Utilisation des vibrations pour dégivrer les ailes d'avion
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Dans le cadre du projet Clean Aviation, des chercheurs de l'institut Fraunhofer ont collaboré avec des partenaires pour développer un système qui fait vibrer les zones de givre sur les ailes d'avion, éliminant ainsi la glace. Ce procédé réduit considérablement la consommation d'énergie nécessaire au dégivrage par rapport aux méthodes conventionnelles. Cette technologie est également adaptée à la propulsion à faibles émissions de demain.
La formation de glace sur les ailes d'un avion est dangereuse pour l'ensemble de l'appareil. La glace réduit la portance, augmente la traînée et peut entraver le fonctionnement des gouvernes de profondeur, des ailerons et du gouvernail. Dans le pire des cas, l'avion peut décrocher et s'écraser. Ce problème peut survenir à tout moment de l'année, notamment lorsque l'avion traverse des nuages ou des couches d'air froid et humide après le décollage ou à l'approche. Pour y remédier, les avions sont équipés de systèmes thermiques qui aspirent l'air chaud des moteurs et le dirigent sur la surface des ailes. Cependant, ce processus est énergivore et a un impact sur le rendement des moteurs.
L'Institut Fraunhofer pour la durabilité des structures et la fiabilité des systèmes (LBF) s'est associé à des partenaires pour développer une méthode de dégivrage économe en énergie. Le principe consiste à faire vibrer la partie givrée de l'aile de l'avion afin que la glace se fissure et se détache.
Tout d'abord, des capteurs détectent la formation de glace sur des zones spécifiques de l'aile. Ensuite, la fréquence de résonance naturelle, c'est-à-dire la plage de fréquences à partir de laquelle le matériau commence à vibrer, est déterminée, puis des actionneurs piézoélectriques sont activés. Ces actionneurs génèrent des vibrations de basse fréquence ciblées sur les zones de formation de glace. « Ces vibrations, de l'ordre de quelques kilohertz seulement, sont invisibles à l'œil nu mais très efficaces. La glace qui adhère à l'aile se brise et se détache », explique Denis Becker, chercheur à l'institut Fraunhofer LBF.
Fréquence de résonance des ailes
Pour calculer la fréquence de vibration, les chercheurs de l'institut Fraunhofer ont d'abord dû étudier l'interaction très complexe de divers facteurs responsables de la vibration naturelle.La fréquence de résonance lors de la formation de glace dépend de plusieurs facteurs : le matériau des ailes, la vitesse, l’altitude de vol, la température, l’humidité et l’épaisseur de la couche de glace. Des algorithmes utilisent ces informations pour calculer la fréquence de résonance naturelle, explique Becker.
Les conditions extérieures évoluant constamment en vol, la fréquence de résonance varie également. L'épaisseur ou la fonte de la couche de glace influe aussi sur cette fréquence. C'est pourquoi les capteurs fournissent en continu de nouvelles données de mesure, permettant ainsi à l'électronique d'activer les actionneurs à la fréquence ajustée à tout moment.
Pour ce projet de recherche, les experts de Fraunhofer ont suivi différentes étapes, notamment en plaçant une aile dans une soufflerie givrante et en optimisant le fonctionnement des actionneurs piézoélectriques.
L'idée d'utiliser les vibrations pour dégivrer les avions est évoquée depuis longtemps dans le milieu aéronautique. Aujourd'hui, des chercheurs sont parvenus, pour la première fois, à créer un système extrêmement dynamique et précis qui concrétise cette idée. « Nos expériences en soufflerie givrante ont démontré l'efficacité du dégivrage électromécanique. Prochaine étape : des essais supplémentaires en soufflerie afin de préparer le système aux tests en vol », explique Becker.
Les groupes motopropulseurs à faibles émissions des avions du futur
Les experts de l'institut Fraunhofer LBF ont réalisé ce projet de recherche dans le cadre du programme de recherche et d'innovation « Aviation propre » de l'Union européenne. Parmi les partenaires figurent le constructeur aéronautique Airbus et la société aérospatiale Parker-Meggitt.
Le secteur aéronautique est confronté aujourd'hui à d'immenses défis. La consommation d'énergie et les émissions de carbone devront diminuer drastiquement dans les prochaines années. Dans l'ensemble de l'industrie, les constructeurs travaillent sur des groupes motopropulseurs plus respectueux de l'environnement, tels que les motorisations électriques et hybrides. « Mais les systèmes de propulsion du futur ne produiront plus de gaz d'échappement chauds ni de chaleur résiduelle, indispensables au fonctionnement des systèmes de dégivrage thermomécaniques. Notre méthode offre la perspective de réduire la consommation d'énergie jusqu'à 80 %, ce qui en fait une contribution majeure à une aviation durable », explique Becker.