Résumé :
La société britannique BAE Systems ajoute une nouvelle capacité d'alimentation électrique sans fil à son drone solaire à haute altitude PHASA-35, qui utilise une station au sol pour émettre de manière directionnelle de l'énergie micro-ondes vers le drone volant afin de compléter sa puissance. Le projet a reçu un soutien contractuel de 15,7 millions de livres et environ 21 millions de dollars américains de la part de l'Agence britannique de recherche et d'invention avancées (ARIA), dans le but d'achever le développement technologique et la vérification des vols au cours des trois prochaines années et demie. Si le test réussit, cette méthode devrait résoudre le problème des drones solaires à haute altitude qui ont des difficultés à maintenir leur vol la nuit et en cas de manque de soleil en hiver.
PHASA-35 est un drone à énergie solaire de longue endurance et à haute altitude, également classé comme « pseudolite de haute altitude » (HAPS). Il est conçu pour fonctionner dans la stratosphère au-dessus d’environ 20 000 mètres. Il peut éviter la plupart des systèmes météorologiques et du trafic aérien traditionnel et continuer à naviguer à une vitesse d'environ 90 kilomètres par heure. L'avion est doté d'une aile composite en fibre de carbone de 35 mètres de long. Le fuselage est très léger. Des cellules solaires sont disposées à la surface des ailes pour fournir de l'énergie aux moteurs électriques et aux équipements embarqués.
Le plus grand avantage de ce type d'avion est qu'il peut rester longtemps au-dessus de zones désignées pour effectuer des missions. Les drones à énergie solaire à haute altitude sont moins chers à déployer que les satellites traditionnels qui doivent être lancés dans l’espace et peuvent changer de zone de mission comme les avions ordinaires. À l'avenir, PHASA-35 pourra entreprendre des tâches de relais de communications, d'observation de la Terre, de surveillance et d'autres tâches nécessitant un fonctionnement continu à long terme.
Théoriquement, le PHASA-35 peut s'appuyer sur l'énergie solaire pour produire de l'électricité pendant la journée, tout en stockant l'excès d'énergie dans la batterie pour maintenir le vol la nuit. BAE Systems s'est précédemment fixé un objectif allant jusqu'à un an de vol continu pour cet avion. Cependant, cette capacité dépend fortement des conditions locales d’ensoleillement.
Près de l'équateur, étant donné que la durée du jour et de la nuit change moins tout au long de l'année, il est plus facile pour les drones alimentés par l'énergie solaire d'obtenir suffisamment de lumière solaire. Mais sous les hautes latitudes comme au Royaume-Uni, la situation est complètement différente. En hiver, les jours raccourcissent considérablement et les nuits s’allongent. Dans certaines périodes, il peut même y avoir un manque de soleil efficace pendant une longue période. Pour les avions qui doivent maintenir leur altitude à tout moment, la capacité de la batterie devient en fin de compte une limitation critique dans la détermination du temps de vol.
Si un grand nombre de batteries sont ajoutés pour faire face aux longues nuits d'hiver, le poids de l'avion sera encore augmenté. Pour un avion extrêmement léger à énergie solaire comme le PHASA-35, l’augmentation de poids affectera directement l’efficacité du vol, tout en occupant également un espace de poids qui pourrait autrement être utilisé pour les équipements de communication, les capteurs et autres charges de mission.
ARIA a donc lancé le projet « Persistent Atmospheric Platform », dans l'espoir de développer un nouveau système énergétique qui permettrait aux plateformes solaires de haute altitude d'échapper aux restrictions diurnes, nocturnes et saisonnières. Prismatic, une filiale de BAE Systems, utilisera PHASA-35 comme véritable plate-forme de vérification de vol pour développer et tester la technologie d'alimentation électrique sans fil au sol par phases au cours des trois prochaines années et demie.
Le principe de base est de construire une station de transmission d'énergie dédiée depuis le sol pour convertir l'énergie électrique en faisceaux micro-ondes directionnels et envoyer avec précision l'énergie à PHASA-35 situé à haute altitude. Un dispositif de réception spécial sera intégré à l'intérieur de l'aile de l'avion pour convertir l'énergie micro-onde reçue en énergie électrique et la fournir ensuite au système moteur et batterie de l'avion.
