Regain d’intérêt pour le CROR

1.5.1 Contexte économico-politico-environnemental

Au début des années 2000, un groupe de personnalités du monde aéronautique européen, réuni à la demande du Commissaire européen à la Recherche, présente sa vision du transport aérien et du monde aéronautique à l’horizon 2020 et les objectifs à atteindre pour y arriver. L’ACARE (Advisory Council Aeronautics Research in Europe) est créé pour soutenir et appli-quer cette démarche. Dans son premier rapport [1], l’ACARE donne les objectifs à atteindre pour respecter la « Vision 2020 ». L’industrie Européenne s’est engagée à atteindre ces objectifs, ce qui revient à diminuer :

– de 50% le bruit perçu (-6dB par point d’opération), – les NOx et autres polluants de 80% en croisière,

– le CO2 de 50% par passager par kilomètre : soit pour le moteur une diminution de la consommation spécifique de 15 à 20%, le reste de l’objectif étant atteint par les progrès sur la cellule avion et sur la gestion du trafic aérien.

Vers 2010, Airbus comme Boeing avaient établis leur propres prévisions sur la décennie suivante, il devint clair que ces objectifs ne seraient pas atteints. En 2011, la Commission Européenne durcit les objectifs mais en donnant plus de temps pour y parvenir : « Vision 2020 » devint « FlightPath 2050 » qui demande une réduction de 75% de carburant, 90% de NOx et 65% du bruit perçu.

Ces mesures sont la réponse européenne face aux craintes sur l’impact environnemental du transport aérien. Ces peurs ont augmenté en appréciant la croissance soutenue du trafic aérien malgré les diverses périodes de troubles économiques à l’échelle mondiale. La tendance des courbes d’évolution démographique et des demandes de transport aérien dans le secteur des pays émergents en sont la principale cause. Pour aider à atteindre les objectifs ACARE, un partenariat Public-Privé a été conclu entre la commission Européenne et les entreprises du monde aéronautique pour lancer un grand programme de recherche international : Clean Sky JTI (Joint Technology Initiative). Clean Sky a pour buts d’accélérer les développements technologiques de pointe et de raccourcir le délai de commercialisation des solutions nouvelles et plus écologiques testées sur des démonstrateurs à échelle 1 contribuant ainsi de manière significative à la réduction de l’empreinte environnementale de l’aviation (c’est à dire réduire l’émission de polluants et le bruit perçu, mais aussi optimiser les cycles de vie). Ce partenariat a été lancé en 2008 et ce pour 9 ans. Il est composé de six groupes de démonstrateurs (Integrated Technological Demonstrators) :

I.1 La propulsion de l’aviation d’hier à demain

– Smart Fixed-Wing Aircraft (SFWA) – Green Rotorcraft (GRC)

– Sustainable and Green Engines (SAGE) – Systems for Green Operation (SGO) – Eco-Design (EDS)

Les démonstrateurs SAGE doivent intégrer dans des architectures classiques de motorisation des technologies permettant de réduire le bruit et le poids des parties basse pression, d’atteindre de hauts rendements globaux, de diminuer la production de NOx et le poids ou se baser sur des architectures innovantes. Dans ce cadre, Snecma groupe SAFRAN s’est engagé à construire un démonstrateur sol du concept CROR afin d’estimer le potentiel de cette architecture avec la technologie et les matériaux actuels. En parallèle de l’ACARE en Europe, la NASA a lancé aux Etats-Unis le projet ERA (Environmentally Responsible Aviation) dictant les objectifs à atteindre concernant les avions prévus pour une entrée en service en 2025 (objectifs « N+2 ») et 2035 (objectifs « N+3 »). Les objectifs N+2 de ce projet sont :

– Réduire la traînée avion de 8% – Réduire le poids de 10%

– Réduire la consommation spécifique de carburant des moteurs de 15% – Réduire les émissions de NOx des moteurs de 75%

– Réduire les émissions sonores d’1/8 par rapport aux standards actuels.

Pour atteindre ces objectifs, le projet est divisé en trois parties : « Airframe Technology » (cellule avion), « Propulsion Technology » (moteurs), « Vehicle Systems Integration » (avio-nique). C’est dans le cadre de « Propulsion Technology » du projet ERA que les études sur les CROR ont repris. Le tableau ci-dessous résume et compare les objectifs fixées par ACARE et NASA [18]. En ce qui concerne les NOx, CAEP/6 est la norme actuelle émise par le Comité de l’Aviation et de la Protection Environnementale (CAEP) appartenant à l’Organisation de l’Aviation Civil Internationale (ICAO), les objectifs « Vision 2020 » et « N+2 » sont cohé-rents. De même les objectifs relatifs à la réduction des émissions sonores sont du même ordre de grandeur à court terme mais la NASA est plus ambitieuse pour ses objectifs « N+3 ». En effet, une diminution de 71EPNdB cumulés par rapport au chapitre 4 correspond à une réduction de 75% du bruit perçu par rapport aux avions entrés en service en 2000.

