Un écoulement laminaire naturel pour des aéronefs économes en carburant

Longtemps considéré par les experts en aérodynamique comme le Saint-Graal de la discipline, l'écoulement laminaire naturel permettra, on l'espère, aux constructeurs aéronautiques de réduire leurs incidences sur l'environnement. Les travaux menés dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) ALFA (L'alfa (de l'arabe halfa) ou sparte est une plante herbacée vivace de la famille des poacées, originaire des régions arides de l'ouest du bassin de la Méditerranée, qui sert notamment à...) visent à commercialiser cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) au cours des six prochaines années.


Les turbulences sont un phénomène certes angoissant la première fois que l'on y est confronté, mais généralement sans grandes conséquences. Ce que l'on sait moins, en revanche, c'est qu'une meilleure structure des ailes permet de réduire les incidents en vol et, partant, l'effet des turbulences sur la consommation de carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.).

C'est le principe du profil à écoulement laminaire (Un écoulement est dit laminaire lorsqu'il est régulier (qu'il ne présente pas trop de variations spatiales ou temporelles), bien souvent stationnaire. Il s'agit en fait d'une solution stable des équations de Navier-Stokes, au sens où si on...): l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de...) suit une trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) régulière et sans obstacle autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5...) des ailes d'un avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air, entraîné par un organe moteur (dans le...), ce qui permet d'obtenir une traînée (En mécanique des fluides, la traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un corps dans un liquide ou un gaz. Mathématiquement c'est la...) minimale. Comme l'explique le Dr Peter Kortbeek, directeur de l'office des technologies chez Fokker Technologies: "La traînée dans le cas d'un écoulement laminaire est presque proportionnelle à la vitesse (On distingue :) de l'avion à une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de 1,5, tandis que la traînée de l'écoulement turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept sous-marins nucléaires d'attaque de la Royal Navy.) est presque proportionnelle au carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses...) de cette vitesse à une puissance sensiblement plus élevée, autour de 1,8."

Un problème majeur persiste: jusqu'à présent, aucun constructeur aéronautique (L' industrie aéronautique et spatiale est le secteur économique qui regroupe les activités des secteurs de l'aéronautique et de l'aérospatiale. Ces secteurs sont étroitement liés aux activités de fournitures...) n'est parvenu à obtenir un écoulement laminaire naturel (NLF) sur l'intégralité du profil. En effet, cela exige la conception et la fabrication d'une forme de profil parfaite présentant une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) lisse et dépourvue de marches, d'espaces et d'ondulations dans toutes les conditions de vol, ce qui est plus facile à dire qu'à faire. L'écoulement laminaire hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique),...) (HLF) représente la seule alternative possible, mais cette technologie exige de concevoir des systèmes caractérisés par de nombreux petits trous dans l'aile et équipés d'une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) pour aspirer l'air de la couche limite (La couche limite est une zone d'interface entre un corps et le fluide environnant lors d'un mouvement relatif entre les deux. On y observe les effets de la viscosité. Elle est un élément important en...) et empêcher la transition vers la turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire : tourbillons dont la taille, la localisation et l'orientation varient constamment....). Ces systèmes sont souvent complexes, onéreux et ont tendance à avoir une incidence négative sur le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à...).

Dans le cadre du projet ALFA, le Dr Kortbeek et une équipe de GKN Fokker, en collaboration avec le Royal Netherlands Aerospace Centre (NLR), se sont fixés pour objectif de développer, concevoir et fabriquer un démonstrateur horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la droite » ou vice versa.) NLF grandeur nature de aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de faire évoluer un aéronef dans l'atmosphère terrestre.) (plan horizontal) présentant une surface de qualité supérieure. Bien plus qu'une preuve de concept, ils voulaient que leur technologie soit compétitive en termes de poids, de coût et de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de production, et de capacités de maintenance et de réparation.

Y parvenir n'est pas sans peine. Le plus grand défi réside sans doute dans la conception et la fabrication de l'empennage horizontal tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en respectant les exigences relatives aux marches, aux espaces et aux ondulations dans des conditions de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) réalistes. L'équipe étudie actuellement les moyens de réduire l'écart entre le bord d'attaque et l'empennage.

"Les marches sont généralement le résultat de la présence de rivets, reliant la peau (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le rôle d'enveloppe protectrice du corps.) (ou le revêtement) à la structure de la voilure. L'élimination de ces rivets par collage ou soudage (Le soudage (Voir article sur la théorie du soudage) est un moyen d'assemblage permanent. Il a pour objet d'assurer la continuité de la matière à assembler. Dans le cas des métaux, cette...) est l'une des solutions permettant de pallier ce problème. Une autre solution consisterait à dissimuler les rivets", explique le Dr Kortbeek. "De même, l'ondulation est le résultat de la conception et des processus de fabrication de la voilure, mais aussi des charges en conditions de vol. Répondre aux exigences NLF exige un vaste savoir-faire, étayé par des simulations."

Aujourd'hui, trois ans après le lancement du projet et un an avant son achèvement, le Dr Kortbeek est déjà convaincu que ces objectifs seront atteints. "Le résultat le plus important du projet sera la mise au point (Graphie) d'un démonstrateur 1:1 qui répondra à toutes les exigences en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) de NLF. Mais surtout, cette technologie sera prête à être appliquée aux futures plateformes aériennes. Selon nos prévisions, la technologie NLF devrait équiper les aéronefs d'ici cinq ans", précise le Dr Kortbeek.

Le démonstrateur sera livré fin 2020. Sa commercialisation fait déjà l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...) de discussions avec un fabricant d'équipement d'origine (OEM).

Les stabilisateurs NLF devraient réduire la consommation de carburant des aéronefs d'environ 1 %, tandis que les ailes NLF pourraient potentiellement permettre d'atteindre les 5 %, voire plus. Ces économies de carburant, qui peuvent paraître modestes à première vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.), sont en réalité considérables si l'on envisage la consommation totale de carburant d'un aéronef (Un aéronef est un moyen de transport capable d'évoluer au sein de l'atmosphère terrestre. On distingue deux catégories d'aéronefs : l'aérostat et l'aérodyne. L'utilisation de ces...).

Pour plus d'information voir: projet ALFA