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Vers des solutions radicales

Thierry Mahé

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- L'augmentation constante du trafic aérien exige une limitation du bruit des avions de ligne. Certaines solutions sont "sur étagère". D'autres exigent de radicales ruptures technologiques et un supplément d'âme théorique.

La question du bruit en aéronautique civile est radicalement différente de celle de l'automobile ! Ici, on s'intéresse assez peu au bruit en cabine - si l'on excepte quelques dispositifs à antibruit actif que Dassault a mis en place sur ses avions d'affaires Falcon. À peine plus au bruit subi par les pilotes dans le cockpit. Le bruit qui hante les ingénieurs, des deux côtés de l'Atlantique, c'est bien évidemment le bruit extérieur, au décollage comme en phase d'approche. Car les deux géants de l'aéronautique mondiale, Boeing et Airbus, se livrent la guerre avec un sonomètre en main au moins autant qu'avec une calculette ! Il est vrai que le trafic aérien devrait doubler d'ici à 2020, engendrant la colère croissante des riverains d'aéroports... Rogne qu'utilisent les deux constructeurs. Le premier des deux qui prendra une longueur d'avance significative suscitera une sévérisation des normes antibruit édictées par l'OACI (Organisation de l'aviation civile internationale) et raflera des parts de marché.

Or, si le bruit perçu au sol a été spectaculairement réduit dans les années soixante et soixante-dix, on assiste depuis vingt ans à une quasi-stagnation des nuisances sonores. Une mesure de bruit normalisée le situe autour de 90 à 95 EPNdB - pour Effective Perceived Noise Decibel.

Le regroupement de l'industrie aéronautique européenne Acare, pour Advisory Council for Aeronautics Research in Europe, a pris les devants et avance des objectifs très ambitieux, en matière de pollution et surtout de nuisance acoustique : réduire par deux le bruit perçu !

Rendre plus silencieux les turboréacteurs

Philippe Morice est directeur du département simulation numérique des écoulements et aéroacoustique à l'Onera (Office national d'études et de recherches aérospatiales). Le spécialiste est formel : « Tenir ces engagements exige une rupture technologique vers 2010. Comparable à l'apparition des turboréacteurs à double flux dans les années soixante-dix. » Cette technique a consisté à réinjecter une partie du flux froid de la soufflante (la grande hélice carénée en tête de réacteur) au flux chaud issu de la chambre de combustion, puis de la turbine.

Boeing et Rolls-Royce ont franchi un pas décisif dans cette direction, en ajoutant une découpe en dents de scie sur la tuyère. Ces buses créent des contre-turbulences avec, pour bénéfice, une puissance sonore divisée par deux. Ce turboréacteur de nouvelle génération débutera sa vie en série avant la fin de la décennie sur le futur Boeing B 7E7. L'Onera étudie des dispositifs similaires mais envisage que les chevrons (la découpe en dents de scie) adoptent une géométrie variable en fonction de la phase de vol.

Le vacarme caractéristique des turboréacteurs (mugissement dans les basses fréquences) peut également être réduit par des méthodes plus classiques comme des matériaux absorbants. Philippe Morice avance une autre voie de recherche : « Augmenter toujours plus le taux de dilution des réacteurs [le rapport en débit air froid + air chaud sur débit chaud, dans les réacteurs à double flux]. Aujourd'hui, on se situe à 6, on vise 9 et des projets ambitionnent 11 ou 12. Le problème, c'est que le gain en turbulence est pénalisé par un diamètre considérablement accru du turboréacteur. » D'où des problèmes de traînées et aussi d'interactions entre le jet et la voilure.

Le concept d'aile inversée

Alain Julienne est chef d'unité des bruits d'écoulement à l'Onera. Il explique : « À l'approche, le bruit aérodynamique est du même ordre de grandeur que le bruit des turboréacteurs. C'est dû au fait que le train d'atterrissage est sorti, les becs et les volets déployés. » Cette source de bruit est beaucoup plus pénalisante à l'approche qu'au décollage car la trace au sol est bien plus grande : l'angle avec la piste est faible. Ces hypersustentateurs (becs et volets) ont pour but de conserver la portance à basse vitesse, pour que l'avion ne décroche pas. De nombreux travaux tendent à faire en sorte que cette portance supplémentaire n'augmente pas trop le bruit aérodynamique.

