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 Sujet du message: L’avion hybride... existe depuis longtemps !
MessagePosté: Lun 01 Déc, 2014 7:01 pm 
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Bonjour à tous,

La propulsion hybride est une idée à la mode en automobile…
Ne serait-elle pas transposable à l’aviation légère ?
Et ne permettrait-elle pas de diminuer la consommation de carburant ?


Mais avant de considérer son application à l’aviation, il vaudrait mieux savoir à quoi correspond la propulsion hybride en automobile.

On peut la définir comme l’utilisation simultanée ou indépendante de deux modes de propulsion et d’un moyen temporaire de stockage de l’énergie.

Cette définition se traduit de multiples manières :

Pour un véhicule électrique « hybridé », tel que certains autobus londoniens, la propulsion est assurée par des moteurs électriques… Mais comme la quantité d’énergie que peut stocker une batterie de masse raisonnable est limitée, l’autonomie l’est aussi. Pour augmenter l’autonomie, on ajoute au système un petit groupe électrogène qu’on fait fonctionner à puissance constante, à son meilleur rendement. Bien entendu, ce groupe générateur est dimensionné pour qu’il compense la puissance moyenne consommée par le véhicule, par exemple une vingtaine de kW pour un bus électrique en parcours urbain. L’autonomie est donc liée à la taille du réservoir de carburant, et quasiment indépendante de la taille de la batterie… A des endroits particuliers, le véhicule peut fonctionner en électrique pur, mais même lorsque le générateur fonctionne, le véhicule hybride est plus propre, moins bruyant et consomme moins qu’un véhicule thermique équivalent.


Pour un véhicule thermique « hybridé », comme ceux produits par Toyota, c’est essentiellement un véhicule thermique classique auquel on a ajouté un moteur-générateur entre le moteur thermique et la boite de vitesse, et une batterie de stockage de capacité relativement petite (équivalent à environ un litre d’essence, voire moins).

Comme dans un véhicule thermique pur, l’énergie du carburant est transformée en énergie mécanique par le moteur thermique, mais au lieu que la puissance corresponde exactement à ce que requiert le conducteur pour faire rouler le véhicule, celle-ci est choisie par le calculateur pour que le rendement du moteur soit le meilleur possible.

Si la puissance délivrée par le moteur est supérieure à celle requise pour propulser la voiture, le moteur-générateur électrique prélève la puissance excédentaire pour charger la batterie.
Si la puissance délivrée par le moteur est inférieure à celle requise pour propulser la voiture, le moteur-générateur électrique fournit la puissance complémentaire en déchargeant la batterie.

Comme dans le cas du véhicule électrique « hybridé », le véhicule thermique « hybridé » peut fonctionner en électrique pur sur de courtes distances à faible vitesses (embouteillages), mais même lorsque le moteur thermique fonctionne, le véhicule hybride est globalement plus propre, moins bruyant et consomme moins qu’un véhicule thermique équivalent.


L’avion électrique existe : Pipistrel commercialise le WATTsUP. C’est un biplace école propulsé par un moteur électrique de 85 kW pesant 24 kg, alimenté par une batterie de 17 kWh et 120 kg pour une autonomie pratique de 1 heure…

Qu’apporterait l’hybridation à un tel avion ?
L’idée serait la même que pour une voiture électrique hybridée : déplafonner l’autonomie à l’aide d’un groupe générateur auxiliaire… et bien sûr, d’un réservoir de carburant.

Quelle puissance pour le générateur auxiliaire ? A l’évidence, on peut partir sur la puissance moyenne, c'est-à-dire l’énergie de la batterie (17 kWh) divisée par l’autonomie du WATTsUP (une heure) soit 17 kW, ou 23 HP. En comptant le rendement du groupe générateur et son refroidissement, on peut se baser sur un moteur délivrant 25 HP en continu.

