Les dirigeables peuvent-ils faire leur grand retour ?

par Jack Roper

En 1937, le bref apogée du dirigeable s'est terminé brusquement dans un enfer aéroporté. Mais un nouvel âge d'or plus léger que l'air tremble désormais au seuil de la réalité, grâce aux progrès de la propulsion, des commandes de vol, des composites, de la météorologie et de la puissance de calcul. Du co-fondateur de GoogleRecherche ALTà Akron, Ohio, au véhicule aérien hybride rempli d'hélium de Bedfordshire, au Royaume-Uni, Hybrid Air Vehicles (HAV).

Le dirigeable de HAV utilise la propulsion électrique et son origine remonte aux années 1990. "L'Airlander 10 utilise de l'hélium pour la portance et ne dépense de l'énergie que pour pousser vers l'avant, ce qui permet d'importantes économies de carburant par rapport à l'aile fixe", déclare Mike Durham, directeur technique de HAV. "L'inconvénient est la vitesse. Nous sommes plus heureux en dessous de 185 km/h. Mais cela compte moins pour le fret aérien. Nous pouvons transporter des marchandises à 25 % du coût, mais cela nous prend trois fois plus de temps."

L'Airlander mesure 100 m (330 pieds) de long, 50 m (165 pieds) de large et 28 m (90 pieds) de haut. L'hélium légèrement pressurisé remplit les doubles ellipses de sa croupe ample et agit comme un gaz de levage. Les ballonnets remplis d'air maintiennent la pression interne lorsque l'hélium se dilate et se contracte. Une fois en l'air, des moteurs diesel de 500 ch à ses quatre coins propulsent le lourd hybride en vol vers l'avant.

"Dans le monde des dirigeables, plus c'est gros, mieux c'est", déclare Durham. "Doubler notre longueur créerait quatre fois la traînée, mais huit fois l'ascenseur à gaz. Commencer par une taille modeste, adaptée au transport de 100 passagers de 186 à 250 miles est une étape à faible risque. En fin de compte, le fret aérien pourrait être notre plus gros marché."

L'Airlander est basé sur le long endurance Multi Intelligence Vehicle (LEMV) de l'armée américaine, le premier et le seul dirigeable hybride jamais construit. HAV l'a acquis, modifié et piloté depuis l'aérodrome de Cardington, au Royaume-Uni, en 2016 et 2017. Initialement alimenté au diesel, il passera à la propulsion électrique. VHAdéveloppe déjà un moteur électrique de 500kWet contrôleur avec Collins Aerospace et l'Université de Nottingham.

"Dans quinze ans, on ne parlera plus de CO2, mais d'efficacité en vol", précise Durham. "Nous utiliserons toujours environ un quart de l'énergie et imposerons toujours moins de charge sur les infrastructures que les avions électriques."

Un Airlander 50 de 140 m (460 pieds) avec une capacité de charge utile de 50 tonnes est envisagé pour le fret aérien. Mais l'Airlander 10 servira les marchés de la mobilité et du tourisme expéditionnaire. Naviguant en dessous de 9 850 pieds (3 000 m), les passagers pourront ouvrir les fenêtres de sa cabine non pressurisée, sans vibrations ni turbulences. Plus yacht qu'avion, l'Airlander se posera en douceur sur l'herbe ou l'eau.

Les grandes cabines non pressurisées d'un dirigeable offriraient un style et un rythme de voyage différents aux passagers (Image : Airlander)

"Nous voulons éviter les aéroports bruyants et encombrés", déclare Durham. "De nombreuses villes sont proches de plans d'eau. Nous pourrions atterrir sur l'estuaire de la Tamise, puis un bateau-taxi à grande vitesse vous emmène à Londres.

"Nous tenons à nous lier d'amitié avec des personnes à faible émission de carbone. Nous nous adaptons à tout le monde et ne visons pas à rendre les avions ou les bateaux superflus."

La société française Flying Whales a d'abord conçu le LCA60T (Large-Capacity Airship, 60 Tons) pour servir l'industrie du bois. A 200m (650ft), c'est deux fois la longueur de l'Airlander. Des cellules remplies d'hélium à l'intérieur de sa coque gargantuesque assurent la portance, tandis que 32 hélices réparties de 4 m (13 pieds) de diamètre permettent un vol horizontal.