Catégories ACARE NASA

Vision 2020 FlighPath 2050 N+2 (2025) N+3 (2030-35)

Carburant 50% 75% 50% 60%

Par rapport aux avions EIS 2000 Par rapport au meilleur en 2005

NOx 80% 90% 75% 80%

Par rapport aux avions EIS 2000 Par rapport à CAEP 6

Emissions sonores 50% 65% 42 EPNdB 71 EPNdB

Par rapport aux avions EIS 2000 Gain cumulé, par rapport chapitre 4

Tableau I.1– Consommation de carburant et réduction des émissions avancées par ACARE et NASA

1.5.2 Raisons derrière ce regain d’intérêt pour le CROR

Comme décrit précédemment, les Turbofans n’ont jamais arrêté d’évoluer depuis leur inven-tion, de nouveaux matériaux et des techniques de conception avancées ont permis de continuer à augmenter leur rendement thermopropulsif. Cependant les marges d’amélioration possible diminuent. Par exemple, le rendement thermique est dépendant de l’OPR mais en augmentant l’OPR on augmente la température de sortie compresseurs HP où est prélevé l’air de refroidis-sement des aubages turbines HP, ce qui en rend leur refroidisrefroidis-sement plus difficile. Les tailles de veines sont plus petites mais cela entraine des complications de faisabilité et une augmenta-tion des pertes dues au jeu des rotors qui est relativement plus important. Pour ce qui est du rendement propulsif, l’augmentation du BPR du turbofan a un optimum autour de 15 avec les technologies actuelles, des pistes sont étudiées pour entre autre raccourcir et alléger les nacelles afin de déplacer cet optimum vers les BPR plus importants. Cependant, il semble difficile de s’approcher à moins de 10 points du rendement propulsif d’un turboprop avec un turbofan. Un changement d’architecture est nécessaire pour entrer dans cette marge.

Les BPR les plus élevés sont atteints pour les architectures turboprop où le fan caréné est remplacé par une hélice non carénée d’un diamètre supérieur. En effet, la faible capacité de débit spécifique (ratio entre le débit d’air et la surface traversée) du turboprop nécessite l’utilisation d’une hélice de large diamètre pour assurer la poussée requise. Par exemple, le CFM56, qui est la famille de turbofan qui équipe le plus grand nombre de court et moyen courrier, a un diamètre moteur légèrement supérieur à 1,8m. En comparaison le turboprop qui équipe l’A400M, le TP400 fait 5,3m de diamètre pour une poussée 25% plus faible.

I.1 La propulsion de l’aviation d’hier à demain

(a) Lockheed C130 Hercules (EIS 1956, diamètre de l’hélice 4, 1m)

(b) Airbus A400M (EIS 2013, diamètre de l’hélice 5, 3m)

Figure I.15 – Avions de transport militaire quadrimoteurs

Le potentiel du CROR (Contra Rotating Open Rotor) a retenu l’attention des motoristes aéronautiques car il possède tous les bénéfices du turboprop mais sans ses limitations. En effet, le CROR a un BPR de l’ordre de 50 ce qui lui confère un rendement propulsif maximal presque équivalent à celui du turboprop (figure I.8). En revanche, le taux de compression du doublet d’hélices est plus élevé que celui de l’hélice simple (1,1 contre 1,04) permettant une diminution du débit nécessaire et donc du diamètre des hélices. De plus le deuxième rotor contra rotatif annule la giration due au premier rotor. En redressant l’écoulement, ce deuxième rotor permet un gain de 6 à 8% sur le rendement propulsif du moteur [13]. En effet, seule la composante axiale de la vitesse de sortie nous intéresse dans le calcul de la poussée du moteur, toute giration résiduelle représente un potentiel d’énergie perdu.

Un autre point intéressant des CROR est que leur consommation spécifique (Specific Fuel Consumption, SFC), qui représente la masse de carburant nécessaire pour générer une pous-sée unitaire par unité de temps, diminue en augmentant la pouspous-sée, comme schématisé figure

I.16(b). Ainsi le CROR est particulièrement efficace pendant la prise d’altitude de l’avion où la motorisation est sollicitée à pleine poussée. Dans le cas des courts et moyens courriers, qui représentent le marché objectif des CROR, le temps passé en montée est proportionnellement beaucoup plus important que pour les longs courriers. Généralement un turbofan admet un minimum de SFC au point de croisière, son rendement thermopropulsif est donc moins bon au décollage et sur le profil de montée. Pour cette raison une architecture CROR est plus optimisée qu’un turbofan pour des missions court-moyen courriers comme illustrée figure I.16.

(a) Rendements en fonction de la poussée

(b) Consommation spécifique en fonction de la poussée