On peut remarquer que cette puissance correspond à peu près à celle des générateurs auxiliaires des véhicules électriques « hybridés ». Les plus légers de ces générateurs pèsent environ 50 kg complets. En gardant 30 minutes de sécurité en électrique pur, on peut retirer la moitié des batteries, soit 60 kg, il nous resterait de quoi emporter au mieux une bonne dizaine de litres de carburant… En gros, de quoi faire tourner le générateur pendant… 1 heure !
(Autrement dit, on a pratiquement rien gagné…)

Bien sûr, on peut faire un peu mieux : en greffant le moteur thermique avec une roue libre sur l’arbre derrière le moteur électrique, on économise la masse du générateur supplémentaire, le moteur pouvant, comme sur les Toyota, jouer le rôle de générateur dans les phases de vol où la puissance nécessaire est inférieure à la puissance du moteur thermique… Dans ce cas, on doit pouvoir gagner une dizaine de kilos supplémentaires, et donc une heure de carburant supplémentaire…

Avec une optimisation sérieuse, les 3 heures de vols sont probablement possibles, mais on voit que c’est au prix d’une « usine à gaz » dont la gestion est impossible sans calculateur, et dont le pilotage en condition dégradée est rapidement très complexe…
(Par exemple : comment peut-on réguler la puissance du moteur thermique pour une approche « au moteur » en cas de panne générale électrique ?)


Pour un avion de voyage, le bilan de puissance est différent. En croisière la puissance nécessaire au vol est entre 45% et 75% de la puissance maximale au décollage.
Même en comptant sur la motorisation électrique pour le décollage et la montée, et sur la descente et le roulage pour la recharge de la batterie, un avion hybride électrique devrait donc avoir un moteur thermique couvrant la puissance moyenne en croisière.

Hypothèses :
Masse maximale de l’avion au décollage : 1250 kg
Puissance maximale instantanée 150 kW (200 HP)
Puissance maximale continue : 135 kW (180 HP)
Puissance de croisière : 75 kW (100 HP)
Masse du GMP complet (Turbine de Damien + moteur-générateur électrique + hélice à pas variable + électronique de puissance) : 75 kg.

Masse de la batterie :
Si le moteur thermique permet de faire voler l’avion à l’horizontale, la batterie doit contenir assez d’énergie pour permettre d’élever l’avion du niveau de la mer à l’altitude de croisière.
En comptant un rendement hélice de 80%, et la masse de 1250 kg, il faut 4,672 MJ, soit 1,3 kWh pour soulever l’avion de 1000 ft.
Les 120 kg de batteries du WATTsUP, contenant 17 kWh, soulèveraient notre avion de 131000 ft, ce qui semble couvrir les besoins, et rester dans les limites acceptables de masse… tout en évitant de décharger totalement la batterie, ce qui est mauvais pour sa durée de vie.

Mais comparons cette solution avec le GMP bi-turbine déjà évoqué dans le forum.
Masse du GMP bi-turbine complet (2 Turbines de Damien + hélice à pas variable + auxiliaires) : 75 kg.
En croisière sur une seule turbine, le rendement est le même…
Par contre les 120 kg de batteries peuvent être remplacés par 150 litres de kérozène, soit 5 au moins heures d’autonomie en croisière de plus…
Et si la turbine supplémentaire n’est pas gratuite, le moteur-générateur électrique et la batterie ne le sont certainement pas non plus !

De plus, le GMP bi-turbine est naturellement redondant en croisière : si l’une des turbines est HS pour une raison qui lui est propres, l’autre permet de terminer le vol, alors que dans le cas de la propulsion hybride, on ne peut compter que sur la charge résiduelle de la batterie (logiquement assez faible après la montée et avant la descente).


Tout ceci semble montrer que l’avion hybride, plombé par sa batterie qui a une énergie massique réduite, n’a pas un bien grand avenir…

Mais ce n’est pas si simple : Si le gros problème c’est la batterie, ne peut-on pas faire de l’hybride sans batterie ?...

Certains lecteurs doivent se dire : ça y est, ça devait arriver ! Il a pété un câble, fondu un fusible… ou n’importe quoi du genre ! Si on pouvait faire de l’hybride sans batterie, il y a longtemps que les constructeurs automobiles l’auraient fait !

Et bien d’abord, certains l’ont fait, en stockant l’énergie dans des bombonnes d’air comprimé… sans grand succès car ce n’est finalement ni moins lourd, ni moins dangereux, et encore moins efficace énergétiquement que l’hybride électrique.

Mais quand d’hybridation en aéronautique, on oublie un détail pourtant fondamental : quand un véhicule terrestre s’élève dans les airs, ça se termine souvent rapidement très mal, alors que pour un avion c’est parfaitement normal !

