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Comment réduire de 5 % les émissions de CO2 des avions? - Par : Roberto S. Félix Patrón, Ruxandra Botez,

Comment réduire de 5 % les émissions de CO2 des avions?


Roberto S. Félix Patrón
Roberto S. Félix Patrón Profil de l'auteur(e)
Roberto S. Félix Patrón a obtenu son doctorat à l’ÉTS. Son projet de recherche consistait au développement d’algorithmes d’optimisation de trajectoires de vol pour réduire la consommation du carburant des avions et les émissions de CO2.

Ruxandra Botez
Ruxandra Mihaela Botez est professeure au département de génie de la production automatisée à l’ÉTS. Elle est spécialiste en modélisation et simulation de vols d’aéronefs, d’hélicoptères, de systèmes de vol, et d’ailes déformables.

RÉSUMÉ:

Des chercheurs du Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité (: LARCASE) de l'ÉTS ont trouvé comment réduire la consommation de carburant des avions qui parcourent la planète de 5%, réduisant de ce fait les émissions de CO2. Cet article vous explique comment ils ont réussi à obtenir cette réduction.

Introduction : émissions de CO2 des avions

En 2012, l’ensemble de l’industrie aéronautique a émis 689 millions de tonnes de CO2, ce qui représente environ 2 % de toutes les émissions anthropiques. Ces émissions contribuent au réchauffement climatique, l’un des plus grands problèmes environnementaux actuels. À court terme, l’objectif est d’augmenter l’efficacité de l’industrie aéronautique de 1,5 %. À long terme, on vise à réduire de 50 % l’empreinte nette de carbone par rapport aux émissions de 2005. En réduisant la consommation de carburant des avions, on réduit du même coup les émissions de polluants [1]. De plus, le secteur de l’avion utilise actuellement des carburants liquides dérivés du pétrole.

En ce moment, dans le monde, plusieurs axes de recherches se concentrent sur l’augmentation de l’efficacité des avions. Ces axes sont :

  1. Développer de nouvelles technologies d’avions plus efficaces de même que des sources durables de carburants alternatifs;
  2. Faire un meilleur usage des infrastructures touchant notamment la gestion du trafic aérien;
  3. Concevoir des mesures permettant le développement d’un marché global efficace pour l’aviation internationale;
  4. Améliorer la structure opérationnelle des avions déjà en service pour réduire les émissions de CO2.

Dans la première catégorie, les chercheurs augmentent « l’efficacité des moteurs » par des conceptions plus légères [2], par des taux de compression plus élevés [3] ou par un aérodynamisme optimisé [4], pour ne nommer que quelques-uns des sujets étudiés. Les études visant à réduire la traînée des ailes par l’optimisation de leur forme [5] et l’ajout d’ailettes [6] auraient aussi comme effet de diminuer la consommation de carburant et les émissions de CO2.

Dans la seconde catégorie, du point de vue des sources durables de carburant, l’industrie aéronautique a étudié les « biocarburants durables » pour fournir une source de carburant plus propre pour les avions. Des compagnies aériennes telles que Porter ont déjà utilisé un mélange moitié-moitié de biocarburant et de carburant Jet A1 pour effectuer un vol complet, ce qui a démontré que les biocarburants sont une avenue importante pour rendre plus vert le secteur de l’aviation [7].

Dans la troisième catégorie, le développement d’un marché global efficace pour l’aviation internationale, une des questions de politique liées à des mesures fondées sur le marché (MBM) a été présentée par la Belgique, la France et le Royaume-Uni en 2010 à l’OACI (résolution A37-19).

Projet de recherche « Descentes et croisières optimisées »

Dans la dernière catégorie touchant l’amélioration de la structure opérationnelle des avions déjà en service pour réduire les émissions de CO2, nous travaillons sur l’empreinte environnementale de l’aviation que nous cherchons à réduire par l’amélioration de la gestion de la circulation aérienne et des opérations. La plupart des avions d’aujourd’hui sont équipés d’un système de gestion de vol (FMS). La fonction principale de cet appareil est d’assister le pilote dans plusieurs tâches, telles que la navigation, le guidage, la prédiction et la planification de la trajectoire de vol. Pour réduire la consommation de carburant des avions commerciaux, il faut calculer les trajectoires optimales de vol au moyen du FMS. Différents algorithmes ont été élaborés par le LARCASE dans le cadre du projet de recherche « Descentes et croisières optimisées », mené en collaboration avec CMC Électronique – Esterline et financé par le Groupement Aéronautique de Recherche et Développement en eNvironnement (GARDN) [8-24].

Projets de recherche menés en collaboration par l’ÉTS-LARCASE, CMC Électronique - Esterline et le GARDN

Projets de recherche menés en collaboration par l’ÉTS-LARCASE, CMC Électronique – Esterline et le GARDN

Pour calculer le coût de chacune des trajectoires de vol, le FMS utilisé pour ce projet de recherche comprenait un modèle numérique de différents avions commerciaux sous forme de base de données de performance (PDB). Cette base de données était composée de certaines informations de vol telles que la température extérieure, le poids de l’avion, l’altitude et la vitesse de toutes les phases du vol (montée, croisière et descente), ce qui permettait de calculer la consommation de carburant de l’avion et d’analyser le coût de chacune des trajectoires de vol.

Cockpit d’un avion commercial comprenant un FMS double [Img2]

Cockpit d’un avion commercial comprenant un FMS double

Deux profils ont été définis pour la trajectoire de vol : la navigation latérale et la navigation verticale (LNAV et VNAV). Le profil LNAV définit les coordonnées (latitude et longitude) où l’avion vole et le VNAV définit les altitudes du vol. L’optimisation du profil LNAV est accomplie au moyen d’un modèle de vent. Si durant le vol les vents pouvaient être analysés, le FMS serait en mesure de définir la trajectoire de façon à profiter d’un vent arrière, ce qui permettrait à l’avion d’avancer plus vite pour une même performance du moteur, ou d’éviter un vent contraire, lequel obligerait l’avion à augmenter sa poussée pour compenser l’effet du vent.

Le profil VNAV définit les altitudes de vol. L’altitude optimale augmente au fur et à mesure que l’avion devient plus léger. Ce qui veut dire que plus l’avion consomme du carburant et s’allège, plus l’altitude optimale augmente.

Afin d’obtenir la trajectoire optimale des profils LNAV et VNAV, une grille en 3D (latitude, longitude et altitude) a été analysée. Cette grille a été définie autour de la trajectoire originale de vol et comprenait quatre trajectoires de rechange LNAV et toutes les altitudes possibles plus élevées que l’altitude de la trajectoire originale. L’algorithme pouvait ainsi analyser si une déviation horizontale ou une montée à une altitude supérieure réduisait la consommation de carburant. La grille 3D est présentée à la figure 1 ci-dessous.

Représentation de la grille 3D d’un vol en partance de Porto (Portugal) et à destination de Toronto (Canada) [Img3]

Fig 1. Représentation de la grille 3D d’un vol en partance de la ville de Porto au Portugal à destination de Toronto au Canada.

Une analyse de la trajectoire présentée à [Img3] a été effectuée à l’aide du logiciel Matlab®, en représentant la grille 3D. Le graphique du haut [Img4 ci-dessous] montre la grille 3D créée, en comparant la trajectoire réelle de l’avion (puces carrées) à la trajectoire optimale (puces rondes). Les profils LNAV sont comparés en bas et à gauche de la figure, tandis que les différentes altitudes du profil VNAV sont montrées en bas et à droite.