Office National dtudes et de Recherches Arospatiales

1
LAvion Écologique Mythe ou Réalité

François Garnier
Développement durable "Concilier progrès
économique et social sans mettre en péril
l'équilibre de la planète" (Ministère de
l'Écologie et du Développement Durable)
Development that meets the needs of the present
without compromising the ability of future
generation to meet their own needs
2
Une définition de l  avion vert 

• Constat les effets de l'aviation de transport
  sur l'environnement vont être de plus en plus
  pris en compte, alors que la demande du transport
  aérien ne cesse de croître
• L'avion vert peut être défini comme l'avion
  susceptible de réaliser le compromis "optimal"
  entre
• un impact réduit sur l'environnement (changement
  climatique, qualité de l'air aéroportuaire,
  bruit)
• la satisfaction d'un trafic en constante
  augmentation (critères économiques)
• Ce compromis sera recherché dans l'introduction
  de nouvelles technologies, voire de nouveaux
  concepts d'avion
• L'épuisement prévisible des ressources
  énergétiques fossiles a introduit une nouvelle
  dimension au problème

• La présentation ne considère que l'aviation
  de transport subsonique.
• Sont donc exclus
• - L'aviation de loisir
• - Le transport
  supersonique
• - L'aviation militaire

3
Plan de la présentation

• Les perspectives optimistes du transport aérien
• Mais les difficultés s'amoncellent
• Les défis technologiques faces à l'expansion du
  transport aérien ?
• Conclusion

4
Les perspectives du transport aérien

• La demande
• La réponse des avionneurs
• Les progrès attendus à court terme en matière
• de performances
• de consommation
• de maintenance
• de sécurité
• de gestion du trafic
• de réglementation
• Les programmes de recherche en cours pour le
  moyen terme

5
La demande du transport aérien

Croissance rapide du transport aérien dans la
seconde moitié du 20ème siècle
(Airbus source)
6
La demande du transport aérien

• Toutes les prévisions tablent sur une croissance
  moyenne du transport aérien de 5 à 6 par an
  jusqu'en 2020 (ACARE(), IATA(), Boeing,
  Airbus, sociétés spécialisées)
• Comparé à 2004, le trafic a cru en 2005
• passagers de 9 (IATA) à 11 (Forecast
  International)
• fret de 3 (IATA) à 13 (Forecast
  International)
• Le trafic fret devrait croître légèrement plus
  que le trafic passagers pendant les trente
  prochaines années
• Raisons avancées
• lancement de nouveaux avions plus économiques
  Boeing 787 Dreamliner, Boeing 747-8, Airbus
  A350-800
• secteur "bas prix" toujours porteur
• forte demande du marché chinois, émergence du
  marché indien

() ACARE Advisory Council for
Aeronautical Research in Europe
() IATA International Air Transport
Association
7
La réponse des avionneurs
Boeing et Airbus, avions de plus de 100 sièges

• Une année 2005 record pour les deux avionneurs
  les commandes nettes

• Des commandes 2005 valorisées à 96 Md (Airbus)
  et 116 Md (Boeing)
• 46 des ventes dans la zone Asie-Pacifique
• Des carnets de commande début 2006 représentant 4
  à 6 ans de production
• Des études de marché optimistes, par exemple pour
  Airbus (2004-2023)
• monocouloirs (100-175 sièges)
• en service fin 2003 8 065
• prévu en service fin 2023 12 888 ( 2,4 par
  an)
• deux couloirs (200 à 500 sièges)
• en service fin 2003 2 773
• prévu en service fin 2023 8 871 ( 6,0 par
  an)
• cargos (de 30- à 50 t de charge utile)
• en service fin 2003 1 506
• prévu en service fin 2023 3 616 ( 4,5 par an)

8
Progrès du transport aérien
En terme de performance, capacité, accessibilité,
sécurité, consommation, bruit, émissions
Air transport Progress
9
Les progrès attendus à court terme Performances

