PROPULS-ION' ANR-20-ASTC-0029-02. Nouveaux concepts de propulsion tout électrique par vent ionique

Les innovations pour l’amélioration de la performance propulsive des aéronefs sont relativement incrémentales depuis une trentaine d’années, mais elles sont nécessaires du point de vue environnemental et énergétique, du fait de l’augmentation constante du trafic aérien. Elles résident principalement dans l’amélioration des performances des moteurs ou des caractéristiques aérodynamiques. Dans ce contexte, la propulsion électrique est envisagée comme une voie prometteuse car elle permet de diminuer l’impact carbone.

Plus précisément, une nouvelle possibilité s’est ouverte ces dernières années avec l’idée d’utiliser le vent ionique comme phénomène propulsif. Dans ce cas, la propulsion est totalement électrique puisque l’énergie initiale est électrique et les phénomènes physiques qui sont à l’origine de la poussée le sont aussi. En effet, le principe de la propulsion par vent ionique réside dans l’accélération de charges par un champ électrique qui induisent un transfert de quantité de mouvement aux molécules neutres de l’air. Celui-ci est alors accéléré par collisions avec les charges, produisant un « vent » d’origine ionique, d’où son nom. Plus simplement, la force électroaérodynamique (EAD) à l’origine de la poussée correspond à la somme des force de Coulomb que subit chacune des charges électriques. Les charges, quant à elles, sont créées par une « décharge couronne », un plasma froid qui se produit près d’une pointe ou d’un fil de très faible diamètre (appelé l’émetteur) auquel une haute tension est appliquée. C’est la présence d’un très fort champ électrique local dans l’air qui produit une décharge de Townsend, créant des charges qui quittent la zone d’ionisation pour aller vers une zone extérieure appelée zone de dérive. Il y a aujourd’hui un enjeu significatif à explorer ce nouveau paradigme de propulsion « tout électrique » d’aéronefs. En effet, l’équipe du Pr Barrett (MIT, USA) a réussi l’exploit de faire voler un drone de 2.4 kg et 5 mètres d’envergure avec ce type de propulsion. Les résultats de ces travaux ont été publiés dans Nature en novembre 2018. Depuis, le Pr Barrett a été invité sur de nombreux plateaux TV et à plusieurs conférences internationales. Il semble donc évident qu’un nombre significatif d’équipes de recherches américaines vont commencer à travailler sur ce sujet, financées par leur gouvernement. Par conséquent, il est important de développer des recherches en France dans ce domaine car il représente un enjeu stratégique. La première publication scientifique ayant abordé la possibilité d’utiliser le vent ionique comme mécanisme de propulsion date de 1967 et seule une dizaine d’articles a été publiée depuis lors. A l’origine, les chercheurs américains pensaient utiliser ce mode de propulsion pour des aéronefs naviguant dans l’atmosphère (sondes et ballons jusqu’à une trentaine de kilomètres d’altitude). Il est toujours imaginable que la propulsion électroaérodynamique (EAD) puisse être appliquée à ce type d’aéronefs atmosphériques, pour des applications de surveillance ou de télé-transmission. Mais on peut aussi imaginer que l’avion tout électrique du futur puisse utiliser la propulsion EAD.

La propulsion EAD présente de très nombreux avantages. Tout d’abord, elle est silencieuse et thermiquement furtive. De plus, elle n’est composée que de simples électrodes (absence de pièces mobiles), ce qui la rend très robuste et déployable sur une grande surface, les électrodes pouvant être de simples fils ou tiges rigides de très faible diamètre. Il est aussi important de mentionner la possibilité d’interfacer cette propulsion avec des panneaux solaires déployables à haute altitude, qui fourniraient l’énergie électrique nécessaire à la propulsion.