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Concordescopia - Partage des Savoirs

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Articles/Dossiers sur le thème du Supersonique : Suite ou Fin ?

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Le supersonique de Boom, successeur du Concorde, se prépare

Le projet d'avion supersonique de l'entreprise américaine Boom avance : un démonstrateur, biplace, vient d'être présenté. Il ne volera que fin 2017 au mieux mais préfigure un appareil commercial capable d'emmener une petite cinquantaine de passagers à Mach 2,2, soit un peu plus vite que le Concorde. Le prix du vol sera abordable, promet la société.

Basée dans le Colorado, à Denver, la société Boom travaille depuis plusieurs années sur le projet d'un avion supersonique de transport de passagers et a reçu l'aide de Virgin Galactic, qui affirme avoir précommandé dix appareils. Pleine d'enthousiasme, elle prévoit le premier vol en 2020 pour un début d'exploitation commerciale en 2023. D'ici là, elle aura testé un démonstrateur à l'échelle un tiers qui vient d'être présenté.

Comme le modèle final, ce XB1 (baptisé Baby Boom) devrait atteindre Mach 2,2 (contre un peu plus de Mach 2 pour le Concorde). L'avion de 20 m de long dispose d'une aile delta d'une envergure de 5 m. Il porte trois réacteurs General Electrics J85-21, issus d'une longue série de turbines déjà installées sur de nombreux avions, qui ne seront pas équipés de post-combustion (à la différence du Concorde qui exploitait cette poussée supplémentaire pour décoller et passer le mur du son). L'engin de six tonnes n'emportera qu'un équipage de deux personnes, avec une petite autonomie de 1.000 milles nautiques (1.852 km), pour des essais qui seront menés à partir de la fin de 2017, affirme Boom. Ces vols auront lieu à partir de la base d'Edwards, dans le désert de Mojave, en Californie, qui appartient à l'armée de l'air américaine.

Le supersonique volera à Mach 2,2

L'avion définitif serait aussi un triréacteur (le Concorde avait quatre moteurs) de taille réduite pour un avion de ligne, avec une envergure de 18 m pour 51 m de longueur. Il n'emporterait que 45 à 55 passagers sur une distance maximale de 4.500 milles nautiques, soit 8.300 km environ (6.800 pour le Concorde), mais le double avec un arrêt pour remplir les réservoirs. Avec sa vitesse de croisière de Mach 2,2 à 18 km d'altitude, Londres et New York seraient séparés de 3 heures et 15 minutes.
D'après Boom, le prix du billet sur un tel trajet (aller) serait similaire à celui d'un avion actuel en classe affaire, « 2.500 dollars » écrit l'entreprise sur son site Web (soit 2.300 euros environ). Pourquoi une telle différence avec le Concorde ? Grâce aux nouveaux matériaux, plus légers, et à des technologies qui n'existaient pas dans les années 1960 quand le supersonique francobritannique a été conçu. Comme pour son prédécesseur européen, cependant, voler plus vite que le son ne sera possible qu'au-dessus de l'océan, à cause du bruit du « bang » supersonique. Malgré cette limitation, Boom espère que son futur avion pourra offrir 500 trajets autour de la planète.

L'entreprise n'est pas la seule à imaginer des avions supersoniques pour transporter des passagers. La Nasa y travaille, Boeing également et Airbus a présenté des études sur un appareil hypersonique tandis que l'Esa soutient le projet Lapcat, qui vise Mach 5 à Mach 8. La course au nombre de passagers avec des avions de plus en plus gros laissera-t-elle la place à la recherche de la vitesse ?

Source : Jean-Luc Goudet, Futura-Sciences 16/11/2016

Le successeur du Concorde opérationnel dès 2020 ?

Le 16 Novembre 2016 la firme américaine Boom Technology a présenté son projet d’avion supersonique, le "Baby Boom", qui devrait rallier Londres et New York en un temps record.

Relier Londres à New York en 3h15, c’est le pari lancé par la firme américaine Boom Technology. Ce mercredi 16 novembre à Denver, la start-up a présenté son XB-1 Supersonic Demonstrator, surnommé "Baby Boom", annoncé comme la relève du défunt Concorde. Les premiers essais devraient débuter en 2017, en vue d’une commercialisation en 2020. Selon l'entreprise, le futur supersonique sera capable de transporter environ 40 passagers et proposera surtout un billet aller-retour de l’ordre de 4700 € (le dernier tarif du Concorde était de 8100 € pour un aller-retour Paris-New York).

Quant à sa rentabilité, Blake Scholl, PDG de Boom Technology, se montre plutôt confiant. En plus des progrès technologiques de l’aéronautique qui pourraient être réalisés d’ici là, le "Baby Boom", composé de fibres de carbone, sera plus léger et donc moins gourmand en kérosène (30%) que le supersonique franco-britannique. La compagnie Virgin Galactic en plus de soutenir activement le projet financièrement, a commandé les 10 premiers exemplaires du supersonique pour une somme totale de 2 milliards de dollars.

Source : gqmagazine.fr

La Nasa va avoir un avion supersonique

Après avoir remporté un appel d’offre pour la Nasa, l’avionneur américain Lockheed Martin va se pencher sur le nouvel avion supersonique de l’Agence spatiale américaine.

Le Concorde va avoir un successeur. Le groupe aérospatial américain Lockheed Martin a remporté un contrat de recherche auprès de la Nasa pour travailler sur la conception d'un avion supersonique silencieux et abordable capable de transporter des passagers, d’après un communiqué de presse de l'Agence spatiale américaine.

Ce contrat est «un premier pas vers un possible retour des jets de passagers supersoniques, mais plus silencieux et économiques», précise la Nasa. Elle fait évidemment référence au Concorde, le supersonique franco-britannique, qui était bruyant et cher, et dont le dernier vol a eu lieu en 2003. «La Nasa travaille dur pour développer des avions de transport plus écologiques, plus sûrs et plus silencieux capables également de voler plus vite», a déclaré le patron de la Nasa, Charles Bolden, en dévoilant ce projet à l'aéroport Ronald Reagan de Washington. L’un des principaux objectifs dans le domaine de l'aviation étant de réduire la consommation de carburant, les émissions polluantes et le bruit grâce à des innovations dans la conception des avions qui s'éloignent des formes conventionnelles.

