Le Sunseeker I est un motoplaneur solaire conçu à la fin des années 1980 par Eric Raymond et connu pour sa traversée des États-Unis en 1990.
Développement et caractéristiques Développement L'idée de produire et piloter un avion solaire naît en 1979 pour Eric Raymond, même s'il n'a initialement aucun plan précis, juste une idée générale. Ses expériences des avions classiques (à moteur thermique) l'amènent à préférer des solutions silencieuses et non polluantes, ce qui dans un premier temps l'amène naturellement vers le vol à voile.
Après avoir pu piloter le Solar Challenger d'AeroVironment, la compagnie de Paul McCready, il est amené à piloter un prototype allemand, à l'époque l'avion solaire le plus rapide du monde (un peu moins de ) pesant seulement et ne nécessitant que d'énergie solaire pour voler. Eric Raymond dit que c'est cette expérience qui l'a décidé à construire son propre avion solaire. Parmi les éléments fondateurs, il compte également son expérience de pilotage du Musclair II de Günther Rochelt, l'avion à propulsion humaine le plus rapide du monde (record à ).
C'est en 1986 qu'Eric Raymond commence à développer son design pour un avion solaire monoplace, avec l'aide de Kurt Heinzmann de la Worcester Polytechnic Institute. Pour minimiser la traînée, toute la tringlerie est incorporée à l'intérieur du fuselage. Pour la même raison le moteur est également logé dans un compartiment intégré à la queue. Il bénéficie également de l'aide de Günther Rochelt qui lui fournit beaucoup de données pour démarrer, ce qui se traduit sur le Sunseeker par les mêmes profils et cordes pour les ailes. En effet contrairement à ses prédécesseurs, le Sunseeker est conçu avec de petites ailes (moins longues et surtout avec une corde moyenne plus faible, qui font ressembler le Sunseeker à un planeur classique) et donc une surface couverte de capteurs solaires plus faible produisant assez d'énergie pour le vol en palier mais pas pour assurer le décollage. Il est donc décidé d'avoir recours à des batteries pour le décollage.
Le Sunseeker est conçu autour d'une structure ultra légère en composite de fibre de carbone associée à une matrice de résine époxy à haute température (à l'époque l'aéronautique sportive utilise des résines à basse température). Les résines à haute température sont plus compliquées à utiliser mais ont une meilleure résistance à la chaleur, une caractéristique essentielle pour un avion recouvert de cellules photovoltaïques. Avec le soutien de la société japonaise Kanebo qui fabrique des produits à base de céramique et fournit les matériaux pour la structure en alvéoles Nomex des ailes, un four spécial de de long est construit pour en assurer la cuisson à . Son envergure finale est de , à comparer par exemple aux du Schempp-Hirth Nimbus 4 un planeur traditionnel contemporain au Sunseeker.
L'élément clef de l'avion solaire est son alimentation en électricité : grâce à une batterie (rechargée en vol) au décollage et en montée, puis uniquement grâce aux panneaux solaires pour le vol en palier. C'est la société japonaise Sanyo Electric, partenaire du projet, qui fournit les sept cents cellules photovoltaïques. Contrairement à ce qui se faisait jusque-là, des cellules photovoltaïques rigides, celles-ci sont flexibles et peuvent épouser une forme comme un profil d'aile. Là où les cellules classiques utilisent un substrat en verre, lourd et rigide, les cellules flexibles de Sanyo sont composées d'un film photovoltaïque ancré sur un substrat fin appelé Amorton. Ce polymère thermoplastique issu du centre de recherches de Sanyo à Osaka est résistant à la chaleur, flexible et transparent. Les cellules sont jusqu'à six cents fois plus fines que des cellules photovoltaïques classiques avec une épaisseur de vingt-et-un microns pour un poids unitaire de deux grammes et elles sont pliables jusqu'à un rayon de courbure de . Ces cellules au rapport puissance/poids dix fois supérieur à celui des cellules classiques renforcées par les promesses de Sanyo de fournir des cellules solaires souples atteignant une efficacité de 13,7% laissent imaginer à Eric Raymond qu'il est possible de rendre le vol solaire réaliste et abordable. Mais leur efficacité réelle s'avère être de seulement 2,1%, et dans ces conditions la surface disponible ne fournit pas assez de puissance pour assurer le vol en palier. Les capacités du Sunseeker et la façon de le piloter s'en trouvent considérablement modifiées : Eric Raymond est contraint d'augmenter la surface alaire et à abandonner l'idée du vol en palier propulsé par sa propre électricité. La capacité solaire de l'avion ne peut plus être utilisée que pour recharger les batteries, et une fois la montée effectuée le pilote doit utiliser les techniques du vol à voile en complément de l'énergie photovoltaïque pour augmenter la durée et la portée du vol. Devant cette nouvelle dépendance aux thermiques l'équipe met l'accent sur deux points : la portance et la traînée. Il s'ensuit de nouveaux choix techniques : un profil Wortmann pour l'aile qui assure un bon écoulement laminaire, des bords de fuite à courbure variable pour assurer une bonne portance à basse vitesse combinée à une section transversale plate pour une meilleure efficacité à grande vitesse. La finesse initiale de trente-huit tombe à trente avec les cellules et le moteur, non pas à cause du poids additionnel mais parce que les cellules perturbent fortement la couche limite de l'aile et nuisent à l'écoulement laminaire. Pour compenser l'équipe réduit la traînée en trois jours : d'abord elle retravaille le design de l'avion pour diminuer la surface frontale. Puis elle donne une forme plus fluide, plus aérodynamique, au fuselage, de manière à préserver l'écoulement laminaire sur l'essentiel de la longueur de l'avion. Enfin elle réduit la surface de la nacelle minimisant ainsi les pertes aérodynamiques.
