ZEHST une étude conceptuelle de transport à grande vitesse

et ASTRIUM

2

EADS INNOVATION WORKS et ASTRIUM ont

lancé, en partenariat avec l’ONERA, le centre

français de recherche aérospatiale, un projet

financé par la Direction Générale de l’Aviation Civile

(DGAC), visant à développer une étude système

et des démonstrateurs technologiques associés

reposant sur le concept d’un futur système de

transport commercial à grande vitesse capable

d’effectuer des vols long-courriers, tels que Tokyo-

Los Angeles ou Tokyo-Londres, en moins de 2h30,

avec un très faible impact environnemental, et

pouvant être exploité comme un avion commercial

standard.

Baptisé ZEHST, ce concept de transport à

grande vitesse, qui s’appuie sur le savoir-faire

acquis par ASTRIUM dans le cadre de son

projet d’avion spatial suborbital, est intégré

aux activités eCO2avia d’EADS INNOVATION

WORKS, qui incluent également divers projets

visant à démontrer la faisabilité de l’utilisation de

biocarburant à base d’algues et d’énergie électrique

dans le transport aérien.

Réduire les temps de trajet pour les passagers a

toujours été, et demeurera, un aspect essentiel dans

le développement des systèmes de transport aérien

dans le monde. Les futurs avions long-courriers ne

sont pas seulement amenés à être plus rapides,

il leur faudra également satisfaire aux ambitieuses

exigences de l’industrie des transports aériens en

termes de protection de l’environnement, y compris

les objectifs fixés dans la feuille de route de la

Commission européenne intitulée « Flightpath 2050

– Europe’s Vision for Aviation ». Le rapport de la

Commission européenne prévoit une réduction de

75 % des émissions de carbone (CO2) dues au

transport aérien, accompagnée d’une réduction de

90 % des émissions d’oxydes nitriques (NOx) et de 65 %

des nuisances sonores par rapport à l’an 2000.

Réservoirs d'hélium Réservoirs d'oxygène

Stato-réacteur Turbo-réacteur

Réservoirs d'hydrogène Stato-réacteur

Turbo-réacteur

Moteurs-fusées

cryogéniques

3

Les démonstrateurs ZEHST devraient être achevés

d’ici à la fin de la décennie et ouvrir la voie au

développement d’un aéronef opérationnel. Une

première étude de faisabilité et des systèmes financée

par la Direction générale de l’Aviation civile (DGAC)

a d’ores et déjà été initiée. De nombreux défis

techniques devront être maîtrisés pour permettre aux

futurs systèmes de transport commercial à grande

vitesse de fournir les performances requises, tout en

respectant les futures contraintes environnementales.

Les études menées ont pour but de définir les moyens

de répondre aux exigences et d’atteindre les objectifs

tout en tenant compte des contraintes techniques.

Dans cette optique, le projet ZEHST est chargé de

mener à bien les travaux suivants :

• définitiondesspécificationsinitialesetdes

objectifs ;

• développementitératifdesolutionstechniques

recevables ;

• évaluationdenouvellestechnologieseuégardà

leur pertinence, à leur maturité et aux risques et

opportunités associées ;

• identification,évaluationetsélectiondenouvelles

technologies prometteuses et développement

d’applications basées sur ces dernières ;

• évaluationdeservicespotentielsinnovants

dérivés de ce concept.

Le système de propulsion ZEHST a fait l’objet d’un

concept initial adoptant l’hydrogène liquide comme

carburant principal. Ce concept constitue la première

étape vers la définition d’une solution de référence

primaire susceptible d’être transmise aux centres de

compétences des organismes partenaires en vue

de la réalisation d’études de faisabilité technique

approfondies. Outre la conception initiale de l’appareil,

le projet ZEHST élaborera un programme de

maturation technologique ainsi que la définition

préliminaire des bancs d’essais associés. La

prochaine étape de ce projet à long terme consistera

à valider l’empreinte environnementale du concept

ainsi que l’architecture de son système de propulsion.

