Depuis l’ouverture de son premier bureau de conception dans le petit garage du New Jersey du Garage du New Jersey de Pratt & Whitney, Frederick Rentschler, Andy Willgoos, Pratt & Whitney n’a jamais viré de sa quête pour rester au bord d’attaque de la technologie de propulsion des avions – des hautes incrémentielles de performance à des passages généraux de pas de longueur dans l’efficacité du carburant.
Cet investissement implacable dans le futur se poursuit aujourd’hui. La fusion de 2020 qui a réunie Collins Aerospace, Pratt & Whitney et Raytheon ont établi RTX comme l’une des plus grandes sociétés aérospatiales et de défense du monde. Avec un budget de R&D annuel de 7,5 milliards de dollars et plus de 60 000 brevets à son nom, RTX vaut bien plus que la somme de ses pièces en ce qui concerne la technologie, avec des opportunités de collaboration claires dans ses trois entreprises.
«Il s’agit de réinventer ce que nous faisons aujourd’hui, de chercher des moyens d’améliorer l’aviation pour demain et de permettre la supériorité aérienne pour les États-Unis et ses alliés», explique le scientifique en chef du RTX, le Dr Michael Winter. Le vétéran de Pratt & Whitney aide désormais à coordonner les projets de recherche et de développement réalisés par les 57 000 ingénieurs de RTX – un tiers de sa main-d’œuvre totale – pour garantir l’alignement avec les feuilles de route technologiques clés dans ses trois entreprises.
Il existe de riches opportunités de collaboration croisée. Cela comprend l’expression de le leadership de Collins Aerospace dans l’électrification des avions, qui pourrait permettre des systèmes de propulsion hybride-électriques plus puissants, ainsi que l’expertise de Raytheon dans les systèmes de défense aérienne et antimissile intégrés, qui englobe des matériaux avancés à haute température.
«Il y a tellement de synergies dans notre entreprise et nous incitons la collaboration entre nos équipes», explique Winter, un «rat de laboratoire» auto-décrit avec un doctorat en physique appliquée. Ayant passé une grande partie de sa carrière de 37 ans à réfléchir à la façon de construire de meilleurs moteurs, il doit maintenant réfléchir au potentiel de l’ensemble du portefeuille RTX. La clé de cela est une stratégie intégrée de réduction qui couvre une gamme de technologies, notamment la fabrication additive, la science des matériaux, les électriques hybrides, les carburants alternatifs et l’intelligence artificielle.
Le chevauchement le plus clair de l’opportunité est peut-être dans l’électrification, une discipline que Collins a fait le sien depuis la période immédiate de l’après-guerre lorsque la société prédécesseur Sundstrand concevait des générateurs. Depuis lors, l’entreprise a lancé la conception de systèmes électriques avancés sur des plates-formes allant du Lockheed Martin F-35 à l’Airbus A350 et Boeing 787.
Solutions électriques
Le dernier objectif est de se concentrer sur la propulsion hybride-électrique et la façon dont les technologies de puissance électrique de Collins peuvent améliorer les moteurs à combustion du carburant. «Avant la fusion, nous avons travaillé avec Pratt & Whitney et d’autres fabricants de moteurs en tant que fournisseur d’accessoires», explique Todd Spierling, boursière en technologie principale de Collins et spécialiste des systèmes électriques. «Maintenant, nous pensons en termes de partie intégrante du système de propulsion réel.»
La collaboration des deux entreprises a été catalysée par le lancement en 2021 du démonstrateur de vol hybride-électrique RTX, dont le système de propulsion combine un moteur thermique Pratt & Whitney Canada hautement efficace avec un puissant moteur électrique de 1 mégawatt développé par Collins. «Le démonstrateur de vol nous a vraiment permis de saisir les défis de cette technologie, en particulier en termes d’intégration des avions, mais aussi de comprendre les opportunités», note Spierling. «Cela nous a aidés à faire avancer toute une gamme de programmes de démonstrataires concernant différentes applications d’avions.»
