Le dernier X-Plane de la Nasa sera tout électrique.
Le X-57 baptisé Maxwell est le premier prototype « tout électrique » de la Nasa. C’est aussi le premier X-plane à être piloté depuis vingt ans… Il s’agit d’étudier la conception et le processus de certification d’un appareil à propulsion électrique distribuée, c’est-à-dire propulsé par une série de moteurs électriques étalés sur toute l’envergure de la voilure. Pour accélerer le programme, une cellule de Tecnam P2006T a servi de base au prototype. L’usage d’un appareil déjà existant permettra de comparer les données obtenues sur le prototype avec le modèle standard.
Le programme a été développé en quatre phases, la dernière évolution étant celle de l’appareil dans la configuration suivante : 14 moteurs électriques dont 12 placés au bord d’attaque et 2 moteurs plus importants aux saumons pour la croisière.
Phase 1 : elle a consisté à définir les données à étudier, avec une analyse des systèmes, la conception de ces derniers et des essais au sol et en vol. Ainsi, une voilure motorisée a été testée sur banc roulant sur la base d’Edwards, Californie. Il s’agissait de valider le système de motorisations distribuées, avec 18 moteurs électriques, destiné aux portances élevées (high-lift) soit décollages/atterrissages. La puissance délivrée a atteint les 300 ch. Le banc d’essais a été testé jusqu’à 150 km/h. Cette soufflerie roulante a montré que les 18 moteurs assuraient le double de portance par rapport à une aile non soufflée par les hélices.
En 2015, la Nasa a conduit des essais en vol d’un Tecnam 2006T instrumenté pour quantifier de nombreuses données (portance, traînée, gestion de l’énergie, etc.) et pouvoir les comparer avec les résultats qui seront obtenus lors des essais du X-57.
Phase 2 : en poursuivant les essais au sol, le programme s’est concentré sur les batteries, avec un système utilisant des batteries lithium-ion. Il s’agissait de vérifier qu’un vol complet pourrait être effectué tout en démontrant la capacité à isoler tout élément en cas d’élévation rapide de la température (divergence) avec risque d’incendie. Plusieurs systèmes ont été évalués avant de retenir le plus adapté.
Un simulateur a été développé pour entraîner pilotes et ingénieurs aux spécificités de la propulsion électrique, tout en préparant le programme d’essais en vol prévu avec le prototype. Un banc d’essais du système électrique a été réalisé pour aider les ingénieurs à anticiper l’intégration du système et à faciliter la vérification des différents éléments du système de propulsion.
La cellule du 2006T a été modifiée pour remplacer les deux Rotax 912S par deux moteurs électriques destinés à alimenter le système électrique du prototype. Des essais au sol ont été menés.
Phase 3 : il s’agissait de modifier la cellule avec notamment l’arrivée d’une nouvelle voilure, à fort allongement et surface réduite, augmentant la charge alaire d’un rapport proche de 3. Il s’agit entre autres de diminuer la traînée de frottement durant la croisière.
Phase 4 : il s’agit des essais en conditions réelles pour démontrer que la propulsion distribuée associée à la voilure à fort allongement permettra au X-57 de décoller et d’atterrir aux mêmes vitesses que le P2006T de base. Avec sa charge alaire plus élevée (dont 390 kg de batteries, 69,1 kWh pour 47 kWh utilisables), l’appareil sera moins sensible aux rafales et à la turbulence, pour offrir à l’équipage un vol plus confortable.
La voilure sera équipée aux extrémités de moteurs de 60 kW remplaçant les deux Rotax 912S, avec une diminuition des masses (25 kg contre 50 kg) suite au changement de moteurs et d’hélices. La faible masse des motorisations de croisière a permis leur localisation aux saumons de voilures (Phase 3) et non pas à la place des Rotax (Phase 2), les « moteurs de croisière récupérant l’énergie qui aurait été perdue par les tourbillons marginaux » précise la Nasa. Les 12 autres moteurs (high-lift) seront installés au bord d’attaque.
Ces 12 moteurs sont destinés à assurer les décollages (décollage à 58 Kt) et atterrissages. En croisière, ils seront désactivés et les hélices à cinq pales (55 cm de diamètre) ne tourneront plus, se repliant dans des nacelles pour limiter la traînée. La croisière sera ainsi assurée uniquement par les motorisations d’extrémité de voilures (hélices tripales de 1,50 m de diamètre). A l’arrivée, les moteurs de bord d’attaque seront réactivés, les hélices déployées par la force d’inertie avant d’assurer de la portance pour les basses vitesses.
Avec le programme du X-57, la Nasa vise « 0 émission carbone » en vol, une réduction de 5 à 10 fois des émissions de gaz à effet de serre, une technologie éliminant l’Avgas 100LL, une amélioration de 500% de l’efficacité en croisière rapide (172 mph au FL080), un vol plus silencieux et plus confortable.
Il y a quelques semaines, le X-57 est arrivé par la route sur la base d’Edwards AFB, au sein du Neil Armstrong Flight Research Center, en provenance de Mojave, la Scaled Composites ayant travaillé sur la cellule tandis que voilure, hélices et autres équipements étaient réalisés par différents partenaires industriels. Le premier vol est programmé pour 2020. ♦♦♦
Photos © Nasa