Le type de carburant utilisé sera sélectionné en

fonction de sa performance environnementale,

mais aussi des contraintes de production et de

distribution, sans oublier les aspects liés à la gestion

énergétique et à l’acceptation du concept par les

futurs passagers et équipages, et l’opinion publique.

Les campagnes de tests et les démonstrateurs

représenteront des jalons critiques pour le succès

de la seconde phase de cette feuille de route. Dans

un troisième temps, le projet abordera les

spécifications d’un aéronef à grande vitesse capable

d’effectuer un vol hypersonique intercontinental, à la

fois silencieux et respectueux de l’environnement, et

susceptible de devenir, en 2050, l’avion opérationnel

standard des compagnies aériennes.

ZEHST | Feuille de route du projet ZEHST

4

Le concept initial propose une architecture de

système de propulsion centrée sur la sécurité

en vol, la réduction des émissions de gaz et de

bruit, en particulier l’atténuation de la perception

du bang sonique. Trois types de moteurs entrent

successivement en action au cours des différentes

phases d’un vol longue distance à une vitesse de

croisière hypersonique. Le savoir-faire accumulé

par ASTRIUM au cours des cinq dernières années

dans le cadre de recherches consacrées aux avions

spatiaux sera mis à profit pour maîtriser les phases

ascendantes et descendantes du vol.

ZEHST | Concept initial du système de propulsion ZEHST et profil de vol

L’un des critères essentiels dans la conception du

ZEHST consiste à garantir aux passagers des

conditions de vols agréables et « normales »

ne nécessitant aucun équipement ou entraînement

spéciaux. Durant la montée rapide et l’accélération

produites par les moteurs-fusées, les passagers

du ZEHST devraient ressentir une légère force

d’accélération (n’excédant pas 1,2 g) sur une

courte durée.

Décollage d’une piste standard (turbo-réacteurs)

Deux petits moteurs-fusées à ergols liquides

(hydrogène/oxygène) puis un troisième

modèle plus grand (développé à partir des

moteurs-fusées utilisés par les lanceurs

commerciaux Ariane) permettent ensuite à

l’aéronef de poursuivre son ascension

pour rejoindre son altitude de croisière

et effectuer une accélération en régime

transsonique pour atteindre Mach 2,5.

La poussée requise pour la phase initiale

du vol du ZEHST, qui débute par un

décollage classique depuis une piste

standard suivi de la montée initiale pour

atteindre 5 km d’altitude avant d’accélérer

jusque Mach 0,8, sera fournie par deux

turboréacteurs haute puissance, sans post

combustion, fonctionnant au biocarburant.

5

Les activités de recherche autour du concept ZEHST

se concentreront sur les différents aspects des futurs

systèmes de transport aérien à grande vitesse. Elles

consisteront notamment à :

• évaluer la possibilité d’utiliser l’hydrogène

comme carburant, et déterminer s’il s’agit d’une

solution viable plus écologique que les

bio-hydrocarbures ;

• examiner les émissions de vapeur d’eau et

de NOx des aéronefs en mode strato-réacteur sur

diverses trajectoires de vol, en particulier eu égard à

la couche d’ozone de la Terre ;

• déterminerlespossibilitésqueprésentelevéhicule

pour réduire le bang supersonique ;

• maîtriserlacomplexitédestransitionsentreles

différents modes de propulsion de l’aéronef ;

ZEHST | Domaines de recherche

• développerdesmatériauxlégerscapablesde

résister à de hauts niveaux de contrainte et à de

hautes températures au cours de nombreux cycles

de vol consécutifs ;

• définirlaprotectionetlagestionthermiques

adéquates pour la cabine passagers et le cockpit ;

• évaluerlaproductionetlestockaged’électricité

à bord des aéronefs propulsés par des moteurs

hypersoniques dépourvus d’éléments rotatifs ;

• évaluerl’impactsurleconfortpassager(ycompris

en termes d’accélération, de rayonnement

cosmique naturel, d’interaction entre le pilote

et l’appareil, d’interfaces cabine/passagers, de

services à bord, et de gestion d’environnement

cabine en matière de bruit, température et

humidité, en conditions de vol standard).