• La vitesse de croisière plafonnera à Mach 0,85
  pour des raisons aérodynamiques, l'altitude de
  croisière restera voisine de 11 000 m
• La performance croîtra pour le rayon d'action
• par exemple pour une masse à vide égale à celle
• de l'A330-200 (170 t), une masse au
  décollage supérieure de 12 t et une même capacité
  en carburant (139100 l), l'A350-800 pourra voler
  3800 km de plus
• Remarque les longs courriers récents ont un
  rayon d'action supérieur à 18000 km. L'optimum du
  rayon d'action d'un avion de transport utilisant
  les technologies actuelles est plutôt de 4000 à
  5000 km. Un long courrier consomme du carburant
  pour emporter du carburant !
• Mais le marché commande

10
Les progrès attendus à court terme Consommation
(avions de passagers)

• La consommation "passager", pour une compagnie
  aérienne, peut s'exprimer en siège x mile
  nautique/US gallon ou en kg de carburant consommé
  par siège et 100 km. Pour l'avionneur et le
  motoriste, c'est la consommation spécifique qui
  compte, elle s'exprime en kg/(daN.h) et dépend du
  régime moteur (ralenti, pleine puissance,
  croisière)
• La consommation spécifique des turboréacteurs a
  diminué approximativement de 60 depuis la mise
  en service des premiers "jets airliners", grâce à
  l'adoption du turboréacteur double flux
• Les objectifs sont d'ici 2020 de réduire la
  consommation passager de 50 (SRA ACARE par
  exemple). Les nouveaux moteurs qui entreront en
  service vers 2010 promettent déjà une diminution
  sensible de la consommation spécifique
• GEnX - 15 par rapport au CF6-80E1 (A-300,
  A-310, B-747)
• Trent 1000 - 12 par rapport au Trent 800
  (B-777)
• L'ANAE (Dossier 24, L'impact du trafic aérien sur
  l'atmosphère, 2004) indique les
  consommations passager suivantes
• 3,8 kg/100 km x siège en 1970, 2,5 en
  2000, 2,1 en 2020, 1,9 en 2050

11
Réduction importante de la consommation
Engine fuel consumption per Seat-kilometre (
Ref. Aircraft of 1960)
2-Engines
4-Engines
Consumption (l/km/PAX)
Un turboréacteur moderne(Airbus A380-800)
12
Les progrès attendus à court terme Sécurité

• Le transport aérien est réputé être le moyen de
  transport le plus sûr

• Ces dernières années, absence d'accidents fatals
  impliquant les compagnies majeures
• Des objectifs pour faire diminuer le nombre
  d'accidents fatals d'un facteur supérieur à 2
  d'ici 2010

13
Les progrès attendus à court terme Gestion du
trafic

• La gestion du trafic, par exemple en Europe, est
  un véritable casse-tête une mauvaise gestion
  génère, d'une part, des retards et, d'autre part,
  une consommation accrue. Le problème essentiel
  est d'harmoniser les gestions par zones
  (Eurocontrol) et de gérer la coexistence aviation
  civile-aviation militaire
• Des progrès sont espérés au niveau des organismes
  de contrôle du trafic aérien, des procédures et
  de l'optimisation des trajectoires (gain de
  consommation accessible de 5 )

14
Les progrès attendus à court terme Réglementation

• L'OACI (Organisation de l'Aviation Civile
  Internationale) émet des normes auxquelles
  doivent satisfaire les avions, notamment pour les
  questions d'environnement (CAEP, Committees for
  Aviation Environment Protection)
• Pollution
• l'OACI donne aujourd'hui une priorité à de
  nouvelles normes plus sévères relatives pour la
  production des oxydes d'azote (CAEP/8 prévue
  d'ici 4 ans). Les émissions polluantes
  minoritaires (NOx, suies, UHC) peuvent donner
  lieu à des taxes aéroportuaires

