Colloque transports du futur et mobilité durable

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Colloque transports du futur et mobilité durable
    Université Technologique de Belfort Montbéliard
                Plateforme MOBILITECH
           13 octobre 2014, Musée Peugeot

  Exposé « avions du futur »           (Programme du colloque)

                        www.HKW-aero.fr

        © Michel Kieffer 2006-2015 Indice G3 le 15.7.2015

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« Aujourd’hui, le temps passé à nous déplacer est très supérieur à
celui de nos ancêtres, il-y-a un siècle… »

Olivier Rey

Ceci sous entend :
 - qu’une plus grande rapidité des moyens de transport débouche sur
   une augmentation des temps de transport ;
 - que les besoins en mobilité sont façonnés par la technologie, et ses
   coûts énergétiques et climatiques, et non pas l’inverse.

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Contrairement à une recherche sur les motorisations ou sur les
carburants alternatifs, cet exposé développe la réduction du besoin en
énergie de nos moyens de transport.

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Sommaire

1- Introduction

2- Avions de transports

3- Avions de loisir, l’avion ultraléger HKW-aero

4- Défi aérospatial étudiant

5- Conclusion

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1 Introduction
1 1 Historique de la société HKW-aero

Début du projet HKW : avril 2005 (colloque de Cachan)

Constitution de la société : mai 2011

Forme de la société : SAS

Statut Jeune Entreprise Innovante (JEI) obtenu en 2013.

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Le point de départ, Ewald Hunsinger, aérotechnicien reconnu,
Cofondateur de l’association INTERACTION

rejoint par Claude Walter, industriel ;
Rodolphe Hunsinger, prototypiste ;
Michel Kieffer, concepteur.

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…et par de multiples contributeurs représentés par les membres de
l’association INTERACTION, par les stagiaires et partenaires
industriels :
   - Vincent souffrant (AIRBUS) ;
   - UTBM : Arnaud Granmougin, Pierre Leturcq, John Maurice,
     Thomas Frévillier, Guillaume Wipf, Pierre Azaïs, Paul Parmentier ;
   - IUT de Cachan : Yann Ciora, Maxime Tran-Thanh, César Parent,
     Alexis Greibill, Jean Roda ;
   - INSA : Romain Petit ;
   - LEA : Alice Kieffer.

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…et par nos contributeurs industriels et institutionnels :
- Université Technologique de Belfort Montbéliard (UTBM) ;
- DASSAULT SYSTEMES ;
- AEROPORT INTERNATIONAL DE STRASBOURG ;
- ADIRA (Agence de Développement Economique du Bas-Rhin) ;
- BPI ;
- IFEM (expert Crédit Impôt Recherche, statut Jeune Entreprise
  Innovante…) ;
- AVECO (Expert comptable).

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1 2 Activités de la société HKW-aero
Formations à l’aérotechnique et à l’éco conception dans le domaine
des transports (aéronautique et automobile).

Programme de recherche dans le domaine de l’automobile (extraits
modélisations : http://www.hkw-aero.fr/pdf/synthese_voiture_du_futur.pdf ).

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Programme de recherche dans le domaine de la modélisation des
avions. Programme JEI 2015, extrait :

- Méthode de pré dimensionnement intégrant la variation de masse de carburant au fil du vol.
- Méthodes de validation de la méthode ci-dessus, par :
     a- calcul des performances sur la base des caractéristiques obtenues (calcul dans "l'autre sens") ;
     b- pré dimensionnement d'un avion réel et comparaison des caractéristiques calculées et réelles ;
     c- comparaison avec les résultats issus de la formule de Breguet Leduc.
- Méthode pour définir le profil de vol optimum (aller le plus loin avec une quantité donnée de carburant).
- Méthode de détermination de la consommation spécifique d'un avion.
- Méthode de validation de la méthode ci-dessus.
- Consommation au cent par siège, masse à vide, masse au décollage... en fonction de l'autonomie pour
laquelle est conçu l'avion. Idem avec la vitesse pour laquelle est conçu l’avion.
- Détermination du Cz max optimum en fonction de la vitesse pour laquelle est conçu l’avion.
- Changement de design en vue d’améliorer la qualité massique d’un avion.
- Méthode de détermination expérimentale en vol du Cx0 (ou Cfe) sans connaître la puissance max du
moteur et le rendement de propulsion. Ceci sous-entend une procédure garantissant un effort nul de
l'hélice en vol, le reste consistant à déterminer la finesse puis le Cx0 à partir de mesures de vitesses avion
et des Vz associées.

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Organisation et animation de colloques et de conférences.

Conception et fabrication d’un avion ultraléger (UL) et de ses dérivés.

