R&D Techno

Stratobus prend l’air

Le stratobus de Thales est un dirigeable.

Un accord de consortium industriel et une convention de financement ont été signés à Cannes pour le lancement du développement du dirigeable stratosphérique autonome Stratobus.

Étudié depuis 2010 et dévoilé en avril 2014 lors des InnovDays du groupe Thales, le Stratobus sera un dirigeable télécommandé de 50 000 m3 (100 m de long, 33 m de diamètre) qui sera positionné pour de longues durées à 20 000 m d’altitude et jouera le rôle d’un « pseudo-satellite » stationnaire avec un horzion à 500 km afin d’accomplir toute une gamme de missions locales : observation, surveillance, télécommunications, relais, navigation. La convention qui vient d’être signée avec le Commissariat général à l’investissement (CGI) dans le cadre du Plan d’investissement d’avenir (PIA) apporte un financement de 17 M€ pour une phase de deux ans de développement des technologies qui culminera avec la réalisation un démonstrateur à échelle réduite.

Le Stratobus est reconnu comme un « projet structurant pour la compétitivité » (PSPC), et l’investissement du CGI doit lui permettre de s’assurer que les technologies du projet restent françaises. Des financements régionaux à hauteur de 3 M€ sont également attendus. Maître d’œuvre du programme, Thales Alenia Space a signé un accord de consortium avec six partenaires, dont quatre français. La Banque publique d’investissement (BPI France) sera en charge de la conduite du programme contractuel et financier.

Consortium industriel

« Il a fallu nous entourer de compétences très particulières, car un dirigeable de ce genre n’avait jamais été conçu », souligne Jean-Philippe Chessel, chef de projet Stratobus chez TAS. La réalisation de la structure équipée a ainsi été confiée à CNIM (Construction navale industrielle de la Méditerranée) de La Seyne-sur-Mer, constructeur naval spécialisé dans les structures mécaniques pour bateaux. Cet industriel méditerranéen a pu apporter ses compétences sur les structures de grandes dimensions pour la nacelle de 12 m de long sur 2,3 m de large, qui sera conçue sous forme de tronçons pour pouvoir être transportée dans des conteneurs standards. CNIM réalisera aussi la structure en anneau qui permettra d’orienter l’enveloppe du dirigeable à l’intérieur de laquelle sera installé un concentrateur solaire breveté par TAS. Pour la motorisation électrique, TAS a choisi de s’associer avec Solution F, une PME de Venelles, près d’Aix-en-Provence, qui vient de l’automobile.

Dans sa dernière version, le Stratobus sera équipé de quatre moteurs électriques qui entraineront quatre hélices de 3,8 m de diamètre. Ces dernières ont été conçues en partenariat avec l’Onera afin d’être optimisées pour l’atmosphère raréfiée à 20 000 m d’altitude (55 hPa de pression). « Elles seront tri ou quadripales, nous ne l’avons pas encore décidé », explique Jean-Philippe Chessel. « Même si elles seront optimisées pour la stratosphère, elles disposeront d’un pas variable pour pouvoir aussi être utilisée dans la troposphère, pendant la montée ou la descente. » Ces hélices seront testées en soufflerie par l’Onera dans son centre de Lille.

La conception et la réalisation de l’enveloppe équipée incomberont à Airstar Aerospace, ex-Zodiac Marine Espace de Toulouse rachetée en octobre dernier par la société dauphinoise Airstar. Cette enveloppe contiendra deux ou trois ballonnets permettant de gérer la montée et descente de la nacelle, et abritera également le concentrateur solaire conçu par TAS pour collecter une plus grande puissance électrique tout en conservant des dimensions raisonnables pour un dirigeable. Dans la région nantaise, Tronico-Alcen se chargera du conditionnement et de la distribution de l’énergie électrique à bord. Le générateur solaire va fournir de la forte puissance sous haute tension à 400 V, ce qui permettra de réduire la masse des câbles. Ce courant devra être reconditionné pour l’avionique qui fonctionne à 28 V et la pile à combustible, alimentée sous une tension située entre 200 et 400 V. Deux partenaires étrangers sont également de la partie : Prototec en Norvège pour le stockage de l’énergie dans une pile à combustible réversible, et MMIST (Mist Mobility Integrated Systems Technology Inc.) en Ontario pour le parachute de sauvegarde.

Technologies à maîtriser

« Trois technologies clefs entrent en jeu dans le développement du Stratobus », détaille Jean-Philippe Chessel. « Il y a tout d’abord l’enveloppe du dirigeable. Elle est spécialement renforcée si on veut qu’elle tienne un an en poste avant toute maintenance. » Il faut notamment éviter les fuites de gaz. « Pour donner un exemple, les ballons du Cnes laissent aujourd’hui échapper du gaz au bout de quatre mois. » Or le Stratobus doit pouvoir afficher une autonomie d’un an. Pour éviter cette détérioration trop rapide, l’enveloppe du Stratobus sera composée de deux films, avec au milieu un tissu en fil de carbone qui permet d’avoir une résistance mécanique à la surpression. Pour laisser rentrer le rayonnement solaire à l’intérieur de l’enveloppe afin d’illuminer le concentrateur, ce tissu devra avoir une maille suffisamment large pour être transparent. Le film extérieur aura aussi pour mission de protèger la fibre de carbone des ultraviolets susceptibles de l’endommager.