• Bruit

15
Les progrès attendus à court terme Programmes
de Recherches

• Programmes nationaux (exemples)
• USA UEET (Ultra Efficient Engine Technology)
• France INCA, MAIA, IROQUA, CAAT
• Allemagne 3E (Efficiency, Environment and
  Economy)
• Grande-Bretagne Greener by Design, Silent
  Aircraft Initiative
• Japon ECO (Environmentally COmpatible engine
  for small aircraft)

• Programmes européens (PCRD, exemples)
• AWIATOR (Aircraft WIng with Advanced
  Technology OpeRation)
• EEFAE (Efficient and Environmentally Friendly
  Aero-Engine)
• CLEAN (Component vaLidation for environmentally
  friendly Aero-Engine)
• ANTLE (Affordable Near Term Low Emission Engine)
• VITAL, NEWAC, QUANTIFY

16
Mais les difficultés s'amoncellent

• La santé chancelante des compagnies aériennes
• La bagarre transatlantique
• Le spleen des compagnies d'assurance
• Des taxes aéroportuaires qui s'envolent
• Une pression environnementale croissante
• La disponibilité du kérosène

Pertes globales cumulées par les compagnies
aériennes de 40Md (2000-2005)
Match  sanglant  Airbus / Boeing
ADP augmente de 5 les redevances pour les années
2006 - 2010
17
Une pression environnementale croissante

• Comme tout système énergétique, un avion n'est
  pas totalement neutre vis-à-vis de
  l'environnement
• La combustion d'un kilogramme de kérosène avec
  l'air produit
• des espèces chimiques majoritaires H2O et CO2,
  gaz à effet de serre (pollution globale) 1,26
  kg de H2O et 3,15 kg de CO2 pour 1 kg de kérosène
• des espèces chimiques minoritaires considérées
  comme polluantes
• NOx (oxydes d'azote) pleine puissance,
  croisière (pollution locale et globale)
• suies tous régimes (pollution locale et
  globale)
• UHC (hydrocarbures imbrûlés) ralenti (pollution
  locale)
• Le bruit des avions est de plus en plus mal
  ressenti par les riverains des aéroports si le
  niveau de bruit des avions diminue constamment,
  le trafic augmente donc l'effet cumulé s'aggrave.
  
• L'accent sera mis ici sur la composante
  "pollution chimique"

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Pollution chimique
SUSTAINABLE ENVIRONMENTAL PROTECTION
AIRCRAFT EMISSIONS Global Impact Reduction (green
house effect)
AIRCRAFT EMISSIONS Local Impact Reduction (Air
quality)
CO2 Reduction Aircraft 20/25 Engine 15/20
ATM 10
19
Données générales sur la pollution des avions

• Consommation globale du transport aérien (2004)
• la consommation mondiale de kérosène représente
  environ 5 de la consommation de pétrole. La
  consommation d'essence par les automobiles
  américaines représente plus du double de la
  consommation mondiale de kérosène !
• le transport aérien est estimé être responsable
  de 2 à 3 de la production de CO2 et de 3,5 de
  la production de NOx
• Le transport aérien est mis en cause par les
  experts du climat (GIEC/IPCC, Intergovernmental
  Panel for Climate Change)
• le transport aérien n'a pas été pris en compte
  dans le protocole de Kyoto (1996)
• l'Union Européenne a imaginé en 2004
  l'institution d'une "écotaxe" sur le kérosène
  (EU-ETS) l'OACI a dénoncé le caractère
  unilatéral et anticoncurrentiel de ce projet
• des groupes de pression commencent aussi à se
  mobiliser
• (IETA - International Emissions Trading
  Association -)

20
Réchauffement global du à laviation 2000 (AAC
2003)
Mis à jour de la dernière évaluation 1992 (IPCC
1999)

• 49 mW/m2 (3.5 of total)

140

• 116 mW/m2
• ( 7 of total)