Un autre démonstrateur est Switch, qui fait partie du programme d’aviation propre de l’Union européenne, et impliquant également des moteurs Aero MTU, GKN Aerospace et Airbus. Ici, les entreprises créent un démonstrateur de moteur GTF hybride-électrique, incorporant deux des générateurs de moteurs électriques de classe Megawatt de Collins qui devraient commencer les tests l’année prochaine.
Comme l’explique Spierling, le projet aidera les ingénieurs à décider comment cibler l’électricité pour augmenter les performances d’un moteur conventionnel, qu’il s’agisse d’effectuer une accélération rapide ou d’économiser du carburant pendant les conditions de ralenti. «Nous trouvons la meilleure façon d’utiliser l’électricité pour rendre une turbine à gaz plus économe en carburant», dit-il. « Cela pourrait impliquer les moteurs en utilisant l’électricité pendant quelques minutes dans une mission d’une heure, mais la capacité électrique supplémentaire ouvre également la porte à l’optimisation d’une multitude de systèmes à travers l’avion. »
Carburants alternatifs
Un autre itinéraire sur la feuille de route technologique de RTX est le carburant alternatif, y compris les carburants synthétiques, provenant d’une variété de biomasse, de déchets ou d’autres matières premières, que de nombreuses compagnies aériennes se sont engagées à acheter en quantités toujours plus grandes dans les années à venir. «Nous avons démontré que tous nos moteurs commerciaux de production modernes seront prêts à fonctionner avec des spécifications futures pour des carburants synthétiques à 100%», explique Winter. «Le défi vient de l’assurance de la compatibilité dans tous les autres sous-systèmes de l’avion, ainsi que pour les aéronefs hérités et les infrastructures de carburant aéroportuaire, c’est pourquoi nous participons activement aux efforts de l’industrie pour développer de nouvelles spécifications de carburant.»
Bien que les combustibles synthétiques soient considérés comme une solution relativement à court terme, RTX se tourne également vers l’horizon de l’hydrogène potentiel que l’hydrogène peut apporter, s’il devient plus largement disponible sur la ligne de vol. C’est un domaine où Pratt & Whitney possède une expérience significative, datant en fait des années 1950 avec un effort secrète de Skunk Works de Skunk Lockheed surnommé le projet Sunntan. Cela visait à développer un avion de reconnaissance à hydrogène, capable de voler à haute altitude au-delà de la gamme de missiles hostiles. Bien que le plan n’ait jamais quitté le sol, l’expérience de la conception et de la construction d’un moteur alimenté par l’hydrogène s’est avérée instructive pour Pratt & Whitney.
«Nous avons dépoussiéré les conceptions de Project Sunntan et nous avons réalisé que, même à l’époque, nos ingénieurs ne convertissaient pas seulement un moteur en hydrogène, ils repensaient en fait le cycle thermodynamique pour rendre l’ensemble du système plus efficace», explique Winter. «C’est la même philosophie que nous avons appliquée à notre projet hysiite.»
Ce projet – le moteur de turbine à hydrogène, injecté à la vapeur et refroidi, est un concept radical pour un futur système de propulsion à une seule nette, conçu pour profiter pleinement des propriétés du carburant hydrogène liquide cryogénique. Par exemple, la combustion de l’hydrogène produit 2,6 fois plus d’eau que la quantité équivalente de carburant à jet, potentiellement une préoccupation pour la création de traînées.
Avec l’hysiite, cette eau est capturée de l’échappement du moteur, évaporée dans la vapeur et réinjectée dans la combustion, augmentant la poussée et réduisant les émissions d’oxyde d’azote. Pendant ce temps, un système de refroidissement intermédiaire aide à créer un système plus efficace. Le projet a débuté en 2022, soutenu par le département américain de l’Énergie et a récemment conclu des résultats impressionnants des tests RIG des sous-systèmes clés.
