Brevet FR3155813A1 — publié le 20250530

Procédé de gestion de l’énergie d’un système propulsif hybride d’aéronef Procédé (200) de gestion de l’énergie fournie par un système propulsif hybride d’aéronef, le système propulsif hybride comprenant au moins un moteur thermique, un moteur électrique, et une boîte de transmission principale de puissance configurée pour entraîner en rotation un rotor de l’aéronef, les moteurs thermique et électrique étant configurés pour fournir une puissance mécanique à la boîte de transmission principale, le procédé de gestion comprenant au moins : une détermination (210) d’un seuil maximal (Seuil_max(z)) d’émissions sonore ou gazeuses en fonction d’une hauteur (z) entre l’aéronef et le sol ; une détermination (220) à un instant t d’une émission sonore ou gazeuse (Emission(t)) ; si l’émission sonore ou gazeuse à l’instant t est supérieure au seuil maximal déterminé, une détermination (230) d’une répartition de la puissance mécanique (Cons1, Cons2) fournie par les moteurs thermique et électrique à la boîte de transmission principale de puissance de manière à ce que une prochaine émission sonore ou gazeuse à un instant t+1 (Emission(t+1)) soit inférieure ou égale au seuil maximal déterminé. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Procédé de gestion de l’énergie d’un système propulsif hybride d’aéronef La présente invention se rapporte au domaine général de l’hybridation des aéronefs, et plus particulièrement à la gestion de l’énergie fournie par les sources électriques et les sources thermiques pour la propulsion d’un aéronef. Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’aéronefs mais aussi à ceux actuellement en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique. Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des impacts environnementaux modérés dans un but d’amélioration de l’efficacité énergétique des avions. Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son impact climatique par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire l’empreinte environnementale de son activité. Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’aéronefs, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques. Dans ce contexte, l’industrie aéronautique s’engage plus particulièrement à réduire ses émissions polluantes sonores et gazeuses, notamment en zone urbaine. Parmi ces émissions, on distingue les polluants globaux, comme le dioxyde de carbone ou les polluants locaux, comme le bruit ou l’oxyde d’azote. Le besoin de gestion des émissions polluantes vient de la contrainte d’énergie électrique fortement limitée. La technologie actuelle des systèmes de stockage d’énergie offre des densités énergétiques très faibles par rapport aux carburants fossiles qui limitent fortement la quantité d’énergie à bord de l’aéronef. Cette limitation oblige donc à commander la consommation de l’énergie électrique au plus juste. Il est donc souhaitable de disposer d’un nouveau procédé de gestion de l’énergie d’un système propulsif hybride d’aéronef pour répartir au mieux la fourniture de puissance propulsive entre les sources carbonées et décarbonées afin de réduire les émissions polluantes sonores et gazeuses locales. A cet effet, l’invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des aéronefs, et en ce sens, contribue à la réduction de l’impact environnemental des aéronefs. Pour cela, l’invention concerne un procédé de gestion de l’énergie fournie par un système propulsif hybride d’aéronef, le système propulsif hybride comprenant au moins : un moteur thermique ; un moteur électrique ; et une boîte de transmission principale de puissance configurée pour entraîner en rotation un rotor de l’aéronef, les moteurs thermique et électrique étant configurés pour fournir une puissance mécanique à la boîte de transmission principale, le procédé de gestion comprenant au moins : une détermination d’un seuil maximal d’émissions sonore ou gazeuses en fonction d’une hauteur entre l’aéronef et le sol et d’une zone géographique déterminée et/ou de données de géolocalisation; une détermination à un instant t d’une émission sonore ou gazeuse ; si l’émission sonore ou gazeuse à l’instant t est supérieure au seuil maximal déterminé, une détermination d’une répartition de la puissance mécanique fournie