Attente, approche et atterrissage sur piste standard

Quand l’appareil atteint une vitesse

suffisante et 23 km d’altitude, deux

statoréacteurs atmosphériques à hydrogène

prennent le relais pour assurer une vitesse

de croisière, à un nombre de Mach optimal

en termes de consommation de carburant,

pouvant dépasser (beyond) Mach 4 à une

altitude maximale de 32 km.

Lors de la phase d’approche vers la

destination, l’appareil effectue une descente

en plané permettant une décélération en

régime subsonique, suivie d’un réallumage

des turboréacteurs à une altitude de 10 km

pour une approche et un atterrissage

normal, avec une poussée suffisante

pour permettre la remise des gaz ou

une déviation de l’appareil vers un autre

aéroport, si nécessaire.

6

Entrée d’air (M>1)

Compression (M<1)

Cone de choc

Injection carburant

Chambre de combustion

Grille Tuyère (M=1)

Éjection (M>1)

Les stato-réacteurs, qui devraient permettre

l’accélération du ZEHST pour atteindre sa vitesse

de croisière maximale et maintenir une vitesse de

vol très élevée, sont dépourvus d’éléments rotatifs

et utilisent l’air environnant pour assurer

la combustion du carburant, qu’il s’agisse

d’hydrogène, de kérosène, de méthane, de gaz

ou de biocarburant. Avec une consommation

de carburant relativement faible, ils sont

particulièrement adaptés à des vols longue

distance dans l’atmosphère. Pour produire

une poussée, les stato-réacteurs font circuler les

émissions de chaleur issues de la combustion d’un

carburant dans une tuyère, accélérant ainsi le flux.

C’est la réaction à cette accélération qui produit la

poussée. Pour maintenir le flux dans la tuyère, la

combustion doit avoir lieu à une pression supérieure

à la pression de sortie de la tuyère.

La haute pression des stato-réacteurs est produite

par une « injection » d’air dans la chambre de

combustion reposant sur la vitesse de propulsion de

l’appareil. Au sein du stato-réacteur, le processus

de combustion a lieu à un régime subsonique. Dans

le cas d’un aéronef dépassant la vitesse du son

(Mach >1), l’air entrant dans le moteur est ralenti

à une vitesse subsonique (Mach <1) grâce à des

ondes de choc produites par le cône d’entrée du

réacteur. Un stato-réacteur n’est en mesure de

produire une poussée suffisante qu’à partir du

moment où l’appareil se déplace à une vitesse

supersonique supérieure à Mach 2. L’absence

d’éléments rotatifs rend les stato-réacteurs

plus légers et plus faciles à construire que les

turboréacteurs. La technologie des stato-réacteurs

a été éprouvée jusqu’à Mach 5 sur des aéronefs

sans pilote.

ZEHST | Principes de base des stato-réacteurs

7

Carburant Carburant ComburantComburant

Echappement générateur

Les moteurs-fusées destinés au projet ZEHST seront

dérivés des modèles employés par les lanceurs

commerciaux Ariane. Ces moteurs utilisent

actuellement comme carburant de l’hydrogène

cryogénique (refroidi et sous forme liquide) et comme

oxydant de l’oxygène cryogénique, tous deux stockés

dans des réservoirs distincts. Les réservoirs d’ergols

sont pressurisés par injection d’hélium stocké dans

des réservoirs à haute pression spécifiques. Quand

les moteurs-fusées entrent en action, les ergols sont

injectés à l’aide d’une pompe dans une chambre

de combustion, où ils sont mélangés puis brûlés.

Cette combustion produit de grands volumes de gaz

à haute température (de l’ordre de 2 500/3 000 K)

et à haute pression. La chaleur émise est envoyée

dans une tuyère, qui accélère le flux et produit une

poussée. Ces moteurs sont équipés d’un circuit

de refroidissement doté de tubes, qui entourent la

chambre de combustion et la tuyère et dans lesquels

circulent certains ergols refroidis leur permettant de

résister à ces hautes températures.