120
100
80
O3-formation
60
Radiative forcing mW/m2
40
contrails
Methane reduction
20
0
Cirrus clouds
Total
CO2
-20
Including other effects water vapour directly,
soot, sulfate

• La question est digne d'attention, si la
  prévision de croissance
• du trafic aérien se confirme

21
La disponibilité du kérosène

• Actuellement environ 5 du pétrole fossile est
  transformé en kérosène (10 aux Etats-Unis)
  les raffineries existantes permettraient d'aller
  jusqu'à 15 mais au détriment de la production
  de gasoil
• Selon l'IATA, la facture pétrolière des
  compagnies aériennes a été de 83 Md en 2005,
  pour 44 Md en 2004 ( 90 ) la facture de
  British Airways a augmenté dans les mêmes
  conditions de 47 . Cette augmentation a touché
  plus ou moins les compagnies selon les segments
  de vol desservis et les contrats
  d'approvisionnement signés avant 2005
• Il faut s'attendre à un double problème dans les
  années qui viennent
• la compétition entre les différents secteurs
  utilisateurs de dérivés du pétrole, en
  particulier entre transport automobile et
  transport aérien
• le rétablissement des compagnies en difficulté
  pourrait être différé par un pétrole au-delà de
  60 /baril (53 /baril, 2006 50 /baril, 2007)

• Faut-il réserver le pétrole à la production du
  kérosène ?

22
Les défis technologiques faces à l'expansion du
transport aérien ?

• Des invariants
• La nature des solutions à mettre en uvre
• Les nouvelles configurations d'avion
• Le progrès des structures et des matériaux
• Le progrès de l'aérodynamique
• Le progrès des moteurs
• Les combustibles de substitution pour
  l'aéronautique

23
Des invariants

• Les lois de la physique sont incontournables
• un avion ne vole en croisière que si une poussée
  équilibre la traînée, c'est le rôle du moteur
  l'avion doit aussi décoller
• la spécificité de l'avion par rapport aux autres
  moyens de transport, c'est l'importance
  déterminante de la masse
• Le cycle de vie d'un avion est long
• durée de développement 5 à 10 ans
• durée d'utilisation vers 40 ans
• L'avion est un moyen de transport international,
  les solutions mises en uvre ne peuvent être
  qu'universelles, notamment pour le combustible
• On a tenté depuis longtemps d'estimer les
  performances "asymptotiques" de l'avion (horizon
  au-delà de 2050 "Greener by Design" Group, UK)
  
• la consommation passager pourrait être réduite
  d'un facteur 3
• la production des oxydes d'azote pourrait être
  réduite d'un facteur 10
• les traînées de condensation pourraient être
  réduites d'un facteur 5 à 15

24
Les traînées de condensation
Les effets directs par mélange turbulent des
particules de suie issues des résidus de
combustion dans une masse dair sursaturé puis
formation et croissance des cristaux de glace par
condensation. Il sensuit un ensemencement direct
des nuages naturels. Ces effets sont facilement
observables à partir de photos au sol et par
satellites
Les effets indirects par formation microphysique
des aérosols (gouttes dH2O/H2SO4 et suie) dans
le sillage des avions qui saccumulent dans la
haute troposphère/basse stratosphère et qui
peuvent changer les propriétés physico-chimiques
des cirrus
Contrails visible as thin streaks
25
La nature des solutions à mettre en oeuvre

• Les solutions envisageables sont essentiellement
  de nature technologique
• Il existe aussi des solutions qui ne
  correspondent toutefois pas à l'attente du marché
  voler moins vite, voler moins haut
• Les aspects économiques et réglementaires
  pourraient jouer dans l'avenir un rôle plus
  important (écotaxe sur le kérosène, taxe
  passager), dans la mesure cependant où ils
  feraient l'objet d'un consensus international
• La suite de la présentation ne porte que sur les
  progrès technologiques
• La plupart des objectifs sont contradictoires et
  conduisent à des compromis, par exemple
• réduire simultanément la consommation spécifique
  en croisière et la production des NOx