"Nous sommes un dirigeable conventionnel", déclare Nicolas Weisse, responsable de la conception globale des dirigeables chez Flying Whales. "HAV utilise à la fois la portance aérostatique et aérodynamique et doit avancer pour voler. Mais nous n'utilisons que la portance aérostatique de l'hélium.

"Nous sommes toujours en équilibre - notre portance aérostatique reste égale à notre poids. Nous utilisons la propulsion uniquement pour gérer le bruit autour de l'équilibre. Nos os sont la structure du dirigeable, notre peau maintient l'environnement à l'intérieur, nos poumons remplis d'hélium sont respiration."

Bien que principalement volant à basse altitude, le LCA60T peut atteindre 3 000 m d'altitude de navigation dans les montagnes couvertes de forêts de France. Le recours exclusif à la portance aérostatique lui permet de planer au-dessus des endroits boisés pour échanger des charges, bien que cela crée certaines complications.

Le dirigeable de Flying Whales serait utilisé pour déplacer des cargaisons volumineuses, telles que des bûches hors des forêts (Image: Flying Whales)

"Au fur et à mesure que les grumes sont déchargées, le dirigeable devient plus léger et s'élève", explique Weisse. "Nous devons compenser et maintenir l'équilibre en prélevant 60 tonnes d'eau."

Un camion-citerne pompera jusqu'à 60 m3 d'eau du sol dans quatre réservoirs de ballast le long de l'axe longitudinal du LCA60T. Les dirigeables précédents transportaient de l'eau jusqu'au largage, compensant les fuites de gaz en cas d'urgence. Les vannes et les pompes du système de ballast permettent au pilote d'équilibrer le poids du dirigeable, dont l'inertie massive minimise les risques de ballottement. Lorsque les journaux sont chargés, le processus est inversé.

"Nous allons pulvériser de l'eau sur une large zone pour s'assurer que les personnes en dessous ne reçoivent pas une piscine sur la tête", explique Weisse. "Ce sera comme une pluie normale dans la forêt."

Les principes de conception des dirigeables sont bien compris, de sorte que le développement présente peu de défis techniques fondamentaux. À l'exception de la conception de la coque, qui nécessite un certain savoir-faire spécialisé, l'Airlander est un avion largement conventionnel. Il utilise de l'aluminium, de la fibre de carbone et des systèmes électriques standard pour l'industrie aérospatiale, dont HAV tire la plupart des employés.

"Notre vol est relativement bénin", dit Durham. "Nous concevons à 1,5 g et avons tendance à être axés sur la rigidité."

"Nous avons soumis notre analyse des risques fonctionnels et nous serons certifiés selon les mêmes normes de sécurité que les avions conventionnels", a ajouté Durham. "Mais les risques sont d'un ordre de grandeur moindre : une déchirure catastrophique ruine certainement votre journée, mais vous laisse quand même avec un énorme parachute avec un certain niveau d'hélium entraîné au-dessus de votre tête. Nous nous écrasons lentement."

HAV et Flying Whales ont uni leurs forces pour développer la réglementation EASA SC-GAS publiée en janvier 2022, ouvrant la voie à la certification de type. Flying Whales a terminé sa revue de conception préliminaire et commencera la construction d'un dirigeable dans son usine de production de Nouvelle-Aquitaine en 2023. Les essais en vol de qualification et de certification sont attendus en 2025 et la mise en service fin 2026.

HAV a beaucoup appris en pilotant le LEMV. Conçu pour une surveillance et une reconnaissance prolongées du renseignement (ISR) à 6 000 m (19 685 pieds), il a subi 500 modifications en prélude aux missions passagers. L'armée américaine voulait un avion essentiellement sans pilote capable de transit habité dans l'espace aérien civil, mais le HAV l'a converti en un avion piloté plus simple.

