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La conception des avions de la prochaine génération est la clé de la durabilité de l'aviation

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Pour les innovateurs aéronautiques de la NASA, lorsqu'il s'agit de concevoir la prochaine génération d'avions de transport de passagers, on peut considérer qu'il y a environ quatre E : Environnement, efficacité, électrification et économie.

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Comme un ensemble de poupées russes matriochka, elles s'imbriquent les unes dans les autres pour donner une idée d'ensemble, une idée qui résonne particulièrement avec le but de la Journée de la Terre - travailler pour un environnement plus propre à un moment où le changement climatique est une préoccupation mondiale.

"Conceptuellement, c'est vraiment très simple", a déclaré Robert Pearce, administrateur associé de la NASA pour l'aéronautique.

"Afin de réduire notre impact sur l'environnement, nous devons augmenter l'efficacité des avions de toutes les manières possibles, intégrer l'électrification pour aider ou remplacer les méthodes de propulsion actuelles, et faire tout cela de manière à profiter à l'économie", a déclaré M. Pearce.

Pour être clair, il ne s'agit pas ici de concevoir un futur avion de ligne qui vole plus vite que le son, ni un taxi aérien personnel ou un avion de livraison de colis plus petit du type de ceux qui feront partie de l'Advanced Air Mobility. La NASA a déjà des ressources consacrées à cela.

L'accent est plutôt mis sur un futur avion de ligne qui pourrait transporter 150-175 passagers, voler à des vitesses subsoniques et qui pourrait compléter ou remplacer des avions tels que le Boeing 737 ou l'Airbus 320 à l'horizon 2030.

Plus précisément, en commençant par l'environnement - gardez cette vision de poupées russes nidifiantes à portée de main pour les prochaines phrases - l'objectif est de rendre l'aviation durable.

Pour rendre l'aviation durable, vous devez réduire l'impact de l'aviation sur le changement climatique.

Pour réduire l'impact de l'aviation sur le changement climatique, vous devez réduire les émissions de gaz à effet de serre.

Pour réduire les émissions de gaz à effet de serre - le dioxyde de carbone étant le principal contributeur - vous devez réduire la quantité de carburant brûlé.

Pour réduire la consommation de carburant, vous devez rendre la conception de l'avion plus efficace. Il doit se déplacer plus facilement dans l'air, éventuellement utiliser de l'électricité pour augmenter ou alimenter le système de propulsion, et il doit être aussi léger que possible en toute sécurité.

En conséquence, la NASA se concentre sur quatre technologies pour aider à relever les défis en matière d'efficacité liés à l'aérodynamique, à la propulsion et au poids.

"Ce sont des technologies qui s'appuieront sur les bases posées lors de projets précédents de la NASA, tels que le projet d'aviation respectueuse de l'environnement et les études sur les futures conceptions d'avions que nous avons appelées N+3", a déclaré James Kenyon, responsable du programme de véhicules aériens avancés de la NASA.

1. Propulsion d'avions électrifiés

L'électrification dans l'aviation consiste à savoir comment vous parvenez à propulser votre avion vers l'avant afin de réduire la quantité de carburant brûlé tout en obtenant la puissance souhaitée à chaque phase du vol - du roulage, au décollage, à la croisière, à l'atterrissage et au roulage.

"Au niveau des gros avions, il n'est peut-être pas entièrement électrique. Mais si je peux utiliser l'électricité pour m'aider dans certaines parties du domaine de vol, je peux concevoir mon moteur différemment et le rendre plus efficace dans l'ensemble", a déclaré Kenyon.

Il peut s'agir d'un avion entièrement électrique dans lequel des moteurs électriques font tourner des hélices ou des pales de ventilateur pour générer de la poussée. Une telle capacité pourrait permettre toutes sortes de nouvelles façons de concevoir les avions, soit en modifiant les avions actuels, soit en proposant de nouvelles configurations.