Pour les travaux préliminaires sur ce projet, Lockheed Martin recevra environ 20 millions de dollars sur 17 mois. Une fois que les études de faisabilité auront été effectuées sous la supervision de la Nasa, celle-ci demandera aux entreprises de soumettre des projets pour construire un appareil expérimental pouvant être piloté et capable de voler à des vitesses supersoniques.

La Nasa évoque un avion dont la signature sonore s'apparentera à «un battement de cœur», un bruit sourd plutôt qu'un bang perturbateur caractéristique des vols au-delà de la vitesse du son. Elle espère qu'il pourra voler vers 2020.




 Source : Paris Match 01/03/2016

Bientôt un successeur au Concorde ?

Le 25 juillet 2000, la belle histoire du Concorde, un avion capable de relier Paris à New York en 3h30, s’achevait tristement avec un crash à peine une minute après son décollage à Roissy.

Airbus prépare désormais un successeur, le Concorde 2. Le 14 juillet (jour de la fête nationale), deux sociétés du groupe aéronautique - Astrium et EADS France – ont déposé un brevet aux Etats-Unis et publié des documents de présentation d’un nouveau projet d’avion supersonique.

Les inventeurs-ingénieurs ont imaginé l’avion le plus rapide au monde capable de voler à 5500 km/h, ce qui correspond à 4 fois la vitesse du son (le Concorde volait à 2000 km/h). Concrètement, l’avion pourra relier Paris (ou Londres) à New York en 60 minutes de vol. Se rendre à New York en avion-fusée prendra ainsi autant de temps que d’aller à Lille en TGV. Et la Polynésie et la Nouvelle-Calédonie ne seraient plus qu’à environ six heures de Paris.

Pour obtenir une telle performance, l’engin fait appel à trois systèmes de propulsion distincts :

- deux turboréacteurs pour les manœuvres sur piste et le décollage ;
- un « moteur-fusée » permettant à l’avion d’accomplir une ascension quasi verticale jusqu’à une altitude d’environ 35 kilomètres, plus de trois fois celles des avions de ligne actuels, et
- deux statoréacteurs prenant alors le relais pour catapulter l’avion à vitesse supersonique (Mach 4,5) sur une trajectoire horizontale.

La combinaison de machines serait alimentée par diverses formes d’hydrogène stockées à l’intérieur de l’appareil, précise Airbus.

Le schéma de l’appareil décrit dans le dépôt de brevet. Les turbopropulseurs (des réacteurs classiques) sont visibles sous l’appareil (TB1) et sont rétractables. Sous l’aile gauche est visible un statoréacteur (ST1), utilisé pour la croisière.

Sur les croquis présentés par l’avionneur, le Concorde 2 n’a plus grand chose à voir avec son prédécesseur : terminé le nez basculant et l’allure effilée, le nouveau Condorde ressemble davantage à une petite navette spatiale. Les nombreux schémas à l’appui du brevet montrent un appareil dépourvu d’ailes classiques et disposant, à la place, d’une voilure triangulaire placée au-dessus du fuselage.

Autre innovation technique : le supersonique serait conçu pour atténuer le bang qu’on entend lorsqu’un appareil franchit Mach 1. Notamment parce que le mur du son serait traversé alors que l’avion serait en position verticale, ce qui diffuserait le bruit de façon à ce qu’il ne parvienne pas jusqu’au sol.

Le blogueur Deepark Gupta, l’un des premiers à avoir repéré le dépôt de brevet, décrit le projet façon C’est pas sorcier dans une vidéo mise en ligne fin juillet sur Youtube :



Lors de l’annonce d’un projet similaire en 2011, Airbus Group, qui s’appelait alors EADS, avait estimé le délai d’une éventuelle mise en service d’un tel avion à trente ou quarante ans.

En attendant, l’idée intrigue les passionnés d’aéronautique comme André Turcat, 93 ans. Il était le pilote du premier vol supersonique du Concorde, en 1969.

https://soundcloud.com/la1-re/andre-turcatbwf  

Source : Solidarité & progrès Karel Vereycken 20/11/2015

Projet EADS - Le successeur du Concorde

Source : 'Aujourd'hui en France' 19 Juin 2011

L 'avion de transport à grande vitesse ATSF - AGV

Jean MARQUEZE-POUEY (ancien Chef du Département Avant-Projets et Recherche de la Division Avions de l'Aerospatiale)

D'ici au XXIème siècle le trafic aérien mondial va être marqué par deux caractéristiques majeures : son accroissement global et le développement des lignes transocéaniques donc des étapes longues qui, aujourd'hui, s'effectuent en 12 ou 14 heures. La demande devrait donc se préciser et s'amplifier pour des formes de transport plus efficaces, l'efficacité prenant en compte tout à la fois l'économie et la vitesse.

Pour être à la portée du plus grand nombre le transport aérien au XXIème siècle devra encore accroître son caractère économique tant à la conception qu'à l'exploitation, tout en maintenant deux impératifs majeurs : la sécurité et le respect de l'environnement. Le considérable effort qu'apportent organismes de recherche et industriels dans le développement des techniques et des technologies, doit permettre des gains sensibles dans ce domaine : conception structurale, nouveaux matériaux, optimisation aérodynamique, systèmes propulsifs de plus en plus performants et avionique de plus en plus intégrée, vont concourir à des gains économiques substantiels pour le transport subsonique.

Mais il est clair que ces progrès peuvent bénéficier à un type de transport plus performant en terme de vitesse, plus coûteux mais adapté à des missions à grand rayon d'action : le transport supersonique.

Après avoir situé le marché du transport aérien dans son évolution d'ici l'an 2000 nous présenterons comment, à partir de l'extraordinaire acquis technique des Britanniques et des Français permis par le Concorde, les différentes études et recherches en cours pourront bénéficier à un transport à grande vitesse et quels objectifs ils permettront d'atteindre.


Le contexte : marché et environnement

Dans le monde du trafic aérien la croissance estimée est de 5 % à 6 % environ d'ici le début du XXIème siècle : le trafic a doublé en 15 ans, il devrait doubler d'ici à la fin du siècle.

Le transport long-courrier constitue dans ce contexte un créneau tout à fait porteur : les passagers sont de plus en plus demandeurs de relations directes sur les longues distances, à tel point que le nombre de liaisons longs-courriers offertes est passé de 331 en 1975 à 683 à ce jour et que le développement du réseau représente un élément essentiel de la politique des compagnies.