La conception de l'Airlander a été affinée à l'aide des enseignements tirés des essais en vol avec le véhicule multi-intelligence à longue endurance de l'armée américaine (Image : Airlander)

"Nos essais en vol ont aspiré les connaissances du tout premier hybride pleine grandeur", déclare Durham. "Nous avons essayé de comprendre le comportement des avions, les performances de montée et de descente, la consommation de carburant à différentes vitesses, la façon dont la coque dévie ou absorbe l'énergie. Nous avons appris à la maintenir au sol. Nous avons utilisé ces données dans nos simulateurs et pour modifier nos avions de production. ."

Mais la catastrophe a frappé une nuit de novembre 2017 lorsque l'équipe au sol n'a pas réussi à sécuriser l'avion. Il a glissé ses amarres et subi des dommages irréparables, peut-être dans une reprise vouée à l'échec de ses jours sans pilote. L'actif principal de HAV n'était plus.

HAV a introduit des systèmes automatisés pour empêcher tout détachement futur du mât d'amarrage. "Nous sommes une entreprise sans reproche", déclare Durham. "Ce fut un coup dur, mais s'est avéré être une opportunité en or. S'occuper de cet avion a consommé la quasi-totalité de notre énergie. Nous avons eu le luxe, ces trois dernières années, de vraiment comprendre et développer les enseignements que nous en avons tirés. "

De récents tests aérodynamiques dans la soufflerie de Silverstone de l'équipe Mercedes Grand Prix ont porté sur la réponse en tangage nerveuse du LEMV. HAV a testé une nouvelle forme de coque, modifiée pour améliorer les caractéristiques de tangage. Les ingénieurs utiliseront la modélisation CFD pour analyser le comportement de l'avion grandeur nature. HAV utilise également des sous-tests pour redévelopper le train d'atterrissage du LEMV.

Test en soufflerie de la conception de l'Airlander d'Hybrid Air Vehicle (Image: Airlander)

"Le LEMV était axé sur des missions persistantes, sans pilote et à haute altitude, de sorte que le train d'atterrissage n'était de toute façon qu'un poids parasite", explique Durham.

"Sa conception rudimentaire n'était pas bien amortie ou assez rigide pour un avion de mobilité. Nous l'avons repensé et breveté pour fournir une capacité d'atterrissage prévisible."

Jusqu'à présent, Flying Whales a développé le LCA60T principalement par simulation. "La taille rend le prototypage difficile", explique Weisse. "Un prototype LCA60T à l'échelle qui soulèverait 10 tonnes au lieu de 60 tonnes ferait toujours plus de 100 m [330 pieds] de long et nécessiterait une vaste usine à construire. Nous construirons directement l'avion de 200 m [660 pieds] et utiliserons le premier comme prototype.

"Nous effectuons des tests pour le comportement que nous avons du mal à simuler, comme l'oscillation de la charge utile et du dirigeable pendant l'échange de charge", explique Weisse. "Ils s'excitent mutuellement et sont affectés par l'inertie et les rafales de vent. Nous testerons notre système d'amortissement pour valider la simulation de l'oscillation logarithmique. Nous avons un test de cellule à gaz à l'échelle en cours."

Les poumons du LCA60T sont constitués de quatorze cellules d'hélium qui se dilatent et se contractent avec les différences d'altitude et de pression. Au sol, ils restent petits, mais se déploient pleinement en altitude.

"Nous avons fait une tranche de dirigeable avec une troisième cellule à gaz à l'intérieur", explique Weisse. "Nous allons valider l'installation, les étanchéités des tissus, le déploiement à l'intérieur de la structure, la purification de l'hélium. Nous avons de bien meilleurs matériaux qu'un ballon Mickey Mouse, mais il faut quand même éliminer un peu d'air qui rentre."

La coque de l'Airlander est en Vectran, un matériau tissé développé pour les yachts participant à la Coupe de l'America. La coque est imprégnée d'uréthane et de noir de carbone pour la protection UV, recouverte de Mylar pour la rétention de gaz et de Tedlar pour la protection contre les intempéries.

Les matériaux de la coque ont été soumis à des tests spécifiques pour assurer une marge de sécurité élevée. D'autres tests de matériaux sont plus conventionnels.

