Solar Impulse
HB-SIB

HB-SIB :  La deuxième génération de l’appareil Solar Impulse est actuellement en construction à Dübendorf (Suisse). Conçu pour faire le tour du monde en 2015, le HB-SIB subit actuellement une dernière série de tests et devrait être prêt à la fin de l'année 2013. Les vols d'essai commenceront début 2014.

HB-SIA :  Il s'agit de l'appareil Solar Impulse de première génération. Conçu à l'origine dans le seul but de prouver qu'il était possible de voler jour et nuit uniquement grâce à l'énergie solaire, le HB-SIA est allé au-delà des espérances en parcourant divers pays et reliant plusieurs continents. Il effectue actuellement la traversée des États-Unis d'ouest en est, de San Francisco à New York en passant par Washington DC.

Cette semaine, les ingénieurs de Solar Impulse testent le carénage du cockpit dans la grande soufflerie subsonique de RUAG à Emmen (Suisse). Cette soufflerie, l'une des plus grandes d'Europe, peut générer un écoulement d’air allant jusqu’à 68 m/s. Elle est utilisée pour divers tests, par exemple des tests de pluie, notamment dans le cadre de la recherche aéronautique et automobile. Des tests visant à évaluer les qualités aérodynamiques des bateaux y sont également réalisés. Pour les tests, les ingénieurs de Solar Impulse utilisent une reproduction en bois du cockpit, pourvue d'une enveloppe en mousse de polyuréthane recouverte d'un matériau à sa surface. Ces tests sont destinés à vérifier l'aptitude au vol du carénage, autrement dit la porte de la cabine, et à simuler le comportement des matériaux pendant un vol.

Les ingénieurs doivent évaluer d'une part la capacité de la porte du cockpit à se détacher du reste de la structure en cas d'urgence et d'autre part le comportement global de la structure lorsque les vents soufflent de différents angles. Pour le HB-SIA, des tests semblables ont été effectués : l'équipe a fixé le cockpit sur le toit d'une voiture pour lui faire faire des tours sur la piste. Cette fois-ci, Solar Impulse a décidé d'avoir recours à une soufflerie car toutes les variables qui doivent être testées sont plus faciles à contrôler. En effet, la soufflerie est dotée d'une table tournante qui permet aux objets testés de pivoter sur un axe. Grâce à cette fonction, les ingénieurs peuvent contrôler la direction du vent au degré près et ainsi étudier le comportement du cockpit et des matériaux dans différentes situations, notamment lors de certaines manœuvres, lors de situations d'urgence et lorsque l'appareil maintient sa vitesse de croisière.

D'autres tests sont en cours à Solar Impulse. Les ingénieurs en électricité et les électriciens mènent actuellement les tests d'électronique et de câblage sur le HB-SIB, appelés « Iron Bird », , afin de s'assurer que tous les systèmes de contrôle du cockpit fonctionnent correctement lorsqu'ils sont connectés les uns aux autres. Enfin, Solar Impulse prépare également le test du train d'atterrissage prévu dans les prochaines semaines.

Ainsi, alors que le HB-SIA poursuit son périple à travers les États-Unis, sans doute sa dernière aventure, le HB-SIB se prépare à prendre la relève pour partir à la découverte du monde. 

Photo: Courtesy of RUAG

Nos ingénieurs nous ont annoncé une excellente nouvelle la semaine passée: Décision, notre fournisseur de pièces en carbone de grandes dimensions, a terminé le nouveau longeron du second avion.

En juillet 2012, au cours du dernier test de la structure du longeron, l’élément central de celui-ci n’avait pas supporté la charge et s’était cassé. Un rappel concret de ce que le fait de repousser les limites n’est pas chose aisée et que, à se tenir en équilibre précaire sur cette infime frontière, on peut tomber. Heureusement, par ailleurs, cet événement qui aurait pu s’avérer dramatique s’est transformé en un avantage. Le retard pris par la construction du HB- SIB a débouché sur plusieurs opportunités inattendues et passionnantes, parmi lesquelles la mission Across America de cette année.

Le longeron, véritable colonne vertébrale de notre avion solaire, est sa partie la plus importante. Il forme la structure centrale des ailes. Sur l’avion Solar Impulse de seconde génération, destiné à voler plus vite, le longeron est beaucoup plus grand. Du coup, les ailes devront résister à des charges doublées. Dans l’accident de l’an dernier, seule la partie centrale du longeron s’était brisée. Après des tests poussés, les deux sections extérieures avaient pu être épargnées. Pour des questions d’homogénéité, le longeron a tout de même été entièrement reconstruit. Menés selon un concept et un procédé de fabrication améliorés, les travaux auront duré dix mois. Les extrémités restantes du premier longeron seront conservées comme pièces de rechange.

