GRIPIT - Groupe de Recherche Interdisciplinaire en Projet Innovant de Transport

Les systèmes de transport offrent l’occasion de se confronter à des fractales : Des détails techniques de la matérialisation des fonctions de guidage et de propulsion, jusqu’aux dimensions macroscopiques gérées par la politique des transports et l’aménagement du territoire, on assiste à une multitude d’échelles systémiques dont les interactions sont effectivement multiples et devraient être considérées comme telle.

Le constat général est que les systèmes de transport évoluent finalement peu, en particulier le transport public. Certes, des améliorations sont constamment apportées aux véhicules et aux infrastructures, mais on est loin du disruptif. Il y a un consensus ancien sur des architectures techniques qui n’évoluent pas, malgré la pression de toutes les opportunités technologiques apportées par plus d’un siècle d’intenses développements. Pourquoi ?

Un élément essentiel est la séparation bien établie entre la sphère technique qui régit la matérialisation des fonctions nécessaires au transport et la sphère politique, économique et sociale où les décisions d’investissement sont prises. À force de diviser les systèmes en tentant de les rationaliser, la vision et la compréhension générale devient floue et les liens avec les visions détaillées se perdent ou se simplifient à outrance. On cherche alors surtout à ne pas trop s’éloigner de l’existant.

Les promoteurs de nouveaux systèmes apparaissent dans ce contexte comme des « marchands de tapis » venus faire l’éloge de leur invention développée sans connaissance de l’ensemble, du « tout », et éveillent toute sorte de craintes auprès des experts du « tout » et du « petit rien ».

Ayant perdu leur ancrage dans la réalité des contextes qui ont permis leur développement, les systèmes perdent petits-à-petit leur sens comme lien entre les multiples avantages de leur exploitation, leurs désavantages acceptables (on ne fait pas d’omelette sans casser des œufs) et ce qu’implique cette exploitation pour une matérialisation saine, effective et durable.

Le projet GRIPIT a résolument travaillé à développer, dans le cadre de l’axe 1, des outils et des méthodes visant à créer des liens entre, d’une part, les opportunités de technologies disponibles, applicables et industrialisables dans un contexte de transport et, d’autre part, les sphères décisionnelles qui sont organisées sur les liens complexes entre le système de transport et ses usagers, le territoire, les sphères sociétales, le développement économique des régions, le développement durable et l’impact sur la planète et ses écosystèmes. Une innovation ne peut être définie, développée et déployée que si un compromis est trouvé entre tous les représentants des sphères touchées, compromis élaboré au travers d’un travail de co-création interdisciplinaire.

L’objectif n’était donc pas d’évaluer la faisabilité de nouvelles idées, mais de pouvoir définir simultanément le besoin et les opportunités pour y répondre. Ces liens sont construits autour d’un modèle systémique multidisciplinaire pour la conception générale du système.

Ce modèle est basé sur les approches d’ingénierie des systèmes développées par le prof. O. de Weck au MIT (Massachussett’s Institute of Technology) et le prof. Dov Dori au Technion – Israel Institute of Technology. En particulier, la constitution de modèles basés sur le langage et la méthodologie OPM (Object Process Methodology) - ISO/PAS 19450 – permettant de structurer un système complexe en fonctions et en comportement. Sur cette base, différentes méthodes sont utilisées pour lier le concept opérationnel à des solutions techniques et technologiques à des fins de simulations de performance et d’optimisation.

La co-construction d’un système est une activité difficile, car elle fait intervenir la nécessité de coordonner beaucoup d’acteurs, ayant des visions limitées du système et des domaines de compétences restreints, pour assurer la convergence du projet de développement d’un système, dans sa globalité et dans ses détails, vers des objectifs définis, qu’il est d’ailleurs souvent difficile de définir. Il est ainsi parfois plus facile de s’orienter vers un rapport raisonnable entre la performance (qui est multicritère sur un système) et ce qu’implique la réalisation, la matérialisation, du concept du système proposé sur le plan des ressources, de la sécurité, des impacts sociétaux, planétaires, du temps et des contraintes qui s’appliquent au développement.

Ces processus de co-constructions nécessitent donc des outils permettant de structurer le système et d’établir les liens de causalité entre les performances du système en service et ses impacts pendant son cycle de vie. Le principe d’utilisation de ces outils consiste à pouvoir laisser les acteurs « jouer » de leur créativité dans leur domaine respectif en ayant conscience (à travers l’outil) de l’impact tant sur la performance que sur les impacts. En même temps, il est primordial de comprendre les experts concernés par la gestion de ces interactions pour pouvoir identifier des chaînes de causalité et les gérer proprement. Dans certains domaines, il est possible de générer des solutions à l’aide d’algorithmes, mais sur des systèmes complexes, il vaut mieux laisser le pilotage à des humains, qui sauront aussi mieux gérer des paramètres humains et faire preuve d’intuition et de bon sens.

