Bilan énergétique par passager

[Kolia]

Bonjour à tous

C'est avec grand intérêt que je viens de parcourir tous les fils de discussion liés aux solutions potentielles de motorisation du projet Windrider.
Tout comme Georges l'évoquait, la solution basée sur une turbomachine type turbopropulseur (donc similaire à la version initiale de l'I80) me semble réaliste et compétitive. Voici quelques éléments pour étayer cette position :

1) Infrastructures
Rendre le véhicule autonome simplifie considérablement l'infrastructure des voies (pas d'alimentation nécessaire) et leur coût de construction et de maintenance.

2) Performances
Les turbopropulseurs constituent sur le plan physique la solution de motorisation la plus rentable énergétiquement, avec des rendements propulsifs (ratio du travail obtenu par rapport à la puissance fournie) de l'ordre de 0.97 / 0.98 (à comparer à des rendements de l'ordre de 0.85 pour des moteurs électriques si mes souvenirs de ce domaine sont bons).
Les turbopropulseurs ont souffert dans le domaine aéronautique d'un handicap considérable : leur incapacité à assurer les vitesses de vol des avions commerciaux actuels, soit aux alentours de Mach 0.8 (nombre de Mach = ratio vitesse réelle / vitesse du son. Mach = 1 correspond au "mur du son"). En effet, l'aérodynamique des hélices les plus courantes les limite à des Mach de l'ordre de 0.6, insuffisants pour assurer des temps de vol commerciaux corrects. Cette contrainte n'en est pas une dans le cadre d'un projet de véhicule terrestre, puisque les vitesses envisagées (300 à 400 km/h) correspondent à des nombres de Mach bcp plus faibles (0.2 - 0.35).
Par ailleurs, une forte synergie avec l'industrie aéronautique est plus qu'envisageable sur ce point. En effet, les récentes augmentations du prix du pétrole ont conduit tous les motoristes aéronautiques majeurs à s'intéresser de nouveau aux solutions basées sur les hélices. Il n'est donc pas improbable que l'utilisation potentielle sur un véhicule terrestre d'une motorisation développée dans le cadre d'études aéronautiques intéresse l'un de ces motoristes, permettant soit le partage de coûts de développement, soit la réutilisation d'un matériel existant.

Dans cette optique de réutilisation de matériel existant, je me suis livré à qques petits calculs destinés à estimer le besoin de motorisation du projet Windrider.
Si on laisse de côté l'aspect sustentation (de mémoire sur aérotrain ce n'était pas le poste majeur de la puissance nécessaire, et il était de toute manière assuré par une motorisation distincte de celle assurant la propulsion), le besoin en motorisation ne dépend que de 2 facteurs :
a. La vitesse d'avancement visée => hypothèse de 320 km/h pour Windrider
b. Les caractéristiques aérodynamiques de la plateforme : en gros il s'agit du coefficient de traînée S.Cx (connu pour les voitures par exemple). Difficile à estimer ... Je suis donc parti des éléments connus de l'I80HV : un réacteur de 14000 lbf (jt8d-7) parvenait à le propulser à 430.4 km/h. Ceci nous donne un coefficient S.Cx de l'ordre de 6.05. Ce coefficient inclut non seulement la traînée de frottement sur le fuselage du train et la traînée de pression due à son maitre couple, mais également la traînée de captation des entrées d'air nécessaires à la propulsion et à la sustentation.

En appliquant le même processus de calcul inversé sur un projet circulant à 320 km/h, on obtient un besoin de poussée d'environ 29 300 N, soit une puissance moteur aux alentours de 2700 kW. Cette gamme de puissance est fort proche des turbomoteurs pour hélicoptères Turbomeca par exemple.

En termes de consommation, on peut considérer pour un turbopropulseur fonctionnant au niveau du sol dans ces gammes de vitesse une consommation spécifique de 0.295 kg/daN/h (kg de carburant consommé par heure et par décanewton de poussée fournie).
En d'autres termes, une consommation carburant d'environ 1000 kg/h.

Il ne s'agit là évidemment que de calculs très approximatifs, mais qui donnent des ordres de grandeur à peu près réalistes des niveaux mis en jeu pour un tel concept. Le point le plus remarquable dans le concept est qu'il y a (contrairement à un train classique ou une automobile) découplage quasi total entre la propulsion et la sustentation, ce qui allège considérablement les contraintes sur la propulsion (en gros, les chiffres ci-dessus montrent que l'on parvient à propulser un véhicule de 80 passagers à 320 km/h avec la puissance d'un hélicoptère ...).

