Photo du EC155 B1 tirée de ce site : www.aircraftcompare.com/subcategory/Large-Helicopters/24
Ce billet est mon troisième et dernier sur le potentiel des navettes volantes à multiples hélices. Le gros défi de ces navettes va être d’atteindre un prix suffisamment bas, car le coût des hélicoptères de 12 passagers aujourd’hui tourne autour de 12 millions $ canadiens, soit 1 million $ par passager.
À titre de comparaison, pour une navette de monorail à grande vitesse (MGV) d’une capacité de 60 passagers, on devrait s’attendre à un prix d’achat de 3 millions $ environ, puisque c’est à toute fin pratique un autobus électrique rapide qui roule sur un rail, et qu’un autobus électrique ordinaire coûte approximativement 1 million $. On a donc un coût de navette de MGV qui graviterait autour de 50 000 $ par passager. C’est 20 fois moins qu’un hélicoptère! Et le prix d’entretien des hélicoptères est certainement bien plus élevé que ce qu’on est en droit de s’attendre pour des navettes de MGV. Par ailleurs, avec des hélicoptères de 12 passagers on a besoin de 5 pilotes au lieu d’un conducteur pour une navette MGV de 60 passagers, ce qui augmente encore là les coûts d’opération de façon significative.
La vitesse, elle, serait de 250 km/h autant pour le MGV que pour un hélicoptère. Pour plus de détails, voir les caractéristiques de l’Eurocopter EC155 B1 à 12 passagers (plus le pilote) ici www.aircraftcompare.com/subcategory/Large-Helicopters/24 . Si le lien ne fonctionne pas, faites un copier-coller de l’adresse URL.
Pour que les navettes volantes à plusieurs hélices (style drone) puissent pénétrer le marché du transport des passagers de façon importante, il faudra donc que leur prix soit beaucoup plus faible que celui d’un hélicoptère, pour un même nombre de sièges.
Il y a principalement cinq raisons qui font que le prix d’un hélicoptère est aussi cher :
- Les hélicoptères sont produits en petite quantité (il y a environ 150 propriétaires privés d’hélicoptère au Québec),
- La grande consommation d’énergie d’un hélicoptère à 12 passagers (150 litres/100 km) demande des moteurs puissants (700 kW) et légers,
- Le moteur doit être extrêmement fiable pour des raisons évidentes de sécurité,
- La complexité du contrôle de la poussée avec le rotor nécessite des systèmes mécaniques complexes sous forts stress, ce qui demande les plus hauts standards de qualité et de résistance pour les pièces mécaniques.
- Les matériaux de la structure doivent être légers et résistants
Quant aux futures navettes volantes de type drone à multiples rotors, les points 3 et 4 peuvent pratiquement être éliminés, ce qui va faire baisser les coûts et influencer le point 1 dans le bon sens. Est-ce que cela sera suffisant pour diminuer les coûts d’achat à un niveau compétitif en regard d’un MGV? Pour cela, il faudrait que le coût d’achat d’une navette volante soit environ 4 à 5 fois moins cher que celui d’un hélicoptère (pas 20 fois moins car pour le MGV il faut compter le coût de l’infrastructure). De plus, il faudrait que les navettes volantes puissent avoir une conduite robotisée. C’est beaucoup demander, du moins pour les quinze prochaines années.
Afin de mieux comprendre ce qu’il sera possible de faire pour réduire les coûts, regardons les différences fondamentales entre les deux technologies.
La complexité mécanique du rotor d’un hélicoptère
Les systèmes mécaniques de contrôle du rotor principal d’un hélicoptère sont complexes. L’angle d’attaque de chaque pale du rotor doit pouvoir être ajusté différemment de l’angle d’attaque des autres pales, tout en variant cet angle selon la position de la pale par rapport à l’hélicoptère. Ceci, de manière à exercer plus de poussée en avant, en arrière, sur un côté ou sur l’autre, et ainsi avancer, reculer, ou se déplacer à droite ou à gauche avec l’hélicoptère. Une animation 3D du rotor du Sea King S-61, sur YouTube, permet de comprendre les mécanismes impliqués pour y arriver. C’est un manche, entre les jambes du pilote et appelé cyclique qui contrôle tout ça.
