Grâce aux progrès de l’aérodynamique et de la technologie de nouvelle génération, l’industrie du transport aérien est sur le point de connaître un changement révolutionnaire. L’avenir du transport aérien est sur le point d’être plus efficace, plus durable et plus accessible que jamais, car les chercheurs, les ingénieurs et les passionnés d’aviation travaillent ensemble pour repenser la façon dont nous comprenons le vol.
L’industrie du transport aérien est l’un des principaux responsables du changement climatique, et elle est soumise à une pression croissante pour réduire son empreinte carbone. L’avenir de l’aviation doit être efficace et durable afin de réduire les niveaux de pollution qu’elle engendre. Fly Net Zero est une initiative conjointe des compagnies aériennes visant à réduire à zéro les émissions nettes d’ici à 2050. La réalisation de ces objectifs ambitieux nécessite l’utilisation de technologies innovantes et le développement de modèles d’avions révolutionnaires.
Dans cet article, nous examinons comment l’industrie aéronautique fait face à ces défis. De la création de nouvelles infrastructures au développement de nouvelles solutions aérodynamiques, en passant par le carburant aviation durable (SAF) et les avions électriques, l’industrie s’efforce de façonner un avenir efficace et durable pour le transport aérien.
Ailes déformables et structures adaptatives
La structure rigide des ailes d’avion traditionnelles limite leurs performances aux différents stades du vol. Cependant, le développement de nouvelles technologies permet de concevoir un avion qui changera dynamiquement de forme pendant le vol. S’inspirant de la capacité d’adaptation des oiseaux, des ingénieurs ont mis au point des ailes déformables susceptibles d’améliorer les performances au cours des différentes phases du vol.
La nature est depuis longtemps une source d’inspiration pour l’innovation humaine. Les scientifiques sont depuis longtemps fascinés par la facilité avec laquelle les oiseaux, les insectes et même les poissons s’adaptent à leurs habitats spécifiques. L’idée des ailes déformables, qui imitent la capacité des animaux vivants à changer de forme, a été inspirée par la nature. S’inspirant de la façon dont les oiseaux modifient la forme de leurs ailes lors de différentes manœuvres de vol, des ingénieurs ont créé des ailes capables de changer de configuration en temps réel.
Comment les structures des avions s’adaptent-elles ?
Le concept d’ailes déformables englobe un certain nombre de techniques, chacune étant conçue pour offrir des avantages aérodynamiques spécifiques. Parmi ces mécanismes, on peut citer :
- Torsion et flexion – La flexibilité de la structure de l’aile permet de modifier la courbure de l’aile, ce qui affecte la portance et la traînée à différents stades du vol. Cette capacité permet des décollages en douceur, une croisière plus efficace et une plus grande stabilité à l’atterrissage.
- Alliages à mémoire de forme (SMA ou Shape Memory Alloys) – Les ailes sont construites avec des matériaux qui changent de forme sous l’influence de la température. L’utilisation d’alliages SMA facilite l’adaptation automatique de l’aile en fonction de l’évolution des conditions de vol, ce qui permet d’optimiser les performances et la consommation de carburant.
- Actionneurs pneumatiques – Utilisant la pression de l’air, ces actionneurs gonflent ou dégonflent des zones spécifiques des ailes pour en modifier la forme. Cette approche permet un contrôle géométrique précis de l’aile et peut être modifiée pour répondre à différents besoins de vol.
- Polymères électroactifs (EAP) – Ces polymères changent de forme sous l’effet d’une stimulation électrique, ce qui permet des ajustements morphologiques en temps réel lorsqu’ils sont intégrés à la structure de l’aile.
En 2023, une équipe de chercheurs de l’Imperial College London a lancé un projet visant à déterminer l’adaptation optimale d’une aile d’avion en réponse directe à des conditions de vol changeantes.
Ingestion de la couche limite (BLI ou Boundary Layer Ingestion)
La cellule et le système de propulsion ont traditionnellement été considérés comme des entités distinctes lors de la conception des aéronefs actuellement en service. En conséquence, l’efficacité propulsive des architectures conventionnelles des moteurs aéronautiques approche de sa limite, et les percées technologiques produisent des rendements décroissants. Le BLI désigne le positionnement des moteurs plus près du fuselage de l’avion, ce qui leur permet de capter et d’absorber le flux de la couche limite de la cellule. Les avantages de la BLI sont notamment une meilleure efficacité de la propulsion, une réduction de la traînée et un meilleur rendement énergétique. Les ingénieurs du Centre de recherche John H. Glenn testent ce nouveau type de système dans sa soufflerie à grande vitesse. Les tests peuvent prendre des années, mais l’organisation a déclaré qu’elle poursuivrait la recherche et le développement de la technologie BLI dans les années à venir.