3) Acoustique
Il est évident que l'utilisation d'une hélice ne va pas dans le sens d'une discrétion absolue sur le plan acoustique ... Néanmoins, on peut envisager au moins 2 éléments de conception allant dans le sens d'une réduction de bruit :
a. Augmentation du diamètre de l'hélice (plus celui-ci est élevé plus le bruit produit est faible)
b. Carénage de l'hélice : cette solution a été mise en oeuvre de manière rudimentaire sur l'I80 et aurait certainement demandé à être affinée
c. Masquage acoustique : sorte de carénage lointain (qques dizaines de cm de l'hélice), destiné à réfléchir le bruit sur les zones les plus exposées (en dessous et sur les côtés de l'hélice)

4) Freinage
Les hélices présentent la propriété remarquable de fonctionner presque aussi bien dans un sens que dans l'autre : inverser le calage (angle des pales) d'une hélice revient à inverser le sens de la force produite. Le freinage du véhicule peut donc être assuré à 90% par l'utilisation de l'hélice en position "reverse". Encore une fois rien de bien nouveau, ceci ayant déjà été mis en application sur le I80 première version.

5) Emissions polluantes
Un moteur à combustion tel qu'un turbopropulseur ne peut évidemment prétendre à des niveaux de pollution équivalents à ceux d'un moteur électrique ... Néanmoins, les turbopropulseurs constituent le meilleur compromis entre performance et pollution, avec des niveaux de NOx parmi les plus faibles au niveau du sol (lié à un fonctionnement à relativement basse température de combustion), des émissions de particules type HC nulles, et un niveau de CO² directement proportionnel à la consommation carburant, donc parmi les plus faibles pour un moteur à combustion au niveau du sol.

En espérant que ces quelques éléments contribuent à alimenter la discussion, je suis à votre disposition pour toute précision complémentaire !

[GEORGES70]

Ah ! Les choses avancent ! Félicitations pour ce mouvement et bonne fêtes à tous.

Comme l'a brillament démontré Kolia faire revivre l'aérotrain n'est finalement qu'une question de... Volonté politique... Voire populaire ?

La politique de régionalisation menée ces dernières années pourrait peut être une ouverture. Déployé sur un axe ferroviaire désaffecté, ou sur l'axe d'une autoroute, un tel appareil, probablement moins coûteux à installer qu'un TGV pourrait intéresser une région. Faudrait prendre le temps de sélectionner un axe Géographique porteur commercialement et monter un véritable business plan, faire parler les chiffres et voir si le TGV seraît battu. ... Voyons... Lyon / Dijon.... Un pendulaire simple sans escales.. Offrant la possibilité de dynamiser une région et de contribuer à faire baisser la tension sur le marché immobilier d'une autre région.

Quand au carburant.... A partir du moment où celui ci n'est pas généré à partir de carburant fossile la production de polluants est écologiquement neutre... En attendant mieux, bien entendu...

[Damien D.]

Ha mais c'est une certitude que c'est un moyen de transport toujours nécéssaire, surtout quand on vois la vétusté des installations ferroviaire et leur service qui manque de régularité, mais le souci est toujours politique.
C'est vrai que le proposer a une région (voir même juste un département) poserait moins de problème, il y a moins de gens a mettre d'accord, pour commencer.
Il y a, sinon, pas mal de pays dépourvu de moyen de transport terrestre a grande vitesse qui serait forcément interessé. N'oublions pas que les pays a avoir des TGVs ou équivalent sont pas nombreux: France, Allemagne, Japon, Espagne je crois, et on a fait le tour... On pourrait rajouter le Transrapid chinois mais on ne peut pas a proprement parler d'un réseau...
Les débouchés existe, la technologie aussi, mais la volonté...?

[GEORGES70]

Si l'on veut vraiment faire revivre ce concept, il faut une cible facile, possédant suffisamment de libre arbitre pour ne pas être soumise à influence, et surtôut, faire parler les chiffres. Si l'on se cantonne à l'europe, on pourrait cibler :

- L'Ecosse.
- La Suède.
- Le Portugal
- La Bretagne (unir le sud au nord par exemple...)

