Modélisation, étude expérimentale et évaluation de la conception basée sur l'exergie d'un drone à longue endurance alimenté au LH2

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

• Auteur / Autrice : Sofia Mertika
• Direction : Jean-Marc Moschetta, Christophe Turpin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 05/12/2025
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne) - Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département aérodynamique, énergétique et propulsion
• Jury : Président / Présidente : Pericles Pilidis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Moschetta, Christophe Turpin, Marie-Cécile Péra, Miguel Angel Aguirre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pericles Pilidis, Marie-Cécile Péra
• DOI : 10.70675/899e3521z7a51z4c80za6e8z101b4b3031fc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Drones

Exergie

Véhicules à hydrogène

Hydrogène liquide

Mots clés libres

Hydrogène

Asp

Pile à combustible

Exergie

Hydrogen

Uav

Fuel cell

Exergy

Résumé

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.

This doctoral thesis contributes to the evaluation and improvement of the sustainabilityof unmanned aerial vehicles (UAVs) designed to operate over long distances powered by fuel cells and liquid hydrogen. Its structure progresses step by step, laying the foundations that will enable the final goal to be achieved.The first Chapter introduces the reader to the necessary theoretical background regarding the basic components that compose the propulsion chain of a UAV powered by liquid hydrogen and fuel cells.Chapter 2 then constructs a modeling framework for the individual components of the propulsion chain, which serves systemic analyses. Specifically, it includes modeling using analytical equations that attempt to map the basic physics behind the various processes that take place in the system during its operation. The analytical models of the individual components complement the Simens’ Simcenter Amesim software, which will be the tool for subsequent analyses, as it does not always provide a complete picture of the processes performed by its models. The individual models are then validated and calibrated against experimental data from experiments conducted as part ofthis research for this purpose, including the performance of a liquid hydrogen tank, a fuel cell, and an electric motor.Following the validation of the individual components of the propulsion chain, Chapter 3 analyzes their operation in conjunction as a single system. Specifically, emphasis is placed on the system hybridization method that determines the distribution of energy between the fuel cell and the battery. Next, the thermal interaction between the components is examined when they are enclosed inside the UAV fuselage, where they will operate under normal flight conditions. Finally, Chapter 3 focuses on the issue of the capacity of a liquid hydrogen tank to meet the fuel demand of a long-endurance flight, when the hydrogen is not pumped from the tank but its flow is based on the natural pressure differential. The above issues are addressed using the models developed in Chapter 2 and are validated in practice through experimental tests carried out for this purpose, including ground testing of the UAV’s entire propulsion chain using liquid hydrogen.Once the effective synergy of the components was confirmed and the ability of the overall system to complete a long-endurance flight was validated, the present research turned to Chapter 4 on improving the design of the UAV. The analysis focused on the aircraft’s ventilation system, which is critical to the continuous and safe operation of the fuel cell, the system’s primary energy source. In addition, the design and performance based on the external operating conditions of the liquid hydrogen tank were evaluated, which determine the amount of fuel lost during flight.With an appropriately designed aircraft, the analysis of its flight performance moves to a deeper level, that of energy management. The flow of energy from the fuel tank to the electric motor is evaluated in Chapter 5 not only in terms of quantity but also in terms of quality, through exergy. The analysis of the exergy of each component of the propulsion chain and the system as a whole is based on sustainability indicators from the literature, which ultimately quantify exergy losses and identify their sources in the system. Based on the above findings and by using Simcenter Amesim software, this research proposes improvements in the way exergy is managed, with the aim of increasing the sustainability of a long-endurance aircraft that uses liquid hydrogen.