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L'avion Solar Impulse : le prototype HB-SIA et le SI2

Dossier - Solar Impulse, l'incroyable avion solaire
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Après des années de conception, de construction et de tests, après les vols historiques du prototype HB-SIA (ou SI1), qui l'ont emmené en Europe et au Maroc, avant la traversée des États-Unis en 2013, Solar Impulse s'est lancé dans la tentative de tour du monde avec le SI2 en 2015. Revivez les exploits de cet avion solaire, au fil des grandes étapes.

  
DossiersSolar Impulse, l'incroyable avion solaire
 

D'une envergure équivalente à celle d'un Airbus A340 pour un poids proportionnellement minime, le prototype HB-SIA présente des attributs de construction et d'aérodynamisme originaux. L'avion du tour monde, le HB-SIB, appelé SI2, est construit sur les mêmes principes mais avec des améliorations tous azimuts et une envergure de 72 m, dépassant celle d'un Boeing 747.

La structure en fibre de carbone, la chaîne de propulsion, le domaine de vol, l'instrumentation de bord, tout a été repensé et conçu à la fois pour économiser de l'énergie, résister aux conditions hostiles que subissent le matériel et le pilote en haute altitude et intégrer les contraintes de poids aux impératifs de résistance.

Fiche technique de Solar Impulse 1, ou HB-SIA

  • Envergure : 63,40 mètres
  • Longueur : 21,85 mètres
  • Hauteur : 6,40 mètres
  • Motorisation : 4 moteurs électriques de 10 CV chacun
  • Cellules solaires : 11.628 (10.748 sur l'aile, 880 sur le stabilisateur horizontal), 166 microns d'épaisseur
  • Batteries : 4 X 200 WH/kg
  • Vitesse moyenne : 70 km/h
  • Altitude maximale de croisière : 8.500 mètres (27.900 ft)
  • Poids : 1.600 kilos
  • Vitesse de décollage : 35 km/h
Le premier vol d'essai du prototype HB-SIA a eu lieu le 6 avril 2011. © Solar Impulse, Fred Merz, rezo.ch

Structure et matériaux

Atteindre 63,40 mètres d'envergure pour 1.600 kilos tout équipé est un défi aéronautique pour la rigidité, la légèreté et la contrôlabilité en vol. Le Solar Impulse est construit autour d'une structure en matériaux composites constitués de fibre de carbone et de nid d'abeille assemblés en sandwich. L'extrados de l'aile est recouvert d'une peau composée de cellules solaires encapsulées, et l'intrados d'un film flexible à haute résistance. Cent-vingt nervures en fibre de carbone réparties tous les 50 centimètres profilent ces deux couches pour leur donner leur forme aérodynamique.

Système de propulsion

Sous l'aile sont fixées quatre nacelles contenant chacune un moteur de 10 CV, un ensemble de batteries au lithium polymère et un système de gestion contrôlant le seuil de charge et de température. L'isolation thermique est conçue pour conserver la chaleur dégagée par les batteries et leur permettre ainsi de fonctionner malgré les -40 °C rencontrés à 8.500 mètres. Chaque moteur est muni d'un réducteur limitant à 200-400 tours/minute la rotation d'une hélice bipale de 3,5 mètres de diamètre.

Ressources énergétiques

À midi, chaque mètre carré de surface terrestre reçoit l'équivalent de 1.000 watts, soit 1,3 CV, sous forme d'énergie lumineuse. Sur 24 heures, le soleil ne fournit qu'une moyenne de 250 W/m2. Avec 200 m2 de cellules photovoltaïques et 12 % de rendement total de la chaîne de propulsion, la puissance moyenne fournie par les moteurs de l'avion n'atteint plus que 8 CV ou 6 KW. C'est à peu de choses près ce dont disposaient les frères Wright en 1903 lorsqu'ils ont réalisé le premier vol motorisé. Et c'est avec cette énergie-là, optimisée du panneau solaire à l'hélice par le travail de toute une équipe, que Solar Impulse a imaginé voler jour et nuit sans carburant.

André Borschberg tenant une cellule solaire. © DR

Captation et stockage de l'énergie

Les 11.628 cellules en silicium monocristallin de 150 microns d'épaisseur ont été sélectionnées pour leurs qualités de légèreté, de flexibilité et d'efficacité. Avec 22 %, leur rendement aurait pu être encore meilleur, mais leur poids aurait alors été excessif, pénalisant l'avion pendant le vol de nuit. Cette phase étant la plus critique, la contrainte majeure du projet se situe au niveau du stockage de l'énergie dans les batteries au lithium polymère. Au stade actuel, la densité énergétique maximale est de 220 Wh/kg. La masse d'accumulateurs nécessaire pour le vol de nuit de Solar Impulse se monte à 400 kilos, soit le quart de la masse totale de l'avion. La réussite ne peut passer que par la maximisation des performances aérodynamiques et l'optimisation de la chaîne énergétique.

Le SI2, l'avion du tour du monde, lors de son premier vol, le 2 juin 2014, autour de Payerne, en Suisse. © Solar Impulse, Revillard, Rezo.ch

Fiche technique de Solar Impulse 2, ou HB-SIB

L'avion du tour du monde, le SI2, reprend les caractéristiques essentielles du prototype mais avec des améliorations dans tous les domaines : envergure plus grande, cellules solaires plus efficaces, plus nombreuses et plus fines, moteurs plus puissants, espace intérieur plus grand (3,8 m3) et avionique améliorée.

  • Envergure : 72,30 mètres
  • Longueur : 22,40 mètres
  • Hauteur : 6,37 mètres
  • Motorisation : 4 moteurs électriques de 17,5 CV (12,9 kW) chacun
  • Batteries : 4 x 260 Wh/kg, 633 kg au total
  • Cellules solaires : 17.248, 135 microns d'épaisseur, 269,5 m2
  • Vitesse de croisière : 90 km/h de jour, 60 km/h de nuit
  • Altitude maximale de croisière : 8.500 mètres (27.900 ft)
  • Poids : 2.300 kilos
  • Vitesse de décollage : 35 km/h

En résumé, l'avion de Solar Impulse, c'est :

  • L'envergure d'un Airbus A380, afin de minimiser la traînée induite et d'offrir une surface maximale aux cellules solaires.
  • Le poids d'une voiture, après avoir traqué chaque gramme pour construire un avion hyperléger.
  • La puissance d'un scooter, après optimisation à l'extrême de toute la chaîne énergétique.