NASA X-57 Maxwell - NASA X-57 Maxwell
| X-57 Maxwell | |
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| Concept d'artiste du X-57 | |
| Rôle | Avion léger expérimental |
| origine nationale | États Unis |
| Fabricant | ESAero |
| Premier vol | 24 février 2022 (prévu) |
| Utilisateur principal | Nasa |
| Développé à partir de | Tecnam P2006T |
Le NASA X-57 Maxwell est un avion expérimental développé par la NASA , destiné à démontrer une technologie permettant de réduire la consommation de carburant , les émissions et le bruit . Le premier vol du X-57 est prévu pour le 24 février 2022.
Développement
L'expérience consiste à remplacer les ailes d'un bimoteur Tecnam P2006T de construction italienne (un avion léger conventionnel à quatre places) par des ailes à propulsion électrique distribuée (DEP) contenant chacune des hélices à entraînement électrique. Les vols d'essai devaient initialement commencer en 2017.
La première phase de test utilise une aile montée sur camion à 18 moteurs. La deuxième phase installera les hélices et les moteurs de croisière sur un P2006T standard pour une expérience d'essai au sol et en vol. Les tests de la phase 3 impliqueront l'aile DEP à haute portance et démontreront une efficacité de croisière à grande vitesse accrue. Les nacelles de pointe seront installées, mais les hélices, moteurs et contrôleurs à grande portance ne seront pas installés. La phase 4 ajoute les moteurs DEP et les hélices repliables pour démontrer l'augmentation de la portance.
Projet LEAPTech
Le projet Leading Edge Asynchronous Propeller Technology ( LEAPTech ) est un projet de la NASA qui développe une technologie expérimentale d'avion électrique impliquant de nombreux petits moteurs électriques entraînant de petites hélices individuelles réparties le long du bord de chaque aile d'avion . Pour optimiser les performances, chaque moteur peut fonctionner indépendamment à différentes vitesses, ce qui réduit la dépendance aux combustibles fossiles, améliore les performances et la qualité de conduite de l'avion et réduit le bruit de l'avion.
Le projet LEAPTech a débuté en 2014 lorsque des chercheurs du NASA Langley Research Center et du NASA Armstrong Flight Research Center se sont associés à deux sociétés californiennes, Empirical Systems Aerospace (ESAero) à Pismo Beach et Joby Aviation à Santa Cruz, en Californie . ESAero est le maître d'œuvre responsable de l'intégration du système et de l'instrumentation, tandis que Joby est responsable de la conception et de la fabrication des moteurs électriques, des hélices et de la section d'aile en fibre de carbone.
En 2015, des chercheurs de la NASA ont testé au sol une section d'aile en composite de carbone de 31 pieds (9,4 m) d'envergure avec 18 moteurs électriques alimentés par des batteries au lithium fer phosphate . Des tests préliminaires jusqu'à 40 mph ont eu lieu en janvier à l' aéroport du comté d'Oceano sur la côte centrale de la Californie. Monté sur un camion spécialement modifié, il a été testé jusqu'à 70 mph sur un lit de lac asséché à Edwards Air Force Base plus tard en 2015.
L'expérience précède le démonstrateur X-57 Maxwell X-plane proposé dans le cadre du programme Transformative Aeronautics Concepts de la NASA. Un avion X piloté devrait voler dans quelques années, après avoir remplacé les ailes et les moteurs d' un Tecnam P2006T par une version améliorée de l'aile et des moteurs LEAPTech. L'utilisation d'une cellule existante permettra aux ingénieurs de comparer facilement les performances de l'avion X avec le P2006T d'origine.
X-57 Maxwell
Le projet X-57 a été révélé publiquement par l'administrateur de la NASA Charles Bolden le 17 juin 2016 lors d'un discours liminaire prononcé devant l' American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) lors de son exposition Aviation 2016. L'avion a été nommé en l'honneur du physicien écossais James Clerk Maxwell .
