Comment se forme le givre sur les avions ?
Le givre se forme lorsque deux facteurs se réunissent : la présence d’eau liquide sous forme de gouttelettes et de températures négatives. Ces gouttelettes en surfusion se retrouvent notamment dans les nuages ou le brouillard rencontrés par les avions en vol. C’est au contact de la surface froide (d’une température inférieure à 0°C) de l’avion que les gouttelettes congèlent et que le givre se forme, il n’est donc pas dû à des précipitations. Le vent apparent créé par la vitesse de l’avion accentue la formation du givre. C’est entre 0° et -15°C que les risques de givre sont les plus élevés. Il se présente alors comme une couche de glace dure ou friable et plus ou moins opaque qui adhère à la surface de l’avion. Les parties les plus exposées au vent comme les bords d’attaques, les hélices ou encore les antennes sont les plus susceptibles d’être touchées par des soucis de givrage.
En quoi le givre peut être un problème pour l’aviation ?
La formation de givre sur un avion peut poser des problèmes de sécurité en vol. Voici quelques scénarios causés par le givre :
- Les surfaces de contrôle (volets, ailerons…) et les mécaniques des gouvernes peuvent être paralysées par la glace et le givre.
- Le givre peut alourdir l’avion et donc modifier la répartition des masses et les caractéristiques aérodynamiques. Sa portance peut alors être réduite, pouvant mener au décrochage en vol de l’avion.
- Des morceaux de givre peuvent également se détacher en vol et être aspirés par les moteurs et les détériorer, ou venir frapper une hélice et l’abimer.
- Le givre peut casser les antennes filaires et ainsi altérer le signal voire le perdre complètement.
Quelles sont les solutions actuelles contre le givre ?
Il existe actuellement des solutions de dégivrage au sol et en vol, mais également des méthodes préventives d’anti-givrage pour empêcher la formation de givre. Ces systèmes visent à empêcher la formation de glace atmosphérique avant que son épaisseur ne devienne dangereuse.
Méthodes de dégivrage d’avion au sol : éliminer le givre une fois l’avion atterri
Au sol, le dégivrage s’effectue grâce à la pulvérisation sous forte pression d’un mélange d’eau chaude et de glycol (éthylène glycol ou propylène glycol). Cette opération, qui prend en général entre 5 et 10 minutes, mais qui peut prendre jusqu’à 30 minutes si beaucoup de glace s’est formée à la surface de l’avion, combine une action mécanique, une action thermique et une action chimique. Mécanique grâce à la pression du jet, qui perce la glace et la balaie. Thermique grâce à la fonte de la glace, qui permet de la décoller plus facilement de la surface. Chimique, car le glycol protège la surface de la formation de givre.
Méthodes d’anti-givrage : éviter la formation de givre
Afin d’éviter les désagréments causés par le givre, il est possible d’avoir recourt à des méthodes d’anti-givrage. L’idée n’est donc pas d’éliminer le givre mais d’empêcher sa formation.
Après le dégivrage, il est possible de protéger un avion du givre grâce à la pulvérisation d’un fluide anti-givrage. Ce fluide est le même que pour le dégivrage, mais cette fois-ci non dilué, et est pulvérisé à l’aide d’un jet « douche » et d’une buse mobile afin de former une couche de 2 à 3 mm sur les surfaces à protéger.
Méthodes de dégivrage d’avion en vol : éliminer le givre lorsque l’avion vole
Une fois en vol, plusieurs méthodes de dégivrage sont envisageables et certaines sont cumulables.
Il est possible de dégivrer des parties de l’avion grâce à des systèmes électrothermiques (ETIPS). L’objectif est de garder une température extérieure du blindage supérieure à 0°C. Des « tapis chauffants » peuvent notamment être placés à l’intérieur des bords d’attaque, sous le blindage des ailes et d’autres surfaces de l’avion pour les dégivrer.
Pour les avions munis de turboréacteurs, il existe une méthode de dégivrage utilisant l’air chaud prélevé de la turbine. L’objectif est le même que pour les systèmes électrothermiques, garder la température extérieure du blindage supérieur positive. En faisant circuler l’air chaud le long de l’intérieur creux de l’aile et des ailerons de l’avion, ce système évite la formation de givre en garantissant que la surface externe du blindage soit toujours supérieure à 0°C.
Le dégivrage peut aussi être mécanique, grâce à des systèmes pneumatiques qui se gonflent sur les bords d’attaque des surfaces portantes pour casser la glace. Connectés à un système d’actionnement pneumatique et contrôlés par un système de capteurs, des boudins disposés sur le bord d’attaque sont gonflés pendant quelques instants en présence de conditions givrantes. La couche de glace indésirable est donc expulsée à travers le choc mécanique généré au moment de l’expansion des boudins.
Le système TKS (Tecalemit-Kilfrost Sheepbridge Stokes), un système chimique, peut aussi être utilisé. Il diffuse un liquide de dégivrage au travers de micro pores sur les bords d’attaques des ailes et des surfaces de la queue pour empêcher la glace de se former et/ou d’adhérer.
Quels sont les problèmes posés par les solutions de dégivrages actuelles ?
De manière générale, les solutions de dégivrage actuelles posent 4 problèmes : leur consommation d’énergie, jusqu’à 40% de la puissance totale produite par un avion d’après Romain Rioboo, Ingénieur Design chez Euro Heat Pipes, leur coût, le temps de travail qu’elles nécessitent et leur impact écologique.
Afin d’être plus précis, revenons sur chacun des systèmes de dégivrage cités précédemment pour en comprendre les inconvénients :
- Pulvérisation de fluide à base de glycol : Bien que non-toxique pour l’homme, le glycol reste une substance chimique qui se répand facilement dans les écosystèmes (sols et cours d’eau) si des mesures ne sont pas prises lors de sa pulvérisation. Le propylène glycol doit être utilisé au travers d’un système de confinement permettant de retenir le liquide, afin qu’il ne puisse pas se déverser dans l’environnement.