Le confort des utilisateurs, et particulièrement de ceux voyageant pour affaires, passe par des liaisons sans escale, à fréquence suffisante et offrant des temps de vol aussi réduits que possible.

Ceci est particulièrement vrai sur les faisceaux longs-courriers les plus importants, qui relient les pôles économiques prépondérants : Amérique du Sud, Europe et Asie du Sud-Est.

Les prévisions concourent à montrer que, vers 2005, l'Atlantique Nord accueillera chaque année 50 millions de passagers et que les faisceaux Pacifique et Australie/Asie accroîtront considérablement leur trafic, multiplié par trois d'ici 2005.

Si l'on analyse la distribution et la répartition du trafic par longueur d'étape, on observe que l'étape moyenne évolue peu mais que la distribution du trafic par longueur d'étape est profondément modifiée. Si en 1974 les étapes se trouvent limitées à 9 500 km du fait du matériel offert par les constructeurs, aujourd'hui en revanche, la demande pour les longues étapes est devenue importante et les liaisons de 12 à 14 heures sont courantes.

Cette analyse rapide de l'évolution, actuelle et prévisible, du trafic, explique que, au-delà de Concorde et des projets supersoniques américains du début des années 1970 (abandonnés faute de crédits), les grands constructeurs mondiaux se penchent à nouveau sur un appareil capable d'améliorer notablement la qualité de desserte de ce type de relations, l'objectif visé en terme de rayon d'action et de capacité étant tout à fait différent de celui des années 1960.

Les études prospectives menées actuellement dans le monde montrent que les ventes d'un tel produit pourraient atteindre 300 à 600 unités.

Bien entendu cet héritier de Concorde utilisera les aéroports conventionnels et devra satisfaire aux normes de nuisances en vigueur, notamment en ce qui concerne le bruit : le niveau de bruit perçut au sol sera du même ordre que celui des avions subsoniques opérant à la même époque. Ce problème est étroitement lié à l'installation motrice, il concerne donc tout particulièrement les motoristes qui proposent des solutions pour y remédier.

On ne saurait en effet aborder le transport supersonique sans examiner avec soin les problèmes d'environnement.

Pour ce qui concerne le bang, les études menées montrent qu'une diminution du niveau de surpression acoustique est possible - par rapport au Concorde - en améliorant la géométrie de l'avion. En dépit de ces progrès le problème du bang demeure et Aerospatiale considère comme indispensable le survol des terres en croisière subsonique, subsonique élevé : M = 0,95. Ce profil de mission incluant une partie de la croisière en régime supersonique, une autre en régime subsonique, nous conduit à une optimisation particulière de l'avion de manière à respecter les objectifs que nous nous sommes fixés en matière d'économie.

En liaison avec les motoristes les problèmes liés à la pollution atmosphérique sont examinés, qu'il s'agisse de la destruction de l'ozone ou de la création d'oxyde d'azote.

Pour clore ce chapitre relatif au contexte général il me semble indispensable de souligner que face à ce nouveau défi Aerospatiale dispose d'un atout majeur : Concorde, qui, au-delà de l'extraordinaire richesse de l'acquis technologique qu'il a permis, avec son nombre d'heures de vol très important, constitue une expérience unique au monde en matière d'avion civil et donc une base expérimentale inestimable.

Les grandes lignes du contexte dans lequel se situe le transport aérien à grande vitesse étant tracées examinons maintenant, sous l'angle technique, comment se prépare l'avenir d'un tel véhicule.


La préparation de l'avenir : ATSF


Les objectifs


Avant d'aborder les aspects purement techniques liés à un avion de transport supersonique futur - ATSF - successeur de Concorde il est nécessaire de préciser les grandes lignes du cahier des charges que nous nous sommes fixés à partir du contexte général qui vient d'être décrit.

Compte tenu des perspectives offertes par le marché l'ATSF devra transporter environ 200 passagers sur des étapes de 10 000 km - à rapprocher de 100 passagers et 6 200 km par Concorde - à un Mach de croisière de l'ordre de 2 à 2,4. Un effort tout particulier devra être porté sur l'efficacité globale de l'avion, associant les qualités aérodynamiques, la consommation spécifique du système propulsif et la masse ; cette efficacité devra être du même ordre que l'on se situe en croisière subsonique ou supersonique ; elle devra par ailleurs être très proche de celle d'un avion subsonique de même génération.

En ce qui concerne le bruit, l'ATSF devra respecter les normes OACI avec, peut-être, une dérogation rendue nécessaire par la spécificité de ce type d'avions.

Il est enfin indispensable que l'économie opérationnelle de l'ATSF soit du même ordre de grandeur que celle des avions subsoniques de même génération ; en dépit de la difficulté de ce pari, il est permis de penser aujourd'hui qu'elle ne devrait pas en différer de plus de 50 %.

L'aérodynamique

C'est vraisemblablement dans cette discipline qu'ont porté et que portent encore aujourd'hui les plus gros efforts. A partir de Concorde qui constitue une référence d'une très grande richesse (93 maquettes, 79 000 heures d'essais en soufflerie, 4 000 heures d'essais en vol), Aerospatiale a bâti une véritable filiation qui, au travers d'améliorations successives, a conduit à la version 3 de l'ATSF.

L'installation propulsive se caractérise aujourd'hui par des moteurs disposés en nacelles séparées avec entrées d'air de type bidimensionnel dos à dos : cette configuration s'avère, suite à diverses études paramétriques et expérimentales, réaliser un meilleur compromis que celle comportant, comme Concorde, deux moteurs jumelés en fuseaux.

Dans le domaine des basses vitesses les évolutions ont porté sur une augmentation de l'envergure et l'optimisation du braquage des becs entraînant une réduction du bruit et des performances en croisière subsonique améliorées : la finesse atteinte - 16 - n'est plus très éloignée de celle des meilleurs avions de transport subsoniques actuels - 19 -.

Pour la croisière supersonique, une nouvelle voilure a été optimisée, la forme du nez modifiée et affinée grâce à une conception nouvelle du poste de pilotage - nouveaux systèmes de visualisation moins volumineux - ; en outre une disposition et une cinématique nouvelles du train, rétractable dans la partie épaisse de l'onglet de voilure, réduisent ainsi la section du fuselage.