Mais avant tout il faut prouver par A+B sur le plan :
- Infrastructurel
- Financier
- Energétique (approche globale )
- Sociétal

Pas le choix si l'on souhaite vraiment que le bon sens triomphe sur l'absurde: Il faut que chacun d'entre nous y mette un peu du sien...

[Damien D.]

Pour information, il y a un projet en Angleterre (pays dépourvu de train a grande vitesse) qui consisterait a relier le nord au sud avec un Transrapid.
Voici la page du projet, un tracé a même été choisi : http://www.500kmh.com
Le projet se heurte a beaucoup de problème, le premier étant économique, bien entendu.

Il faudrait avoir les moyens d'établir un "devis" avec la technologie Aérotrain, histoire de comparer.

[GEORGES70]

Avec toutes les compétences rassemblées sur ce site et en contactant les gars de bertin ou des anciens... Serions nous en mesure de balancer une offre ?

[GEORGES70]

De retour du cite 500Kmh...

Si l'on considère les difficultés de mise en oeuvre d'un MAGLEV, en l'état actuel de la technologie, on peut dire que le premier avantage de l'aérotrain, c'est de proposer une structure légère, peu couteuse, pouvant être "upgradée" ultérieurement vers du Maglev...

Le coup pourrait être jouable...

[pjskyman]

Si toutefois ce projet est accepté, comment financer les recherches ? Est-ce que les fonds de recherche fournis par l'Etat grand-breton (hihi) seront suffisants ?

[GEORGES70]

Disons qu'une démonstration convainquante fondée sur un business plan complet pourrait être de nature à convaincre des sociétés telles que Virgin voire British Airways...

[Rob]

Pour revenir au cout de la propulsion , j'ai lu quelques part peut etre dans le livre sur l'aerotrain que j'ai lu a la biblio du centre beaubourg(ila tres longtemps) qu'il coupaient la sustentation au dela de 90km/h car la vitesse de l'air dans les prise d'air du au deplacement suffisaient a la sustentation qui demandaient quelques gramme par cm². aA VERILFIER!

[Damien D.]

L'information est disponible dans "l'Aérotrain ou les Difficultés de l'Inovation", mais je n'en ai plus les chiffres en tête. Je crois que la vitesse est plus élevée que ca (150 de mémoire) mais des essais ont en effet été fait sur le I80, et il circulait sans problème a vitesse de croisière sans ventilateurs de sustentation.

[Kolia]

La sustentation est assurée dès lors que l'on a un différentiel de pression entre l'air contenu dans les jupes et l'air extérieur. Ce différentiel nécessaire est fourni à l'arrêt par les ventilateurs, et l'on peut estimer que le rapport Pventilée/Pstatique vaut environ 1.03 (c'est une valeur courante pour une hélice ou un ventilateur industriel).
Lorsque le véhicule avance à une vitesse V, la pression totale captée dans les entrées d'air est égale à la somme de la pression statique et d'un terme appelé pression dynamique, proportionnel au carré de la vitesse V (hypothèse d'un écoulement incompressible, c'est à peu près vrai pour les vitesses d'avancement envisagées du véhicule) : Pt = Ps + 1/2 rho V² (rho = masse volumique de l'air = 1.225 kg/m3 ; Ps = pression statique = 101325 Pa au niveau de la mer).
Etant donné que l'air capté à l'avant du véhicule transite dans toute une série de canaux avant d'atteindre les jupes de sustentation, il est soumis à une certaine perte de charge (perte de pression totale) liée à la longueur du trajet et la complexité de la trajectoire à parcourir. Comme cela semble relativement linéaire sur le I80, estimons cette perte de charge à 2 % de la pression totale.
Le niveau de pression totale effectivement récupéré dans les jupes est alors : Pt = 0.98 * (101325 + 0.5 * 1.225 * V²)
On peut donc s'affranchir du ventilateur de sustentation dès lors que cette pression totale Pt est équivalente à celle fournie par le ventilateur, soit 1.03 * Ps = 1.03 * 101325. On a donc à trouver la vitesse V permettant de résoudre : 1.03 * 101325 = 0.98 * (101325 + 0.5 * 1.225 * V²).
=> On obtient V = 91.9 m/s = 330 km/h

Cette valeur correspond à peu près aux 300 km/h mentionnés comme vitesse critique par Jean Bertin dans son livre. Cela signifie tout de même que l'on ne peut pas se passer des ventilateurs de sustentation pendant la majeure partie du trajet, et qu'il importe de bien prendre en compte cette contrainte dans le bilan énergétique du véhicule (même si ces ventilateurs consomment peu).