Le développement d’un système doit toujours considérer l’environnement du système, du projet et en particulier son interaction avec d’autres systèmes. La Suisse dispose d’un des meilleurs systèmes de transport public en Europe et dans le monde. Il est basé sur une maîtrise du système ferroviaire et une complémentarité avec les transports régionaux et locaux par bus essentiellement, permettant une bonne complémentarité entre route et rail. Le développement d’un système doit donc être considéré comme un développement d’un système dans un système. Dès lors, un certain nombre de critères de performance et d’impacts basés sur le système le plus global doivent être considérés. De même, ces technologies évoluent et de nouveaux systèmes émergents (par exemple des solutions de MaaS – Mobility as a Service – basées sur des véhicules autonomes ou semi-autonomes)

Pour conjuguer ces outils, plusieurs technologiques informatiques ont été mises en place. En particulier, des outils d’information géographiques ont été couplés à des bases de données avec des algorithmes de calcul et une méthodologie visant à optimiser et rationaliser le système.

Les images ci-dessous présentent une situation actuelle de demande de mobilité (un déplacement de Lausanne-Vennes vers l’ensemble des régions de Suisse) en utilisant trois solutions de transport pour la satisfaire :

• L’utilisation des transports publics actuels :

• L’utilisation de la voiture :

• L’utilisation d’une technologie de transport comprenant un réseau courte distance (5-30 km) à 150 km/h et un réseau grande distance (50-100 km) à 400 km/h

On constate en consultant la figure 3 que, par une adéquate combinaison de ces deux réseaux, des temps de parcours compétitifs par rapport à la voiture peuvent être proposés, ce qui permettrait de renforcer le transport public.

Cet exemple montre une carte de performance. D’autres outils permettent de dimensionner ces réseaux et les véhicules qui seront utilisés et permettent d’évaluer des solutions techniques et technologiques à travers les impacts générés par leur élaboration, leur exploitation et leur fin de vie.

Cette étape ne peut être atteinte que par l’intégration d’une fédération de bases de données et d’algorithmes de dimensionnement liant les grandeurs entre elles. Ces recherches ont donné naissance à la plateforme Dolmen qui permet la simulation du système. Des travaux sont en cours pour développer des codes de dimensionnement et d’analyse de cycle de vie permettant les mesures d’impact (la simulation permettant de vérifier la performance opérationnelle).

Il est ainsi possible de représenter graphiquement le même type de graphe que ceux présentés ci-dessus pour les temps de parcours en considérant cette fois les impacts. Par exemple, si les graphes ci-dessus permettent de connaître la portée territoriale d’un déplacement dans un temps spécifié, on pourrait représenter la portée territoriale pouvant être atteinte avec chaque solution de transport avec une unité énergétique (5 kWh par exemple) ou une unité monétaire pour l’usager (avec 5.- CHF par exemple).

La prise de conscience des enjeux de durabilité et la pression politique sur les plans énergétiques, écologiques, économiques et sociétaux changent radicalement la manière d’aborder la conception d’un système. De la définition des objectifs aux indicateurs de performance, de la spécification aux choix technologiques, la façon d’aborder la conception d’un système doit être revue afin d’intégrer de nouvelles dimensions, telles que le développement durable ou la consommation en ressources, notamment énergétique.

De même, l’évaluation des systèmes devient complexe par cette dimension multicritère.

Mais avant toute chose, un dimensionnement en matière de transport nécessite d’établir une prévision de déplacements et un modèle de choix modal. Différents modèles sont actuellement évalués, adaptés et implémentés afin de pouvoir dimensionner les lignes de transport et déterminer leur coût.

Ces modèles doivent pouvoir intégrer la dimension humaine avec les conditions d’acceptation et d’adoption des technologies. Dans le but de soutenir cet axe de développement, des travaux sont en cours pour développer des systèmes de sécurité en intégrant les méthodologies d’analyses de sécurité dans la méthodologie de conception. Par ailleurs, l’intégration des aspects humains dans la conception de ces systèmes (côté conception et côté système) est également prise en compte par une démarche anthropotechnologique.