Il est clair également que le projet bénéficie de tous les outils informatiques développés par ailleurs, notamment en matière de conception aérodynamique, et que les méthodes et les calculateurs contribuent grandement à une meilleure optimisation d'ensemble tant d'un point de vue aérodynamique que structural.

L'exposé consacré à l'aérodynamique serait incomplet si l'on n'évoquait pas les travaux actuellement réalisés en vue de réduire la résistance à l'avancement - traînée - notamment celle due au frottement de l'air sur l'ensemble des parois de l'avion. Des recherches fondamentales sont en cours, depuis 1940, dans deux voies : soit maintenir laminaire la couche limite visqueuse sur une partie des surfaces, soit agir sur sa structure turbulente. La réduction potentielle de traînée de frottement grâce au maintien d'un écoulement laminaire local, peut être considérable.

Une réduction de 30 % de cette traînée augmenterait le rayon de l'avion de 20 % pour une même masse au décollage. Si les perspectives de ces travaux sont prometteuses, on est loin de maîtriser l'ensemble des problèmes, notamment ceux relatifs aux imperfections de surface de toute nature.

Propulsion

Le domaine de vol des avions de transport supersoniques étant très étendu, il est extrêmement difficile de concevoir un système propulsif proche de l'optimum au cours de toutes les phases importantes de la mission. Analysons les différents types de moteurs présentés par les motoristes actuellement.

Le moteur simple flux (comme l'Olympus équipant Concorde) est très bien adapté à la croisière supersonique mais il délivre une poussée trop élevée en croisière subsonique. Il doit être utilisé à régime réduit. Son taux de compression et sa température entrée turbine sont alors insuffisants et le cycle obtenu a un très mauvais rendement. Au décollage, un tel moteur est d'autant plus bruyant que sa poussée, généralement insuffisante, oblige à recourir à la réchauffe.

Le moteur double flux dont le taux de dilution peut être choisi de façon à ce que le niveau de bruit au décollage satisfasse les normes en vigueur. Ce type de moteur est acceptable mais il constitue une solution de compromis éloigné de l'optimum pendant les phases de vol importantes telles que la croisière supersonique. En croisière subsonique, le moteur doit fonctionner à régime réduit : le taux de compression et la température à l'entrée turbine sont faibles. La consommation est donc assez élevée. En croisière supersonique, la température à l'entrée du moteur est plus élevée qu'au décollage, il en résulte une augmentation du taux de dilution importante ; la poussée spécifique est alors trop faible et l'utilisation d'une réchauffe augmente la consommation dans des proportions excessives.

Le moteur à cycle variable qui permet de faire varier le cycle en fonction des conditions de vol de façon moins favorable que les moteurs conventionnels. Ce type de moteur permet :

- en croisière supersonique de réaliser de bonnes performances en raison de la durée de cette phase et des poussées élevées qu'impose la forte traînée. La poussée spécifique décroissant rapidement lorsque le taux de dilution augmente, il est donc souhaitable d'adopter un cycle simple flux ou double flux à très faible dilution.

- en croisière subsonique, dont la durée peut être importante si la ligne desservie traverse des terres habitées, les niveaux de poussée sont relativement modérés. Le meilleur cycle est caractérisé par un fort taux de dilution, un taux de compression et une température entrée turbine élevés.

- au cours des phases de décollage, de survol et d'approche, le respect des normes concernant le bruit des avions impose le choix de cycles à faible poussée spécifique. Les vitesses de décollage élevées et les longueurs de pistes réglementaires impliquent des poussées assez importantes donc des débits d'air élevés, difficilement compatibles avec le faible maître couple de la nacelle requis par la traînée en croisière supersonique. Un compromis sera généralement nécessaire.

Il est donc extrêmement difficile de concevoir un système propulsif proche de l'optimum au cours de toutes les phases de vol importantes de la mission. Le moteur cycle variable par son adaptabilité aux différents plans de vol semble le plus proche de l'optimum, mais les problèmes technologiques et d'installation (portes, clapets, vannes d'alimentation jusqu'à M = 1,7) sont très complexes.

Un moteur double flux à taux de dilution proche de l'unité pourrait peut-être réaliser un bon compromis face à un moteur à cycle variable très complexe à développer donc de coûts plus élevés.

Matériaux

Le développement de l'aéronautique passe par une meilleure maîtrise des matériaux utilisés. Depuis 10 ans, beaucoup de nouvelles voies ont été ouvertes, conduisant à une amélioration des performances en ce qui concerne la structure.

Cette amélioration est liée aux allégements dus au gain sur les propriétés spécifiques que peuvent apporter l'emploi des matériaux nouveaux et des technologies de mise en oeuvre (formage superplastique, soudure par diffusion ...).

Les vitesses actuellement envisagées pour l'ATSF, du même ordre que celle de Concorde, conduisent à des échauffements structuraux de même nature ; les difficultés présentées par ces échauffements sont donc parfaitement surmontables et d'ores et déjà de nombreuses améliorations sont possibles.

Nombre de nouveaux matériaux pourront être utilisés sur un ATSF à la fin de ce siècle :

- nouveaux alliages et matériaux composites destinés aux éléments de structure,
- super-alliages, céramiques et composite à base de fibres de verre pour les systèmes de propulsion,
- matériaux composites carbone-carbone (des fibres de carbone dans une matrice de carbone) capables de résister aux températures élevées pour les parties des appareils où la résistance à la chaleur est importante.

Les matériaux doivent néanmoins faire l'objet de nombreuses recherches fondamentales et appliquées avant d'être validés sur des avions de transport devant assurer 50 000 heures de vol sur plus de 25 ans. Deux notions importantes pour ces matériaux sont leur comportement au cours de leur vieillissement (dû à la fatigue, à la corrosion ...) et les gains de masse et de sécurité.

Il est bien évident que la conception structurale de l'ATSF bénéficiera de tous les développements de calculs établis permettant une meilleure optimisation et en conséquence, associée à des matériaux plus légers, un meilleur rendement structural.

Ces matériaux nouveaux et les procédés de fabrication associés contribueront, à l'aube de l'an 2000, à une spectaculaire réduction de la masse structurale des avions : de l'ordre de 20 %.

