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Vers des avions sobres et silencieux

Thierry Mahé

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En aéronautique, le développement durable va être l'aiguillon et l'arbitre de toutes les technologies à venir.

S'il est un ciel ou Boeing et Airbus convolent, c'est bien l'environnement. Les deux géants, qui disposent d'un immense thesaurus de travaux de recherche et de technologies sur étagère, n'hésitent pas à placer la barre si haut qu'elle décourage d'éventuels nouveaux entrants, chinois par exemple. Ils connaissent leur marge de progrès et savent jusqu'où faire monter les "enchères". À cela s'ajoute un argument plus trivial : un avion qui émet moins de CO2 coûte moins cher à l'exploitation, donc se vend mieux.

Au vu du simple bilan en CO2, le transport aérien est pourtant un modeste contributeur à l'effet de serre ! Au plan mondial, il ne produit que 1,5 % du CO2 émis par les activités humaines, contre près de 53 % dus au transport routier !

Des défis à tous les niveaux

Clean Sky JTI est le grand programme environnemental européen. Il a vocation à satisfaire aux ambitions de l'Acare (plate-forme technologique européenne pour l'aéronautique et le transport aérien). Et les objectifs d'Acare pour 2020 sont pour le moins ambitieux : réduire de moitié les émissions de CO2, de 80 % celles de NOx et de 50 % le bruit causé par l'avion.

Ce défi semble d'autant plus ardu que l'effort déjà accompli a été immense. Boeing chiffre ainsi à 70 % le gain en carburant (et partant en émissions de CO2) entre les longs courriers de 1955 et les appareils de la génération 2000. Et, selon la même source, le bruit a été réduit de 20 dB depuise 40 ans. Ainsi, un Boeing 767-200 consomme le tiers d'un Boeing 707-320. Et le gain a encore été de 20 % entre ce dernier modèle et le tout dernier Boeing 787 - dont le nom de code projet 7E7 contenait le "E" d'efficiency.

La réduction promise de ces différents paramètres implique donc, à coup sûr, des ruptures technologiques. À commencer, côté consommation, par un saut quantitatif dans la proportion d'alliages ultralégers et de composites dans la structure de l'appareil (voir p. 60 et suivantes).

Passons en revue quelques voies prometteuses. Tout d'abord celle des moteurs. En ce domaine, la révolution continue, chez les General Electric, Pratt & Whitney, Rolls-Royce et consorts, tient à un paramètre magique appelé le "bypass ratio" ou taux de dilution des réacteurs à double flux (rapport du flux d'air froid qui contourne le moteur sur le flux d'air chaud qui traverse le moteur et participe à la combustion). Augmenter ce rapport rend le moteur plus efficace et plus silencieux. On arrive à des taux dépassant dix, comme sur le Boeing 787, mais au prix de diamètres de soufflantes atteignant plusieurs mètres. Cette démarche a permis plusieurs dizaines de pour-cent de gain depuis les années 1960. Elle atteint aujourd'hui ses limites. Car l'énorme section des réacteurs augmente la traînée et pose d'inextricables problèmes d'interactions aérodynamiques entre le moteur et la voilure.

De l'optimisation à une refonte complète

Au plan réduction du bruit, le Boeing 787 inaugure une technologie originale consistant à chevronner la tuyère (technologie QTD de Rolls-Royce) : les contre-turbulences ainsi créées ont divisé par deux le bruit émis.

Bien d'autres optimisations, chez l'un et l'autre constructeur, consistent à gros trait à optimiser l'aérodynamisme en vol (consommation) et à diminuer la nuisance sonore des hypersustentateurs (becs et volets assurant la portance à basse vitesse) dans les phases d'atterrissage. Au-delà, il faut réellement revisiter l'avion. De façon modérée, comme avec le principe d'aile inversée (les moteurs se situent au-dessus de l'empennage). Ou radicale, comme avec le concept d'aile volante où les moteurs sont littéralement noyés dans une structure. L'aéronef n'est plus que portance, mais perd dangereusement en stabilité. Airbus et Boeing l'ont évalué, respectivement, dans les programmes Vela (Very Efficient Large Aircraft) et BWB (Blended Wing Body).

Cette "revisite" de l'avion, dans son fuselage, ses ailes, l'intégration de ses moteurs, est le thème central du programme Nacre (New Aircraft Concepts Research), piloté par Airbus, qui s'achèvera dans deux ans.