Le longeron ressemble à une boîte rectangulaire de forme allongée. Entièrement réalisé en carbone, il est assemblé par collage – ou lié, comme disent les ingénieurs – par un procédé chimique délicat, comportant vingt passages dans un grand four. Il faut 64 minutes pour lier les différentes pièces entre elles, et 88 minutes de pressage et de nettoyage final. Ces délais doivent être strictement respectés afin d’éviter des irrégularités. L’intégrité structurelle du longeron tout entier, et donc sa résistance, en dépendent.

Grâce à l’excellente collaboration entre Décision et nos ingénieurs, qui, tous, ont travaillé dur en vue d’obtenir la plus grande précision et les meilleurs résultats possibles, le calendrier a été respecté.

Pour en savoir davantage sur la construction du HB-SIB, découvrez le dossier Construire un avion solaire, ou encore la page sur l’avion HB-SIB.

Comme nous l’avons vu dans les épisodes précédents, chaque composant de l’avion passe par les phases de conceptualisation, de conception, puis d’analyses structurelles. Mais la seule façon de vraiment savoir si un avion est opérationnel, c’est de tester ses composants en les soumettant à des charges appropriées. Le HB-SIA et le HB-SIB sont tous deux des prototypes expérimentaux et bien que tout soit simulé, calculé et conçu en 3D avant d’être construit, ces procédés ne font qu’estimer la réalité.

C’est ici que l’équipe de test entre en jeu. Dirigés par David Oldani, les quatre « testeurs » ont une relation directe avec l’équipe d’analyse structurelle qui fournit les charges à appliquer aux différentes parties. David doit organiser le test de manière à simuler au mieux la réalité.

Cette étape représente le plus grand défi de la phase de test : simuler la réalité. En vol, le poids de l’avion et des charges qui lui sont appliquées sont réparties différemment. C’est comme quand on saute dans une piscine : on se sent très léger alors qu’en réalité on a toujours le même poids. Le travail de David consiste à trouver la solution permettant de contrebalancer le poids d’une partie pour simuler au mieux les différents scénarios de chargement en vol.

Il y a principalement deux sortes de tests : les tests destructifs et les tests non destructifs. C’est l’équipe de test qui décide si une partie doit être testée jusqu’à son point de rupture ou non. Pourquoi de tels extrêmes ? Lorsqu’une partie est mise sous tension maximale, des informations précieuses relatives à ses limites et à son point de rupture peuvent être recueillies.

La phase de test est peut-être la dernière étape du processus de production, mais c’est aussi la plus intense. Sous les airs décontractés et nonchalants des ingénieurs se cachent le suspense et une atmosphère semblable à celle du Jour du Jugement Dernier, et je peux les comprendre ! Tout est optimisé à l’extrême et tout est fabriqué à la main, ce qui rend le processus de transition entre les simulations informatiques et la réalité similaire à une traduction du japonais vers l’italien. Les ingénieurs ont vu leur pire cauchemar devenir réalité l’année dernière lorsque la partie principale de l’avion, le longeron de l’aile n’a pas résisté aux charges et s’est brisé en deux.

La construction d’un avion solaire si grand, tel l’HB-SIB (72 m d’envergure), et si léger (2400 kg) est une prouesse. L’industrie aérienne normale ne doit pas faire face aux mêmes contraintes au quotidien. « Un avion civil normal certifié peut être rapidement construit et le processus de test est insignifiant, car la capacité à voler de l’avion a déjà été prouvée contrairement à notre prototype qui doit être soumis à de nombreux tests de structure et de vol avant de pouvoir être certifié », explique David.

Solar Impulse ne repousse pas seulement les limites du possible, mais démontre également, à chaque étape de son parcours, comment l’innovation, la persévérance et la conviction peuvent défier notre perception du monde.

Dans la photo ci-conte (de gauche à droite): Paul Metzler, Yves Heller, David Oldani et Jens Menzel. David Oldani (ici-haut).

Suivez la série ici: « CRÉER UN AVION SOLAIRE »

Pour moi, les piles ont toujours été des produits chers, jamais à portée de main lorsqu'on en a besoin (je me rends généralement compte que je n'en ai plus en réserve quand les magasins sont fermés). De nos jours, la plupart des appareils électroniques modernes (téléphones portables, lecteurs mp3, etc.) peuvent être chargés via un ordinateur portable, ce qui est une véritable libération. Si les piles de type AAA et AA sont de moins en moins utilisées par le consommateur moyen, l'utilité de ce dispositif de stockage d'énergie particulier se développe par ailleurs dans de nombreux domaines.