Vous ne voyez pas où je veux en venir ? Alors, posons le problème autrement : Comment vole un planeur ?
D’abord on le remorque ou on le treuille jusqu’à une certaine altitude, et il plane en reperdant de l’altitude.
Ensuite il rencontre une ascendance dans laquelle il récupère de l’altitude, et il plane en reperdant de l’altitude.
Et ainsi de suite…

Si on regarde ce que ça signifie sur le plan énergétique : le planeur consomme toujours de l’énergie pour vaincre sa traînée, mais de temps en temps il se met dans les conditions (remorqueur, treuil, ascendance…) de récupérer de l’énergie qu’il stocke sous forme d’énergie potentielle égale à son poids multiplié par le gain d’altitude.

Sa « batterie » c’est son poids et la charge c’est son altitude !
Le plus beau, c’est que son poids est déjà payé pour faire le planeur et que l’altitude le coûte rien (sauf le remorqué ou le treuillé, bien sûr).

Ce qui est amusant, c’est que c’est pareil avec l’avion qui est un (médiocre) planeur doté d’un moteur. Et un avion des plus ordinaires stocke naturellement de l’énergie potentielle en montant exactement comme un planeur !

Alors comment voler « hybride » pour aller le plus loin possible avec un avion et une quantité de carburant donnée ?

Pour voler le plus loin possible, un avion doit voler à sa finesse maximale, c'est-à-dire au rapport Portance/Trainée maximal, qui correspond au rapport Trainée/Portance minimal :
Comme la portance équilibre le poids qui est une donnée imposée à un instant donné, ça correspond automatiquement à la trainée minimale.
Or la trainée multipliée par la distance (air) parcourue est égale à l’énergie dépensée sur la distance, et au rendement de la propulsion près, à la quantité de carburant consommée.
Donc, à rendement propulsif constant, l’avion parcourt la plus grande distance avec une quantité donnée de carburant donnée en volant à finesse max.

Le problème, c’est que le moteur est dimensionné pour décoller et monter sur une pente suffisamment forte pour se dégager des obstacles : Il est beaucoup trop puissant par rapport aux besoins du vol à finesse maximale. Si on réduit les gaz à cette faible puissance, son rendement s’effondre, ce qui fait que le vol stabilisé le plus économique est à une vitesse supérieure à celle de la finesse max. On pourrait s’en réjouir, mais c’est au prix d’une surconsommation de carburant !

Alors reprenons l’idée de l’hybride : puisque le moteur a un bon rendement quand il est trop puissant, faisons le tourner à ce bon rendement et stockons la puissance excédentaire dans notre « batterie » de planeur : notre altitude.
En prenant de l’altitude, le rendement d’un moteur à piston est à peu près constant, mais sa puissance baisse. En parallèle, l’air se raréfiant, la vitesse indiquée (IAS) de finesse max est bien constante, mais la vitesse vraie (TAS) augmente. Même si la valeur de trainée reste constante, cela implique que la puissance nécessaire au vol augmente.
Si la puissance du moteur diminue jusqu’à égaler la puissance utile, l’avion se stabilise à cette altitude où sa distance franchissable est maximale.

Mais si le moteur est trop puissant, cette altitude est trop élevée par rapport à la réglementation ou la respiration du pilote et une fois cette altitude limite atteinte, il faut faire quelque chose…

Dans des conditions analogues, un véhicule thermique « hybridé », qui se trouve en haut de côte par exemple, arrête son moteur thermique et continue en électrique pur jusqu’à ce que la charge de sa batterie ait suffisamment diminué, ou qu’un besoin de forte puissance justifie le redémarrage du moteur thermique.

Il suffit donc de poursuivre le vol en plané, toujours à finesse max, jusqu’à atteindre une altitude qui justifie le rallumage du moteur.
Sans oxygène, il serait par exemple possible de monter jusqu'au FL 125 (12500 ft) et de redescendre jusqu’à 2500 ft, soit une amplitude de 3000 mètres.