26
Les nouvelles configurations d'avion

• La quasi-totalité des avions modernes sont du
  type "tube(s) and wing"
• La solution "aile volante" ou plutôt BWB (Blended
  Wing Body) est étudiée depuis plusieurs années
  (NASA, Boeing, Airbus, programme européen VELA)
  car elle autoriserait un gain de consommation
  passager voisin de 15 . Elle pose néanmoins bon
  nombre de problèmes absence de hublots pour les
  passagers, chargement plus complexe pour le fret,
  surfaces de contrôle
• Une évolution déjà entamée (avion "plus"
  électrique) touche à la gestion de l'énergie de
  bord et pourrait à terme déboucher sur l'avion
  "tout" électrique (en remplaçant si possible les
  moteurs par une pile à combustible alimentée
  directement en hydrogène ou indirectement après
  reformage d'un hydrocarbure)
• Pour le transport régional et en fonction de
  l'augmentation du prix du kérosène, la
  compétition entre avions à turbopropulseurs et
  avions à turboréacteurs va se maintenir dans les
  prochaines années

27
Nouvelles technologies et nouveaux concepts
davion
NASA Source
28
Le progrès des structures et des matériaux

• L'allègement des structures est actuellement
  recherché dans l'utilisation
• massive de matériaux composites, en substitution
  aux alliages d'aluminium

• Un débat est en cours entre Boeing et Airbus sur
  les caractéristiques de maintenance, de fiabilité
  et de production économique des fuselages en
  composites

29
Le progrès de l'aérodynamique

• L'aérodynamique assure la portance de l'avion
  la traînée est liée à la portance (le rapport
  portance sur traînée est appelé finesse la
  finesse est voisine de 17 en croisière)
• Les recherches aérodynamiques à moyen terme se
  concentrent sur la réduction de la traînée (et
  sur la maîtrise des tourbillons de sillage)
• par l'amélioration des performances de l'aile
• par l'adoption assez généralisée de "winglets"
• par l'optimisation de l'intégration motrice
• par le maintien de la laminarité de l'écoulement
  (laminarité hybride), la traînée de frottement
  représentant près de la moitié de la traînée
  totale
• A plus long terme sont envisagées des techniques
  de contrôle de l'écoulement

30
Le progrès des moteurs (1/3)

• Existe-t-il un substitut envisageable aux
  turbomachines aéronautiques actuelles ?
• on peut penser à remplacer le corps du moteur
  (compresseur HP, chambre de combustion, turbine
  BP) par un système combinant un "wave rotor" et
  un PDE (Pulsed Detonation Engine) concept
  hybride (travaux NASA et ROLLS-ROYCE)
• des études ont été menées sur l'avion électrique
  associant une pile à combustible à des moteurs
  électriques il faudrait gagner environ deux
  ordres de grandeur sur la puissance massique pour
  que cette technique soit compétitive
• Les progrès attendus à moyen terme portent sur
• des moteurs plus comprimés (aujourd'hui le OPR
  est voisin de 50 sur les moteurs en
  développement), à condition de diminuer
  simultanément la production des NOx
• des moteurs à taux de dilution accrue
  (aujourd'hui BPR 11), sans pénalité sur la
  traînée aérodynamique
• des chambres de combustion à faibles émissions
  polluantes

31
Le progrès des moteurs (2/3)

• L'abaissement de la consommation spécifique et si
  possible du bruit milite pour un accroissement du
  taux de dilution. Il existe deux possibilités
• augmenter le taux de dilution dans la solution
  classique utilisant une soufflante carénée (UHBR
  Ultra High Bypass Ratio) travaux passés
  moteur NK93 (BPR 17), démonstrateur ADP
  (Advanced Ducted Propulsor, BPR 15),
  démonstrateur DLR CRISP (Counter Rotating
  Integrated Shrouded Propfan)
• Les concepts mis aujourd'hui en avant sont le
  PW GTF (Geared TurboFan), le RR DDTF (Direct
  Drive TurboFan) et le Snecma CRTF (Counter
  Rotating TurboFan)
• supprimer le carénage de la soufflante UDF
  (UnDucted Propfan) ou THR (Turboréacteur à
  Hélices Rapides)