Mécanique des fluides numérique (CFD ou Computational Fluid Dynamics)
Utilisant l’énorme puissance informatique actuellement disponible, la CFD est une technologie de pointe qui simule et représente les interactions complexes des fluides, tels que l’air, lorsqu’ils se déplacent autour des surfaces des avions. La CFD a transformé la conception des aéronefs, l’analyse des performances et les méthodes d’essai en donnant aux ingénieurs des informations approfondies sur l’aérodynamique et le comportement des flux d’air. Il est devenu la pierre angulaire de l’aérodynamique de la prochaine génération.
La CFD implique la résolution d’équations mathématiques complexes qui englobent la physique complexe du mouvement des fluides. Ces équations permettent d’obtenir une description précise du comportement de l’air autour de la surface de l’avion, en tenant compte de variables telles que la densité, la vitesse, la pression et la viscosité du fluide.
Les simulations CFD permettent d’analyser d’innombrables scénarios sans avoir recours à des prototypes physiques complexes. Les simulations CFD fournissent une représentation numérique des interactions des flux d’air en discrétisant ces équations en parties de calcul plus petites. Airbus, l’un des leaders de l’aérospatiale, utilise la CFD comme un outil puissant pour comprendre l’aérodynamique et maximiser les performances des avions.
Mobilité aérienne urbaine et eVTOLs
La mobilité aérienne urbaine (UAM) envisage un avenir où des avions électriques à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL), équipés d’une aérodynamique de pointe, transporteront des passagers et des marchandises entre les centres-villes, les banlieues et d’autres destinations urbaines. En exploitant la puissance de l’aérodynamique de nouvelle génération, l’UAM a le potentiel de révolutionner les transports urbains, en offrant des trajets plus rapides, une réduction des embouteillages et un mode de déplacement plus durable. La société allemande Volocopter prévoit d’entrer dans l’histoire en testant son avion Volocity lors des Jeux olympiques de Paris en 2024.
Caractéristiques principales de l’UAM :
- Décollage et atterrissage verticaux (VTOL) – Les avions UAM sont construits avec une aérodynamique spécialisée qui leur permet de décoller et d’atterrir verticalement, ce qui supprime la nécessité d’utiliser des pistes d’atterrissage conventionnelles. Cela leur permet d’atterrir sur les toits et d’autres zones d’atterrissage urbaines approuvées.
- Vols court-courriers – Les vols court-courriers à l’intérieur des villes et des banlieues sont mieux desservis par les avions de l’UAM. Par rapport aux transports terrestres, ces vols peuvent offrir des correspondances plus rapides d’un point à l’autre, en particulier pendant les périodes de forte affluence.
- Propulsion électrique – Les avions UAM utilisent souvent des technologies de propulsion électrique pour réduire les émissions, minimiser les nuisances sonores et promouvoir des transports urbains plus respectueux de l’environnement.
L’UAM peut réduire la congestion dans les villes en offrant un mode de transport alternatif, en réduisant les temps de déplacement en évitant le trafic au sol et en contribuant aux efforts mondiaux de réduction des émissions de carbone, grâce à sa propulsion électrique.
Voyages supersoniques
En réduisant considérablement la durée des vols, les voyages supersoniques et hypersoniques constituent un changement de paradigme dans l’aviation, susceptible de modifier complètement les voyages long-courriers et internationaux. Ces innovations devraient révolutionner le transport aérien à l’avenir et créer de nouvelles possibilités grâce à l’aérodynamique de nouvelle génération.
Voyages intercontinentaux en une journée ?
Le vol supersonique dépasse la vitesse du son, qui est d’environ 1 235 km/h au niveau de la mer et varie en fonction de la température et de l’altitude. Le célèbre Concorde, avion supersonique de transport de passagers, a donné un aperçu de l’avenir des vols supersoniques à la fin du 20e siècle. Le Concorde a été retiré du service en 2003 à la suite de nombreux problèmes opérationnels et financiers. Cependant, les avions de ligne supersoniques connaissent un regain d’intérêt et pourraient être remis en service d’ici 2029.
La compagnie aérienne américaine Boom Supersonic a récemment passé commande de 20 avions supersoniques, baptisés « Overture ». Cet avion impressionnant de 61 mètres de long n’utilise que du kérosène respectueux de l’environnement et peut atteindre une vitesse de Mach 1,7 (2 099 km/h), ce qui en fait l’avion commercial le plus rapide au monde. À ces vitesses, un vol de New York à Londres ne prendrait que 3,5 heures.
Conclusion
L’aérodynamique de nouvelle génération, à la croisée de l’innovation et de la nécessité, a le potentiel de redéfinir la façon dont nous percevons et vivons le vol. Qu’il s’agisse du concept impressionnant des ailes déformants ou des rêves renaissants de voyages supersoniques, l’aérodynamique nous propulse vers un avenir où le ciel sera plus rapide, plus efficace et plus interconnecté. Malgré la magnificence de ces innovations étonnantes, des défis persistent. Pour réaliser le potentiel de cette technologie aérodynamique avancée, il faut maîtriser la complexité des matériaux, des réglementations et des infrastructures. Cela garantira que le ciel de demain sera non seulement plus rapide et plus efficace, mais aussi plus sûr et plus durable.