Je vois venir l’objection : En avion ON A PAS LE DROIT de couper le moteur !
C’est vrai ! (Et à mon humble avis, bien dommage pour la formation des pilotes…)
Mais avec un motoplaneur, et avec une licence de Planeur, on a le droit…

Prenons un motoplaneur assez ordinaire (SF28, finesse pratique 25 à 90 km/h au niveau de la mer, masse environ 600 kg) et équipons le de la turbine de Damien (75 kW)
Au niveau de la mer, la finesse max 25 à 25m/s (90 km/h) donne un taux de chute d’exactement 1m/s.
Puissance nécessaire pour voler à la finesse max. : 1m/s x 600 kg x 9,81 m/s² = environ 6 kW
Puissance utile développée par le GMP (rendement hélice 80%) 75 x 80% = 60 kW
Taux de montée calculé : 9 m/s

Et au niveau 125 :
Puissance nécessaire pour voler à la finesse max. : 1,21m/s x 600 kg x 9,81 m/s² = 7,125 kW
Puissance utile développée par le GMP (rendement hélice 80%) 56,2 x 80% = 45 kW
Taux de montée calculé : 6,3 m/s


Il est clair qu’avec un tel taux de montée résiduel au niveau 125, que le motoplaneur parti du niveau de la mer a mis un peu moins de 9 minutes à rejoindre, il va falloir couper le moteur et planer sur :

3000 m x 25 = 75 km

Ce qui prend environ 45 minutes de vol.

À 2500 ft QNH, il est temps de rallumer le moteur pour un peu moins de 8 minutes pour remonter au FL125, et ainsi de suite…

La vitesse moyenne de vol est assez faible (environ 100 km/h), mais la consommation de carburant l’est encore plus :

La trainée est de 600 kg x 9,81m/s² /25 = 240 N

Sur une distance de 500 km (parcourue en 5 heures), l’énergie utile est 240 x 500 = 120.000 kJ

Le rendement hélice étant de 80%, le moteur a du fournir 120.000/0,8 = 150.000 kJ

La puissance moyenne du moteur étant de 62,5 kW, la durée de fonctionnement a été de 2400 secondes soit 40 minutes (sur 5 heures)

La consommation moyenne du moteur étant de 24 litres à l’heure, 16 litres de kérozène auront été nécessaires pour parcourir 500 km, soit 3,2 litres pour 100 km.

Avec deux personnes à bord, il me semble assez difficile de faire beaucoup mieux.
Mais comme la puissance de la turbine est importante, on pourrait imaginer un motoplaneur quadriplace de masse maximale 850 kg et de finesse 20 à une vitesse un peu supérieure (20% de plus).
La turbine aurait des temps de fonctionnement un peu plus longs et la consommation par personne sur la distance serait encore meilleure… (Je vous laisse faire le calcul.)

Bons Vols (Méthode hybride ou pas)

Philippe Dejean

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 Sujet du message: Re: L’avion hybride... existe depuis longtemps !
MessagePosté: Sam 06 Déc, 2014 4:43 pm 
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Bonjour à tous,

Et bien on ne peut pas dire que vous vous bousculez pour faire le petit calcul que je vous proposais... Alors je m'y colle encore une fois !

Quadriplace de 850 kg, finesse 20 à 108 km/h.

Trainée à finesse max : 850 x 9,81 / 20 = 417 N

Energie utile sur la distance : 417 N * 500 km = 208,5 MJ

Energie produite par le moteur (Rendement hélice 80%) = 417 x 500 / 0,8 = 260,6 MJ

La puissance moyenne du moteur étant de 62,5 kW, la durée de fonctionnement a été de 4170 secondes soit 1 heure 9 minutes et 30 secondes

La consommation moyenne du moteur étant de 24 litres à l’heure, 27,8 litres de kérozène auront été nécessaires pour parcourir 500 km, soit 5,56 litres pour 100 km, ou 1,39 litre par personne et par 100 km.

Certains diront que 1,39 litre par passager pour un quadriplace, ce n'est pas nettement mieux que 1,6 litre par passager pour un biplace... sauf que le finesse 20 peut être est obtenue à 108 km/h (30 m/s) au niveau de la mer ce qui correspond à une vitesse vraie moyenne de 120 km/h environ, soit 4 heures et 10 minutes au lieu de 5 heures dans le cas précédent pour parcourir 500 km (compte tenu que c'est en ligne droite, c'est plus rapide que l’autoroute en respectant la limite de vitesse... pour moins de carburant qu'une voiture)

Le taux d'utilisation de la turbine est de 1 heure 9 minutes et 30 secondes sur 4 heures et 10 minutes soit 27,8% au lieu de 13,3 %...