Premier avion X de la NASA depuis plus d'une décennie, il fait partie de l'initiative New Aviation Horizons de la NASA, qui produira également jusqu'à cinq avions à plus grande échelle. Le X-57 a été construit par le projet SCEPTOR de l'agence , sur une période de développement de quatre ans au Armstrong Flight Research Center , en Californie, avec un premier vol initialement prévu pour 2017.
En juillet 2017, Scaled Composites modifiait un premier P2006T en configuration X-57 Mod II en remplaçant les moteurs à pistons par des moteurs électriques Joby Aviation , pour voler début 2018. La configuration Mod III déplacera les moteurs vers les extrémités des ailes pour augmenter l' efficacité de propulsion. . Mod configuration IV verra la mise en place du Xperimental, LLC haut rapport d' aspect aile avec 12 hélices plus petites le long de son bord d' attaque pour augmenter son décollage et l' atterrissage portance aérodynamique .
Le donneur Tecnam P2006T a été reçu en Californie en juillet 2016. Lors d'un test de décembre 2016, une cellule de batterie a été court-circuitée et la surchauffe s'est propagée à d'autres cellules, nécessitant une refonte de l'emballage de huit à 16 modules avec des séparateurs en nid d'abeille en aluminium . Les Rotax 912 seront remplacés par des moteurs électriques de 60 kW (80 ch) pour le Mod II. L'objectif de poids du Mod III est de 3 000 lb (1 400 kg) par rapport au P2006T 2 700 lb (1 200 kg) et vise une efficacité de croisière à grande vitesse 500% plus élevée, car la plus petite aile réduira la traînée de croisière , tandis que les hélices en bout d'aile contrebalanceront les tourbillons en bout d'aile . Le Mod IV avec 12 hélices pour décoller et atterrir aux mêmes vitesses que le P2006T n'est pas encore financé.
En décembre 2017, le module de batterie à refroidissement passif redessiné avec 320 cellules lithium-ion contre 640 a réussi les tests. L'expérience a aidé Electric Power Systems à développer une batterie pour le Bye Aerospace Sun Flyer 2 qui a effectué son premier vol en avril 2018. Joby Aviation a livré trois moteurs de croisière en 2017 et assemblait la dernière paire en juin 2018. Tests d'acceptation du moteur impliquant un 80 -heure. test d'endurance devait être simplifié avant l'intégration du véhicule. L'entrepreneur ES Aero dirigera des tests au sol approfondis sur des mois, culminant en 30 minutes de type mission à pleine puissance, avant de voler en 2019.
En septembre 2018, le premier moteur de croisière électrique Joby Aviation JM-X57 était monté avec des contrôleurs, des batteries et de nouveaux écrans de cockpit chez Scaled Composites à Mojave, avant les essais en vol à la mi-2019. La construction de l' aile composite à faible traînée ESAero était alors presque terminée, pour piloter le Mod 3 d'ici la mi-2020.
Construit par Xperimental , les tests de charge alaire optimisés pour la croisière ont été achevés en septembre 2019, à ± 120 % de la limite de charge de conception, vérifiant le libre mouvement des surfaces de contrôle et les tests de vibration pour les prédictions de flottement. Après les essais au sol des moteurs, ESAero devait livrer l'avion Mod 2 X avec des moteurs électriques remplaçant les moteurs à pistons d'origine au NASA Armstrong Flight Research Center en Californie la première semaine d'octobre. L'ESAero l'a livré le 2 octobre 2019. À cette époque, les essais au sol des systèmes devaient commencer fin 2019 et les essais en vol devaient commencer au troisième trimestre 2020.
En février 2021, la NASA devait commencer les tests fonctionnels au sol haute tension Mod 2 au Armstrong Flight Research Center d' Edwards, en Californie , en vue des tests de taxi et du premier vol.