Cela entraîne d'autre part une diminution considérable des coûts de fabrication et une diminution de la consommation (la diminution de la consommation est deux fois plus rentable que pour un avion subsonique).

Systèmes

Concorde préfigurait par les concepts de nombre de ses systèmes les avions des générations actuelle (Airbus) et future. Il comportait, outre un poste d'équipage moderne, des commandes de vol électriques et un système de commande numérique des entrées d'air.

L'ATSF bénéficiera de toute cette expérience unique et bien sûr de celle acquise avec les avions de la famille Airbus dont la conception et la technologie des systèmes sont les plus avancées dans le domaine des avions civils.

Les développements et recherches en cours à l'Aerospatiale pour les systèmes des avions futurs permettent de définir les avancées technologiques dont l'ATSF bénéficiera pour ses systèmes et son poste de pilotage. Ces avancées technologiques concernent les principaux points suivants :

- le concept avion tout électrique, qui repose sur la suppression de la génération hydraulique centralisée permettant des gains de masse importants et une diminution des coûts de production et de maintenance. Une nouvelle distribution d'énergie électrique viendra y suppléer adaptée dans sa forme, alternative ou continu suivant les utilisations. L'énergie hydraulique, si nécessaire, sera entièrement décentralisée.

- un système de commandes de vol électrique - optique à haute intégrité associant des actionneurs électriques à bande passante améliorée, une architecture tolérante aux pannes basées sur des calculateurs reliés à des capteurs optiques et transmettant l'ordre de commande sous forme optique : ce système autorisera des qualités de vol améliorées et une marge de sécurité augmentée ; par ailleurs l'utilisation de nouveaux types d'actionneurs de commandes de vol à bande passante meilleure associés à l'introduction de lois de pilotage plus complexes intégrant un contrôle de centrage par une gestion du carburant - déjà utilisé sur Concorde - permettront une optimisation des performances et une augmentation des marges de sécurité.

- une avionique modulaire à maintenance réduite dans laquelle la notion d'équipement sera remplacée par la notion de modules standard ; cette avionique modulaire intégrée permettra une optimisation de la maintenance.

- poste de pilotage et des systèmes de surveillance et de conduite du vol optimisant l'efficacité opérationnelle, minimisant les charges de travail et parfaitement intégré dans l'environnement aérien.

L'expérience Aerospatiale acquise dans ce domaine ainsi que les progrès technologiques dans le domaine de la visionique pourraient autoriser pour l'ATSF la conception d'un cockpit dit aveugle permettant une optimisation des formes de la pointe avant.


L'avion à grande vitesse : AGV

Au-delà de l'ATSF dont les objectifs, en terme de vitesse, sont proches du Concorde et à qui le niveau actuel des technologies mises en oeuvre, comme on vient de le voir, permettrait de voir le jour dans les premières années du XXIème siècle, Aerospatiale, forte de la diversité et de la complémentarité de ses compétences en matière d'aéronautique et de spatial, étudie un autre mode de transport à grande vitesse, l'AGV, avion de transport hypersonique.

L'acquis technique et technologique dont dispose Aerospatiale pour cette étude est le même que pour l'ATSF, il vient s'y ajouter la compétence d'autres divisions en matière d'aérothermique, en matière de propulsion - statoréacteur, moteurs hybrides - et les travaux actuellement en cours s'inscrivent dans une totale synergie.

A ce stade très préliminaire des travaux les objectifs de l'AGV visent à répondre aux mêmes besoins du trafic, avec une transposition dans le temps, avec la même prise en compte de l'environnement et un même souci de l'économie opérationnelle qui, grâce à une optimisation à basse et grande vitesse, devrait différer de celle des avions subsoniques de même génération d'un facteur 2. 150 passagers pour une masse de 4,5 sur une étape de 12 000 km, telles sont les caractéristiques de la configuration actuellement à l'étude.

Une croisière subsonique à Mach = 0,95 est prévue comme pour l'ATSF pour les problèmes d'environnement (bang en croisière et focalisation en accélération transsonique). Cette croisière correspond à 2 000 km. Le carburant utilisé peut être du méthane liquéfié à - 180° ou du kérosène spécial, ce carburant sera retenu suivant un compromis entre l'efficacité aérodynamique, le coût et les performances.

Les problèmes associés à l'augmentation en Mach conduisent, au stade de la conception, à une intégration poussée de tous les éléments : charge marchande dimensionnant le fuselage, type de carburant en fonction du Mach de croisière choisi, système de propulsion associé et systèmes. La conception classique, voilure et fuselage séparés, cède le pas à des configurations intégrées dès que le Mach croît.

La configuration adoptée pour cette version comporte :

- un fuselage à section lenticulaire ; l'aérodynamique de l'avion intègre au mieux le système propulsif sous le fuselage,
- une voilure de forme évolutive avec deux dérives en bout d'aile.

La configuration optimale est obtenue par l'utilisation de nouvelles méthodes de calcul, permettant de prévoir les différents phénomènes rencontrés (zone d'interaction, onde de choc/couche limite ...), recalées sur des études expérimentales nombreuses.

La conception d'un tel avion sera très longue car les problèmes rencontrés sont importants :

- la température d'arrêt (bord d'attaque, entrée d'air ...) est de 1 000° C à Mach 5 contre 124° sur Concorde à Mach 2. Ce problème thermique entraîne bien sûr l'introduction de nouveaux matériaux à mettre au point,
- en limitant la pression entrée compresseur à 6 bars à Mach 5, on se heurte à des problèmes de masse. Sur Concorde, la pression est de 0,7 bar, et la masse des entrées d'air représente 66 % de la charge marchande (10 tonnes). Sur l'AGV, quelle devrait être la masse des entrées d'air à 6 bars ?

Enfin le développement des technologies liées à la propulsion est le point clé de la définition d'un avion à très grande vitesse. Lorsque le Mach croît, la gamme des moteurs devient de plus en plus complexe.

En partant de l'actuel supersonique Concorde, propulsé par des turboréacteurs Olympus conçus dans les années 1960, en passant par le SR-71 (Blackbird) propulsé par des 5-58 jusqu'à Mach 3,5, l'augmentation de vitesse nécessite des systèmes propulsifs multimodes : le turboréacteur jusqu'à Mach 3,5, le mode statoréacteur à combustion subsonique (RAMJET) jusqu'à Mach 5.

