Validation de la propulsion électrique d'eVTOL e avant le premier appareil de vol

Principaux enseignements

• La propulsion distribuée ne rend un système « eVTOL » tolérant à une seule défaillance que si chaque unité restante et la logique de redistribution de la poussée ont été testées au sol pour cette défaillance spécifique.
• Les modèles en temps réel des moteurs, des onduleurs et des batteries vous permettent de reproduire des scénarios de défaillance qui détruiraient le matériel prototype, là où réside l'essentiel des risques liés à la propulsion.
• La simulation acquiert une valeur en termes de certification lorsque les modèles sont corrélés aux mesures et que chaque rapport d'essai peut être rattaché à une exigence.

eVTOL Les essais de propulsion doivent être réalisés au sol, sur des simulateurs de défaillances, bien avant que le premier avion de vol ne voie le jour.

Les essais en vol ne constituent pas le cadre idéal pour découvrir comment un moteur, un onduleur ou une batterie se comporte en cas de panne. Lorsqu’un rotor de sustentation perd du couple en vol stationnaire, le contrôleur de vol ne dispose que d’une fraction de seconde pour réagir. Le répertoire des conceptions d’aéronefs « eVTOL » (vol vertical) de la Vertical Flight Society recense désormais plus de 1 100 concepts proposés par plus de 450 concepteurs. La distance qui sépare un concept d’un aéronef certifié repose principalement sur des preuves.

La propulsion électrique des avions offre un avantage dont les programmes basés sur des turbines n’ont jamais bénéficié. Les moteurs, les variateurs et les batteries peuvent être modélisés en temps réel avec une fidélité telle que le contrôleur lui-même ne peut distinguer le modèle du matériel réel. Cela permet de simuler des scénarios de défaillance des milliers de fois sur banc d’essai, puis de recourir à des essais en vol pour confirmer ce que l’on sait déjà. Les programmes qui considèrent la simulation comme une source de données fiables parviennent au premier vol avec moins de questions en suspens.

Comment fonctionne la propulsion électrique « eVTOL » en tant que système distribué

eVTOL La propulsion électrique fonctionne comme un ensemble d'unités de propulsion indépendantes, chacune dotée de son propre moteur, onduleur et contrôleur, alimentées par une batterie haute tension via des bus redondants. La poussée est fournie par de nombreux rotors plutôt que par un ou deux moteurs ; ainsi, l'appareil continue de voler même en cas de défaillance d'une seule unité, à condition que les autres réagissent correctement.

Imaginez un hélicoptère générique à six rotors en vol stationnaire. Si l'un des rotors tombe en panne, les cinq autres fournissent chacun environ 20 % de poussée en plus. La puissance idéale en vol stationnaire augmente proportionnellement à la poussée élevée à la puissance de 1,5 ; chaque rotor restant consomme donc environ 31 % de puissance en plus. Le rééquilibrage du couple et de l'assiette sollicite certains rotors au-delà de cette moyenne.

L'efficacité d'un système redondant dépend entièrement de la réaction face à une défaillance. Chaque moteur, variateur et chaîne de batteries de l'eVTOL doit être dimensionné et validé pour résister à une surcharge, et la logique de redistribution de la poussée doit être validée en tenant compte de la défaillance de chaque unité à chaque phase de vol. Il s'agit là d'un problème de test combinatoire, dont la majeure partie doit être résolue au sol.

« L'efficacité de la redondance dépend entièrement de la réaction en cas de défaillance. »

Ce que la validation du moteur doit démontrer avant que le matériel de vol n'existe

La validation d'un moteur doit démontrer que celui-ci fournit le couple nominal sur toute la plage de vitesse et de température, qu'il résiste à la surcharge à laquelle il est soumis en cas de défaillance d'une unité voisine, et qu'il se comporte de manière prévisible en cas de défaillance de son propre enroulement, de ses capteurs ou de ses roulements. La plupart de ces comportements peuvent être caractérisés avant même la fabrication d'un moteur conforme aux normes aéronautiques.