Ce sont des optimisations. Mais les constructeurs travaillent à des solutions beaucoup plus radicales. Comme le concept d'aile inversée : le turboréacteur se retrouverait au-dessus de l'empennage, avec pour effet que le rayonnement sonore "rebondisse" vers le ciel.

C'est une des idées forces du projet Rosas (Research on Silent Aircraft Concepts), coordonnée par Airbus et qui s'est achevé en mars dernier. Ce programme a défriché la partie théorique et la simulation numérique de cette configuration radicalement nouvelle. Rosas se prolonge dans les projets Vital (Environementaly friendly aero-engine) et Nacre (New Aircraft Concept Research). Ce dernier a été lancé en avril 2005 pour une durée de quatre ans. Il est doté d'un budget de 32 millions d'euros.

De nouvelles procédures de vol

Alain Julienne explique : « Nacre reprend le travail théorique déjà effectué sur l'aile inversée mais avec pour objectif de fournir des codes prédictifs ». À noter que ce programme majeur contient également un important volet écologique.

Comment aller plus loin encore ? En reconsidérant à la base la structure même de l'aéronef. C'est l'aile volante (voir encadré), la forme aérodynamique parfaite, qui "noierait" les turboréacteurs dans sa structure. Cet aéronef sans carlingue mais à la forme de raie ne verra le jour, au mieux, avant vingt ans.

Il faut également citer le programme Iroqua (Initiative de recherche pour l'optimisation acoustique aéronautique), qui allie le CNRS, l'Onera, Airbus, Dassault Aviation, Eurocopter, Snecma. Ce programme comporte un important volet théorique pour la réduction du bruit à la source. Et s'attache aussi à des aspects plus "pragmatiques", proposant de nouvelles procédures de vol et des trajectoires à plus faible bruit.

Deux grandes écoles sont très actives dans la réduction du bruit des turboréacteurs. L'École centrale de Paris s'est fait une réputation dans l'étude de la naissance du bruit : les turbulences à échelle microscopique. Là, prévalent les "effroyables" équations de Navier-Stokes. L'Ensta (École nationale supérieure de techniques avancées, à Paris), quant à elle, travaille avec Airbus sur la propagation de l'écoulement (hydrodynamique) et du rayonnement acoustique dans le réacteur, et sur les échanges d'énergie entre ces deux flux. Éric Luneville, qui est responsable de l'unité de mathématiques appliquées de l'Ensta, promeut une modélisation originale de ces phénomènes, basée sur les équations de Galbrun - et non d'Euler.

LA PROBLÉMATIQUE

- La nécessaire réduction du bruit des avions doit rendre supportable l'augmentation du trafic aérien. - Des décibels sont encore à rogner avec les techniques classiques. Mais les ingénieurs ne pourront pas faire l'économie, d'ici dix ans, de radicales mutations technologiques. - L'avion silencieux n'aura plus la même configuration que les appareils actuels.

L'AILE VOLANTE CHAMPIONNE DU SILENCE

- L'aile volante est un concept développé initialement pour les militaires, à la recherche d'appareils furtifs aux ondes radar. Mais de telles configurations sont séduisantes aussi dans l'optique de la réduction du bruit comme de la consommation. Dans le cadre du programme européen Vela (Very Efficient Large Aircraft) piloté par Airbus, l'Onera teste depuis fin 2004 en soufflerie deux maquettes d'ailes à usage civil. Une équipe anglo-américaine (Université de Cambridge et le Massachusetts Institute of Technology) travaille à un projet proche. Mais la suppression des hublots peut être un frein à l'exploitation commerciale. Et ce type d'appareils, qui interdit les toboggans, repose à la base le problème de l'évacuation des passagers.

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