Jusqu'à M = 3, l'entrée d'air est ouverte et le fonctionnement est en mode turboréacteur ; à Mach 3 le turboréacteur est coupé, les rampes se ferment et l'air passe autour du turboréacteur pour alimenter le statoréacteur.

Il devrait ressortir de ce rapide exposé sur l'AGV que le Mach de croisière retenu - 4,5 au lieu de 2 pour l'ATSF - implique, au niveau de la conception de ce véhicule, un niveau de complexité beaucoup plus élevé conduisant à la mise en oeuvre de technologies non maîtrisées à ce jour. Il serait irréaliste en particulier de penser que la transposition de certaines solutions appliquées dans le domaine spatial se fera sans difficulté. Il doit rester clair que le transport des passagers à Mach élevé constitue un problème spécifique qui nécessitera des moyens très importants et que l'échéance prévisible ne peut se situer avant 2015.


Conclusion

En guise de conclusion il est donc raisonnable de penser aujourd'hui que l'accroissement prévu du trafic et le développement de lignes à grandes distances, vont générer des besoins pour un transport aérien civil à grande vitesse plus efficace que le transport aérien subsonique existant aujourd'hui.

A notre avis deux solutions se présentent, la première, concrétisée dans l'ATSF, vise un Mach de croisière du même ordre de grandeur que le Concorde : la compétence et les technologies existent ou sont rapidement accessibles et peuvent déboucher pour le début du XXIème siècle.

La deuxième, sous la forme d'un AGV, se heurte à des difficultés techniques et technologiques d'un autre ordre que seuls des efforts longs et très importants permettront de maîtriser à une échéance plus lointaine, 10 à 15 ans environ.

Il est clair que le développement de l'une ou l'autre solution, compte tenu de l'ampleur, de son niveau de difficultés et de ses enjeux, passe nécessairement par une coopération internationale entre avionneurs, motoristes et équipementiers.

Concorde redécolle

Etonnement des techniciens : après seize ans de service, le supersonique n'a pas vieilli comme les autres avions. On le croyait à bout de course : mais de modifications en réaménagements, c'est un Concorde rajeuni qui s'apprêterait à voler jusqu'en 2005.
par Germain CHAMBOST

Seize ans déjà que les Concorde d'Air France et de British Airways, seules à exploiter ce supersonique, traversent régulièrement l'Atlantique. Chacune des deux compagnies en possède sept. Mais alors qu'Air France n'assure qu'un seul aller retour quotidien entre Paris et New York, les Concorde de BA en effectuent deux entre Londres et New York, plus trois autres hebdomadaires, entre Londres et Washington. C'est dire que les appareils britanniques accumulent beaucoup plus d'heures de vol que les français. Ou plutôt qu'ils accumulent ce que les techniciens de l'aéronautique appellent les «cycles» , unité de calcul de la durée de vie d'un avion de ce type.

Le cycle comprend le profil type d'un vol commercial : décollage ; montée vers l'altitude de croisière de 60 000 pieds, soit 11 000 m, et accélération jusqu'à Mach 2 (deux fois la vitesse du son) ; croisière à cette vitesse-là ; ralentissement ; descente et atterrissage. Avec toutes les contraintes, notamment mécaniques, que cela suppose pour les ailes, la cellule et les moteurs.

Pour assurer aux passagers un confort normal, alors que l'appareil vole en atmosphère raréfiée à haute altitude et par très basse température (de l'ordre de - 50 °C), la cabine est pressurisée comme celle de tous les avions de ligne (à une pression identique à celle qui qui règne, par exemple, au sommet du Puy-de-Dôme). La cellule est donc soumise à de gros efforts, avec une pression interne importante et une quasi-absence de pression à l'extérieur. A ces efforts s'ajoutent ceux de l'échauffement cinétique, c'est-à-dire de l'élévation de température causée par l'écoulement de l'air autour de l'aile et du fuselage de l'avion qui vole à vitesse supersonique. Le nez de Concorde est ainsi porté à 127 °C, le bord d'attaque des ailes à quelque 100 °C. En outre, si l'échauffement est progressif lorsque l'appareil accélère vers Mach 2, le refroidissement, lui, est assez brutal lorsqu'il décélère et se met en descente, et aborde les plus basses couches de l'atmosphère.

Ce qui, incidemment, nécessite un système de climatisation interne très complexe, puisqu'il faut injecter de l'air chaud lorsque l'avion est en montée ou en descente à vitesse subsonique, et qu'il faut, au contraire, refroidir la cabine en croisière supersonique, sous peine d'imposer aux passagers des conditions caniculaires ?

Or, ces variations de température se traduisent par des efforts imposés à la structure, qui s'ajoutent aux contraintes aérodynamiques du vol - lesquelles tendent à «tordre» les ailes vers le haut, par exemple. Pour réaliser Concorde, il a fallu mettre au point des alliages d'aluminium d'un type nouveau, c'est-à-dire capables de supporter les températures en question sans déformation excessive ni perte des qualités mécaniques. L'alliage en question est l'AU 2 GN de Cegedur, dont on a pu vérifier qu'après 30 000 h de chauffage à 130 °C l'allongement final ne dépassait pas 0,02 %, ce qui est négligeable.

Négligeable en termes mécaniques mais pas en termes de fatigue du métal, car celui-ci subit ainsi de nombreuses contraintes d'allongement et de rétraction au cours d'un vol.

Avant d'autoriser le service commercial, il importait donc de prouver que l'avion pouvait le faire en toute sécurité, sans risque de rupture. En tout cas pour une durée d'exploitation raisonnable. Mais, en sécurité aérienne, le raisonnable doit s'entourer d'un maximum de précautions. Ainsi a-t-on effectué, en simulation, quelque 20 000 cycles, selon la définition qui en a été donnée plus haut. Le terme de simulation n'est d'ailleurs pas tout à fait approprié . Car on a effectivement porté 20 000 fois le métal de la cellule et des ailes à une température de 125 °C, dans un four constitué de tubes de quartz qui, grâce au rayonnement infrarouge, chauffait l'AU 2 GN avant de le refroidir à - 10 °C, température de la décélération et de la descente. Simplement, lors des essais, la durée de chacun était réduite à quarante minutes au lieu des trois heures trente que dure un vol transatlantique. Mais ces quarante minutes étaient parfaitement représentatives d'un vol, en ce qui touche aux efforts imposés au métal.