La gestion de la partie électrique du projet est gérée par la HES-SO Valais-Wallis - Haute Ecole d'Ingénierie - HEI. Les sujets de recherche concernent la propulsion électrique, la sustentation ainsi que la gestion de l'énergie ont été privilégiés. D'autres, comme la transmission d'énergie sans contact, de même que la problématique d'un moteur embarqué ou distribué le long du parcours, ont été mis momentanément de côté.

Propulsion électrique

Comme le véhicule n'est pas en contact mécanique avec le tunnel, la propulsion du véhicule par moteur linéaire électrique s'est de manière évidente imposée. Afin de répondre avec pertinence aux exigences de l'axe 1, différents modèles analytiques ont été développés. Ces derniers permettent d'obtenir rapidement les performances, l'encombrement ainsi que le coût de la partie active et passive de ces moteurs. Le dimensionnement final, comme exigé par l'axe 2, est lui optimisé à l'aide des éléments finis. Les modèles analytiques développés aussi bien en simple qu'en double inducteur sont les suivants :

• Moteur linéaire synchrone à aimants permanents
• Moteur linéaire asynchrone

Actuellement, la priorité est mise sur le développement d'un moteur homopolaire, Ce moteur a l'avantage d'avoir sa partie active (bobinage triphasé) et son excitation (aimants permanents ou bobine DC) en mouvement. La voie est donc passive et représente un coût moins onéreux que les moteurs synchrones standards.

En parallèle, la possibilité de moduler la force d'attraction d'un moteur linéaire à aimants permanents pentaphasé en agissant sur la troisième harmonique du courant a été étudiée. Cette solution innovante a été abandonnée au profit d'un moteur triphasé standard où la force d'attraction peut être modulée en jouant sur l'affaiblissement du champ.

Sustentation

La sustentation (ou lévitation magnétique) permet de supprimer les frottements mécaniques entre la roue et le rail d'un train conventionnel. Cette sustentation peut se faire soit par attraction (EMS), soit par un système de répulsion (EDS). Ces deux systèmes sont analysés dans le projet. La technologie utilisant la supraconductivité n'est pas un thème de recherche du groupe.

Un modèle analytique pour le système par attraction a été réalisé, qui permet, comme pour le moteur linéaire, de transmettre les caractéristiques principales pour l'axe 1. Le système par répulsion a quant à lui été modélisé par éléments finis et a fait l'objet d'un travail de bachelor. Ces études permettent de calculer la force de sustentation et la force de trainée qui s'oppose au mouvement. La difficulté du dimensionnement réside dans le fait que la force de lévitation doit être maximisée alors que la force de trainée doit être minimisée. Le ratio entre ces deux forces est souvent utilisé comme critère de dimensionnement.

Architecture électrique et gestion de l'énergie

La solution de mobilité d'Eurotube  vise à développer un mode de transport sous vide à très haute vitesse et adapté au contexte Européen. Le principe général de la chaîne de traction se caractérise par un système de propulsion distribué sur une partie de la voie, notamment aux abords des stations (voir figure 1). Sur ces zones, la capsule est accélérée jusqu'à vitesse maximale ou décélérée jusqu'à l'arrêt, afin de permettre le chargement et le déchargement des capsules. On notera qu'en dehors de ces zones, pour assurer le maintien de la vitesse, la capsule dispose d'une chaîne de traction embarquée, alimentée par un Système de Stockage d'Énergie (SSE). Du fait des enjeux énergétiques, les travaux de la HES-SO Valais-Wallis - Haute Ecole d'Ingénierie - HEI se sont focalisés sur le système de distribution de l'électricité stationnaire indispensable à l'alimentation de la chaîne de traction distribué (voir figure 1). Les spécificités de la chaîne de traction induisent que le système de distribution de l'électricité stationnaire réponde aux cahiers des charges suivants :

• Fournir une connexion fiabilisée au réseau électrique hors tension (HT) en maîtrisant les coûts d'exploitation
• Garantir une qualité d'alimentation avec une variation de tension de maximum ± 30 % de la tension nominale
• Permettre la récupération de l'énergie de freinage pour des raisons d'efficacité énergétique et économique liés à la fourniture d'électricité
• Intégrer des sources d'énergies renouvelables pour aider à réduire l'impact carbone, notamment de la consommation auxiliaire

Une description plus détaillée de cette recherche est disponible en ouvrant ce document.

La Haute école du paysage, d'ingénierie et d'architecture de Genève (HEPIA) développe une méthodologie spécifique de travail pour le projet GRIPIT. Il s’agit de définir une approche multidisciplinaire adaptée aux systèmes de véhicules sous vide. Une approche mêlant des simulations CFD et des essais dans une installation développée dans le cadre du projet, a été définie.