L’illustration présente le cycle de production de gaz

dans le moteur Vulcain d’Ariane (à gauche). Dans

les types de moteurs qui tirent l’énergie nécessaire

du circuit de refroidissement et non d’un générateur

de gaz pour actionner les pompes, on a affaire à un

cycle expander, tel que dans le moteur Vinci (à droite)

en cours de développement.

Les moteurs-fusées de ZEHST devront être adaptés

à de multiples usages. Le savoir-faire de l’industrie

spatiale européenne en matière de réutilisabilité des

moteurs-fusées, qui repose sur la construction de

moteurs réutilisables et sur des études réalisées

notamment dans le cadre des programmes de

lanceurs réutilisables, laisse présager de la faisabilité

de ce projet ambitieux.

ZEHST | Principes de base des moteurs-fusées cryogéniques

Pompes

Turbine

Chambre de Combustion

Tuyère Tuyère

E A D S C O R P O R AT E T E C H N I C A L O F F I C E

81663 MunichGermany

12 rue Pasteur92152 Suresnes CedexFrance

Contact: innovationworks@eads.netVis

uals

| La

ngua

ge

| eM

edia

E

AD

S |

601

| 3

86_0

1 |

FR

| 0

611

© E

AD

S. A

ll ri

ght

s re

serv

ed.

ZEHST | Des objectifs ambitieux

Au-delà des objectifs environnementaux, la feuille

de route « Flightpath 2050 – Europe’s Vision for

Aviation » aborde l’orientation client et les besoins du

marché, de même que la compétitivité industrielle et

la nécessité de maintenir les compétences requises

et de préserver une infrastructure de recherche en

Europe. Elle souligne par ailleurs que le leadership en

matière de technologie restera un atout concurrentiel

décisif et que les percées technologiques seront

indispensables pour préserver les avantages

compétitifs.

Le projet ZEHST soutient les objectifs de « Flightpath

2050 » dans tous ces domaines. EADS INNOVATION

WORKS, ASTRIUM et l’ONERA exploitent pleinement

leur expertise en matière d’architectures globales de

systèmes complexes par le biais d’une optimisation

multi-physique, soutenue par des simulations

numériques et associée à une intégration poussée

des maquettes numériques, à des outils d’ingénierie

collaborative et à diverses disciplines de l’ingénierie

des matériaux. Ces sociétés partenaires déploient

leurs compétences en matière de gestion de projet

à l’échelle internationale dans le cadre de leur

collaboration avec de multiples partenaires industriels,

instituts de recherche et organismes publics.

Le programme ZEHST a pris, entre autres, sa source

dans une coopération Franco-japonaise, suite à la

signature au Salon du Bourget 2005, d’un accord

de coopération sur les technologies supersoniques

entre le Groupement de Industries Françaises

Aéronautiques et Spatiales (GIFAS) et la Société des

Compagnies Aérospatiales Japonaise (SJAC). Le

but était de nourrir et d’enrichir les relations entre

les industries Aérospatiales des deux pays. EADS a

ensuite proposé d’étendre cette coopération à l’étude

d’un concept de transport haute vitesse.

EADS INNOVATION WORKS est le réseau de

Recherche & Technologie du Groupe EADS. Ses

équipes hautement qualifiées, qui comptent plus

de 700 personnes, travaillent dans les laboratoires

garants du potentiel d’innovation technologique

d’EADS à des projets axés sur le long terme. Le

réseau et les équipes d’EADS INNOVATION WORKS

s’articulent autour de sept centres de compétences

techniques transnationaux :

• Technologiescomposites

• Technologiesmétalliques&Ingénieriedes

surfaces

• IngénierieStructures,Production&Mécanique

aéronautique

• Ingénierie,Physique,IT,ServicesdeSécurité

et de Simulation

• Senseurs,ElectroniqueetIntégrationsystèmes

• Energie&Propulsion

• Concepts&Scénariosinnovants

ZEHST est l’un des projets de plate-forme aérienne

destinés à la nouvelle génération de produits

EADS menés par le service « Transversal Projects

and Demonstrators » (projets transversaux et

démonstrateurs) du centre de compétences

techniques « Concepts & Scénarios innovants ».