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Quand l'aviation passe au vert

CLÉMENT CYGLER ccygler@industrie-technologies.com

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Turboréacteur non caréné, ailes intelligentes, système d'optimisation du pilotage... Ces procédés, encore en cours de développement, visent à limiter l'impact environnemental de nos futurs avions de ligne. Une évolution indispensable pour compenser la croissance du transport aérien et ses nuisances.

Moins de carburant, moins de CO2 et moins de nuisances sonores. Voilà la règle des « trois moins » que l'industrie aéronautique applique au développement de ses futurs avions. À travers plusieurs programmes européens de recherche, les compagnies aériennes et avionneurs du Vieux Continent se sont engagés dans une course pour concevoir au plus vite des moteurs et des équipements plus respectueux de l'environnement. En point de mire, les objectifs ambitieux fixés par le Conseil consultatif pour la recherche aéronautique en Europe : réduction de 50 % des émissions de CO2, de 50 % du bruit perçu et de 80 % des émissions d'oxydes d'azote à l'horizon 2020.

La prochaine génération de moteurs

Depuis plus de dix ans, les constructeurs travaillent sur le développement de la prochaine génération de turboréacteurs à double flux, qui équipera les avions de ligne à l'horizon 2015. Leur premier objectif est d'augmenter l'efficacité propulsive des appareils et donc de diminuer la consommation de carburant. Pour y parvenir, les services R et D concentrent une partie de leurs efforts sur l'amélioration du taux de dilution, considéré comme un indicateur de la performance du moteur. Ce taux définit le ratio entre le flux d'air froid brassé par la soufflante (air secondaire) et le flux d'air qui traverse les parties chaudes du moteur (air primaire). Plus ce ratio sera élevé, plus la réduction de consommation sera importante. « Il est essentiel d'accroître la taille de la soufflante pour renforcer le débit d'air secondaire qui participe activement au phénomène de poussée », explique Éric Bachelet, directeur général adjoint du groupe Safran. Actuellement, le turboréacteur CFM56, qui équipe une proportion importante d'avions civils dans le monde, possède un taux de dilution de cinq pour un. En cours de développement, les prochains moteurs, comme le Leap-X ou le PW1000G, présenteront, eux, des taux deux fois supérieurs, avoisinant les onze pour un.

Développé par CFM International, filiale commune de Snecma (groupe Safran) et de General Electric, le Leap-X devrait remplacer progressivement le précédent modèle, le CFM56. Outre la mise en place d'une soufflante d'un diamètre de 188 cm, au lieu des 150 cm pour les turboréacteurs traditionnels, l'amélioration des performances se fera aussi grâce à une optimisation thermodynamique, une meilleure maîtrise de la conception 3D et l'émergence de matériaux composites. Snecma a ainsi mis au point une aube en composite tissée en 3D et consolidée par le procédé RTM (moulage par injection de résine). D'autres pièces en composite seront également intégrées au carter, au mélangeur, aux turbines du compresseur ou encore à la nacelle du réacteur. « L'utilisation de matériaux composites réduit le poids du moteur de près de 400 kg. Cela facilite aussi la mise en place d'une soufflante plus grande, forcément plus lourde. Par rapport au CFM56, le Leap-X améliorera l'efficacité propulsive d'environ 16 % et diminuera d'autant la consommation de carburant », appuie Éric Bachelet. Certifié normalement pour 2016, ce turboréacteur est déjà sélectionné par Airbus, ainsi que par l'avionneur chinois Comac, pour les avions monocouloirs A320 Néo et C919.

Des ailes et un pilotage sur mesure

Pour son futur appareil, Airbus est également intéressé par un autre moteur conçu par le constructeur américain Pratt et Whitney. Baptisée Pure Power PW1000G, cette nouvelle gamme de turbosoufflante a nécessité plus de 20 ans de développement et plus de 1 milliard de dollars. Réacteur à deux arbres classiques, il se distingue par la présence d'un réducteur de vitesse entre la soufflante et le compresseur à basse pression. Grâce à ce dispositif, la soufflante opère de façon indépendante du reste du moteur. En tournant moins vite que le compresseur, les aubes et turbines voient leur vitesse de rotation optimisée. Ce système aide à la réduction du nombre d'étages dans le réacteur, favorisant l'augmentation du diamètre de la soufflante. Ce système d'engrenages de pointe engendre ainsi des économies de carburant comprises entre 12 et 15 %. Grâce à ses performances, la gamme PW1000G a déjà séduit les avionneurs japonais Mitsubishi et canadien Bombardier qui testeront prochainement cette technologie sur leurs appareils.