Bons Vols

Philippe Dejean

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 Sujet du message: Re: L’avion hybride... existe depuis longtemps !
MessagePosté: Sam 06 Déc, 2014 6:19 pm 
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C'est ça qui est dingue avec Philippe, tous se résume avec quelques formules mathématiques !!! :TH

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 Sujet du message: Re: L’avion hybride... existe depuis longtemps !
MessagePosté: Mer 10 Déc, 2014 3:10 pm 
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Bonjour à tous,

Non, Laurent, tout ne se résume pas à quelques formules mathématiques, loin de là...

Sur le papier, il n'y a pas de bien grandes différences entre un Jodel et un Piel.
Tout juste peut-on noter que la corde de l'aile Piel est un peu plus faible, ce qui entraîne une plus grande envergure et un plus grand allongement pour le triplace (Diamant et Super Diamant) comparé à un Jodel comparable (Sicile ou Robin)...

On peut aussi noter que le réservoir de fuselage des avions Piel est resté entre le moteur et les instruments, alors qu'il a été bien plus judicieusement placé sous les sièges arrières sur les Jodel.

Bien sûr, ces deux caractéristiques facilitent grandement le centrage des Jodels, mais pour tout le reste, il y a beaucoup plus de similitudes que de différences.

Sans dénigrer le moins du monde les Jodels qui sont si réussis que le DR400 renait régulièrement à la production industrielle avec un succès commercial à faire pâlir bien des machines "modernes", qu'est-ce qui fait que les avions Piels sont si attachants pour nous ?

En tout cas rien qui apparaisse clairement dans les "formules mathématiques" !


Ce dont je suis sûr, par contre, c'est que négliger les lois de la physique est la meilleure manière de s'exposer... à d'amères déconvenues!
Et ce qui est beau, c'est que ces lois sont finalement assez simples et pleines d'enseignements...

Bons vols

Philippe Dejean

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 Sujet du message: Re: L’avion hybride... existe depuis longtemps !
MessagePosté: Ven 12 Déc, 2014 5:40 pm 
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Bonjour à tous,

Lors d'un précédent message, j'avais annoncé un quadriplace de finesse 20 à 108 km/h...
Je sais que c'est possible, mais vous n'êtes pas forcé(e)s de me croire sur parole !

Alors je suis parti d'un motoplaneur existant, le Grob G109 dont j'ai dérivé un quadriplace en reprenant la même aile (un peu renforcée, mais identique pour l'aérodynamique.)

Le fuselage du quadriplace a les mêmes dimensions, mais comme la surface mouillée a un peu augmenté, j'ai réduit la finesse max d'un point (29 au lieu de 30, ce qui est assez pessimiste puisque les zones de culot devraient être réduites...)

La vitesse de finesse max augmente forcément comme la racine carrée de la charge alaire.
C'est également le cas de la vitesse de décrochage qui passe de 73 à 86 km/h.

Toujours avec la turbine de Damien et toujours en faisant le yoyo dans la plage 2500ft à 12500 ft, on arrive aux performances calculées dans la figure ci dessous :

En résumé, c'est 1,4 litre de kéro aux 100km par siège à une vitesse moyenne de 150 km/h en ligne droite (même avec du vent de face, ce n'est pas ridiculement lent - et on peut toujours utiliser le McCready pour voler à la vitesse de finesse max-sol)

Bons Vols

Philippe Dejean


Fichiers joints:
Quadri basé sur G109.jpg
Quadri basé sur G109.jpg [ 49.77 Kio | Vu 1400 fois ]

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 Sujet du message: Re: L’avion hybride... existe depuis longtemps !
MessagePosté: Sam 13 Déc, 2014 1:52 pm 
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Philippe Dejean a écrit:
Bonjour à tous,

Non, Laurent, tout ne se résume pas à quelques formules mathématiques, loin de là...

Philippe Dejean


Si Si, quand c'est toi qui explique :lol:

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 Sujet du message: Re: L’avion hybride... existe depuis longtemps !
MessagePosté: Lun 15 Déc, 2014 7:15 pm 
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Laurent,

Si tu as raison,

cp1315 a écrit:
Philippe Dejean a écrit:
Bonjour à tous,

Non, Laurent, tout ne se résume pas à quelques formules mathématiques, loin de là...

Philippe Dejean


Si Si, quand c'est toi qui explique :lol:


C'est que je n'explique pas grand chose... :boxed:

Bons Vols

Philippe Dejean

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