Un dynamomètre permet de bien couvrir les cas normaux. Les cartes de couple, le rendement, l'élévation de température lors d'un vol stationnaire prolongé et les signatures vibratoires proviennent toutes d'une machine physique installée sur un banc d'essai. Les problèmes commencent avec les défaillances, car une spire court-circuitée ou un rotor démagnétisé détruisent le matériel prototype coûteux et ne peuvent pas être reproduits à volonté.

Un modèle de moteur en temps réel comble cette lacune. La machine étant représentée sur un FPGA à l’aide de cartes d’inductance et de flux issues d’une analyse par éléments finis, le contrôleur du moteur réel perçoit des courants et des signaux de position qu’il ne peut pas distinguer de ceux d’un moteur physique. Il est possible d’injecter une phase ouverte, une perte de signal du résolveur ou un court-circuit partiel au milieu d’une manœuvre et de répéter cette opération sur toute la plage de fonctionnement.

La tolérance aux pannes intégrée au moteur rend ce type d'essais d'autant plus crucial. La modélisation de fiabilité réalisée par la NASA sur un moteur à quatre modules tolérant aux pannes, destiné à des véhicules à décollage vertical, a montré une fiabilité 570 fois supérieure à celle d'un moteur de référence dépourvu de cette capacité. Un gain aussi important ne se concrétise que si le contrôleur détecte et isole chaque panne conformément aux hypothèses du modèle. Les essais en boucle fermée permettent de vérifier que c'est bien le cas.

Comment la validation des onduleurs permet de détecter des défauts qu'un banc d'essai en bon état ne révèle jamais

La validation d'un onduleur permet de vérifier que le variateur contrôle le courant avec précision à chaque instant de commutation et qu'il atteint un état sûr dans les délais de réaction prévus en cas de défaut. C'est surtout cette seconde partie qui importe le plus, car la logique de protection, le comportement des circuits de commande des transistors et la gestion des défauts sont rarement testés sur un banc d'essai où tout fonctionne normalement.

La difficulté réside dans la synchronisation. Prenons l’exemple d’un variateur générique commutant à 20 kHz, ce qui donne une période de 50 microsecondes. Pour obtenir un rapport cyclique de 1 %, il faut capturer les fronts de commutation avec une précision de 500 nanosecondes ; les modèles du moteur et de l'étage de puissance doivent donc s'exécuter sur un FPGA. Une fois cela mis en place, vous pouvez ouvrir un commutateur, court-circuiter le bus de courant continu, déconnecter un capteur de courant ou retarder un signal de commande, et observer la réaction du contrôleur. Aucun de ces tests ne présente de risque pour un module de puissance en carbure de silicium.

Comment la validation des batteries « eVTOL » s'effectue-t-elle par rapport aux profils de puissance en vol stationnaire ?

eVTOL Les batteries sont validées à trois niveaux. Les cellules sont soumises à des essais de conditions extrêmes et caractérisées ; les modules et les packs font l'objet d'essais de confinement en cas d'emballement thermique ; enfin, le système de gestion de la batterie est testé sur un pack simulé qui reproduit la tension, la température et le courant de chaque cellule. Le profil de mission relie ces trois éléments, car la puissance nécessaire au vol stationnaire est requise au moment où le pack est le plus déchargé.

Le cas le plus difficile concerne la mise à terre. Une batterie générique de 800 V fournissant 400 kW consomme 500 A, et si la tension aux bornes chute à 640 V lorsque le niveau de charge est faible, la même puissance nécessite 625 A. Le courant augmente à mesure que la résistance des cellules s’accroît et que les marges de température diminuent. Une réserve qui semble suffisante sur le plan de l’ Énergie e peut tout de même s’avérer insuffisante en termes de puissance.

L'émulation de batterie vous permet de tester ce cas de figure sans avoir à décharger le pack à plusieurs reprises. Un modèle au niveau des cellules pilote les entrées de détection du système de gestion ; vous pouvez ainsi simuler une cellule défaillante, un capteur de température défectueux ou un contacteur bloqué, et vérifier les limites transmises au contrôleur de vol.