Employées entre autres dans le secteur automobile, avec notamment les voitures hybrides ou électriques, et dans les ordinateurs portables, aujourd'hui nos compagnons inséparables, les batteries dites « secondaires » (rechargeables) peuvent être utilisées de nombreuses fois et suscitent l'intérêt des grandes entreprises chimiques, qui voient en elles une solution potentielle à notre dépendance aux combustibles fossiles.

Ce qui caractérise les batteries de Solar Impulse, c'est leur rapport poids/rendement/durée de vie. Les batteries du HB-SIB sont particulièrement révolutionnaires. Produites par le fabricant coréen Kokam, elles ont nécessité des recherches approfondies pour doper leurs performances. Le secret réside dans la formule chimique complexe qui a permis une réduction du phénomène d'oxydation. À l'image d'une pomme qui brunit et pourrit une fois pelée et laissée à l'air libre, les batteries s'usent plus vite et perdent de leur efficacité lorsqu'elles sont oxydées. La technologie employée pour le HB-SIB a deux ans d'avance sur le secteur, mais c'est tout ce que nous pouvons dévoiler, le reste étant tenu secret. Grâce au ralentissement du processus d'usure, les nouvelles batteries de Solar Impulse peuvent garantir 2 000 heures de vol, contre 500 dans le cas des batteries du HB-SIA.

J'aime beaucoup la métaphore employée par l'ingénieur électrique : les batteries sont comme des cellules humaines ; c'est pour cette raison qu'elles sont si difficiles à étudier. Chacune des batteries du HB-SIB se compose de 70 cellules au lithium-polymère. Comme chez l'homme, ces cellules sont toutes différentes les unes des autres et n'aiment pas le stress. Les températures extrêmement élevées et basses ne sont pas leur point fort et certains jours une cellule est plus efficace que d'autres en fonction de certains paramètres qui lui ont été appliqués la veille. Ici aussi, le parallèle est possible avec les cellules humaines : si un jour donné vous faites un effort physique important, vous aurez probablement les muscles endoloris et serez moins efficace le lendemain. Ainsi, lorsque nous disons que chaque cellule au lithium-polymère peut être rechargée jusqu'à 4,35 Volts (V), cela signifie que son plein potentiel est égal à 4,35 V, mais ce maximum ne sera pas forcément atteint le vendredi s'il a été atteint le jeudi. Les conditions de température, ainsi que le type de charge et de décharge sont des facteurs déterminants.

Afin de s'assurer qu'elles conviennent à l'avion, les cellules au lithium-polymère doivent subir de nombreux tests. Ces derniers sont effectués afin d’étudier le comportement des cellules à des températures extrêmes, la quantité d'énergie qu'elles peuvent stocker et pendant combien de temps. Mais il est également important de mieux comprendre leur réaction face à différentes situations. Le plus difficile est de trouver l'équilibre optimal entre la durée de vie et l'énergie, ces facteurs dépendent  en effet de la température, de la tension des cellules et du courant.

Connaître les cellules permet aux ingénieurs de Solar Impulse de mieux se préparer aux vols mission. Par exemple, il a été constaté que le maintien d'une température constante de 25 °C à l'intérieur des nacelles des moteurs permet une plus grande efficacité des batteries. Soit dit en passant, je ne peux pas en vouloir aux cellules des batteries de ne pas apprécier les rudes conditions météorologiques hivernales suisses car à vrai dire celles-ci ne conviennent pas vraiment non plus à mes propres cellules…

Photo: batteries du HB-SIB

A l’image de l’éternelle navette entre ingénieurs civils et architectes à la recherche du meilleur équilibre entre la forme d’une structure et sa viabilité physique, à Solar Impulse, les équipes chargées de la conception et de l’analyse structurale dialoguent en permanence. La différence, c’est qu’ils sont tous ingénieurs, et qu’on ne leur demande donc pas de construire des structures farfelues qui n’existent que dans les dessins animés.

Tout ce qu’ils dessinent a une fonction précise, mais chaque élément doit également s’intégrer dans l’ensemble, tout en répondant aux directives draconiennes en matière de légèreté. Dirigée par  Geri Piller, l’équipe en charge de l’analyse structurale se compose de 4 ingénieurs. L’équipe du Design dispose du concept, mais il revient à l’équipe de Geri de décider combien de matériaux utiliser pour un composant donné en fonction de la charge qu’il devra supporter.

Un jour, Geri m’a expliqué les bases de l’analyse structurale, et même si je m’en serais certainement mieux sortie si on m’avait demandé de lire un journal en chinois, j’ai bien retenu une chose : chaque matériau réagit différemment à la charge (ainsi, l’acier ne réagit pas de la même manière que le carbone à la contrainte), ce qui est crucial quand il s’agit de fabriquer un composant.

