un moteur électrique. Lorsque ce moteur est un moteur électrique, pour alimenter le moteur électrique, il est connu d'utiliser des piles à combustible. Afin d'alimenter chaque pile à combustible, l'aéronef comporte alors des réservoirs d'hydrogène. [0003] Lorsque le moteur est un moteur à combustion interne, qu'il fasse partie d'un réacteur ou d'un turbopropulseur, il est connu d'alimenter ce moteur avec de l'hydrogène. Pour cela, l'aéronef comporte également des réservoirs d'hydrogène. [0004] Les réservoirs d'hydrogène sont généralement alignés selon une direction longi- tudinale les uns derrière les autres au-dessus du fuselage. [0005] Avec un tel arrangement, les réservoirs augmentent la traînée de l'aéronef et donc sa consommation de carburant. [0006] Il est donc nécessaire de trouver un arrangement qui permet d'embarquer des ré- servoirs d'hydrogène sans augmenter la traînée de l'aéronef. Exposé de l'invention [0007] Un objet de la présente invention est de proposer un aéronef comportant un fuselage avec une structure et délimitant un espace pressurisé, des réservoirs à hydrogène fixés à ladite structure dans ledit espace pressurisé, et des systèmes de propulsion. [0008] A cet effet, est proposé un aéronef ayant un plan de symétrie verticale et comportant : [0009] - un fuselage comportant une structure, des panneaux de fuselage qui sont fixés à la structure et qui délimitent un espace pressurisé à l'intérieur du fuselage, et un plancher qui divise l'espace pressurisé en un espace pressurisé supérieur au-dessus du plancher et un espace pressurisé inférieur sous le plancher, 2 [0010] - de part et d'autre du fuselage, une aile supportée par la structure, [0011] - au moins un système de propulsion fixé à chaque aile et comportant un moteur, [0012] - au moins un réservoir d'hydrogène, chacun étant fixé à la structure dans l'espace pressurisé inférieur, [0013] dans lequel le moteur de chaque système de propulsion est alimenté en énergie à partir d'hydrogène issu dudit au moins un réservoir d'hydrogène. [0014] Un tel arrangement permet d'incorporer les réservoirs d'hydrogène dans le volume du fuselage et donc de ne pas augmenter drastiquement la traînée. [0015] Selon un mode de réalisation particulier, l'aéronef comporte un réservoir tribord d'hydrogène disposé à tribord par rapport au plan de symétrie et un réservoir bâbord d'hydrogène disposé à bâbord par rapport au plan de symétrie. [0016] Avantageusement, l'aéronef comporte en outre au moins un réservoir central d'hydrogène dont le centre se situe dans le plan de symétrie, et chaque réservoir d'hydrogène est disposé dans l'espace pressurisé inférieur. [0017] Avantageusement, chaque réservoir central d'hydrogène est hydrauliquement relié à au moins un des réservoirs d'hydrogène tribord et à au moins un des réservoirs d'hydrogène bâbord par une canalisation de transfert. [0018] Selon un mode de réalisation particulier, l'aéronef comporte un seul réservoir central d'hydrogène ou un alignement de réservoirs centraux d'hydrogène qui sont disposés dans l'espace pressurisé inférieur et chaque réservoir d'hydrogène prend la forme d'un cylindre à section elliptique dont l'axe central est dans le plan de symétrie. [0019] Avantageusement, l'aéronef est équipé d'un système de ventilation qui assure l'évacuation de l'hydrogène de l'espace pressurisé vers l'extérieur. [0020] Selon une première alternative, le moteur de l'au moins un système de propulsion fixé à chaque aile est un moteur électrique dont l'arbre de sortie entraîne en rotation une hélice et l'aéronef comporte en outre : [0021] - au moins un système de production qui comporte une pile à combustible qui produit de l'énergie électrique alimentant en électricité le moteur électrique de chaque système de propulsion, et [0022] - pour chaque système de production, une canalisation d'arrivée d'hydrogène qui assure l'acheminement de l'hydrogène d'un réservoir d'hydrogène vers le système de production et une canalisation d'arrivée d'oxygène qui assure l'acheminement de l'oxygène depuis une source d'oxygène vers le système de production. [0023] Selon une deuxième alternative, le moteur de l'au moins un système de propulsion fixé à chaque aile est un moteur à combustion interne alimenté en hydrogène et l'aéronef comporte en outre, pour chaque système de propulsion, une canalisation d'arrivée d'hydrogène qui assure l'acheminement de l'hydrogène d'un réservoir d'hydrogène vers le moteur dudit système de propulsion. 