Outre la motorisation, d'autres pistes sont actuellement recherchées pour obtenir une aéronautique plus propre. Dans le cadre du programme Clean Sky, Airbus pilote le projet SFWA - Aéronef à voilure fixe intelligent - qui vise à concevoir d'ici à 2014 un démonstrateur technologique. Des systèmes de mesure et des capteurs seront installés sur les ailes pour suivre leur comportement pendant les phases de vol. À terme, les données collectées seront analysées en quasi-instantané, afin de modifier directement la forme de l'aile, notamment les volets de bord de fuite et les becs de bord d'attaque. « Les ailes actives adapteront en temps réel leurs formes en fonction de la mesure du flux d'air pour améliorer les performances de l'appareil en vol », explique Marc Fabreguettes, responsable de projets chez Thales Avionics, qui est un des contributeurs de ce sous-programme. Impliqué également dans l'initiative SFWA, Dassault Aviation a, pour sa part, réalisé début 2011 un vol d'essai sur un Falcon 7X afin d'évaluer les gains potentiels d'une aile à profil laminaire. Selon les premières études, ce type de voilure réduirait la traînée de 5 à 10 % et un volume équivalent de carburant. En 2014, cette technologie sera testée à bord d'un A340-300, spécialement modifié.

La mise en oeuvre de toutes ces solutions d'avenir ne doit pourtant pas faire oublier la nécessité d'optimiser les trajectoires et conditions de vol. Comme en voiture, pour économiser le maximum de carburant, il faut savoir piloter. Le démonstrateur technologique intégré (DTI) Green Operations se focalise ainsi sur le développement du système d'aide au pilotage. Thalès Avionics met au point des technologies de navigation pour enrichir le Flight management Systems des appareils. Ces fonctions améliorent le suivi des différentes phases de vol. Par exemple, la trajectoire de décollage peut être optimisée en prenant en compte cinq paramètres : l'altitude de réduction de la poussée, un objectif de poussée réduite, l'altitude d'accélération, un objectif de vitesse réduite et l'altitude en fin de procédure. « Ce travail sur la phase de décollage pourrait aboutir à une diminution de la consommation de fioul de 5 à 10 % et/ou des nuisances sonores d'environ 5 décibels. Le choix du gain dépendra des priorités de la compagnie aérienne, chacun de ces compromis étant de toute façon meilleur que l'existant », détaille Marc Fabreguettes.

Lutte contre la pollution sonore

L'optimisation de la trajectoire et l'introduction de nouvelle motorisation réduisent également les nuisances sonores. L'augmentation du taux de dilution, qui conduit à éjecter un débit d'air plus grand à plus faible vitesse, contribue à réduire fortement le bruit émis. Les gaz d'échappement étant davantage noyés dans le flux d'air secondaire. Par ailleurs, l'incorporation de matériaux absorbant les ondes acoustiques, notamment dans la nacelle, limite la propagation du bruit. Le moteur de CFM offrirait ainsi une réduction des émissions sonores de l'ordre de 10 à 15 EPNDB, l'unité de base pour la certification des avions à réaction. En réduisant la vitesse de sa soufflante, le PW1000G diminue de près de 50 % le bruit du moteur. Avec cette génération de turboréacteur, le bruit de jet est la source de nuisance la plus prépondérante d'un avion au décollage (120 dB). « Plusieurs projets de recherche, tels que Rebecca ou Oscar, sont menés par un grand nombre d'acteurs de l'aéronautique pour réduire cette nuisance sans modification des performances du système propulsif. Parmi les solutions évaluées, la technologie des microjets offrirait le plus grand potentiel de réduction », avance Olivier Saout, responsable de la propulsion à l'Onera. En sortie de tuyère, la mise en place de microjets diminue de façon significative l'intensité des turbulences en optimisant le mélange des jets entre eux et avec l'air ambiant. Pour l'instant, ces technologies conduisent à une baisse de 2 dB, extrapolée sur la base d'essais, mais la cible des 5 dB semble envisageable. Plus novatrice, une solution dite active est aussi développée. Elle consiste à l'injection d'un son identique en opposition de phase avec le bruit.