Dans son design initial le Sunseeker demandait une puissance d' pour décoller, mais l'ajout des cellules photovoltaïques a fortement augmenté ce besoin. Klans Savier, Kurt Heinzmann et Eric Raymond doivent alors installer un moteur efficace et fiable plus puissant, de à , qui doit néanmoins s'insérer dans l'emplacement prévu pour le moteur plus petit, ce qu'ils réussissent en le décarénant. Le choix du moteur se porte d'abord sur une machine à courant continu, mais intégrée dans la poutrelle de la queue celle-ci chauffe trop. Le choix s'oriente alors sur un moteur sans balais, et avec le support technique d'Inland Motor ils optent pour le modèle RBE-3001. La dissipation thermique est bien meilleure et avec ses aimants en terres rares (samarium-cobalt) il peut fournir un couple plus important qu'un moteur de mêmes dimensions avec des aimants AlNiCo. Bien qu'intégré dans la poutrelle de la queue le capot est pourvu d'ailettes de refroidissement. Initialement dimensionnées à les bonnes performances thermiques du moteur ont permis de réduire leur taille (et donc leur impact aérodynamique) à . Ce moteur est conçu pour opérer à et fournir un couple de en étant alimenté à . Pour comparaison le premier moteur testé tournait à et devait être couplé à un réducteur 21,66:1, là où le moteur brushless ne requiert qu'un réducteur 5,66:1, engendrant ainsi moins de perte de puissance, mais nécessitant plus d'électronique (environ ) pour générer les impulsions à partir du courant continu. En opération sur le Sunseeker le moteur est utilisé à mais Eric Raymond l'a testé jusqu'au double de puissance sans noter de surchauffe significative, et avec une efficacité et une fiabilité qui l’enchante.
Enfin le système cellules solaires - batteries n'aurait pas été viable sans l'invention d'Alan Cocconi en 1987 : un MPPT (pour ) léger et portable. C'est Alan Cocconi lui-même qui est venu le mettre au point une fois la structure du Sunseeker terminée. Ce transformateur actif DC-DC est le lien entre les cellules photovoltaïques et les batteries. Il est capable de trouver le pic de puissances malgré les conditions changeantes (variation de température, baisse et hausse de tension des batteries, etc.). Cocconi travaille également sur le contrôleur du moteur.
Caractéristiques La version finale du Sunseeker, assemblé et équipé, à une masse à vide légèrement inférieure à , précisément pour une longueur de , une envergure de et une hauteur de . Le poids final de la structure n'est que de auquel il faut rajouter les instruments, un parachute balistique de secours, de batteries, les cellules photovoltaïques, le moteur brushless de , l'électronique et l'hélice, pour un poids total de . Pour gagner du poids tout en respectant les normes de construction des planeurs, il a été fait l'économie de renforts qui rendent le Sunseeker plus fragile lors des phases de décollage et d'atterrissage.
Les ailes, en position haute, ont un profil Wortmann avec des cordes de au centre et aux extrémités pour une épaisseur moyenne de et offrent de surface alaire. Cette surface alaire est augmentée par les trois éléments de queue : au bout d'une poutre de , l’empennage est composé de deux éléments horizontaux et un élément vertical de chacune. L'empennage du Sunseeker a la particularité d'être inversée, c'est-à-dire que la partie verticale descend depuis la poutre.
La surface de l'avion est recouverte de 700 cellules photovoltaïques réparties sur tous les plans horizontaux de l'avion : ailes, poutre et empennage horizontal ce qui est rendu possible par la nouvelle technologie des cellules flexibles. Les 600 cellules des ailes sont plus grandes, x , que les 100 cellules réparties sur les éléments plus petits : x . Elles offrent en tout de cellules photovoltaïques. La contrepartie de ces cellules flexibles est leur faible efficacité, annoncée à 8 % voire 13 % mais finalement proche des 2 %. Ces performances sont de plus prévues pour se dégrader rapidement avec le temps : elles ne délivrent plus que 85 % de leur énergie initiale après un an, puis 70 % après trois ans, avant que les performances ne se stabilisent jusqu'à leur fin de vie (les cellules ont une durée de vie de cinq à six ans). Ces cellules produisent de courant continu à en circuit ouvert et en charge. Les de courant produits sont gérés par un contrôleur de puissance à FET qui alimente le moteur synchrone avec en courant alternatif.
Le moteur Inland est monté dans la queue et entraîne une hélice légère de de diamètre, repliable quand elle n'est pas utilisée pour limiter la trainée, à une vitesse de .
Il est alimenté par les quatre-vingt-seize cellules qui composent les presque de batteries nickel-cadmium (pour une charge totale de et une tension délivrée de ) lors des phases de décollage et de montée en altitude, puis le moteur est coupé (et l'hélice se replie) et l'avion se comporte comme un planeur, pendant que les batteries se rechargent pendant 90 minutes grâce aux panneaux solaires.
Pour comparaison, Solar Impulse pèse pour une envergure de ; il est propulsé par quatre moteurs de et est couvert par de cellules photovoltaïques qui ont une efficacité de 12%.