- Système électrothermique (ETIPS) : Pour fonctionner, ce système doit recouvrir l’intégralité de la surface des ailes et représente donc un ajout de poids important. En plus d’être lourd et donc d’augmenter la consommation de l’avion, le système de dégivrage électrothermique nécessite une source d’alimentation électrique importante et dédiée, augmentant de nouveau la consommation d’énergie de l’appareil.
- Dégivrage par air chaud : En plus de ne s’adresser qu’aux avions à turboréacteurs, le dégivrage par air chaud est très énergivore.
- Systèmes pneumatiques : De par son fonctionnement, le système pneumatique n’est pas adapté à d’autres surfaces que les ailes de l’avion. Ce système est léger et peu consommateur d’énergie, mais il peut réduire l’aérodynamisme de l’appareil. Enfin, l’usure des systèmes gonflants peut être problématique, puisqu’elle requiert une maintenance et un remplacement fréquent du système.
- Système TKS : Le problème du système TKS réside dans la faible contenance de son réservoir. Les réservoirs ont en général une capacité d’une à deux heures de vol. Aussi, le TKS est conçu comme un système d’antigivrage, il doit donc être utilisé rapidement en présence de conditions givrantes, c’est à dire avant même la formation de givre. Si le pilote attend trop avant d’injecter le liquide à base d’éthylène glycol ou si le givre se forme trop rapidement, alors les pores seront bouchés, empêchant ainsi le suintement de liquide.
Pour faire face à ces problématiques, des entreprises et chercheurs développent de nouvelles solutions de dégivrage.
Quels sont les nouvelles solutions et les nouveaux acteurs de dégivrage d’avions ?
Comme nous venons de l’expliquer, les solutions de dégivrage actuelles sont souvent énergivores, coûteuses et/ou potentiellement dangereuses pour l’environnement. Des études et recherches sont donc faites pour développer de nouvelles solutions de dégivrage, plus légères, moins énergivores et plus écologiques.
Recherches de matériaux et traitements hydrophobes
La solution pourrait se trouver dans les matériaux utilisés dans la fabrication des aéronefs.
Des chercheurs américains travaillent sur des matériaux hydrophobes qui, en empêchant les gouttelettes de s’étaler sur une surface, empêchent la formation de givre. Une équipe de chercheurs de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences s’est notamment inspirée du biomimétisme pour travailler sur une nanostructure anti-givrage. Le matériau développé permet d’empêcher la formation de givre à de très basses températures, jusqu’à -30°C.
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Aussi, entre octobre 2018 et décembre 2021, le centre de recherche Tecnalia travaillait sur une solution passive pour éviter le dépôt de glace sur les surfaces d’un avion. Le projet s’est concentré sur le dégivrage du groupe turbo-refroidisseur (ACM), mais la solution pourrait aussi être appliquée à d’autres parties de l’avion comme les ailes. Aujourd’hui, le dégivrage des tuyaux qui composent l’ACM se fait grâce à l’application de températures élevées sur la surface des tuyaux. Le projet ERICE développe de nouvelles techniques de dégivrage permettant avant tout d’éviter que la glace ne se fixe à la surface. L’équipe a donc développé de nouveaux traitements hydrophobes pour différents types de substrats. Les tests effectués sur banc d’essai semblent prometteurs.
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Système de dégivrage passif
Dans le cadre du programme de financement européen Horizon 2020 (CleanSky 2), l’entreprise belge Euro Heat Pipes a développé un système de dégivrage passif qui exploite la chaleur du moteur. Le projet PIPS (Passive Ice Protection System), démarré en 2016 et clôturé en décembre 2020, avait pour objectif de concevoir un système passif capable de transporter la chaleur résiduelle des moteurs vers leur entrée d’air, afin d’éviter la formation de givre sur les bords. Le projet PIPS a atteint le niveau 5 en termes de maturité technologique, le concept a été démontré mais la technologie doit encore être affinée.
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Système de dégivrage piézoélectrique
Depuis plusieurs années, des études et travaux sont effectués sur des systèmes de dégivrage par actionnement piézoélectrique. Ces systèmes électromécaniques utilisent une force mécanique pour briser et faire tomber la glace de la surface de l’avion. Les actionneurs piézoélectriques placés sur la surface à dégivrer créent des déformations suffisantes pour décoller le givre. PYTHEAS Technology travaille sur cette méthode de dégivrage depuis plusieurs mois et les premiers résultats sont prometteurs. En effet, ce système piézoélectrique est efficace, léger et consomme peu d’énergie et répond donc aux enjeux de décarbonation des avions régionaux.
Le dégivrage dans l’aéronautique est donc un sujet de R&D à la fois pour les chercheurs et pour les industriels, et PYTHEAS Technology s’y intéresse fortement.
Que fait PYTHEAS Technology pour le dégivrage d’avions ?
C’est dans le cadre du projet de recherche PARIDES, « Projet d’un Avion Régional Incrémental plus DÉcarboné et plus Sobre », que PYTHEAS Technology s’est lancé dans le développement d’un système de dégivrage et de détection de givre en vol. PYTHEAS Technology propose une solution répondant aux problématiques de dégivrage des avions régionaux en accompagnant notamment ATR dans son ambition de réduire l’impact environnemental du transport aérien régional. Notre système de dégivrage piézoélectrique se veut performant, compact et basse consommation en réduisant par 10 la consommation du système de dégivrage d’un avion.
Si ce projet vous intéresse, n’hésitez pas à contacter Simon Clément pour en discuter.