Concevoir
Modifié à partir d'un Tecnam P2006T , le X-57 sera un avion électrique , avec 14 moteurs électriques entraînant des hélices montées sur les bords d'attaque des ailes. Les 14 moteurs électriques seront utilisés pendant le décollage et l'atterrissage, seuls les deux extérieurs étant utilisés pendant la croisière . Le flux d'air supplémentaire sur les ailes créé par les moteurs supplémentaires génère une plus grande portance, permettant une aile plus étroite. L'avion peut accueillir deux personnes. Il aura une autonomie de 100 mi (160 km) et un temps de vol maximum d'environ une heure. Les concepteurs du X-57 espèrent diviser par cinq l'énergie nécessaire pour piloter un avion léger à 175 miles par heure (282 km/h). Une réduction par trois devrait provenir du passage des moteurs à pistons aux batteries électriques.
La propulsion distribuée augmente le nombre et diminue la taille des moteurs d'avion. Les moteurs électriques sont sensiblement plus petits et plus légers que les moteurs à réaction de puissance équivalente. Cela leur permet d'être placés dans des endroits différents et plus favorables. Dans ce cas, les moteurs doivent être montés au-dessus et répartis le long des ailes plutôt que suspendus en dessous.
Les hélices sont montées au-dessus de l'aile. Ils augmenteront le flux d'air au-dessus de l'aile à des vitesses inférieures, augmentant ainsi sa portance. La portance accrue lui permet d'opérer sur des pistes plus courtes . Une telle aile pourrait ne représenter qu'un tiers de la largeur de l'aile qu'elle remplace, ce qui permet d'économiser du poids et des coûts de carburant. Les ailes d'avion léger typiques sont relativement grandes pour empêcher l'engin de décrocher (ce qui se produit à basse vitesse, lorsque l'aile ne peut pas fournir une portance suffisante). Les grandes ailes sont inefficaces à vitesse de croisière car elles créent une traînée excessive . Les ailes seront optimisées pour la croisière, les moteurs le protégeant des décrochages à basse vitesse et atteignant la norme des petits avions de 61 nœuds (113 km/h).
La vitesse de chaque hélice peut être contrôlée indépendamment, offrant la possibilité de modifier le modèle de flux d'air au-dessus de l'aile pour faire face aux conditions de vol, telles que les rafales de vent. En croisière, les hélices plus proches du fuselage pouvaient être repliées pour réduire davantage la traînée, laissant celles vers les extrémités des ailes pour déplacer l'avion. De tels avions n'auraient aucune émission en vol, fonctionneraient avec moins de bruit et réduiraient les coûts d'exploitation d'environ 30 %. L'efficacité de croisière devrait augmenter de 3,5 à 5 fois.
L'aile d'envergure de 31,6 pieds (9,6 m) avec un allongement de 15 se compare à 37,4 pieds (11,4 m) et 8,8 pour l'aile d'origine P2006T, la corde de l'aile élancée est de 2,48 pieds (0,76 m) à l'emplanture et de 1,74 pieds ( 0,53 m) à la pointe. L'aile comporte 12 hélices de croisière de 1,89 pi (0,58 m) de diamètre qui nécessitent chacune 14,4 kW (19,3 ch) de puissance motrice à 55 nœuds (102 km/h) et tournent à 4 548 tr/min . Les hélices à cinq pales se replient en croisière pour réduire la traînée. Chaque bout d'aile abrite deux hélices de croisière à 3 pales de 1,5 m de diamètre qui nécessitent chacune 48,1 kW (64,5 ch) à 150 nœuds (280 km/h) et tournent à 2 250 tr/min. L'emplacement de l'extrémité de l'aile offre une interaction favorable avec les tourbillons de l' extrémité de l' aile , ce qui devrait permettre une économie de traînée de 5 %. Les batteries de 47 kWh (170 MJ) pèsent 860 lb (390 kg) pour une densité de 121 Wh/kg.
Le groupe de 12 hélices à grande portance devrait maintenir la vitesse de décrochage de 58 nœuds (107 km/h) . L'aile optimisée a 40% de la surface de base, réduisant la traînée de friction et une charge alaire 2,6 fois plus élevée. Il mesurera 32,8 ft (10,0 m) de large mais aura une corde 40% plus petite , pour une charge alaire allant de 17 à 45 psf (83 à 220 kg/m 2 ), et devrait naviguer à un coefficient de portance plus élevé , autour de 4 , plus du double de l'aile de la ligne de base.