Cette solution est évidemment différente de la recharge sans fil au sens traditionnel du terme. Le drone n’atterrit pas au sol et n’entre en contact avec aucun équipement de chargement. Au lieu de cela, il continue de voler à des dizaines de milliers de mètres d’altitude tout en recevant de l’énergie provenant d’équipements au sol longue distance. Par conséquent, tant que la station au sol peut continuer à fournir de l'énergie à l'emplacement de l'avion, le PHASA-35 peut continuer à voler même si le soleil est couché.
Pour les drones solaires à haute altitude, la plus grande importance de cette technologie n'est pas seulement l'allongement de la durée des vols de nuit, mais aussi la possibilité de réaffecter le budget de poids limité de l'avion. Si les avions n’ont plus besoin de transporter des batteries de grande capacité capables de supporter de longues nuits d’hiver, le poids des batteries peut être réduit et le poids libéré peut être utilisé pour ajouter des équipements de communication, des radars, des capteurs électro-optiques ou d’autres charges utiles de mission.
BAE Systems a déclaré que le PHASA-35 s'est déjà révélé être une plate-forme satellite alternative à faible coût, et que ce projet explorera plus en détail comment rendre cet avion doté d'une capacité de travail continu plus forte. L’objectif ultime est que les plates-formes solaires à haute altitude ne soient plus limitées par la lumière solaire saisonnière, permettant ainsi un véritable déploiement aérien à long terme tout au long de l’année.
PHASA-35 a déjà effectué plusieurs tests de vol et de durabilité. L'avion a effectué son premier vol en 2020 et a depuis subi des dizaines d'heures de tests d'endurance et une vérification complète des capteurs qu'il transporte. Il est conçu pour fonctionner dans la stratosphère pendant de longues périodes et entreprendre des tâches difficiles à réaliser de manière économique pour les satellites traditionnels et certains avions pilotés.
Si la technologie d'alimentation en énergie micro-ondes au sol est enfin éprouvée, le champ d'application de cet avion pourrait être encore élargi. Pour les missions de communication, la plateforme à haute altitude peut survoler la zone cible pendant une longue période pour assurer le relais de communication pour les zones éloignées ; pour les missions de surveillance et d'observation de la Terre, il peut rester longtemps à proximité d'une zone fixe sans avoir besoin d'atterrir et de se recharger aussi fréquemment que les drones ordinaires.
Cependant, l'alimentation électrique sans fil du sol aux avions à haute altitude se heurte encore à de nombreux problèmes techniques, notamment l'efficacité de la transmission de l'énergie des micro-ondes, le contrôle des faisceaux longue distance, le poids de l'équipement de réception des avions, la transmission de l'énergie dans des conditions météorologiques complexes et la sécurité des vols. L'un des points essentiels de ce projet est de vérifier si cette technologie peut fonctionner de manière stable dans un environnement atmosphérique réel grâce à de véritables démonstrations en vol.
Le contrat d'ARIA sera avancé en trois phases, l'objectif ultime étant que PHASA-35 embarque un système complet pour une démonstration en vol complète. En cas de succès, les drones à haute altitude alimentés par l'énergie solaire pourraient passer d'un mode de fonctionnement consistant à « s'appuyer sur le soleil pendant la journée et sur des batteries la nuit » à un système énergétique tout temps qui « combine l'énergie solaire avec une alimentation en énergie sans fil au sol ».
Pour PHASA-35, cela signifie que sa plus grande faiblesse initiale - le manque de soleil la nuit et en hiver - devrait être résolue grâce à l'approvisionnement en énergie depuis le sol. Pour l’ensemble du domaine HAPS, cette technologie pourrait permettre aux avions solaires à haute altitude d’avoir réellement la capacité de rester en l’air toute l’année, formant ainsi une nouvelle plateforme entre les avions traditionnels et les satellites dans certaines missions de communications, de surveillance et d’observation de la Terre.
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