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Encadrement de projets d’ingénieurs :

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1 3 Etat des lieux

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Quelle énergie contient 1 kg de carburant fossile ?

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1 kg de carburant fossile
contient autant d’énergie que
celle produite par 100 cyclistes
entraînés pendant une heure :

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1 4 Critères de qualité et limites de la physique

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1 5 Le trublion du "coefficient spirale" (ou de la
"synthèse")

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2 Avions de transport
2 1 Transport aérien : prospectives linéaires pour
une réalité qui ne l'est pas...

Différentes prospectives prévoient le passage de 2,5 milliards de
passagers en 2011 à 16 milliards de passagers en 2050. Soit une
augmentation dans un facteur de 6,4.

Une telle prévision est-elle compatible avec l’engagement Européen du
« facteur 4 » (diviser par 4 les consommations d’énergies fossiles à
l’horizon 2050) ?

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…ces prospectives et ces objectifs sont TRES contradictoires :

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2 2 Une autre vision des avions de transport
régional, étude conjointe Alain Marianne
DASSAULT SYSTEMES et HKW-AERO

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2 2 Qu'en est-il des avions de transport moyens
et longs courriers ?
Nos récentes modélisations permettent de réaliser des pré
dimensionnements d’avions intégrant la variation de masse de
carburant au fil du vol.

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Ces modélisations sont validées par comparaison avec la formule de
Breguet-Leduc et surtout par dimensionnement d’avions existants et
comparaison avec leurs caractéristiques réelles. Nous en concluons :

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Mais surtout, ces modélisations ouvrent la porte à de multiples
prospectives…

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Par exemple quel est l’impact de l’autonomie, pour laquelle est conçu
l’avion, sur la consommation au cent par siège ?

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Commençons par un cahier des charge :
 - nombre de sièges (donc masse utile, surface occupée…) ;
 - distance franchissable ;
 - vitesse de croisière…

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…le modèle de pré dimensionnement proposé permet de déterminer la
puissance des moteurs, la masse de carburant embarqué, la masse à
vide, la masse maxi, la surface alaire etc.

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Pour un avion de transport moyen courrier type (proche de l’A319),
nous avons (valeurs identiques au résultats du calcul) :

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Que donnerait le même fuselage et la même charge utile mais en
augmentant l’autonomie de 50 % ? L’avion serait très différent :

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Ainsi, nous pouvons représenter la consommation au cent par siège en
fonction de l’autonomie…

                                                            Il ne s’agit pas de
             Cette courbe est uniquement valable avec les   faire voler l’avion
             caractéristiques de notre avion moyen          existant moins loin
             courrier type (Cz max, vitesse mini etc.)      mais de le
                                                            dimensionner pour
                                                            une autonomie
                                                            différentes.

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Ceci traduit le coût
énergétique
considérable pour
transporter la masse
de carburant
nécessaire pour
aller loin.

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De même, nous pouvons dimensionner notre avion moyen courrier
type en fonction de sa vitesse de croisière (sur la base du cahier des
charges initial hors vitesse) :

                                                        Il ne s’agit pas de
                                                        faire voler l’avion
                                                        existant moins vite
                                                        mais de le
                                                        dimensionner pour une
                                                        vitesse différente.

       Cette courbe est uniquement valable avec les
       caractéristiques de notre avion moyen
       courrier type (Cz max, vitesse mini etc.)

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Retenons que pour notre avion moyen courrier type :

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Ceci laisse préfigurer le design des avions du futur, design influencé
par la réduction des autonomies et des vitesses.

Mais alors, quelle est la raison majeure expliquant le relatif succès des
avions très longs courriers ? Hypothèse : il semble très intéressant de
baser des avions et de faire le plein de carburant à l’endroit où il coûte
le moins cher :

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Rajoutons qu’il-y-a d’autres pistes particulièrement intéressantes
mais nous sortons ici du cadre de notre exposé…

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2 4 Autres voies pour réduire les
consommations ?

L’avion solaire
ouvre-t-il une
porte pour le
futur ?

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Qu’en est-il des agros carburants ?

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Partie aéronautique des « 34 projets industriels » pour la France
industrielle du futur : un avion de loisir électrique…

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…et un avion de transport hybride. Quel est l’impact de l’hybridation
sur la qualité massique et sur la consommation spécifique ?

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3 Avions de loisir, l’avion ultraléger HKW-aero

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3 1 Pourquoi un avion en aluminium ?