[pjskyman]

480 à 500km/h est la vitesse calculée pendant les essais. Déjà à 430, ils ne mettaient plus trop les gaz pour la sustentation, quasiment tout allait dans la propulsion.

[Damien D.]

Mais cet éffet dépend aussi de la forme des entrées d'air et de la géométrie du systeme, non? Je suppose que quelquechose concu comme une trompe d'admission (pour carburateur automobile) augmente la pression en aval du dispositif (c'est le but en automobile).
Sachant aussi que si la pression augmente, le volume diminue, il doit etre possible, en faconnant les conduits correctement, d'augmenter la pression au détriment du débit en tenant compte du minimum requi pour le fonctionnement des coussins, non?

Pareil avec les ventilateurs, il vaut mieux favoriser la pression plustot que le débit, ca augmentera leur rendement, normalement.

Le volume d'air requit pour engendrer le coussin dépend de la circonférence du coussin et de la "hauteur de vol" de celui ci. C'est calculable facilement, je suppose. Quand a la pression d'un coussin d'air, elle dépend du poid qui lui est appliqué, et de la surface du coussin aussi (logiquement). En tout cas, intuitivement, je dirait qu'il faut faire un ratio entre tout ces paramètres et il doit etre possible d'établir le meilleur compromis qui permettra "d'éteindre les ventilos a la vitesse la plus basse possible" (facon de parler).

[Kolia]

Mais cet éffet dépend aussi de la forme des entrées d'air et de la géométrie du systeme, non?

Tout à fait, le plus complexe et mystérieux (à mes yeux du moins !) étant sans doute la géométrie du système au niveau des jupes, dont la souplesse génère une évolution aléatoire de la section dans laquelle se déplace cet air légèrement comprimé par les ventilateurs. C'est certainement loin d'être aussi facile à modéliser que l'écoulement dans une canalisation rigide.

Sachant aussi que si la pression augmente, le volume diminue, il doit etre possible, en faconnant les conduits correctement, d'augmenter la pression au détriment du débit en tenant compte du minimum requi pour le fonctionnement des coussins, non?

Oui, mais attention à ne pas trop simplifier le problème : la relation intuitive entre augmentation de pression et diminution de volume est valable pour une pression statique (càd de l'air au repos, comme dans une chambre à air de vélo). On traite ici de l'air en mouvement, donc c'est aux évolutions de pression dynamique qu'il faut s'intéresser, et l'évolution de cette dernière relève d'un problème thermodynamique, plus complexe à poser (pour l'instant j'ai un peu de mal à saisir les frontières du système à considérer).

Pareil avec les ventilateurs, il vaut mieux favoriser la pression plustot que le débit, ca augmentera leur rendement, normalement.

Oui, mais on ne choisit pas vraiment le rapport de pression d'un ventilateur, c'est surtout une conséquence du débit d'air l'alimentant et de la caractéristique aérodynamique des pales qui le composent (ce que l'on appelle le "champ" du ventilateur ou compresseur).

En tout cas, intuitivement, je dirait qu'il faut faire un ratio entre tout ces paramètres et il doit etre possible d'établir le meilleur compromis qui permettra "d'éteindre les ventilos a la vitesse la plus basse possible" (facon de parler).

Tout à fait, mais c'est loin d'être simple à modéliser

Je pensais par ailleurs à une solution possible dans le cas d'une propulsion de l'engin par turbomachine : s'affranchir des entrées d'air pour la sustentation en les remplaçant par un prélèvement d'air dans le compresseur basse pression de la turbomachine (voire derrière l'hélice, mais le taux de compression de cette dernière me semble trop faible). On déplace ainsi la contrainte d'optimisation aérodynamique de la captation d'air sur l'entrée d'air de la turbomachine de propulsion, qui par sa position dorsale autorise certainement plus de degrés de libertés en optimisation, et influe moins sur la traînée de maitre couple du véhicule.
Cela dit, les débits nécessaires à la sustentation sont certainement nettement supérieurs à ceux disponibles au sein de la turbomachine, ce qui limite le potentiel de cette solution ...