«Nous avons prouvé que nous pouvions mettre un condenseur dans l’échappement et que nous l’avons survécu. Nous avons prouvé que nous pouvions piéger l’eau, un gallon toutes les trois secondes. Et nous avons montré que nous pouvions réduire les émissions d’oxyde d’azote de plus de 99%», explique Winter. «Dans l’ensemble, le concept pourrait conduire à un moteur 35% plus efficace qu’un moteur GTF moderne, ce qui pourrait vraiment aider à compenser certains de ces autres défis avec l’hydrogène, en termes de conception d’aéronefs et de production de carburant.»
Advancing Technologies
Sur les matériaux avancés, l’un des programmes de recherche de Pratt & Whitney est dans la composition des futures lames de fans, en utilisant des super alliages à base de nickel et des composites matriciels en céramique (CMC), dessinant des leçons pour l’ingénierie qui entre dans les freins de Collins et les surfaces de contrôle sur un missile hypersonique Raytheon, tous deux qui fonctionnent dans des conditions ultra-hot. Depuis 2021, l’installation de développement dédiée de Pratt & Whitney à Carlsbad, en Californie, a été un centre clé pour l’avancement des technologies CMC.
«Les moteurs exposent vraiment les systèmes de matériaux dont ils sont fabriqués au type de conditions uniques qui sont rarement observées sur la planète Terre», explique Winter. «Les températures dans les moteurs sont suffisamment chaudes pour faire fondre les rochers, dépassant parfois les points de fusion des structures métalliques environnantes. En ce qui concerne la façon dont nous pouvons améliorer encore la conception de la lame de turbine, nous empruntons des apprentissages technologiques à travers RTX.»
Pendant plusieurs décennies, RTX a été le pionnier de la fabrication additive, la technologie passant d’une façon de créer rapidement des composants pendant le prototypage à la fabrication de pièces de production à faible volume pour les moteurs hérités, y compris celles du TF33, qui alimente le Boeing B-52 de l’Air Force américaine.
Mais la fabrication additive n’est pas seulement pour les moteurs plus anciens. En utilisant un processus de fabrication additif appelé unité et en tirant parti de l’expertise à travers RTX, les ingénieurs de Pratt & Whitney ont réduit le nombre total de pièces sur le moteur TJ150 – conçu pour alimenter les missiles – de plus de 50 à une poignée, ce qui réduit considérablement le temps et le coût de production. Dans un autre exemple cette année, Pratt & Whitney a annoncé une réparation assistée par une fabrication d’additive pour les composants du moteur GTF qui pourraient réduire le temps nécessaire pour le traitement d’une réparation de plus de 60%.
La mise en danger davantage du potentiel de l’IA et de l’apprentissage automatique est une autre priorité pour l’hiver et l’équipe mondiale de scientifiques et d’ingénieurs de RTX. La technologie est utilisée dans les chaînes de conception et de production de l’entreprise, de la simulation de la façon dont les composants interagiront avant que le métal ne soit coupé, à l’amélioration des pronostiques, où les données capturées par des capteurs sur un moteur peuvent être analysées en temps réel dès que l’avion atterrit pour identifier plus efficacement les besoins de maintenance.
Alors que les projets de développement se déroulent dans plusieurs endroits mondiaux, l’un des principaux hubs de l’innovation de l’entreprise continue d’être le centre de recherche technologique RTX à côté du siège de Pratt & Whitney à East Hartford, Connecticut. Il a ouvert ses portes en 1929 dans le cadre de l’engagement précoce de Frederick Rentschler envers la technologie de demain, quelques années seulement après qu’Andy Willgoos a dessiné les concepts de moteur de guêpe tôt dans son garage de banlieue.
«Rentschler a déclaré que chaque grande entreprise avait besoin d’endroits où les esprits inventifs peuvent se réunir, penser grand, expérimenter et concevoir et définir l’avenir», reflète l’hiver. «Si vous regardez à travers le leadership RTX, beaucoup de gens ont commencé leur carrière là-bas. Cela a contribué à créer cette profondeur technique omniprésente dans la direction de l’entreprise.»