En fait, les avionneurs disposent d'une énorme marge de manoeuvre, pour la consommation comme le bruit, dans la gestion du vol et notamment des phases d'approche. Ainsi, Boeing estime que l'on peut réduire de près de 40 % le bruit perçu au sol en substituant à l'approche classique, par paliers, une descente continue vers la piste. Énorme gisement de progrès, encore, dans une vision "système" du transport aérien, qui suppose des avions communicants (voir p. 56).

Des sources d'énergie alternatives

De plus, sans rien changer au dessin de l'avion, les avionneurs ont montré que des carburants alternatifs au kérosène vont générer un gain d'énergie : l'économie en vol supplanterait l'énergie nécessaire au sol pour les produire. Et là, c'est Boeing qui se montre le plus radical. Initiateur de la Commercial Aviation Alternative Fuel Initiative, Boeing envisage dès l'an prochain un vol expérimental avec un biocarburant propre, fruit d'une collaboration avec General Electric et Virgin Fuels. Ayant exploré trois filières (carburant synthétique issu du charbon, biocarburant et gaz type hydrogène ou méthane), l'avionneur privilégie à ce jour le biocarburant issu de la culture d'algues.

Cette option résulte d'une savante péréquation. Car si le kérosène est imbattable en terme d'énergie volumique (les réservoirs sont donc dimensionnés au plus juste), l'hydrogène est champion toute catégorie de l'énergie massique, partant de l'allègement. Moins bon dans ces deux catégories, le biocarburant pourrait cependant, selon Boeing, être produit partout dans le monde à moindre coût, et réduirait globalement de 50 % les émissions de CO2. De plus, il reste liquide aux très basses températures (inférieures à - 30 °C) régnant à haute altitude, ce qui n'est pas le cas d'un biodiesel. Et s'accommode des moteurs actuels. Au reste, le carburant synthétique permet aux avionneurs de s'affranchir de la volatilité du prix du pétrole.

Pour mémoire, Airbus a exploré, voici cinq ans, la filière hydrogène liquéfié dans le projet Cryoplane. L'idée semble à l'abandon.

Le Centre européen de recherche et technologie de Boeing à Madrid (Espagne) vient pour autant d'annoncer une campagne d'essais sur l'hydrogène, mais par le biais d'une pile à combustible de l'anglais Intelligent Energy (technologie Proton Exchange membrane) couplée à une batterie lithium-ion sur un petit avion de Diamond Aircraft Industries doté d'un moteur électrique. Cette campagne d'essais a sa réplique européenne dans le programme Enfica-FC.

De façon plus convaincante, des piles à combustible (PAC) interviendront certainement d'ici quinze ans, non en propulsion mais sur des systèmes de génération électrique secondaire (APU) : en effet, le taux de conversion du kérosène, après reformage, pourrait être triplé dans une PAC, plutôt qu'une turbine. Et le besoin en électricité ne cesse de croître. Ainsi Boeing et Airbus visent-ils à passer la barre des 400 kW - Airbus dans le cadre du projet Celina, pour Fuel Cell Application for a New Configured Aircraft, projet entièrement tourné vers l'objectif 2020.

1,7 MILLIARD D'EUROS DE R&D POUR UN CIEL PROPRE ET SILENCIEUX !

- Clean Sky JTI (pour Joint Technology Initiative, initiative du 7e PCRD), qui démarre cette année, est le grand programme européen voué à l'environnement. Au sens large puisqu'il couvre les aspects pollution, émissions de CO2, réduction du bruit et écoconception de l'industrie aéronautique. Et prend en compte tout le spectre des aéronefs : longs courriers, vols régionaux, hélicoptères. Il regroupe les avionneurs et équipementiers européens, Airbus, Alenia Aeronautica, Dassault Aviation, Eurocopter, Liebherr, Rolls-Royce, Safran, Thales, Agusta Westland, ainsi que Israel Aerospace Industries. Et bien sûr une galaxie de laboratoires et de PME. Des ruptures technologiques C'est, à ce jour, le plus grand projet de recherche jamais lancé par la Commission européenne, avec un budget de 1,7 milliard d'euros sur une période de sept ans. À ce prix, et au vu des objectifs fixés, des ruptures technologiques radicales sont à attendre, dans le profil de l'appareil, l'usage de carburants de substitution, voire de piles à combustible, comme cela est déjà envisagé dans le cadre du programme européen Enfica-FC (appareils interurbains d'une dizaine de sièges propulsés par pile à combustible).

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