L'Simulation HIL , en phase de préparation des essais en vol

Simulation HIL En effet, « eVTOL » relie les unités de propulsion et de contrôle de vol réelles à des modèles en temps réel des moteurs, des onduleurs, des batteries et de la cellule, de sorte que la chaîne de contrôle complète fonctionne avant même qu’un composant de vol ne fasse tourner un rotor. Il fournit les données nécessaires à la réponse aux défaillances, à la logique des modes et à l’intégration entre les unités provenant de différents fournisseurs.

Chaque étape de validation apporte des réponses que les autres ne peuvent pas fournir, et le résumé ci-dessous montre comment le travail se répartit.

La simulation ne constitue une preuve valable que lorsque les modèles sont validés par rapport à des mesures et que les rapports d’essai permettent de remonter jusqu’aux exigences. Cela implique de corréler le modèle du moteur avec les données du dynamomètre, d’enregistrer chaque cas de défaillance avec ses critères de réussite et de réexécuter l’ensemble des tests après chaque modification logicielle. OPAL-RT accompagne cette étape de l’électr Aérospatial e grâce à des modèles en temps réel de moteurs, de variateurs et de batteries, permettant ainsi aux contrôleurs de propulsion de faire face aux cas de défaillance avant même que le matériel de vol n’existe.

Les résultats sont visibles dans le planning, car une suite de tests de régression exécutée pendant la nuit permet d'économiser plusieurs semaines de temps de calcul.

Pourquoi la certification « eVTOL » est-elle difficile à obtenir pour les équipes chargées de la propulsion ?

eVTOL La certification s'avère difficile car cet appareil combine un système de propulsion innovant, des commandes de vol électriques et un système de stockage d'Énergie s à haute tension, le tout dans le cadre d'une réglementation récemment adoptée et dont l'interprétation est encore en cours. Les équipes chargées de la propulsion doivent démontrer qu'aucune défaillance isolée n'entraîne de conséquence catastrophique, et ce pour un nombre de combinaisons de défaillances bien plus important que celui rencontré sur un avion conventionnel.

Cinq domaines mobilisent l'essentiel des efforts.

• Combinaisons de défaillances touchant de nombreux groupes propulseurs et plusieurs phases de vol
• Assurance qualité des logiciels et du matériel électronique pour chaque variateur de vitesse
• Maîtrise de l'emballement thermique des batteries au niveau du bloc et de l'installation
• Coordination de la protection haute tension entre les sources et les charges
• Les défaillances dues à une cause commune qui neutralisent la redondance, telles que le refroidissement partagé ou les logiciels partagés

Les délais serrés font que l'ordre des opérations est crucial. Les autorités exigent un plan d'essais convenu à l'avance, un dispositif d'essai conforme et ne prennent en compte que ce qui a été démontré dans le cadre de ce plan. Les données recueillies de manière informelle au cours du développement ne peuvent généralement pas être réutilisées ; il est donc judicieux de mettre en place des bancs de simulation en gardant à l'esprit la certification dès le premier jour.

Ce sont les préparatifs au sol qui déterminent le déroulement du premier vol

Le premier vol d’un nouvel « eVTOL » devrait être la journée la moins surprenante de tout le programme. Si les moteurs, les onduleurs et les batteries ont déjà été soumis à des scénarios de défaillance par rapport à des modèles validés, l’équipage de vol ne fait alors que confirmer les prévisions. Dans le cas contraire, l’appareil lui-même devient le banc d’essai.

« Le premier vol d’un nouvel avion de transport de la « eVTOL » devrait être le moment le moins surprenant de tout le programme. »

Cette rigueur se construit décision après décision. Vous choisissez de valider un modèle plutôt que de vous y fier aveuglément, d’enregistrer un cas de défaillance plutôt que de vous contenter d’un seul essai, et de relancer la suite de tests lorsqu’un fournisseur livre un nouveau micrologiciel. Aucune de ces tâches n’a de prestige, mais c’est grâce à elles qu’on évite de découvrir une défaillance du système de propulsion en altitude. C’est également là qu’OPAL-RT trouve toute son utilité, grâce à une simulation en temps réel qui permet aux contrôleurs de se confronter très tôt aux modèles de moteurs, d’entraînements et de batteries. Les équipes qui travaillent de cette manière abordent les essais en vol avec des listes de points à régler plus courtes.