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Flight coach : une nouvelle vision du transport régional et moyen courrier

Flight-Alternatives est une équipe franco-suisse d’une dizaine d’ingénieurs passionnés d’aéronautique et dirigée par  Jean-Michel Schulz, ingénieur spécialisé de ISAE-SUPAERO, qui enseigne les technologies aéronautiques, la propulsion et le management technique à la Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du canton de Vaud (Suisse) et à l’EIGSI de La Rochelle. Depuis plus de 2 ans, Flight-Alternatives travaille sur un propulseur hypersustentateur, reprenant, adaptant et améliorant les travaux de W. Custer.

Flight-Alternatives propose des concepts futuristes de transports aériens urbains (ci-dessus : l'avion de transport régional FlightCoach) pour illustrer son application et résoudre des problématiques environnementales et sociétales. © L.Comby-P.Lemeunier/Flight Alternatives

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Depuis plus de 50 ans, le transport aérien s’est développé principalement dans une logique de transport de masse. La taille des aéronefs a globalement grossi, parfois par phases avec les deux concepts concurrents de « point to point » ou de « hub and spoke » et le plus souvent, la combinaison subtile des deux. Cette optimisation ultime, d’un compromis compliqué et finalement quasi-unique, a conduit à un certain mimétisme de l’offre des avions commerciaux et de leurs utilisations.

Investir dans le module plutôt que dans les infrastructures

Mais ce raisonnement commence à se heurter à ses propres limites en termes d’infrastructures et de développement. La saturation aéroportuaire concerne aussi bien les phases d’approches, que celles au sol. L’observation de cette surcharge paralysante, s’accentue encore lorsqu’il s’agit des opérations de transports régionaux, très gourmandes en « slots » et en mouvements aéronefs, qui desservent le plus souvent les mêmes plateformes de correspondances.

Les conséquences de cette saturation aéroportuaire pourraient s’avérer particulièrement critiques dès l’horizon 2035. Les solutions actuelles consistent à investir massivement, là où c’est encore possible, dans des aéroports de plus en plus grands, aux gigantismes souvent ingérables. Ou encore de délester une partie du trafic dans des aéroports qui sont de plus en plus éloignés des zones urbaines attrayantes. Dans les deux cas, ces déploiements ont pour conséquences de saturer à leur tour les infrastructures terrestres locales, ainsi que de cumuler les temps de transport et de transit des passagers, rendant le bénéfice d’un moyen de transport rapide, illusoire.

Le Flight Coach, un petit STOL

La petite équipe franco-suisse de Flight-Alternatives, travaille donc sur un nouveau concept original de transport régional aérien, à horizon de 10 à 20 ans. Le FlightCoach (fig. 1) est un petit appareil capable de décoller et d’atterrir sur des pistes très courtes, directement au centre des villes. Par exemple, sur un terrain qui serait équivalent en longueur à celui d’un stade de football ou sur un parking de supermarché.

L’appareil de 18.500 kg de masse maximale au décollage et de 48 places passagers, se comporte, ainsi que son nom l’indique, comme une sorte de bus inter cités. Ce concept STOL (Short Take-Off and Landing), n’est pas nouveau, comme en témoigne ses plus illustres prédécesseurs, les Breguet 940, 941 puis 942 ( « McDonnell-Douglas 188 » pour les USA). Ou encore, cette déclaration de J.-B Edwars, ancien chef du service des études de Douglas, devant un congrès de l’Institut des sciences aéronautiques en 1956 : « Les avions rapides à grande capacité ne peuvent être plus rentables que les DC 3 sur les lignes locales à clientèle limitée ; c’est pourquoi la compagnie Douglas étudie le remplacement des DC 3 par des hélicoptères commerciaux ». Mais quelques fussent les nombreuses améliorations, l’hélicoptère n’a jamais réussi à s’imposer comme un moyen de transport en commun indépendant, économique, écologique et généralisable.

Le projet d’avion hybride de transport régional porté par Flight Alternative © L.Comby-P.Lemeunier / Flight Alternatives

C’est précisément ce que cherche à réaliser le FlightCoach, même s’il pourra également être utilisé comme «prolongateur» de hub. A cette fin, des zones spéciales pourraient lui être réservées dans les grands aéroports, avec de très courtes pistes et des phases de vols en dessous de la TMA (TerMinal control Area), ce qui limiteraient ses interactions avec les autres opérations aériennes et au sol.