 -   processus industriel ;
 -   constance dans la qualité ;
 -   faible coût ;
 -   facilité de transformation et d’assemblage ;
 -   directive Européenne sur le recyclage…

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3 2 Un peu d’histoire, le rivetage…

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3 3 Tests et essais

Un objectif : la réglementation ULM impose de suivre l’essentiel de la
CS VLA, elle même issue de la CS23. Ceci concerne les appareils
industriels dont la charge alaire est supérieure à 30 kg/m².

Ces réglementations imposent notamment des cas de charges et des
essais biens précis.

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Par exemple, l’essais final « avion complet » clôt les essais au sol :

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Essais liés à l’aérodynamique de la machine :

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Détermination des
polaires avec différents
angles de volets :

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3 4 Origine du design HKW

Le design de l’appareil HKW-aero est atypique : petite motorisation
donc capot court, avant léger donc aile très reculée et implantée à mis
hauteur dans le fuselage…

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3 5 Réduire les coûts

Produire en France tout en étant compétitif
nécessite de simplifier les solutions à
l’extrême… ce qui s’avère long et difficile.

Ainsi, les solutions techniques imaginées pour
l’appareil HKW sont particulièrement simples
(plusieurs brevets déposés). Ceci permet aussi
d’une part de réduire sensiblement les coûts de
maintenance, d’autres part d’atteindre une
fiabilité élevée pour une coût minium (ce qui n’existe pas ne tombe pas
en panne…).

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3 6 Précisions sur l’avion ULM HKW-aero…

La démarche a consisté à travailler sur les trois critères de qualité afin
de réduire la puissance nécessaire au vol.

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Les masses ci-après sont données avec une cellule conforme aux exigences de la
CS VLA , notamment :
  - La cellule résiste aux essais statiques sous 6 g sans déformations permanentes ;
  - Le train principal résiste aux contraintes du « drop test ;
  - Etc.
Voir plus particulièrement : http://www.hkw-aero.fr/pdf/HKW-
aero_calculs_essais_et_reglementation.pdf . Plusieurs machines ont été détruites
au sol avant d’arriver à ce résultat.

Une option cellule allégée sera ultérieurement proposée. Cette option aura un impact
sensible sur les coûts. Voir le document critères de qualité et plus particulièrement
la notion de taux d’échange abordée.

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3 7 Premiers vols
Essais en vol réalisés par Marc Mathis, pilote de ligne, de voltige et de
« warbirds » (FOCKE-WULF 190, MUSTANG P51, CURTISS P40,
YAK 9, YAK 11, YAK 3U, JUNKERS 52...).

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3 8 Autres aéronefs en projet…

En cours : dérivé motoplaneur >

  99% des pièces sont
  communes avec la version
  ULM de base.

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Projet possible : industrialisation de l’Agrion
(ULM développé par Thierry Pujolle)               Processus industriels
                                                  issus de l’ULM HKW.

Avion biplace le plus léger jamais construit :
Masse à vide = 70 kg !

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Autre projet envisageable : avion d’affaire bimoteur à bas coût d’achat
et d’exploitation : 15 litres au cent à 300 km/h à 4 personnes, grande
facilité de contrôle et de maintenance…

   Technologies, méthodes de calculs et
   d’essais, processus industriels… issus
   de l’avion UL. Nombreuses pièces
   communes.

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4 Vol suborbital, « Défi Aérospatial Etudiants »

Concours inter-écoles Européennes
proposé par les majors de
l’aérospatiale Français et Européens.
Définition du vol suborbital : dépasser
une altitude de 100 km pendant
quelques instants. Un tel vol est donc
par nature de très courte durée.

A noter qu’une mise en orbite nécessite une dépense d’énergie 30 fois
supérieure à un vol suborbital.

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L’UTBM et HKW concourent depuis trois ans sur le thème du « porteur
de la navette ». Propositions 2013 (prix des Partenaires) et 2014 (Prix
Airbus) :

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Points forts de la proposition 2014, amélioration de l’aérodynamique
afin de réduire la puissance installée :

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Stratégie 2014 : sortir du CdC pour rendre le projet réaliste…

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Mais un tel projet est-il
réaliste ?
Il ne semble pas envisageable
d’aller plus que loin que les pré
dimensionnements réalisés
compte-tenu de la complexité
extrême et du coût démesuré
d’un tel projet.

A ceci se rajoute la dépense énergétique considérable d’un vol
suborbital. Cette dépense énergétique est difficile à justifier dans le
contexte actuel, raréfaction des énergies et réchauffement climatique,
compte-tenu du peu d’intérêt scientifique et/ou collectif de la mission.

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5 Conclusion

Par sa consommation réduite, son faible coût et sa grande facilité de
maintenance, l’avion UL HKW-aero est résolument différent des
machines actuellement proposées.

                      Merci pour votre attention