La pile à combustible réversible représente elle aussi un défi. Le principe est basé sur l’électrolyse de l’eau. Le jour, le générateur solaire, en direct ou grâce au concentrateur, fournira de l’électricité qui permettra de décomposer l’eau en hydrogène et oxygène. La nuit, la recombinaison des deux gaz permettra de générer de l’électricité et de la chaleur. L’enjeu de cette technologie d’électrolyse est de réaliser un système capable de stocker 600 Wh/kg. « Les piles à lithium actuelles peuvent aller jusqu’à 300-400 Wh/kg », note Jean-Philippe Chessel. « Nous adaptons cette technologie à notre environnement. L’avantage, c’est que nous avons de la place et donc pas besoin de stocker à haute pression. En conséquence, nous pouvons alléger la structure des réservoirs.»

Enfin, dernière technologie clef évoquée mais non la moindre : le parachute de sauvegarde. « Nous ne pouvons pas laisser tomber cinq tonnes sans système de secours. En cas d’anomalie grave, un système de parachute doit permettre de récupérer le Stratobus et de le faire atterrir sur des terrains dégagés dont la position a été mémorisée ». Un parachute pilotable de type « parapente » permettra d’obtenir une précision d’une centaine de mètres à partir d’une technologie militaire qui existe pour faire le largage de caisses d’armes de 5 tonnes depuis une altitude de 10 000 m. Le Stratobus final a été dimensionné pour rester en vol stationnaire, face à des vents dont la vitesse peut atteindre 25 m/s (soit 90 km/h) en continu pendant 24 heures. Pour des pointes, il pourra subir jusqu’à 30 m/s (110 km/h), pourvu qu’il ait le temps de recharger sa pile à combustible entre-temps. Ces contraintes de vent sont typiques de la zone intertropicale. À plus hautes latitudes, le Stratobus pourrait avoir à essuyer des rafales plus importantes et ne pourra donc pas assurer sa mission en permanence.

La propulsion sera assurée par des moteurs électriques. Crédit : TAS.

Modèle réduit

Le démonstrateur développé dans le cadre de la première phase de deux ans sera un modèle réduit de 3 500 m3. « Nous ne chercherons pas à être stationnaire, juste à démontrer les technologies. Le concentrateur sera fixe et non pas sur un anneau qui lui permettra de suivre le Soleil sur le vrai dirigeable. Nous ne le testerons donc que lorsque le Soleil sera au zénith. Cela nous permettra de vérifier que nous générons bien la puissance souhaitée via les cellules photovoltaïques », explique Jean-Philippe Chessel.

Le démonstrateur doit être prêt pour mi-2018, le premier modèle « proto-flight » devra ensuite voler entre 2019 et 2020. Un an à un an et demi seront nécessaires pour le certifier. Les essais en vol seront effectués de la base aérienne d’Istres, en Provence, où un hangar spécial va être construit. La région est célèbre pour le violent Mistral qui y souffle. Mais selon Jean-Philippe Chessel, cela ne devrait pas poser trop de difficultés pour les opérations, car les statistiques montrent qu’en moyenne, les conditions sont favorables au moins un jour sur deux. « Il nous faudra cinq ans pour faire décoller le premier Stratobus opérationnel », estime Jean-Philippe Chessel. « L’aide de l’État ne concerne que la première phase de deux ans, nous devrons donc trouver un client pour finir le chemin ». Orange s’est déjà montré intéressé pour des applications cellulaires sur l’Afrique. Thales Alenia Space évalue à 1 Md$ le marché des pseudo-satellites d’ici 2020.

le rôle des ballonnets
Le Stratobus sera compatible avec l’hydrogène et l’hélium comme gaz porteur, mais la préférence va au premier, à la fois plus efficace et moins cher. Le dirigeable sera mis en forme au sol grâce à des ballonnets de 46 000 m3 d’air qui complèteront le volume du gaz assurant la sustentation. Pour la montée, ces ballonnets seront dégonflés progressivement et laisseront la place aux ballonnets de gaz dont le volume augmentera à mesure que la pression extérieure baissera. Le processus sera inversé pour la descente. La rigidité de l’enveloppe du dirigeable est nécessaire pour éviter toute contrainte sur le générateur solaire réparti à sa surface, sur le concentrateur installé à l’intérieur ou sur l’anneau rigide qui assure son orientation et porte les moteurs.