Bien entendu, on procédait en parallèle à des essais dits statiques, à froid, pour mesurer la tenue des éléments de l'avion aux efforts aérodynamiques. Ces tests en vraie grandeur reproduisent les efforts en question : torsion, charge sur les ailes et les attaches de celles-ci au fuselage, etc. Y compris dans les conditions extrêmes, comme lorsque l'avion en cours de descente, alors que les structures internes sont encore chaudes et les parois extérieures déjà froides, rencontre de très violentes turbulences, ce que les aérodynamiciens appellent des rafales - ce qui met un avion à rude épreuve (cet essai est effectué en reproduisant la descente dans les basses couches, car, à très haute altitude, les turbulences sont, sinon inexistantes, du moins plus modérées).

C'est la combinaison de tous ces essais qui a permis aux autorités compétentes de décréter qu'avec 20 000 cycles effectués au sol l'avion serait certifié pour une exploitation qui ne devait pas dépasser 6 700 cycles (chiffre établi d'après les essais au sol aux centres d'essais aéronautiques de Toulouse, en France, et de Farnborough, en Grande-Bretagne).

Or, constate Elie Khaski, responsable du supersonique à l'Aérospatiale qui, avec British Aerospace a construit Concorde, on approche à grands pas de ces 6 700 cycles de durée de vie autorisée. Le plus ancien des Concorde de BA a dépassé les 6 200 atterrissages et les 17 000 heures de vol.

Si l'on applique le règlement, et dans ce domaine, encore une fois, il n'est pas question de prendre des libertés avec la sécurité, les trois premiers Concorde devraient bientôt être interdits de vol. Les Britanniques se montrent d'autant plus prudents en la matière, qu'ils ont connu des déboires avec leurs supersoniques, certains perdant parfois en vol des éléments de la gouverne de direction. Incidents secondaires, qui affectaient des parties mobiles de l'avion et leurs attaches, sans que la structure fût en cause.

A l'étonnement général, cette structure paraît, au contraire, vieillir de façon remarquable, en particulier en ce qui concerne sa résistance à la corrosion. Concorde se comporte donc beaucoup mieux que ce que l'on pouvait attendre. On le présageait, on en a confirmation. «L'échauffement de la structure en vol supersonique a un effet bénéfique, confirme Khaski. Toute l'humidité ou la glace que l'avion récupère lors de sa montée, s'il traverse les couches nuageuses, sont vaporisées ensuite par l'échauffement cinétique...» Durant la plus grande partie de son vol, Concorde est donc parfaitement sec, ce qui réduit d'autant la corrosion. Il en va tout autrement pour un appareil de ligne subsonique, qui vole souvent dans les nuages durant de longues heures, et dont le métal des ailes et du fuselage, sans parler de certains équipements refroidis par des prises d'air extérieures, est maintenu à - 20 °C ou - 30 °C, ce qui empêche les dépôts de glace de fondre.

Selon certains techniciens, Concorde affiche donc une excellente forme. Mais le règlement est là : 6 700 cycles maximum. A moins que... A moins que l'on puisse prouver qu'on aurait pu aller beaucoup plus loin que les 20 000 cycles effectués. Et qu'on s'est donc montré trop prudent en assignant à l'appareil une durée d'exploitation qui ne dépasserait pas une quinzaine d'années. Il faut se souvenir qu'à l'époque, dans les années 1970, Concorde devait être rapidement suivi par un Super-Concorde. On sait ce qu'il en advint.

Pour prolonger la durée d'exploitation, la logique voudrait donc qu'on reprenne les fameux essais et qu'on aille au-delà des 20 000 cycles. Le problème est que les moyens dont on disposait alors n'existent plus. Et il n'est évidemment pas question de les recréer - ce qui coûterait les yeux de la tête - pour prolonger l'existence d'une flottille d'avions. On va donc procéder autrement. Des jauges de contrainte vont être installées sur des Concorde de BA en exploitation. Ces jauges, au nombre de trente-cinq sur chaque appareil, sont constituées de petites lames de métal permettant de mesurer les très faibles déformations subies par la structure de l'avion au cours d'un vol. Cette fois, on ne reproduira pas les cycles de vol au sol, mais on recueillera des informations en conditions réelles. «A partir de là, explique Khaski, on va extrapoler et tenter de voir si la structure est à même d'aller au-delà de 6 700 cycles...»

Il faut dire que les moyens de calcul ont fait des progrès prodigieux depuis l'époque où Concorde était en chantier, et que le problème de la détermination de la durée de vie d'un avion à partir d'essais au sol ou en vol, ne se pose plus du tout dans les mêmes termes qu'il y a vingt et quelques années. Restera ensuite à convaincre les autorités de certification, et en premier lieu la Civil Aviation Authority, équivalent britannique de notre Direction générale de l'aviation civile, que Concorde peut voler en toute sécurité jusqu'au début du siècle prochain. L'objectif visé est d'obtenir une autorisation pour 1 000 cycles dans un premier temps, et même 10 000 si les tests en vol s'avèrent probants. Concorde resterait donc en exploitation pendant une douzaine d'années encore, jusque vers 2005. Le temps que son successeur soit prêt à prendre la relève.

Les responsables de BA paraissent si confiants dans le résultat qu'ils ont déjà procédé à une rénovation de la cabine de leurs appareils. A raison de un million de livres sterling (environ 9 millions de francs) par appareil, la décoration intérieure va être refaite, un système audio installé et de nouvelles cuisines mises en place, afin de permettre un meilleur service à bord. La compagnie britannique considère que le seul appareil civil commercial supersonique constitue une sorte d'emblème pour ses couleurs.

Air France aussi, même si ses Concorde ne sont pas aussi fréquentés que ceux de BA, envisage pareille cure de jouvence pour ses appareils. Mais sa situation actuelle impose des choix en matière d'investissements, même s'il s'agit d'investissements relativement modiques. D'autant que les plans sociaux en cours d'exécution rendent le personnel très sensible à tout ce qui pourrait apparaître comme des dépenses inconsidérées, sinon frivoles. Alors que, comme pour BA, le pavillon Concorde est pour Air France une affirmation de la «modernité» de l'entreprise (notion qui n'est pas toujours très bien comprise au sein même de la compagnie).

