Le développement de Poddy McPodface, un prototype Hyperloop pour le concours SpaceX

Qu’est-ce que le concours SpaceX ? Pourquoi est-il organisé ?

Le concours SpaceX offre une arène internationale et compétitive pour la conception et le développement de la technologie Hyperloop. Le concept d’Hyperloop est devenu entièrement Open Source sous l'impulsion d'Elon Musk en 2013, afin d’encourager les contributions de tous les équipes déterminées à mettre leur expertise technique à l’épreuve. Si le développement de prototypes de capsule peut coûter des dizaines de milliers d’euros, le coût d'une piste, quant à lui, pourrait atteindre plusieurs millions. SpaceX a confirmé son engagement pour le développement d’Hyperloop en fournissant la piste de test, éliminant ainsi cet obstacle financier majeur pour de nombreuses petites équipes.

Fig 1. Vidéo du concours SpaceX

Le concours se déroule en deux phases : il faut tout d'abord perfectionner les conceptions, puis construire des capsules opérationnelles. En août, les capsules de 24 équipes finalistes seront testées sur la piste d’essai SpaceX à l'échelle 1/2 installée en Californie. Chez HypED, nous sommes actuellement en train de construire notre propre version, Poddy McPodface, qui sera un concurrent de poids sur la piste.

Fig 2. Modèle conceptuel de capsule

Quels défis la technologie Hyperloop doit-elle relever ?

Nous sommes encore au tout début du développement d’Hyperloop et les difficultés rencontrées doivent être surmontées au cours du processus de conception et de construction. S'il est possible de s'inspirer des technologies d'autres modes de transport (comme la lévitation, qui vient des trains Maglev), de nombreux aspects d’Hyperloop sont inédits et nécessitent des analyses d’ingénierie approfondies. Voyager à haute vitesse dans des espaces vides et confinés représente un problème unique et techniquement complexe qui implique beaucoup de temps, de réflexion et d’intelligence.

Fig 3. Analyse CFD de la forme de la capsule

Fig 4. Modélisation FEM des charges sur les parties inférieures du châssis

Pour relever ces défis, plusieurs membres de notre équipe préparent une thèse de Master sur l’analyse d’ingénierie d’Hyperloop. Ces analyses comprendront des conceptions structurelles pour la capsule et le tube, et couvriront le comportement dynamique des matériaux composites, les méthodes de lévitation et la propagation du feu dans le vide. Cette liste est loin d’être exhaustive mais donne une idée de la diversité des problèmes à surmonter.

Au sein de l’Université et avec nos sponsors, nous travaillons avec des chercheurs spécialisés dans les infrastructures de transport, les environnements extrêmes, l'application de charges dynamiques sur les structures et les matériaux composites, afin de couvrir le large éventail des problématiques propres à Hyperloop.

À l’atelier, l’équipe de construction se compose de quatre membres à plein-temps et de cinq collaborateurs à temps partiel. Leur motivation est hors du commun et leur travail acharné porte ses fruits : la construction de Poddy McPodface est en passe d'aboutir et cette capsule sera prête pour le 10 août.

Quels autres obstacles la technologie Hyperloop devra-t-elle encore surmonter ?  

Au-delà des défis techniques immédiats qui doivent être relevés pour que Hyperloop soit opérationnel, la mise en œuvre d’un système fonctionnel exige des essais approfondis. Par exemple, une vitesse dépassant 1 100 km/h pourrait causer de graves problèmes en cas de fuite dans le tube : l’injection d’air dans un espace aussi confiné pourrait provoquer des ondes de choc dommageables autant pour la capsule que pour la structure. D'autre part, le quasi-vide rend tout refroidissement par air pratiquement impossible, alors que cela peut être nécessaire pour protéger les composants. En cas de coupure de l’alimentation, les systèmes de sécurité doivent s'activer pratiquement instantanément pour préserver la sécurité des passagers. Là encore, l’efficacité énergétique du système doit être optimisée pour maintenir la faisabilité d’Hyperloop dans le respect de l’environnement. De plus, de nombreuses questions administratives et législatives ne manqueront pas de se poser : droit de passage, financement et fabrication à échelle réelle. Nous sommes conscients que ces défis exigent des solutions, et c’est pourquoi notre équipe s'attache à trouver des réponses tout en mettant au point Poddy McPodface.