Le FlightCoach est doté de 6 propulseurs, tous équipés de la fameuse nacelle hypersustentatrice, qui fait l’objet des recherches de Flight-Alternatives et qui a déjà conduit aux études du taxi volant FlightCab et de l’appareil d’intervention rapide le FlightHero.

Principe de fonctionnement du propulseur hypersustentateur du projet FlightCoach © Flight Alternatives

Propulseurs orientables

Dans cette version de transport régional, ces propulseurs sont orientables en incidence à +/- 45° et constitués chacun de 2 moteurs électriques de 300 kW reliés à des hélices contrarotatives de 2,0 m de diamètre et à pas variables. La formule aérodynamique de l’appareil, de type instable, est composée de 3 voilures d’une surface alaire totale de 75 m2.

Les profils aérodynamiques de l’aile haute et de la profondeur portante, sur lesquelles sont fixés les propulseurs, ont été choisis afin de permettre un basculement en incidence de plus de 25° sans décrochage direct. De fait, la phase de transition, particulièrement critique dans le cas des appareils convertibles, est aisée et progressive dans le cas du FlightCoach.

Cette phase de transition passée, le FlightCoach se pilote comme un avion traditionnel, jusqu’à l’étape d’approche qui nécessitera une incidence des ailes et des propulseurs proche de 25° et après touché, une inversion du pas des hélices pour un atterrissage très court de quelques dizaines de mètres. La 3ème voilure est constituée d’un large plan canard en guise de profondeur en vol normal et qui fait également office d’aérofreins à l’atterrissage.

Production d’énergie électrique

La fourniture de l’électricité sera assurée par 2 turbomoteurs de type APU, d’une puissance nominale cumulée de 3.000 kW. Ces moteurs situés à l’arrière de la carlingue sont parfaitement calfeutrés, réduisant ainsi fortement les nuisances sonores.

La surpuissance, nécessaire aux phases de décollage et d’approche, sera obtenue par l’intermédiaire d’un stockage de possibles batteries Lithium-air (hypothèses basses de 1.000 Wh/kg) d’un poids total de 1.000 kg. Cette puissance électrique disponible, autorise des décollages et des atterrissages avec une charge thermique quasi nulle, réduisant ainsi très fortement l’empreinte carbone en plein centre-ville.

Placés à l’avant de l’appareil, ces accumulateurs garantissent également une autonomie de 15 minutes à pleine puissance en cas de la panne simultanée des 2 APU. Elles sont rechargées au maximum avant le décollage (prise électrique sol) ainsi que lors du début de la phase de croisière.

Le système à 6 propulseurs, avec 12 moteurs et autant d’hélices indépendantes, sera également un gage de sécurité de l’appareil, qui moyennant une certaine vitesse initiale sera capable de voler et de se poser sur un aérodrome classique même avec 6, voire 7 moteurs simultanément en pannes.

STOL voire VTOL

L’incidence négative des propulseurs au point fixe, permet d’accroitre fortement l’accélération longitudinale et ainsi réduire encore la distance de décollage. L’incidence augmente régulièrement, jusqu’à atteindre une valeur positive de 20°. Lorsque l’appareil atteint une vitesse de l’ordre de 15 à 20 m/s, il décolle presqu’à la verticale, et franchit la barre des 35 ft d’altitude en moins de 100 mètres de longueur.

La courbe de montée sera soit traditionnelle, si l’espace est dégagé, soit hélicoïdale en profitant du découplage quasi-total des axes de lacet et de roulis, possible à faible vitesse sur cet appareil. Lorsque la masse maximale au décollage est réduite à 16.000 kg (par exemple 2.500 kg de carburant en moins, soit une autonomie restante d’environ 550 km), le FlightCoach peut même décoller et atterrir à la verticale (VTOL : Vertical Take-Off and Landing).

Comparatif de vol entre le FlightCoach et ses concurrents classiques. © Flight Alternatives

En croisière, l’appareil pressurisé, volera entre 550 et 575 km/h à l’altitude de 7.000 mètres. Sa consommation est estimée à 600 kg de carburant par heure. Dans ces conditions, fort de sa capacité de carburant de 4.250 litres, son autonomie maximale sera de l’ordre de 1.900 km pour temps de vol d’environ 3 heures et demi. Une réduction de la vitesse de vol permet d’augmenter fortement cette autonomie au détriment de l’équilibre économique.

