Modeling, Experimental Investigation, and Exergy-Based Design Evaluation of a Long-Endurance UAV powered by LH2

Cette thèse de doctorat contribue à l'évaluation et à l'amélioration de la durabilitédes véhicules aériens sans pilote (UAV) conçus pour fonctionner sur de longues distances à l'aide de piles à combustible et d'hydrogène liquide. Sa structure progresse étape par étape, posant les bases qui permettront d'atteindre l'objectif final.Le premier chapitre présente les connaissances théoriques nécessaires concernant les composants de base qui constituent la chaîne de propulsion d'un UAV alimenté par de l'hydrogène liquide et des piles à combustible.Le chapitre 2 construit ensuite un cadre de modélisation pour les composants individuels de la chaîne de propulsion, qui sert à des analyses systémiques. Plus précisément, il comprend une modélisation à l'aide d'équations analytiques qui tentent de cartographier la physique de base derrière les différents processus qui se déroulent dans le système pendant son fonctionnement. Les modèles analytiques des composants individuels complètent le logiciel Simcenter Amesim de Simens, qui sera l'outil utilisé pour les analyses ultérieures, car il ne fournit pas toujours une image complète des processus exécutés par ses modèles. Les modèles individuels sont ensuite validés et calibrés par rapport aux données expérimentales issues d'expériences menées dans le cadre decette recherche à cette fin, notamment les performances d'un réservoir de LH2, d'une pile à combustible et d'un moteur électrique.Après avoir validé les différents composants de la chaîne de propulsion, le chapitre 3 analyse leur fonctionnement conjoint en tant que système unique. L'accent est mis en particulier sur la méthode d'hybridation du système qui détermine la répartition de l'énergie entre la pile à combustible et la batterie. Ensuite, l'interaction thermique entre les composants est examinée lorsqu'ils sont enfermés dans le fuselage du drone, où ils fonctionneront dans des conditions de vol normales. Enfin, le chapitre 3 se concentre sur la question de la capacité d'un réservoir de LH2 à répondre à la demande en carburant d'un vol de longue durée, lorsque l'hydrogène n'est pas pompé à partir du réservoir mais que son débit est basé sur la différence de pression naturelle. Les questions ci-dessus sont abordées à l'aide des modèles développés au chapitre 2 et sont validées dans la pratique par des tests expérimentaux réalisés à cette fin, notamment des essais au sol de l'ensemble de la chaîne de propulsion du drone à l'aide d'hydrogène liquide.Une fois la synergie efficace des composants confirmée et la capacité du système global à effectuer un vol de longue durée validée, la présente recherche s'est tournée vers le chapitre 4 consacré à l'amélioration de la conception du drone. L'analyse s'est concentrée sur le système de ventilation de l'appareil, qui est essentiel au fonctionnement continu et sûr de la pile à combustible, principale source d'énergie du système. De plus, la conception et les performances basées sur les conditions de fonctionnement externes du réservoir d'hydrogène liquide ont été évaluées, car elles déterminent la quantité de carburant perdue pendant le vol.Avec un avion correctement conçu, l'analyse de ses performances de vol passe à un niveau plus approfondi, celui de la gestion de l'énergie. Le flux d'énergie du réservoir de carburant vers le moteur électrique est évalué au chapitre 5 non seulement en termes de quantité, mais aussi en termes de qualité, à travers l'exergie. L'analyse de l'exergie de chaque composant de la chaîne de propulsion et du système dans son ensemble est basée sur des indicateurs de durabilité tirés de la littérature, qui quantifient finalement les pertes d'exergie et identifient leurs sources dans le système. Sur la base des conclusions ci-dessus et à l'aide du logiciel Simcenter Amesim, cette recherche propose des améliorations dans la manière dont l'exergie est gérée, dans le but d'accroître la durabilité d'un avion à longue endurance utilisant de l'hydrogène liquide.