Un deuxième manche, appelé le collectif, varie simultanément et de la même façon l’angle d’attaque de toutes les pales, ce qui donne plus de poussée et fait lever l’hélicoptère lorsqu’on met les gaz (manette sur le manche collectif). Finalement, le rotor de queue fait pivoter le nez de l’appareil pour l’orienter dans la direction où l’on se dirige. Ce sont deux pédales, le palonnier, qui permettent d’effectuer cette manœuvre. Mais, le rotor arrière doit toujours tourner pour contrebalancer la rotation de l’hélicoptère, sinon celle-ci se mettrait en rotation permanente dans le sens inverse du rotor principal, en raison de la conservation du moment angulaire.
La simplicité mécanique des rotors de drones
Le fait d’avoir plusieurs hélices sur un drone simplifie de beaucoup la mécanique et le contrôle du drone. Pour les fins de discussion, supposons un drone à 8 hélices actionnées par 8 moteurs électriques indépendants.
En faisant tourner 4 hélices dans un sens et 4 dans l’autre, on élimine le besoin d’un rotor de queue pour contrebalancer la rotation du drone, car le moment angulaire est conservé. Par ailleurs, toutes les hélices peuvent avoir un angle d’attaque identique et fixe de leurs pales. Pour donner plus de poussée d’un côté ou de l’autre, il suffit de diminuer la vitesse de rotation des moteurs du côté où l’on souhaite diriger le drone. Cela simplifie énormément la mécanique. Chaque hélice, faite d’une seule pièce (plus résistant), est fixée sur l’axe de son moteur tout simplement. C’est l’ordinateur de bord qui contrôle électroniquement la vitesse de rotation de chaque moteur, pas besoin de mécanique sophistiquée. C’est donc beaucoup plus fiable, et redondant par surcroit. Advenant la défaillance d’un moteur, les autres compensent. De plus, les moteurs électriques sans balais sont extrêmement fiables. Et puisqu’il y a une batterie, advenant une défaillance du prolongateur d’autonomie à carburant (voir mon billet précédent), on atterrit avec le courant de la batterie.
La conférence TED de Raffaello D’Andrea montre bien l’incroyable potentiel de contrôle et d’automation des drones, même avec seulement 4 hélices.
Des applications de niche tout d’abord
Déjà les hélicoptères ont trouvé des applications de niche où ils rendent de grands services. Pensons au transport des ouvriers sur les plateformes de forage ou dans des chantiers éloignés, et au sauvetage ou transport des malades/blessés qui sont loin des hôpitaux.
En 2013, à Montréal, on a vu naître un service de taxi aérien sur les heures de pointes de la circulation automobile, afin de traverser le fleuve Saint-Laurent et se rendre directement au centre-ville en 5 minutes à partir de Brossard, et en 8 minutes de Saint-Mathieu-de-Beloeil. La compagnie Hélico Pro, qui offre le service, utilise des hélicoptères de 6 passagers et charge 99 $ par personne pour un aller simple. Certains clients qui ont des tarifs horaires de plus de 200 $, comme les avocats, sont ravis de pouvoir sauver 2 heures de trajet en automobile. Pour eux c’est même payant.
Compte tenu de la simplicité des navettes volantes à multiples hélices par rapport aux hélicoptères il semble réaliste qu’on puisse diminuer le prix d’un facteur 2 d’ici 10 à 15 ans. Notons que le prix des hélicoptères a déjà diminué d’un facteur 2 depuis 15 ans. On verra alors les services de taxi aériens augmenter de façon significative, ce qui va faire réduire les coûts davantage. On devrait assister à une diminution quasi exponentielle des coûts des navettes volantes, un peu comme le coût des panneaux solaires qui a diminué d’un facteur 3 dans les six dernières années. Mais, dans le cas des navettes volantes il est difficile de prédire, pour le moment, s’il est possible de diminuer le coût d’un facteur 4 à 5, et si oui en combien de temps. Un beau dossier à suivre.
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