Des biocarburants adaptés aux avions

Au niveau de l'émission de gaz à effet de serre (GES), la conception de nouveaux moteurs avec une meilleure efficacité propulsive est également nécessaire pour se rapprocher au maximum des objectifs fixés. À partir de 2020, le secteur aérien veut continuer à croître sans augmenter ses rejets de CO2. Les économies de carburant d'environ 15 % réalisées par le Leap-X ou le PW1000G diminuent ainsi d'autant les émissions de GES, mais ce résultat semble insuffisant. Avec 4 % de croissance par an, le trafic aérien focalise ainsi son attention sur l'usage de biocarburants. Faute d'atteindre une neutralité parfaite sur l'ensemble du cycle de vie, ils assureraient un gain important en matière de rejets. Pour éviter le changement de motorisation sur l'ensemble des flottes des compagnies aériennes, difficilement réalisable, l'aviation travaille sur la production de biocarburants adaptés aux systèmes actuels, dits de drop-in. « Les différents biocarburants devront respecter deux exigences techniques pour être compatibles : avoir un contenu énergétique proche de celui du kérosène et rester sous forme liquide à - 47° C », précise Philippe Novelli, chercheur à l'Onera. Deux voies de production sont actuellement des candidates sérieuses pour une utilisation à court terme. Déjà approuvée, la première, appelée BTL - pour Biomass To Liquid - transforme toute matière organique en un carburant liquide. La seconde est l'hydrotraitement des huiles végétales qui consiste à éliminer l'oxygène contenu dans ces huiles pour les transformer en hydrocarbures. Mais ces techniques et les nouveaux procédés de production doivent être développés pour améliorer la rentabilité économique et augmenter les rendements. La question des ressources de biomasse se pose également. Les algues pourraient donc constituer une filière intéressante, notamment en préservant les terres agraires et de qualité.

L'économie de carburant rapporte... plus de bruit !

Vieux de trente ans, le concept de la soufflante non carénée pourrait représenter la prochaine rupture technologique. Cette motorisation, également appelée Open Rotor, consiste à sortir la soufflante du réacteur et à la doter de deux rangs de pales tournant en sens inverse. En l'absence de carénage, la soufflante pourrait atteindre les 3,5 mètres de diamètre et brasser ainsi des quantités d'air plus importantes. Pour améliorer davantage l'efficacité propulsive, l'Open Rotor est muni d'un système d'hélices à pas variable, qui oriente les pales en fonction de la phase du vol. Avec ces évolutions technologiques, le taux de dilution est estimé à 40 pour 1. Au sein du programme européen Clean Sky, deux projets d'Open Rotor sont menés parallèlement par Rolls-Royce et par Snecma. Chacun développe sa propre conception d'hélices « contrarotatives » et réfléchit à la meilleure intégration à l'appareil - probablement à l'arrière du fuselage. D'après les premières simulations réalisées par le motoriste français, cette technologie réduirait la consommation de carburant de plus de 25 % par rapport à un réacteur traditionnel. En revanche, le bruit produit par la soufflante n'est plus étouffé.

Une invention française en passe de réduire la traînée

Conséquence inévitable de la portance que l'air exerce sur les ailes d'un avion, l'aérodynamisme de l'appareil est pénalisé par les vortex et la traînée. Pour minimiser ces phénomènes, Christian Hugues, un passionné d'aviation, a conçu un dispositif appelé Minix. Adaptable à toutes sortes d'extrémités de profils d'ailes, cette innovation brevetée, en forme de cylindre à fente hélicoïdale, fluidifie le vortex et réduit la traînée induite. Selon les essais réalisés, le Minix augmenterait la portance de l'avion de 5,5 %, et donc diminuerait la consommation de carburant de près de 6 %. Plus efficace que les winglets traditionnels, cette solution intéresserait de nombreux constructeurs et même la Nasa, qui a invité l'inventeur français à présenter sa trouvaille à Washington.

UN PROGRAMME EUROPÉEN VERT

Lancé en 2008 et doté d'un budget de 1,6 milliard d'euros, le programme européen Clean Sky vise à se rapprocher des objectifs fixés par le Conseil consultatif pour la recherche aéronautique. Ce partenariat entre les secteurs public et privé favorise l'émergence et la validation des meilleurs procédés.

Ce programme prévoit la mise en place de démonstrateurs de technologies intégrées d'ici à 2014 dans six domaines :

les aéronefs intelligentsà voilure fixe les avions de transport régional verts les giravions verts (décollage vertical) les systèmes pour des opérations respectueuses de l'environnement les moteurs durables et verts l'écoconception

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