par les moteurs thermique et électrique à la boîte de transmission principale de puissance de manière à ce que une prochaine émission sonore ou gazeuse à un instant t+1 soit inférieure ou égale au seuil maximal déterminé. Grâce au procédé selon l’invention, on peut contrôler plus précisément la répartition de puissance propulsive entre la source carbonée (moteur thermique), émettrice de polluants gazeux et de bruit et la source décarbonée (moteur électrique) quand on s’approche ou s’éloigne du sol afin de réduire les émissions polluantes gazeuses et/ou sonores locales. De plus, comme les seuils d’émissions gazeuses et sonores maximaux à ne pas dépasser sont déterminés en fonction de la hauteur entre le sol et l’aéronef et d’une zone géographique déterminée et/ou de données de géolocalisation, on peut plus facilement s’adapter aux contraintes locales de la zone survolée. Ainsi, au décollage, on peut augmenter au fur et à mesure les seuils maximaux en s’éloignant du sol ; ou au contrainre à l’atterrissage, on diminuera les valeurs des seuils maximaux au fur et à mesure en s’approchant du sol afin de limiter les pollutions locales. Ainsi, on cherchera à maximiser la puissance mécanique fournie par le moteur électrique à proximité du sol, et on augmentera la part de puissance mécanique fournie par le moteur thermique en s’éloignant du sol. Selon une caractéristique particulière de l’invention, l’émission sonore ou gazeuse et le seuil maximal correspondant sont choisis parmi les grandeurs suivantes : le bruit, un taux d’émission en oxyde d’azote, un taux d’émission d’oxyde de carbone, un taux d’émission de fumées, ou un taux d’émission d’hydroxyde de carbone. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le procédé comprend également une étape d’acquisition de données représentatives de contraintes de sécurité et/ou environnementales, le seuil maximal d’émissions sonore ou gazeuses étant également fonction de ces données acquises. Les données représentatives de contraintes environnementales et/ou de sécurité peuvent être par exemple basées sur des données de géolocalisation. Cette étape d’acquisition de données représentatives de contraintes environnementales et/ou de sécurité permet de tenir compte du fait que, pour une même hauteur entre le sol et l’aéronef, les seuils maximaux déterminés ne seront pas forcément les mêmes entre deux zones différentes. En effet, à proximité d’une ville ou d’une zone environnementale protégée, les seuils maximaux déterminés peuvent être inférieurs à ceux déterminés à proximité d’un aéroport éloigné d’une ville. Selon un mode de réalisation de l’invention, la détermination du seuil maximal est réalisée en temps réel durant un vol de l’aéronef. Cela permet de s’adapter le plus précisément possible à l’environnement de l’aéronef. Selon un autre mode de réalisation de l’invention, la détermination du seuil maximal est réalisée avant un décollage de l’aéronef. Cela permet de prévoir plus précisément la quantité d’énergie carbonée nécessaire durant le vol, et d’éviter de transporter plus de carburant que nécessaire. Selon une caractéristique particulière de l’invention, le seuil maximal déterminé est également fonction d’une température ambiante autour de l’aéronef et/ou d’une pression atmosphérique autour de l’aéronef et/ou du débit de carburant fourni au moteur thermique. Il peut encore dépendre d’une vitesse de rotation d’un générateur de gaz et/ou d’une température des gaz à l’entrée d’une turbine de l’aéronef. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la hauteur entre l’aéronef et le sol est une moyenne des hauteurs entre le sol et l’aéronef sur une distance donnée. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le procédé comprend également une détermination d’un niveau de contrainte du seuil maximal déterminé, et dans lequel les étapes du procédé sont répétées pour une autre grandeur d’émissions sonore ou gazeuses et la répartition de la puissance mécanique étant déterminée en fonction des niveaux de contrainte déterminés. Cela permet de prioriser certaines contraintes s’il n’est pas possible de déterminer une répartition de puissance entre les moteurs électrique et thermique permettant de rester en-dessous de tous les seuils maximaux déterminés pour s’adapter au mieux aux zones survolées par l’aéronef. Par exemple, on peut choisir de prioriser les contraintes liées à la pollution gazeuse par rapport à la pollution sonore au-dessus de certaines zones, ou au contraire, prioriser les contraintes liées à la pollution sonore par rapport à la pollution gazeuse au-dessus d’autres zones. On peut encore prioriser, par exemple, les contraintes liées à l’émission d’oxyde d’azote par rapport à l’émission de dioxyde de carbone. Un autre objet de l’invention est un aéronef comprenant : un système propulsif hybride comprenant un moteur thermique, un moteur électrique, une boîte de transmission principale de puissance alimentée en puissance mécanique par le moteur thermique et le moteur électrique, une source électrique configurée pour alimenter le moteur électrique, un réservoir de carburant configuré pour alimenter le moteur thermique, un rotor entraîné en rotation par la boîte de transmission principale du système propulsif hybride, un dispositif de commande du moteur électrique ; un dispositif de commande du moteur thermique, et un calculateur configuré pour mettre en œuvre le procédé de gestion selon l’invention et transmettre une consigne de la répartition de la puissance mécanique déterminée au dispositif de commande du moteur électrique et au dispositif de commande du moteur thermique. Selon une caractéristique particulière de l’invention, l’aéronef comprend également un moyen de mesure d’une hauteur entre l’aéronef et le sol et d’une zone géographique déterminée et/ou de données de géolocalisation. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. FIG. 1 La FIG. 1 représente, de manière schématique et partielle, un système propulsif hybride d’un aéronef selon un mode de réalisation. FIG. 2 La FIG. 2 représente, de manière schématique et partielle, le procédé de gestion de l’énergie selon un mode de réalisation de l’invention mis en œuvre dans le système propulsif hybride de la FIG. 1 . FIG. 3 La FIG. 3 représente, de manière schématique et partielle, un exemple de seuils maximaux d’émissions sonores et/ou gazeuses en fonction de la hauteur entre le sol et l’aéronef. La FIG. 1 représente une installation motrice hybride 100 pouvant mettre en œuvre le procédé de gestion selon l’invention, dont un mode de réalisation est représenté schématiquement en FIG. 2 . L’installation 100 comprend un réservoir de carburant 120, une source électrique 150 et un système propulsif hybride comprenant un moteur électrique 140, un moteur thermique 110 et une boîte de transmission principale de puissance 130. Le réservoir de carburant 120 fournit en carburant le moteur thermique 110, tandis que la source électrique 150 fournit l’électricité du moteur électrique 140. Les moteurs électrique 140 et thermique 110 alimentent en puissance mécanique la boîte de transmission 130 qui entraîne en rotation un rotor 170. Un calculateur 160 met en œuvre le procédé 200 de l’invention et fournit des consignes de répartition de puissance entre les deux moteurs 110 et 140 via leurs dispositifs de commande 161, 162 respectifs. Le calculateur 160 peut être le moyen de gestion électrique de l’hybridation du système propulsif qui peut être géré par le contrôleur de l’aéronef ou par un contrôleur dédié. L’installation motrice hybride 100 peut également comprendre un moyen de mesure d’une hauteur entre le sol et l’aéronef qui communique cette donnée au calculateur 160. Le moyen de mesure d’une hauteur entre le sol et l’aéronef est par exemple un radioaltimètre, et/ou un système GPS à trois axes, et/ou un système ADIRS « Air Data Inertial Reference System ») et/ou un capteur de pression atmosphérique mesurant la hauteur par différence de pression entre la pression mesurée au sol avant le décollage et la pression mesurée en temps réel. Le procédé 200 comprend une étape 210 de détermination d’un seuil maximal Seuil_max(z) d’émissions sonore ou gazeuse en fonction de la hauteur z entre l’aéronef (c’est-à-dire entre l’installation motrice hybride 100) et le sol ; ainsi qu’une étape 220 de détermination à un instant t d’une émission sonore ou gazeuse Emission(t). L’émission sonore ou gazeuse Emission(t) ainsi que le seuil maximal Seuil_max(z) associé représente une grandeur choisie parmi : le bruit, un taux d’émission en oxyde d’azote, un taux