"La coque est soudée en segments", explique Durham. "Nous effectuons des tests chauds, humides et de longue durée. Nous plaçons un coupon avec un joint soudé sous charge de vol à une température et une humidité de fonctionnement maximales pendant dix ou douze jours pour voir s'il se sépare."

La cage de Faraday d'un avion de ligne à fuselage métallique est difficilement reproductible sur un dirigeable de 100m. HAV utilise un système de commande de vol fly-by-light insensible à la foudre et aux interférences électromagnétiques, hérité du LEMV. L'Airlander 10 peut voler sur pilote automatique à cap et à altitude fixes, mais reste un avion piloté traditionnellement avec des commandes d'accélérateur et de manche latéral. Le LCA60T possède une station d'échange de charge et deux stations pilotes, mais utilise des algorithmes de loi de commande pour maintenir l'altitude en vol stationnaire. La simulation pilote dans la boucle a façonné les deux systèmes.

"Nous analysons la difficulté des pilotes par rapport à l'ancien avion", explique Durham. "Nous utilisons le score de facilité de vol de Cooper-Harper pour évaluer une situation normale par rapport à une panne soudaine de deux moteurs."

Ces fabuleux vaisseaux aériens pourraient bientôt flotter et traverser le ciel du monde réel. "Les avions n'ont pas beaucoup changé en 70 ans, mais le monde des dirigeables propose de nombreuses architectures", explique Weisse. "Toutes les quelques années, nous prévoyons un retour. Les gens demandent - pourquoi maintenant? Il y a une nouvelle urgence environnementale. L'informatique, les systèmes de contrôle de vol et les matériaux ont évolué. Et aujourd'hui, nous pouvons prédire la météo - le plus grand ennemi d'un dirigeable. "

La plupart des analystes s'accordent à dire que l'hydrogène vert offre le meilleur moyen de transition à partir des combustibles fossiles, mais son transport vers le marché reste un défi, selon des études basées sur le fait de le faire dans des camions.

L'île de Puna à Hawaï pourrait convertir son abondante énergie géothermique en hydrogène vert - mais n'a aucun moyen de la transporter ensuite. Rinaldo Brutoco, fondateur, président et PDG de H2 Clipper a suggéré de le faire flotter au-dessus de la mer dans un dirigeable, une idée qui a fini par devenir l'entreprise.

« Le Clipper mesure 300 m [980 pieds] de long avec un exosquelette creux », explique Brutoco. "Il exploite la flottabilité de l'hydrogène comme gaz de levage tout en transportant jusqu'à 400 000 livres [180 000 kg] d'hydrogène liquide. Sa capacité de charge utile dépend de la vitesse, de la distance et de l'altitude. Il utilise une partie de la charge utile liquide des piles à combustible pour entraîner les hélices et se déplace entre 150 mph et 300 mph."

Le H2 Clipper combine la portance gazeuse et la poussée liquide, mais seul l'hydrogène liquide a la densité d'énergie pour concurrencer les combustibles fossiles. Des ingénieurs, dont Matt Moran, qui a construit le plus grand réservoir cryogénique du monde à Cape Kennedy, ont développé une technologie légère exclusive pour faire voler de l'hydrogène liquide à -250°C (-418°F).

La conception étroitement gardée du dirigeable est couverte par neuf brevets incarnant 205 revendications distinctes, et plusieurs autres brevets sont prévus. Son exosquelette porteur contient de l'espace pour le gaz élévateur d'hydrogène et des réservoirs d'hydrogène liquide qui sont à la fois une cargaison et un carburant. Il a été conçu à l'aide de la plate-forme 3DEXPERIENCE de Dassault Systèmes.

"Nous avons utilisé la CFD pour concevoir le plus près possible du flux d'air laminaire. Nous plions l'exosquelette en son point médian à 360° autour du dirigeable, de sorte que l'air circule dessus.

"Nous avons terminé notre phase de R&D de base. Nous travaillons sur les technologies de fabrication. Nous avons besoin d'une usine de 24 étages avec des portes aux deux extrémités. Nous construirons puis piloterons un prototype de 400 pieds sous licence expérimentale tout en construisant l'avion grandeur nature. ", dit Brotuco.