Ailes déformables et structures adaptatives

La structure rigide des ailes d’avion traditionnelles en limite les performances dans les différentes phases du vol. Cependant, avec le développement des nouvelles technologies, les ingénieurs peuvent désormais concevoir des avions déformables dont la forme change pendant le vol. S'inspirant de la capacité d’adaptation des oiseaux, les ailes déformables peuvent permettre de perfectionner les performances de vol au cours des différentes phases, sans négliger pour autant d'autres points importants tels que le rendement du combustible, la réduction des émissions et la manœuvrabilité.

La nature est depuis longtemps une source d’inspiration pour l’innovation humaine. Les scientifiques sont depuis toujours fascinés par la facilité avec laquelle les oiseaux, les insectes et, même, les poissons s’adaptent à leurs habitats respectifs. L’idée des ailes déformables, qui imitent la capacité des animaux vivants à changer de forme, a été inspirée par ces adaptations naturelles. En modélisant la façon dont les oiseaux modifient la forme de leurs ailes lors de différentes manœuvres en 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 recouvre plusieurs techniques, toutes conçues pour offrir des avantages aérodynamiques spécifiques. Parmi ces mécanismes, nous pouvons citer :

Torsion et flexion – la flexibilité de la structure des ailes permet d'en modifier la courbe, ce qui affecte la portance et la traînée à différents stades du vol. Cette capacité permet des décollages en douceur, un régime de croisière plus efficace et une plus grande stabilité à l’atterrissage.

Alliages à mémoire de forme (SMA ou Shape Memory Alloys) – les ailes déformables sont construites avec des matériaux qui changent de forme pour s'adapter aux changements de 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 – ces actionneurs changent la forme de l'aile en en gonflant ou en en dégonflant des zones précises en utilisant la pression de l'air. 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 de la stimulation électrique. Ils permettent des ajustements morphologiques en temps réel lorsqu’ils sont intégrés à la structure de l’aile, ce qui améliore la manœuvrabilité et diminue la traînée.

Un projet de recherche sur les ailes déformables a été lancé en 2023 à l'Imperial College de Londres afin de déterminer l’adaptation optimale d’une aile d’avion en réponse à des conditions de vol changeantes.

L'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. Par conséquent, 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 du 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 de la NASA testent ce nouveau type de système de propulsion dans leur soufflerie à grande vitesse. Les essais peuvent durer des années, mais l’organisation a déclaré qu’elle poursuivrait la recherche et le développement de la technologie BLI dans les années à venir.

La 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 de la surface des avions. La CFD a transformé la conception des aéronefs, l’analyse des performances et les méthodes d’essai en apportant aux ingénieurs des informations approfondies sur l’aérodynamique et le comportement des flux d’air. Elle est devenue la pierre angulaire de l’aérodynamique de nouvelle génération.

La CFD implique la résolution d’équations mathématiques complexes qui caractérisent la physique 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 aux ingénieurs d’analyser d’innombrables scénarios sans avoir recours à des prototypes physiques complexes. Elles 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 pour mieux comprendre l’aérodynamique et maximiser le rendement des aéronefs.

La mobilité aérienne urbaine et les eVTOL

La mobilité aérienne urbaine (UAM) préfigure un avenir où des avions électriques à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL), et extrêmement aérodynamiques, transporteront des passagers et des marchandises entre les centres-villes, les banlieues et d’autres destinations urbaines. Exploitant la puissance de l’aérodynamique de nouvelle génération, l’UAM a le potentiel de révolutionner les transports urbains en permettant des trajets plus rapides, une réduction des embouteillages et un mode de déplacement plus durable. La société allemande Volocopter effectue actuellement des vols expérimentaux avec son avion Volocity pour les Jeux Olympiques de Paris 2024.

Les principales caractéristiques de l'UAM :

Décollage et atterrissage verticaux (VTOL) – les avions UAM sont construits avec une aérodynamique spéciale qui leur permet de décoller et d’atterrir verticalement, ce qui supprime la nécessité d’utiliser des pistes d’atterrissage conventionnelles. Ces capacités leur permettent d’atterrir sur les toits et d’autres zones d’atterrissage urbaines autorisées.

Vols court-courriers – les vols court-courriers à l’intérieur des villes et des banlieues sont mieux gérés avec les avions UAM. Par rapport aux transports terrestres, ces vols peuvent offrir des correspondances plus rapides d’un point à l’autre, en particulier en période 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.

Vols 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 vols 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.

Des vols intercontinentaux en un jour ?

Le vol supersonique dépasse la vitesse du son, qui est d’environ 1235 km/h au niveau de la mer et varie en fonction de la température et de l’altitude. Le célèbre Concorde, un avion supersonique de transport de passagers, a donné un aperçu de l’avenir des vols supersoniques à la fin du 20e siècle. Son exploitation a été abandonnée en 2003 à la suite de nombreux problèmes opérationnels et financiers. Les avions de ligne supersoniques bénéficient cependant actuellement d'un regain d’intérêt et pourraient bien reprendre du service d’ici 2029.

La compagnie aérienne américaine Boom Supersonic a ainsi récemment passé commande de 20 avions supersoniques, baptisés « Overture ». Cet avion de 61 mètres de long n’utilise que du kérosène 100 % respectueux de l’environnement et peut atteindre une vitesse de Mach 1,7 (2099 km/h), ce qui en fait l’avion commercial le plus rapide au monde. À cette vitesse, un vol New York-Londres ne dure que 3 heures et demie.

Conclusion

L’aérodynamique de nouvelle génération, qui est 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 déformables ou du rêve de raviver la flamme des vols supersoniques, l’aérodynamique nous propulse dans un avenir où les vols seront plus rapides et plus efficaces, et le ciel plus interconnecté. Si la magnificence de ces innovations étonne, des défis persistent. Pour réaliser le potentiel de l'aérodynamique de nouvelle génération, il faudra maîtriser la complexité des matériaux, des lois et des infrastructures. Ce n'est qu'ainsi que les voies du ciel de demain seront non seulement plus rapides et plus efficaces, mais aussi plus sûres et plus durables.