d’émission d’oxyde de carbone, un taux d’émission de fumées, ou un taux d’émission d’hydroxyde de carbone. La ou les grandeurs choisies peuvent correspondre à un taux horaire d’émission, plus particulièrement en décibels par minutes pour le bruit, ou en grammes par minutes pour les émissions gazeuses. Elles peuvent également correspondre à un taux d’émissions par rapport à la masse de l’aéronef ou par rapport à la puissance motrice totale, à un pourcentage du seuil maximal, ou encore à une limite en quantité « absolue » d’émission sous une hauteur déterminée exprimée par exemple en grammes pour les émissions gazeuses. La FIG. 3 représente un exemple de seuil maximal Seuil_max(z) en fonction de la hauteur z entre le sol et l’aéronef. Dans cet exemple, pour une hauteur inférieure à H1, le seuil maximal est égal S1, puis entre les hauteurs H1 et H2, il varie linéairement jusqu’à atteindre D2 ; puis entre les hauteurs H2 et H3, il est égal à S2 ; entre les hauteurs H3 et H4, il varie linéairement jusqu’à atteindre S3 et enfin pour des hauteurs supérieures à H4, il est égal à S3. Le seuil maximal Seuil_max(z) peut également varier entre les hauteurs H1 et H2 d’une manière non linéaire comme par exemple de manière exponentielle ou logarithmique. Ce seuil maximal Seuil_max(z) peut être déterminé à partir d’un modèle de combustion du moteur thermique 110 avant le vol de l’aéronef, ou en temps réel durant le vol. De plus, il peut dépendre également du débit de carburant commandé ou mesuré qui est injecté dans le moteur thermique 110, et/ou des pressions et températures atmosphériques, et/ou des principaux paramètres de fonctionnement du moteur thermique 110, comme par exemple la vitesse de rotation du générateur de gaz ou la température des gaz à l’entrée de la turbine. Le seuil maximal Seuil_max(z) peut encore être déterminé à partir de données représentatives de contraintes de sécurité et/ou environnementales acquises durant le vol. La hauteur z entre le sol et l’aéronef peut être la hauteur réelle ou une moyenne des hauteurs sur une distance donnée. Par exemple, quand l’aéronef survole une zone montagneuse ou un canyon, on peut utiliser préférentiellement une moyenne des hauteurs sur toute cette zone de survol, afin que le seuil maximal soit constant, plutôt qu’utiliser un seuil maximal variable. Enfin, si l’émission déterminée en temps réel Emission(t) est supérieure au seuil maximal déterminé Seuil_max(z), le procédé 200 détermine, durant l’étape 230, une consigne d’hybridation pour que la prochaine émission déterminée à l’instant t+1 Emission(t+1) soit inférieure ou égale à au seuil maximal Seuil_max(z). La consigne d’hybridation déterminée est une consigne Cons1, Cons2 de répartition de la puissance mécanique à fournir à la boîte de transmission principale de puissance 130 de la part des moteurs thermique 110 et électrique 140. Cette consigne Cons1, Cons2 calculée par le calculateur 160 est transmise au dispositif de commande 162 du moteur thermique 110 et au dispositif de commande 161 du moteur électrique 140. Ainsi les moteurs thermique 110 et électrique 140 fourniront pour l’instant t+1 des puissances mécaniques à la boîte de transmission 130 permettent de rester au-dessous du seuil maximal Seuil_max(z) déterminé à l’étape 210. Dans des zones où la marge par rapport au seuil maximal déterminé Seuil_max(z) est importante, il est possible de définir une consigne de recharge de la batterie afin d’atteindre le seuil maximal. Dans ce cas la consigne Cons1 est négative. On peut également répéter le procédé 200 pour plusieurs types d’émissions sonores ou gazeuses. Par exemple, si l’on souhaite réduire à la fois la pollution sonore et la pollution gazeuse liée à l’émission d’oxyde d’azote, on réalise les étapes du procédé 200 pour les deux types d’émission et le procédé 200 comprend peut également comprendre une étape de détermination d’un niveau de contrainte des deux seuils maximaux déterminés. Cela permet de déterminer quel sera le seuil le plus important à respecter si jamais il n’est pas possible de déterminer une consigne d’hybridation permettant de vérifier à la fois que la prochaine émission sonore à t+1 soit inférieure au premier seuil maximal lié au bruit et que la prochaine émission d’oxyde d’azote à t+1 soit inférieure