Les travaux de la NASA sur le X-57 Maxwell entièrement électrique donnent un aperçu de ce qui pourrait être possible.

Une autre configuration est une installation hybride où les moteurs à réaction conventionnels et l'électricité sont utilisés pour faire tourner les ventilateurs pendant le vol. Les moteurs à réaction peuvent également alimenter des générateurs pour alimenter directement les moteurs électriques en électricité ou pour charger des batteries que les moteurs électriques utiliseront plus tard.

"Nos plans consistent à tester des systèmes électriques de plus en plus puissants, jusqu'à un mégawatt de puissance, d'abord dans un laboratoire au sol, puis en vol sur un banc d'essai qui n'a pas encore été sélectionné", a déclaré Fay Collier, directrice de la stratégie de vol de la NASA dans le cadre du programme des systèmes aéronautiques intégrés.

2. Petite turbine à gaz de base

Une autre façon d'améliorer le rendement énergétique d'un moteur consiste à modifier sa configuration en termes de circulation de l'air, de pressions et de températures.

Depuis des années, les moteurs à réaction du type de ceux des grands avions de ligne sont devenus plus efficaces en modifiant la quantité d'air passant par le noyau chaud du moteur par rapport à la quantité d'air circulant autour du noyau ou le contournant par les pales de la soufflante - ce qu'on appelle le taux de contournement.

En général, plus le taux de dérivation est élevé, plus le moteur peut être efficace pour générer de la poussée. Mais il y a une limite - ou du moins, il y a eu une limite - à l'importance de ce taux de dilution.

C'est parce que le moteur - noyau et pales de la soufflante - doit être contenu dans un carter, ou nacelle. Il s'agit d'un dispositif de sécurité destiné à contenir et à minimiser tout danger qui pourrait survenir en cas de panne catastrophique d'un moteur en vol.

Le problème est que la nacelle d'un moteur suspendue à l'aile d'un avion de ligne ne peut avoir qu'un diamètre limité avant de commencer à traîner sur le sol. Un dégagement minimum est nécessaire et le train d'atterrissage ne peut pas être trop long avant de peser trop lourd ou de prendre trop de place lorsqu'il est rangé.

Donc, si vous ne pouvez pas élargir le diamètre du moteur, mais que vous voulez augmenter le taux de dérivation pour que plus d'air circule autour du noyau, la solution est de réduire le diamètre du noyau. C'est l'un des objectifs de l'effort de recherche sur les petites turbines à gaz.

La recherche tirera parti des travaux antérieurs sur les métaux exotiques, les céramiques et les géométries internes uniques pour gérer les températures et les pressions accrues qui sont le résultat naturel de la gestion de la combustion dans des espaces plus restreints.

3. L'aile de la Truss-Bracing Transonic

Le défi consistant à accroître l'efficacité aérodynamique d'un avion se déplaçant dans l'air sera relevé grâce à la poursuite des études sur le concept d'avion à ailes renforcées par tronc transsonique (TTBW).

Le TTBW est l'une des conceptions issues de projets de recherche antérieurs sur les futurs modèles d'avions. Il s'agit essentiellement d'un avion classique à tubes et à ailes, mais avec une aile extrêmement longue et mince. Tellement longue et mince, en fait, qu'elle a besoin d'un peu d'aide des deux côtés du fuselage pour la maintenir en place.

Une telle aile étirée à la bonne longueur - connue sous le nom d'aile à haut rapport d'aspect - crée généralement la même quantité de portance que les ailes plus épaisses et plus courtes que l'on voit aujourd'hui sur les avions de ligne, mais elle le fait avec beaucoup moins de traînée.

"Vous pourriez bénéficier de certains des avantages de l'aile mince sans la poutrelle, mais la poutrelle nous permet de vraiment étendre l'aile pour en maximiser les avantages", a déclaré Kenyon. "Nous pouvons même replier les extrémités de l'aile pour que les portes de l'aéroport n'aient pas besoin d'être réarrangées"

Bien que d'autres conceptions révolutionnaires d'avions aient été étudiées - comme la double bulle et le corps à ailes mixtes - la technologie TTBW est la plus prometteuse pour être prête le plus tôt possible.