3 Brève description des dessins [0024] Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, appa- raîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : [0025] [fie.1] montre une vue de face d'un aéronef selon un premier mode de réalisation de l'invention, [0026] [fig.21 est une vue en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'aéronef d'un fuselage d'un aéronef selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, [0027] [fie.3] est une vue en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'aéronef d'un fuselage d'un aéronef selon un troisième mode de réalisation de l' invention, [0028] [fig.41 est une vue en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'aéronef, d'un fuselage d'un aéronef selon un quatrième mode de réalisation, et [0029] [fig.51 montre une vue de face d'un aéronef selon un autre mode de réalisation de l' invention. [0030] EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION [0031] La Fig. 1 montre un aéronef 100 selon un mode de réalisation de l'invention. L'aéronef 100 comporte un fuselage 102 comportant une structure et des panneaux de fuselage qui sont fixés à la structure et qui délimitent un espace pressurisé 101 à l'intérieur du fuselage 102. [0032] Dans la description qui suit, et par convention, on appelle X la direction longi- tudinale de l'aéronef orientée positivement dans le sens d'avancement de l'aéronef, on appelle Y la direction transversale de l'aéronef qui est horizontale lorsque l'aéronef est au sol, et Z la direction verticale ou hauteur verticale lorsque l'aéronef est au sol, ces trois directions X, Y et Z étant orthogonales entre elles. Le plan XZ est le plan de symétrie verticale de l'aéronef. [0033] De part et d'autre du fuselage 102, la structure supporte une aile 104 à chacune desquelles est fixé au moins un système de propulsion à hélice 106. [0034] Chaque système de propulsion 106 comporte un moteur électrique 108 dont l'arbre de sortie entraîne en rotation une hélice 110. [0035] L'aéronef 100 comporte également au moins un système de production 112 comportant au moins une pile à combustible qui produit de l'énergie électrique servant à alimenter en électricité le moteur électrique 108 de chaque système de propulsion 106 par des conducteurs électriques 114 qui s'étendent entre un système de production 112 et un système de propulsion 106. [0036] La pile à combustible est une pile dans laquelle la génération d'une tension électrique se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur, ici l'hydrogène, couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, ici l'oxygène, et plus particulièrement ici l'oxygène de l'air. [0037] Dans le mode de réalisation de l'invention présenté sur la Fig. 1, le système de production 112 est disposé dans une aile 104, mais il peut être disposé dans un autre endroit, comme par exemple au niveau du système de propulsion 106 ou dans le fuselage 102. [0038] De la même manière, il y a un système de production 112 par aile 104, mais il est possible de prévoir une organisation différente, par exemple un seul système de production 112 pour tous les systèmes de propulsion 106 de l'aéronef 100 ou un système de production 112 pour chaque système de propulsion 106. [0039] L'espace pressurisé 101 est divisé par un plancher 105 en un espace pressurisé supérieur au-dessus du plancher 105 et un espace pressurisé inférieur sous le plancher 105. Le plancher 105 est fixé à la structure. [0040] D'une manière générale, l'aéronef 100 comporte au moins un réservoir d'hydrogène et chaque réservoir d'hydrogène est fixé à la structure du fuselage 102 dans l'espace pressurisé inférieur. Un tel arrangement permet d' incorporer les réservoirs d'hydrogène dans le volume du fuselage et donc de ne pas augmenter drastiquement la traînée. [0041] Dans le mode de réalisation de l'invention de la Fig. 1, l'aéronef 100 comporte deux réservoirs d'hydrogène 118a-b, à savoir un réservoir tribord d'hydrogène 118a et un réservoir bâbord d'hydrogène 118b. [0042] Dans le mode de réalisation de l'invention de la Fig. 1, chaque réservoir d'hydrogène 118a-b prend la forme d'un cylindre à section circulaire dont l'axe est parallèle à la direction longitudinale X. [0043] Le réservoir tribord d'hydrogène 118a est disposé à tribord par rapport au plan de symétrie XZ et le réservoir bâbord d'hydrogène 118b est disposé à bâbord par rapport au plan de symétrie XZ. Un tel arrangement permet en outre d'équilibrer les charges sur l'aéronef 100. [0044] Dans le mode de réalisation de l'invention présenté ici, il y a un seul réservoir tribord d'hydrogène 118a et un seul réservoir bâbord d'hydrogène 118b, mais il est possible de prévoir une pluralité de réservoirs bâbord d'hydrogène et une pluralité de réservoirs tribord d'hydrogène, où tous les réservoirs bâbord d'hydrogène sont alignés selon une direction parallèle à la direction longitudinale les uns derrière les autres à bâbord par rapport au plan de symétrie XZ, et où tous les réservoirs tribord d'hydrogène sont alignés selon une direction parallèle à la direction longitudinale les uns derrière les autres à tribord par rapport au plan de symétrie XZ. [0045] Pour l'approvisionnement