au deuxième seuil maximal lié à l’oxyde d’azote. Plus généralement, le procédé 200 peut comprendre une étape de détermination d’un niveau de contrainte du seuil maximal déterminé et répéter autant de fois les étapes 210 à 230 qu’il y a de types d’émissions sonore ou gazeuses déterminées. Procédé (200) de gestion de l’énergie fournie par un système propulsif hybride d’aéronef, le système propulsif hybride comprenant au moins : un moteur thermique (110) ; un moteur électrique (140) ; et une boîte de transmission principale de puissance (130) configurée pour entraîner en rotation un rotor (170) de l’aéronef, les moteurs thermique et électrique étant configurés pour fournir une puissance mécanique à la boîte de transmission principale, le procédé de gestion comprenant au moins : une détermination (210) d’un seuil maximal (Seuil_max(z)) d’émissions sonore ou gazeuses en fonction d’une hauteur (z) entre l’aéronef et le sol et d’une zone géographique déterminée et/ou de données de géolocalisation; une détermination (220) à un instant t d’une émission sonore ou gazeuse (Emission(t)) ; si l’émission sonore ou gazeuse à l’instant t est supérieure au seuil maximal déterminé, une détermination (230) d’une répartition de la puissance mécanique fournie par les moteurs thermique (Cons2) et électrique (Cons1) à la boîte de transmission principale de puissance de manière à ce qu’une prochaine émission sonore ou gazeuse à un instant t+1 (Emission(t+1)) soit inférieure ou égale au seuil maximal déterminé. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’émission sonore ou gazeuse et le seuil maximal correspondant sont choisis parmi les grandeurs suivantes : le bruit, un taux d’émission en oxyde d’azote, un taux d’émission d’oxyde de carbone, un taux d’émission de fumées, ou un taux d’émission d’hydroxyde de carbone. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant également une étape d’acquisition de données représentatives de contraintes de sécurité et/ou environnementales, le seuil maximal d’émissions sonore ou gazeuses étant également fonction de ces données acquises. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la détermination du seuil maximal est réalisée en temps réel durant un vol de l’aéronef. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la détermination du seuil maximal est réalisée avant un décollage de l’aéronef. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le seuil maximal déterminé est également fonction d’une température ambiante autour de l’aéronef et/ou d’une pression atmosphérique autour de l’aéronef et/ou du débit de carburant fourni au moteur thermique. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la hauteur entre l’aéronef et le sol est une moyenne des hauteurs entre le sol et l’aéronef sur une distance donnée. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant également une détermination d’un niveau de contrainte du seuil maximal déterminé, et dans lequel les étapes du procédé sont répétées pour une autre grandeur d’émissions sonore ou gazeuses et la répartition de la puissance mécanique étant déterminée en fonction des niveaux de contrainte déterminés. Aéronef comprenant : un système propulsif hybride comprenant un moteur thermique (110), un moteur électrique (140), une boîte de transmission principale de puissance (130) alimentée en puissance mécanique par le moteur thermique et le moteur électrique, une source électrique (150) configurée pour alimenter le moteur électrique, un réservoir de carburant (120) configuré pour alimenter le moteur thermique, un rotor (170) entraîné en rotation par la boîte de transmission principale du système propulsif hybride, un dispositif de commande (161) du moteur électrique ; un dispositif de commande (162) du moteur thermique, et un calculateur (160) configuré pour mettre en œuvre le procédé (200) de gestion selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 et transmettre une consigne (Cons1, Cons2) de la répartition de la puissance mécanique déterminée au dispositif de commande du moteur électrique et au dispositif de commande du moteur thermique. Aéronef selon la revendication 9, comprenant également un moyen de mesure d’une hauteur entre l’aéronef et le sol et d’une zone géographique déterminée et/ou de données de géolocalisation.