Pour des raisons de poids, la majeure partie de la structure du HB-SIB se compose de carbone, un matériau très particulier. Le carbone est extrêmement résistant dans le sens de ses fibres, mais extrêmement fragile dans l’autre. L’équipe en charge de l’analyse structurale doit décider dans quel sens les fibres doivent être placées, de quelle épaisseur chaque couche doit être et combien de plis sont nécessaires. Cela donne lieu à des opérations complexes effectuées à l’aide d’un logiciel spécialisé (analyse par éléments finis) dans lequel les ingénieurs en structure entrent manuellement les caractéristiques qu’ils souhaitent avant d’observer la façon dont le composant réagit aux charges qui lui sont appliquées.

Ce processus n’est pas linéaire (comme pour valser, il faut être deux). C’est un mouvement de va-et-vient permanent entre les ingénieurs du design et les ingénieurs en structure, une discussion continue pour atteindre la perfection car, une fois que la forme et la structure s’accordent parfaitement, le composant est finalement envoyé au fabricant, dans un effort commun qui donne naissance à un nouveau composant. Etant donné le caractère unique de l’appareil, chaque composant est littéralement fait à la main. Par conséquent, certaines informations peuvent se perdre dans la traduction lors du passage du design proposé par le logiciel à un composant manufacturé. C’est pourquoi chaque composant doit ensuite subir des tests, un processus primordial auquel Geri et son équipe prennent une grande part. Restez à l’affût d’informations sur l’équipe des tests, prochainement sur notre blog !

Sur les photos: de gauche à droite : Björn Müller, Stefan Pfammatter, Geri Piller et Dominik Dusek (ici contre); Geri Piller (ici-bas); FEA (haut).

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Avant de construire quoi que ce soit, il vous faut un concept et une forme. Comme quand vous construisez une maison : vous réfléchissez à son emplacement, à sa taille, à sa conception architecturale et, chose importante, à l’épaisseur de votre portefeuille. De toute évidence, vous ne pouvez pas commencer par le toit sans avoir réalisé les fondations, tout comme vous ne pouvez  assurément pas monter la salle de bains sans avoir d’abord raccordé la tuyauterie au réseau de distribution d’eau.

Une fois les composants dessinés, qui assemble les pièces du puzzle de manière cohérente, en temps voulu ? Une personne doit avoir une vue d’ensemble, jongler avec les délais, le budget et la production. A Solar Impulse, ce rôle est dévolu à Robert Fraefel, directeur de la Production de l’avion.

Röbi, comme les membres de l’équipe aiment l’appeler, est l’homme de l’ombre, le chorégraphe de tout cela. Il motive les ingénieurs, les encourage quand des obstacles surgissent et les fait passer à la vitesse supérieure à l’approche d’un délai à respecter. Il fait également office, en quelque sorte, de chargé des relations publiques, dans la mesure où il rencontre des dizaines de fournisseurs et de fabricants pour qu’ils acceptent de collaborer et pour s’assurer que leurs produits remplissent les exigences strictes de qualité.

Ancien ingénieur dans le secteur de la Formule 1, Röbi s’est tout de suite senti dans son élément à travailler sur un projet repoussant les limites ; mais la comparaison s’arrête là. A Solar Impulse, il est difficile de faire des plans car « on ne sait pas combien de temps prend la production d’un composant avant qu’il soit effectivement prêt à être fabriqué ». En Formule 1, « on sait déjà plus ou moins de combien de composants on a besoin, et à quoi ils ressembleront » ; il y a toujours une base, contrairement à ce qui se passe à Solar Impulse.

Quand je pense au nombre de facteurs et de variables qui entrent dans la construction d’un appareil aussi exceptionnel, je ne peux m’empêcher de me demander comment fait Röbi pour que ses cheveux n’aient pas déjà blanchi. Les ingénieurs étant basés à Dübendorf et à Payerne, il fait régulièrement la navette entre ces régions francophone et germanophone de la Suisse pour s’assurer du bon déroulement des choses.

 « Il faut commencer quelque part, même si on ne sait pas exactement où cela nous mènera, et simplement y aller pas à pas », m’a confié Röbi au cours de l’une de nos conversations. « Nous avons tendance à vouloir tout savoir dès le début, mais nous devons nous contenter de faire un premier pas, de progresser un peu puis de s’élancer pour le deuxième pas, en ne perdant pas de vue l’objectif ». Telle est la philosophie de Solar Impulse : pas à pas, on finit par y arriver.

Exactement comme quand André et Bertrand pensaient déjà à faire voler un avion solaire avant même d’avoir le matériel pour, Röbi commença à travailler sur le projet il y a 7 ans, sans savoir si l’avion pourrait vraiment voler ; mais pas à pas…

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