Différentes géométries ont été construites pour finalement aboutir à une forme optimale sur le plan de la résistance à l’avancement à haute vitesse dans le vide.

Simulation des effets aérodynamique par CFD

Les effets aérodynamiques ont dans un premier temps été étudiés en se basant sur une géométrie de base inspirée de Swissmetro 1990. Les effets subsoniques, puis supersoniques, ont été décrits et évalués. L’animation ci-dessous montre l’évolution de l’écoulement autour du véhicule est dans le tunnel au voisinage de ce dernier, de 0 jusqu’au régime supersonique. Les conditions de blocage autour du véhicule pour lesquelles la vitesse est égale à celle du son (343 m/s à 20 °C) sont présentent.

AEROTUBE : Développement d’un banc d’essais aérodynamique

Nous avons réalisé un banc d’essais installable dans la soufflerie supersonique à rafales d’HEPIA. Cette installation permet de réaliser des mesures de pressions, et dans quelques semaines de forces, sur des véhicules en tunnel.

Étude des phénomènes aérodynamiques

Nous avons réalisé une analyse des phénomènes aérodynamiques et thermiques (refroidissement du véhicule) grâce aux résultats obtenus. Les ondes de chocs et de détentes ont clairement été mises en évidence. Les forces et les moments aérodynamiques ont été évalués (figure 3), de même que les structures tourbillonnaires pouvant exister en aval du véhicule (figure 4).

Optimisation automatique de la géométrie à l’aide de modèles basés sur les gradients

La géométrie du véhicule GRIPIT est basée initialement sur une ogive de Haack avec les valeurs des paramètres retenus par von Karman. Puis, une optimisation automatique en CFD utilisant une méthode basée sur les gradients, a permis de baisser considérablement la résistance à l’avancement. Un gain d’environ 40% a été obtenu. Cette optimisation a permis de prendre en compte des spécificité du projet GRIPIT comme la présence du sol et d’un fond plat, de même qu’une géométrie profilée en arrière du véhicule.

Prospection sur l’utilisation d’autres environnements que de l’air sous vide

De manière à accroître la vitesse du véhicule sans pour autant franchir la limite de Kantrowitz et passer en régime supersonique, nous prospectons la possibilité de modifier l’environnement du tunnel au-delà de la pression. Nous étudions ainsi les performances du véhicule dans de l’air chaud (effet de la température) et dans l’hélium. Ces deux options permettent de repousser la limite sonique à des valeurs de la vitesse très élevées et d’offrir des puissances à dissiper extrêmement faibles.

Dans le cadre du projet, la HEIG-VD a pour objectif de développer une structure de coque répondant aux besoins techniques d’un véhicule de transport sous-vide comme : une haute tenue en fatigue et une épaisseur de parois réduite, tout en limitant au possible sa masse. Le gain de masse est particulièrement important dans un contexte de basse consommation énergétique. Le second objectif de la HEIG-VD est d’y intégrer différentes fonctionnalités sécuritaires et de gestion thermique. Fonctionnalités telles que du monitoring de structure, des solutions d’arrêts de fissures, une solution d’auto-obturation de fissures et un circuit de dissipation thermique.

Modèle « système » multiphysique

Pour évaluer l’impact des différentes solutions proposées sur la consommation énergétique du système véhicule-tunnel et en accord avec les exigences de l’axe I, la HEIG-VD a développé un modèle récursif prenant en compte une multitude de paramètres comme : le niveau de vide, le nombre de passagers par véhicule, la longueur du trajet, les matériaux utilisés, les masses des installations ou encore la capacité d’échange thermique d’une solution proposée. Il permet de calculer la valeur d’efficacité énergétique en Wh/km/passager pour un système donné ainsi qu’une étude de sensibilité permettant de pondérer l’implication des différents axes de recherches du groupe sur l’efficacité énergétique du système. Il a par exemple permis de démontrer l’inefficacité des différentes solutions de dissipation thermique étudiées par rapport à une solution de stockage thermique embarquée, mais également l’avantage écrasant du mode de transport sous vide en regard des moyens de transports actuels.

Architecture de coque

Le fuselage du véhicule, pensé pour être réalisé en matériau composite à des fins d’optimisation mécanique et de gain de masse, a pour vocation d’être utilisé dans des conditions similaires à celle de l’aérospatial. L’architecture proposée est donc en toute logique celle la plus démocratisée dans l’aéronautique moderne et le spatial. Il s’agit d’une semi-monocoque (voir Figure 3) où la pression est maintenue à ses extrémités par des cloisons (bulkhead). Dans les scénarios étudiés, le fuselage représente environ 20% de la masse totale du véhicule (passagers compris) il est ainsi intéressant de chercher à l’optimiser pour gagner en masse.