"Nous pensons que la conception de la TTBW et la technologie associée pourraient être prêtes à être utilisées par les fabricants et les compagnies aériennes dans le délai de 10 ans que nous envisageons, tandis que les autres pourraient avoir besoin de cinq à dix ans supplémentaires", a déclaré M. Kenyon.

4. Composites à haut débit

Les matériaux composites sont utilisés dans l'aérospatiale depuis des décennies. Ils peuvent être fabriqués dans des formes complexes, sont structurellement plus résistants et pèsent beaucoup moins lourd que les mêmes pièces en métal. Ils durent également plus longtemps et sont plus faciles à réparer lorsqu'ils sont endommagés.

Mais il reste des possibilités d'accroître l'utilisation des composites dans l'aviation, en particulier dans la construction de grands avions. Bien que l'industrie ait fait des progrès - cinquante pour cent du Boeing 787 Dreamliner est fabriqué en matériaux composites - il reste encore beaucoup de travail à faire.

Deux défis liés à une utilisation sensiblement accrue des composites doivent être surmontés.

La première concerne la réduction du temps nécessaire pour passer du concept à la conception, à la fabrication, aux essais et à la certification des matériaux par les organismes de réglementation fédéraux chargés d'assurer la sécurité publique.

La seconde concerne l'augmentation du rythme de fabrication des pièces composites, en particulier des grands composants structurels.

Le projet Advanced Composites de la NASA, récemment achevé, a relevé le premier défi.

"Le projet s'est attaqué à cela et a mis en place beaucoup d'outils. Des méthodes de conception à de meilleures capacités de modélisation, des méthodes d'inspection et des processus d'automatisation de certaines parties de la fabrication qui nous permettent de réduire le temps de certification", a déclaré M. Kenyon.

Pour relever le deuxième défi, la NASA prévoit un nouvel effort technique visant à lever les obstacles à la fabrication de composites à un rythme élevé.

"Ce que nous devons faire maintenant, c'est trouver des idées sur la manière dont les composites peuvent être fabriqués de manière fiable et reproductible et donner un produit de qualité qui peut être régulièrement certifié comme sûr", a déclaré M. Kenyon.

Avantages environnementaux et économiques

Alors que les plans de recherche liés à ces quatre technologies continuent d'être élaborés et exécutés, certains pourraient se demander pourquoi la NASA fait cela ?

La réponse est que tous ces efforts s'inscrivent dans le cadre du plan de mise en œuvre stratégique de la NASA pour l'aéronautique, qui a été élaboré en tenant compte des besoins des autres organismes gouvernementaux, de l'industrie, des universités et des autres parties prenantes à l'avenir de l'aviation.

Et la motivation pour faire ce travail va bien au-delà du désir sincère d'aider l'environnement de la planète.

"Nous pouvons investir dans des choses qui sont pour le plus grand bien, mais nous ne construisons pas, ne produisons pas et n'exploitons pas d'avions commerciaux. Nous nous contentons de développer des technologies pour que l'industrie puisse les mettre sur le marché de manière compétitive, comme elle le souhaite", a déclaré M. Kenyon.

La bonne nouvelle, c'est que les mêmes technologies qui peuvent réduire les émissions de carbone sont celles qui réduisent la consommation de carburant, ce qui réduit les coûts d'exploitation des compagnies aériennes. Et si ces nouveaux avions sont attrayants pour les compagnies aériennes, alors les constructeurs voudront les construire, ce qui améliorera également leurs résultats.

"Tout cela nous incite à travailler ensemble dans le sens d'une bonne chose pour le climat, pour la durabilité, pour le marché, et aide les États-Unis à conserver leur rôle de leader mondial dans le domaine de l'aviation", a déclaré M. Kenyon.

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