de chaque système de production 112, l'aéronef 100 comporte, pour chaque système de production 112, une canalisation d'arrivée d'hydrogène 116 qui assure l'acheminement de l'hydrogène d'un réservoir d'hydrogène 118a-b vers le système de production 112 et les piles à combustible associées, et une canalisation d'arrivée d'oxygène 122 qui assure l'acheminement de l'oxygène depuis une source d'oxygène 120 vers ledit système de production 112 et les piles à combustible associées. [0046] Pour chaque canalisation d'arrivée d'hydrogène 116, l'aéronef 100 comporte une pompe qui entraîne l'hydrogène en mouvement dans la canalisation d'arrivée d'hydrogène 116, typiquement la pompe est à la sortie du réservoir d'hydrogène. [0047] La canalisation d'arrivée d'hydrogène 116 est hydrauliquement connectée entre un réservoir d'hydrogène 118a-h et le système de production 112. La canalisation d'arrivée d'oxygène 122 est hydrauliquement connectée entre une source d'oxygène 120 et le système de production 112. La source d'oxygène 120 est par exemple une écope 120 au niveau de la peau extérieure de l'aéronef 100 ou un réservoir d'oxygène. [0048] Les Figs. 2 à 4 sont des représentations schématiques d'un aéronef 200, 300, 400 selon trois modes de réalisation de l'invention où seuls le fuselage 102 et les réservoirs d'hydrogène ont été représentés. Les principes de fonctionnement sont identiques à ceux décrits ci-dessus et seuls la disposition, le nombre et le type de réservoirs d'hydrogène changent par rapport au premier mode de réalisation de la Fig. 1. [0049] Dans le mode de réalisation de l'invention de la Fig. 2, il y a en outre un réservoir central d'hydrogène 118c ou un alignement de réservoirs centraux d'hydrogène 118c, dont le centre de chacun se situe dans le plan de symétrie XZ, et chaque réservoir d'hydrogène tribord 118a, bâbord 118b et central 118c est disposé dans l'espace pressurisé inférieur. Le réservoir central d'hydrogène 118c prend également ici la forme d'un cylindre à section circulaire dont l'axe est parallèle à la direction longitudinale X. Les réservoirs centraux d'hydrogène 118c sont disposés entre les réservoirs d'hydrogène tribord 118a et les réservoirs d'hydrogène bâbord 118b. [0050] Dans ce mode de réalisation, chaque réservoir central d'hydrogène 118c est hydrau- liquement relié à au moins un réservoir tribord d'hydrogène 118a et à au moins un réservoir bâbord d'hydrogène 118b par une canalisation de transfert 124 qui permet le transfert d'hydrogène du réservoir central d'hydrogène 118c vers les réservoirs d'hydrogène tribord 118a et bâbord 118b. [0051] Dans le mode de réalisation de l'invention de la Fig. 2, les trois réservoirs 118a-c présentent des diamètres égaux. [0052] Le mode de réalisation de l'invention de la Fig. 3 est identique à celui de la Fig. 2 sauf en ce que les deux réservoirs latéraux 118a-b présentent des diamètres égaux entre eux et inférieurs au diamètre du réservoir central 118c. [0053] Dans le mode de réalisation de l'invention de la Fig. 4, l'aéronef 400 comporte un 6 seul réservoir central d'hydrogène 118a ou un alignement de réservoirs centraux d'hydrogène 118a qui sont disposés dans l'espace pressurisé inférieur entre les ré- servoirs d'hydrogène tribord 118a et les réservoirs d'hydrogène bâbord 118b. [0054] Dans ce mode de réalisation et pour une optimisation du volume disponible, chaque réservoir d'hydrogène 118a prend la forme d'un cylindre à section elliptique dont l'axe central est dans le plan de symétrie XZ. [0055] La Fig. 5 montre un aéronef 500 selon un autre mode de réalisation de l'invention. [0056] Dans le mode de réalisation de l'invention de la Fig. 5, le moteur 108 de chaque système de propulsion 106 est un moteur à combustion interne, par exemple un réacteur ou un turbopropulseur utilisant de l'hydrogène comme carburant. Ce moteur 108 est alimenté en hydrogène par une canalisation d'arrivée d'hydrogène 116 qui assure l'acheminement de l'hydrogène d'un réservoir d'hydrogène 118a-b vers ledit moteur 108 du système de propulsion 106. [0057] Sur la Fig. 5, la disposition des réservoirs d'hydrogène 118a-b est similaire à la dis- position des réservoirs d'hydrogène du premier mode de réalisation représenté sur la Fig. 1. Cette disposition n'est toutefois pas limitative du mode de réalisation de l'invention dans lequel les moteurs des systèmes de propulsion sont des moteurs à combustion interne. Des dispositions des réservoirs d'hydrogène similaires à celles représentées sur les Figs. 2 à 4 peuvent aussi être mises en oeuvre dans ce mode de réalisation. [0058] D'une manière générale, pour l'ensemble des modes de réalisation décrits ici, l'aéronef 100, 200, 300, 400, 500 comporte au moins un système de propulsion fixé à chaque aile 104 et comportant un moteur, au moins un réservoir d'hydrogène 118a-c, chacun