Le graphique ci-dessus présente une analyse comparative de la puissance minimale nécessaire en fonction de la vitesse de vol pour le FlightCoach et ses principaux concurrents.  Il montre l’augmentation de puissance nécessaire pour le vol vertical et à très basse vitesse et permet de comprendre la flexibilité et l’efficacité de fonctionnement du FlightCoach, ainsi que la parfaite adéquation de la puissance de décollage et celle du vol de croisière à 550 km/h (153 m/s).

La cellule du FlightCoach de 2,85 mètres de diamètre intérieur, pour un monocouloir de 4 sièges par rangée, est 10% supérieure en largeur que ses principaux concurrents de technologies classiques. Le confort et l’intimité des passagers est encore accrue par le positionnement des sièges en quinconce de part et d’autre du couloir qui est réduit au minimum réglementaire. Ce qui permet finalement une augmentation en largeur de presque 3’’ par siège par rapport à un avion concurrent de la même catégorie.

De même, la longueur cabine de 17 m permet une augmentation de l’espacement des sièges en longueur de l’ordre de 30 cm soit 35% supplémentaire à une cabine économique classique. Avec de telles dimensions, le confort cabine du FlightCoach est supérieure à certaines premières classes et offre un réel changement avec les offres commerciales régionales et moyens courriers actuelles.

20 M€ pièce

L’équipage est composé de 2 pilotes et d’un personnel navigant commercial. Une première approximation permet d’évaluer le prix de l’appareil à 20 millions d’Euros, pour une durée de vie de 20 ans, 75.000 heures de vol ou 75.000 cycles minimum. La maintenance durant la totalité de la vie de l’appareil est supputée égale au prix de l’appareil.

Avec ces hypothèses, le coût d’exploitation direct (carburant, personnel de bord, maintenance et amortissement de l’appareil sans frais financier) du FlightCoach en condition de croisière, sera inférieur à 2 Euros actualisés par kilomètre, soit environ 0,04 €/km/pax pour un remplissage de 100%. La petite taille de l’appareil devrait permettre de fort taux moyen de remplissage.

Estimation de la consommation et des coûts d’exploitation au kilomètre du FlightCoach. © Flight Alternatives

En conclusion, le FlightCoach répond aux besoins sociétaux, environnementaux et économiques d’un monde où la mobilité permanente et particulièrement urbaine est devenue indispensable et va en s’accentuant. De par sa typologie même, il permet de s’affranchir de la course au gigantisme et de la saturation des infrastructures aéroportuaires. Il permettra également d’échapper, au moins en partie, aux charges financières grandissantes de ces organisations, le plus souvent en situation de quasi-monopoles.

De l’hybride au 100% électrique

L’analyse technico-économique présente le FlightCoach comme une réponse viable aux enjeux du transport régional et même pour partie des moyen-courriers. Sa motorisation hybride est une 1ère étape vers l’avion à propulsion électrique, en attendant les progrès technologiques indispensables pour le stockage de l’énergie (accumulateurs, hydrogène, etc.).

Il permet de répondre à l’urgence sanitaire de la pollution urbaine, par un bilan carbone neutre en centre-ville. Par ailleurs, en libérant les grandes infrastructures aéroportuaires classiques, d’une partie du trafic régional et même des moyen-courriers, il pérennise et permet d’envisager de fortes croissances pour les activités traditionnelles de long-courriers, une sorte de second souffle pour l’organisation en hub.

Il reste certes, un travail très conséquent avant de le finaliser, de la certifier et le voir voler, qui plus est, de se poser en plein centre-ville de grandes agglomérations. Mais les apparences sont parfois trompeuses, en dépit de résultats économiques idylliques et de carnets de commandes exceptionnels, ce sont ce type de projets, initiés dès à présent, qui permettront à l’aéronautique commerciale, particulièrement régionale et des moyen-courriers, de perdurer au-delà de la 2ème partie XXIème siècle et de s’adapter aux changements et évolutions en cours et à venir.

L’équipe de Flight-Alternatives recherche des investisseurs, des partenaires techniques et des industriels aéronautiques pour partager leurs études et poursuivre les recherches sur le concept du FlightCoach, et même de le transformer en un projet de développement si le marché se précise.

Jean-Michel Schulz

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