UDF Pratt Whitney Allison (1988)
ADP Pratt Whitney (1990)
32
Le progrès des moteurs (3/3)

• De nouveaux concepts de chambre sont à l'étude
  pour limiter la production des espèces polluantes
• principe limiter l'étendue des zones à très
  haute température où a lieu la réaction entre
  l'oxygène et l'azote de l'air formant les NOx
• Architectures à combustion étagée (deux zones de
  combustion
• plein gaz et ralenti, chambre à deux têtes)
• les concepts sont appelés LPP (Lean Premixed
  Prevaporised) et RQL (Rich Quench Lean)
• les chambres futures des grands motoristes sont
• TAPS (Twin Annular Premixed Swirler) et TVC
  (Trapped Vortex Combustor )General Electric
• Injection multi-point SAFRAN (Snecma)
• Pratt Whitney TALON (Technology for
  Affordable LOw NOx)
• Rolls Royce VISION 20 programme

33
SIA TEAM - chambre à 2 têtes LPP et RQL
Carte des fractions volumique de suies en sortie
du foyer
Vue amont
Évolution de la distribution des particules de
suies en fonction de la température d entrée
d air
Vue aval
50 Reducing the NOx emissions
34
Système d injection multipoint
Nouvelle vrille d air
Vue amont
Injection multipoint avec prémélange d air
Vrille d entrée d air
Vue aval
35
Les combustibles de substitution pour
l'aéronautique

• Des travaux ont été récemment repris pour
  anticiper le tarissement inéluctable des
  ressources pétrolières dont le kérosène est
  dérivé (voir Journée Fedespace du 3 février 2005,
  Toulouse)
• Les conclusions actuelles sont les suivantes
• L'hydrogène doit être considéré comme un vecteur
  énergétique, il n'a d'avenir que si une source
  énergétique puissante, économique et non
  polluante est disponible pour le produire
  (nucléaire ?)
• le méthane ne serait intéressant qu'en cas
  d'exploitation des gisements d'hydrate de méthane
• les biocarburants actuels sont inadaptés à
  l'aéronautique les alcools ont un pouvoir
  calorifique insuffisant, le di-ester ne possède
  pas les propriétés physiques requises
• le kérosène de synthèse produit par le procédé
  Fischer-Tropsch et à partir d'une ressource
  renouvelable lignocellulosique semble le plus
  prometteur sa production nécessitera un lourd
  investissement et son prix sera vraisemblablement
  élevé
• Des programmes nationaux de recherche émergent
  actuellement tel le programme CALIN (Carburants
  ALternatifs et systèmes d'INjection innovants) du
  pôle de compétitivité AESE de Toulouse

36
Conclusions

• Le transport aérien vit une situation
  paradoxale
• La demande est repartie à la hausse
• Les avionneurs produisent des avions de plus en
  plus performants et de
• plus en plus "verts", ils possèdent des
  carnets de commande exceptionnels
• Les compagnies aériennes connaissent des
  difficultés financières,
• notamment aux Etats-Unis
• Les contraintes environnementales croissantes et
  les tensions probables
• sur la disponibilité du pétrole ne permettront
  pas, à technologie constante,
• d'assurer la croissance indéfinie prévue du
  transport aérien
• Si le transport aérien devrait pouvoir, sauf
  imprévu, évoluer favorablement jusqu'en 2020
  grâce aux récentes avancées technologiques
  (structure, moteurs), des changements plus
  radicaux (configuration, combustible) pourraient
  s'avérer nécessaires pour en assurer la pérennité
  au-delà. Il convient donc d'étudier dès
  maintenant ces changements par de vigoureux
  programmes de recherche et de développement