étant fixé à la structure dans l'espace pressurisé inférieur. Dans chacun des modes de réalisation décrits, le moteur 108 de chaque système de propulsion 106 est alimenté en énergie à partir d'hydrogène issu dudit au moins un réservoir d'hydrogène 118a-c. [0059] Dans chacun des modes de réalisation présentés sur les Figs. 1 à 5, l'aéronef 100, 200, 300, 400, 500 est équipé d'un système de ventilation 130 qui assure l'évacuation de l'hydrogène de l'espace pressurisé 101 vers l'extérieur. Ainsi en cas de fuite d'hydrogène, l'hydrogène est évacué à l'extérieur sans risque d'importuner les passagers présents dans l'espace pressurisé 101. [0060] Le système de ventilation 130 prend par exemple la forme d'au moins une trappe dans un panneau de fuselage où chaque trappe est mobile entre une position fermée correspondant à un fonctionnement normal et une position ouverte con-espondant à une fuite d'hydrogène. [0061] L'ouverture et la fermeture de chaque trappe sont commandées par un système de détection comportant par exemple un détecteur d'hydrogène. 7 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] REVENDICATIONSAéronef (100, 200, 300, 400, 500) ayant un plan de symétrie verticale (XZ) et comportant : - un fuselage (102) comportant une structure, des panneaux de fuselage qui sont fixés à la structure et qui délimitent un espace pressurisé (101) à l'intérieur du fuselage (102), et un plancher (105) qui divise l'espace pressurisé (101) en un espace pressurisé supérieur au-dessus du plancher (105) et un espace pressurisé inférieur sous le plancher (105), - de part et d'autre du fuselage (102), une aile (104) supportée par la structure, - au moins un système de propulsion fixé à chaque aile (104) et comportant un moteur, - au moins un réservoir d'hydrogène (118a-c), chacun étant fixé à la structure dans l'espace pressurisé inférieur, dans lequel le moteur (108) de chaque système de propulsion (106) est alimenté en énergie à partir d'hydrogène issu dudit au moins un réservoir d'hydrogène (118a-c). Aéronef (100, 200, 300, 500) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir tribord d'hydrogène (118a) disposé à tribord par rapport au plan de symetne (XZ) et un réservoir bâbord d'hydrogène (118b) disposé à bâbord par rapport au plan de symétrie (XZ). Aéronef (200, 300) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un réservoir central d'hydrogène (118c) dont le centre se situe dans le plan de symétrie (XZ), et en ce que chaque réservoir d'hydrogène (118a-c) est disposé dans l'espace pressurisé inférieur. Aéronef (200, 300) selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque réservoir central d'hydrogène (118c) est hydrauliquement relié à au moins un des réservoirs d'hydrogène tribord (118a) et à au moins un des réservoirs d'hydrogène bâbord (118b) par une canalisation de transfert (124). Aéronef (400) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un seul réservoir central d'hydrogène (118a) ou un alignement de réservoirs centraux d'hydrogène (118a) qui sont disposés dans l'espace pressurisé inférieur et en ce que chaque réservoir d'hydrogène (118a) prend la forme d'un cylindre à section elliptique dont l'axe central est dans le plan de symétrie (XZ). 8 [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] Aéronef (100, 200, 300, 400, 500) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un système de ventilation (130) qui assure l'évacuation de l'hydrogène de l'espace pressurisé (101) vers l'extérieur. Aéronef (100, 200, 300, 400, 500) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en cc que le moteur (108) de l'au moins un système de propulsion (106) fixé à chaque aile (104) est un moteur électrique dont l'arbre de sortie entraîne en rotation une hélice (110) et l'aéronef comporte en outre : - au moins un système de production (112) qui comporte une pile à combustible qui produit de l'énergie électrique alimentant en électricité le moteur électrique (108) de chaque système de propulsion (106), et - pour chaque système de production (112), une canalisation d'arrivée d'hydrogène (116) qui assure l'acheminement de l'hydrogène d'un réservoir d'hydrogène (118a-b) vers le système de production (112) et une canalisation d'arrivée d'oxygène (122) qui assure l'acheminement de l'oxygène depuis une source d'oxygène (120) vers le système de production (112). Aéronef (100, 200, 300, 400, 500) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moteur (108) de l'au moins un système de propulsion (106) fixé à chaque aile (104) est un moteur à combustion interne alimenté en hydrogène et l'aéronef comporte en outre, pour chaque système de propulsion (106), une canalisation d'arrivée d'hydrogène (116) qui assure l'acheminement de l'hydrogène d'un réservoir d'hydrogène (118a-b) vers le moteur (108) dudit système de propulsion (106).