Dans ce contexte, les différentes simulations mécaniques permettent d’optimiser l’épaisseur de coque et le design des renforts pour obtenir une tenue suffisante aux efforts dus à la différence de pression intérieure-extérieure et aux cycles de pressurisation. Cette architecture permet d’utiliser ses renforts (cadres, longerons, lisses) comme arrêts de fissures pour limiter leurs propagations et garantir l’intégrité de la structure en cas d’avarie. Leurs espacements sont calculés pour être inférieur à la moitié de la longueur d’une fissure critique (voir Figure 6).

Monitoring de structure

L’important nombre de cycles de pressurisation auxquels sont soumis les véhicules de transport sous vide tout au long de leur vie constitue un défi technique pour garantir la sécurité des passagers et marchandises en transit. La carlingue du véhicule se doit donc d’être conçue en matériaux hautement résistants à la fatigue, mais également d’intégrer des solutions de monitoring structurel pour détecter de manière préventive l’apparition de défauts en service. La HEIG-VD s’est orientée vers l’intégration de jauges de contraintes dans la fabrication du composite. Ces jauges sont conçues pour monitorer les contraintes mécaniques dans la coque, mais aussi pour rompre avant l’apparition d’une fissure jugée critique et ainsi avertir de l’apparition d’une avarie avant qu’elle ne devienne sévère.

Auto-obturation de fissures

Lors de l’apparition de fissures, afin d’éviter une chute de pression dangereuse en cabine, de ne pas perturber le trafic et limiter la masse embarquée, il est intéressant d’introduire, en plus des systèmes d’arrêt de fissures, une solution d’auto-obturation. La HEIG-VD recherche une solution économique et durable / inerte dans le temps, sans activation / intervention extérieure (par exemple cuisson) et si possible ne polluant pas la fissure dans le cas où elle serait réparable. Les différents essais réalisés donnent comme favori l’intégration d’un liner sur la surface intérieure de la coque avec éventuellement l’ajout d’une couche intermédiaire de couplage (fluide visqueux).

Dissipation thermique

Abaisser au maximum la masse du véhicule a pour intérêt de limiter sa consommation dans un contexte où l’économie d’énergie et la mobilité des personnes sont deux enjeux majeurs du 21ᵉ siècle. L’optimisation masse-efficacité du système de gestion thermique s’ancre dans ce contexte. Qu’elle se fasse par dissipation ou par stockage, le dispositif représente un pourcentage non négligeable de la masse du véhicule (10 à 20%) et impact le système de transport entier, que ce soit d’un point de vue logistique (vidange et chargement d’unités de stockage en gare) ou du côté de la gestion du tunnel (émission de vapeur, augmentation de la température des parois, etc.). La HEIG-VD recherche donc à intégrer dans la coque une fonction d’échange thermique avec le tunnel. Différentes solutions radiatives et évaporatives sont étudiées et comparées avec la solution de stockage thermique au travers du modèle système multiphysique développé. Il s’avère cependant qu’en termes de masse embarquée, l’option de stockage interne reste plus favorable dans les conditions de vide poussé et les distance de trajet considérés (~300km, 600km/h 100 Pa).

Technique de fabrication et véhicule prototype

Ces différents axes de recherches et de développements ont pour vocation d’être testés et intégrés dans un concept de véhicule modulaire « plateforme d’essais » dont la coque sera produite par fabrication additive, liant techniques, fabrication de moule pour composite, dépose de composite et fabrication de capteurs. L’équipe de la HEIG-VD travaille sur une solution robotique permettant d’automatiser les étapes de fabrication, notamment celle de l’intégration de nombreux capteurs dans le composite, ce qui constitue un défi technique et économique.

Le consortium qui mène le projet est composé par :

Prof. Samuel Chevailler (annuaire) - Responsable du projet

• HES-SO Valais-Wallis - Haute Ecole d'Ingénierie - HEI

Prof. Vincent Bourquin (annuaire)

• Haute école d'ingénierie et d'architecture de Fribourg - HEIA-FR

Prof. Patrick Haas (annuaire)

• Haute école du paysage, d'ingénierie et d'architecture de Genève (HEPIA)

Prof. Joël Cugnoni (annuaire)

• Haute Ecole d'Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud - HEIG-VD