Fig 6. Explication de Hyperloop

L’infrastructure d’Hyperloop est encore au stade des discussions. Les vitesses très élevées qui sont en jeu nécessitent un rayon de courbure de plus de 20 km pour éviter les forces centrifuges indésirables, ce qui pose problème lors de la traversée d’environnements urbains et ruraux, en particulier dans les régions densément peuplées comme le Royaume-Uni. C’est un problème de poids pour la conception car il faut que le voyage soit agréable pour que les usagers soient séduits par ce mode de transport. Idéalement, le couloir Hyperloop devra être parfaitement rectiligne et plan, et c’est pourquoi, au sein de la communauté Hyperloop, de nombreuses voix défendent l’idée de voies souterraines, à la fois discrètes, droites et planes. Nous pensions que cette approche était trop ambitieuse quand nous avons commencé à conceptualiser l’idée en 2016. Pourtant, quelques mois plus tard, Elon Musk a créé la société Boring afin de mettre à disposition un moyen économique de forage des tunnels pour créer des infrastructures souterraines.

Fig 7. Société Boring d’Elon Musk

Chez HypED, nous avons réalisé des analyses économiques conjointement à nos travaux d’ingénierie, afin de parvenir à une approche complète permettant de concrétiser le projet Hyperloop.

Comment se déroule le développement de Poddy McPodface ?

Donnez un nom à ce mannequin ! Que diriez-vous de participer en proposant un nom pour le mannequin de test ?

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Chez HypED, la construction progresse sans relâche : tous les systèmes et composants critiques ont été commandés et la plupart d’entre eux sont déjà dans notre atelier. La carrosserie a été soudée, les châssis des sous-systèmes sont en cours de préparation et la majorité des composants dynamiques ont été usinés. Nous procédons actuellement à une myriade de tests pour garantir le bon fonctionnement de tous les composants, individuellement et en conjonction les uns avec les autres. Notre équipe a testé les systèmes hydrauliques des freins, intégré la batterie et le circuit de contrôle, et a testé avec succès la fiabilité des communications avec la station de base à l’aide de boucles de contrôle. Et à présent, nous préparons avec le plus grand enthousiasme le siège et le harnais de notre premier passager, un mannequin de test que nous présente Ruth Lee.

Fig 8. Mannequin et châssis

La coque est en cours de réalisation avec l’aide de FibreGlass Works à Loanhead, où des étudiants de notre établissement travaillent sous la supervision d’experts : pour nous, c’est une forme de soutien très constructive. L’assemblage est en cours à l’échelle des sous-systèmes, nous passerons ensuite à l’assemblage du système complet et aux essais.

Quelles sont les plus grandes difficultés que vous ayez rencontrées ?

Quand on construit une capsule pour la première fois, chaque étape est susceptible de comporter son lot de problèmes. Nous avons soigneusement étudié notre système afin d'anticiper ces problèmes dans la mesure du possible – un défi de conception en soi – mais plusieurs difficultés techniques imprévues se sont manifestées. Par exemple, le processus de fabrication de pièces à l’aide d’une machine à contrôle numérique (CNC) s’est avéré bien plus délicat que nous ne le pensions, et n’a rien d’immédiat. Les pièces spécialisées nécessaires à la construction de Poddy McPodface impliquent des jeux de paramètres standard totalement différents de ceux qui interviennent habituellement dans la fabrication CNC. Par conséquent, il a fallu mener un important travail conceptuel pour adapter nos conceptions.

Fig 9. Évolution des skis de lévitation

Qui plus est, faire passer notre projet de la conception à la fabrication a été en réalité beaucoup plus difficile que prévu. Nos conceptions étaient souvent idéalistes et présupposaient la disponibilité totale des composants et des délais de production trop optimistes. Confrontés à la réalité de la chose, nous avons dû reprendre la conception de la capsule pour nous adapter à l’offre du marché. Ces modifications ont eu un impact sur les performances théoriques des sous-systèmes et ont entraîné d'autres changements : nous sommes parvenus à briser le cercle vicieux des itérations il y a deux mois et, aujourd’hui, tout le projet est en bonne voie d'aboutir dans les temps.

En ce qui concerne la compétition, la plus grande difficulté résidait dans les délais serrés. SpaceX a annoncé la liste des finalistes en avril, ce qui nous laissait 4 mois pour finaliser le concept, le construire, le tester et l’emballer pour le présenter sur un autre continent. Nous sommes actuellement en phase de construction et de test, et nous sommes impatients d’expédier le produit fini dans moins d'un mois.

Série d'articles sur Hyperloop

• Article 1 : HypED : Résumé des épisodes précédents
  

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