Ces modifications, les plus visibles, seront suivies d'autres, plus techniques, qui visent à améliorer l'exploitation elle-même. Dès les premières années de service, les élevons, c'est-à-dire les surfaces mobiles placées à l'arrière de l'aile qui servent à commander la montée, la descente et l'inclinaison de l'avion, ont été légèrement agrandis, afin d'améliorer leur efficacité. A citer aussi, l'augmentation du débit d'air des réacteurs Olympus 593 - moteurs de technologie relativement ancienne, donc très gourmands en carburant - pour en diminuer la consommation. Ce qui s'est d'ailleurs traduit par une réduction de 1,5 t de kérosène consommé sur une traversée transatlantique. C'est sans doute peu par rapport aux 80 t nécessaires (sensiblement autant qu'un Boeing 747 qui transporte quatre fois plus de passagers à vitesse subsonique), mais cela représente une économie appréciable.

D'autres améliorations techniques ont été apportées ; elles visent, entre autres, à réduire les coûts de la maintenance et à prévenir les pannes en vol, qui imposent le retour de celui-ci et sont du plus mauvais effet sur une clientèle qui paie cher pour aller vite (36 000 F pour un aller retour Paris-New York). En un mot, il s'agit d'améliorer la fiabilité technique. Celle-ci est déjà remarquable, surtout si l'on prend en compte l'époque à laquelle Concorde fut conçu, et le bond technologique qu'il représentait pour l'aviation commerciale...

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Vers l'Alliance

Concorde a une finesse de 7,3 en croisière, à deux fois la vitesse du son. Pour chaque avion, plus cet indice d'efficacité aérodynamique est élevé moins il consomme de carburant. Au fil des études sur l'ATSF (Avion de transport supersonique futur), l'Aérospatiale a pu améliorer notablement cette finesse : 8 pour l'ATSF 1 ; 9,15 pour l'ATSF 2 ; et 10,1 pour l'ATSF 3.

Sur ce dernier, la pointe avant du fuselage a été affinée, l'envergure augmentée et la forme en plan de l'extrémité de voilure, arrondie. La voilure elle-même est dite «en double delta» (deux angles de flèche différents pour le bord d'attaque de chaque aile). Les moteurs ne sont plus accolés, mais nettement séparés. C'est cet avion qui a servi de base au successeur de Concorde, l' Alliance, projet de l'Aérospatiale pour un appareil de transport supersonique de seconde génération. Il transportera 250 passagers (répartis en trois classes) sur 11 000 km. Sa masse au décollage avoisinera 300 tonnes et sa consommation spécifique (poids de carburant consommé par km/passager) 0,043.

En comparaison, Concorde transporte 100 passagers en classe unique sur une distance maximum de 6 200 km. Sa masse au décollage atteint 185 tonnes. Sa consommation spécifique à Mach 2 est de 0,098.

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Le successeur de Concorde

Concorde aura un successeur. La question est de savoir quand il verra le jour. Pour que l'avion puisse être rentable, il faudrait que la consommation de carburant par siège-passager soit divisée par trois, que la distance franchissable soit doublée (12 000 km au lieu de 6 500) tout comme la capacité en passagers : 200 au lieu de 100. A quoi s'ajoute la nécessité de satisfaire aux normes de protection de l'environnement pour le bruit au décollage et la pollution en haute atmosphère. Il est hors de question de permettre à des appareils volant à 20 000 m d'altitude de déverser des oxydes d'azote qui auront le même effet néfaste que les CFC.

Aux Etats-Unis, la NASA étudie le concept d'un réacteur qui répondrait aux exigences évoquées ci-dessus ne serait plus aussi éloigné qu'on pouvait le penser voici enore trois ou quatre ans. Le High-Speed Research Propulsion Project Office fait ainsi état de résultats encourageants enregistrés par les motoristes Pratt & Whitney et General Electric.

De leur côté, les Européens ne restent pas inactifs. La SNECMA française et le britannique Rolls-Royce, travaillent sur des moteurs d'avenir. Tout comme Aérospatiale et British Aerospace sur l'avion lui-même.

Les deux constructeurs entendent bien tirer parti de leur expérience unique - Concorde étant le seul avion civil supersonique en exploitation. Mais chacun est bien convaincu aussi que son successeur ne pourra être construit que par un consortium international, compte tenu de l'énormité des investissements à prévoir et de la relative étroitesse du marché. C'est dans cette perspective qu'a été créé le Supersonic Commercial Transport International Cooperation Study Group, qui réunit Aérospatiale, British Aerospace, Boeing, McDonnell Douglas et l'industrie allemande. Ce qui n'a pas empêché des accords bilatéraux entre certains partenaires, ainsi, les Allemands ont signé en mars 1991 un protocole d'accord avec Boeing... sur le même sujet.

De leur côté, les Japonais réalisent des études fondamentales en matière de propulsion. Sans oublier les Russes. Malgré l'échec de leur TU 144, ils disposent de connaissances et d'un savoir-faire qui ne pourront être négligés le moment venu...

Source : Science & Vie N°914, Novembre 1993

Le successeur du Concorde volera à Mach 5

La société Reaction Engines étudie dans le cadre du projet européen LAPCAT un avion hypersonique appelé A2 qui volerait à Mach 5 (5500 km/h). Le projet LAPCAT (Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies) a été lancé en 2005 par l’Union Européenne. Il a pour objectif de concevoir un avion hypersonique pouvant voler à une vitesse de 4 à 8 Mach, et capable de réaliser un trajet entre Bruxelles et Sydney entre deux et quatre heures.















Avion A2 du projet Lapcat


Propulsé par de l’hydrogène, l’A2 ne relâcherait pas de CO2 dans l’atmosphère et ne produirait que de la vapeur d’eau et un peu de protoxyde d'azote. L’hydrogène servirait également de source cryogénique pour le refroidissement des réacteurs.
















Avion A2 du projet Lapcat avec l'A380


D’une longueur de 140 mètres, contre 73 mètres pour l'Airbus A380, l’A2 devrait pouvoir transporter 300 passagers, avec un prix du billet comparable au tarif actuel de la classe affaires. Il pourrait voir le jour en 2023.

Source : surlatoile.com le 14-02-2008



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