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L'innovation dans la conception des avions

D'une manière générale, la conception des avions de série n'a pas connu de changements radicaux depuis le milieu du XXe siècle. Depuis des décennies, les gros avions adoptent une architecture de type « tube et ailes », incarnée notamment par les familles Boeing 747 et Airbus 830. De même, la propulsion des avions de série à voilure fixe n’a pas connu d’évolution significative depuis l’invention du moteur à turbine à gaz. Quant aux aéronefs à voilure tournante, ils sont restés pratiquement inchangés depuis la mise au point, dans les années 1940, du premier hélicoptère produit en série à grande échelle, le Sikorsky R-4.

Cela dit, l'industrie aérospatiale n'a jamais manqué d'appareils expérimentaux révolutionnaires, tels que le Vought V-173 « Flying Pancake », le Grumman X-29 avec ses ailes en flèche vers l'avant, ou encore le prototype du MIT propulsé par le vent ionique. Cette tradition d'innovation continue de faire progresser la conception et la technologie aérospatiales.

Aujourd'hui, le principal moteur de l'innovation dans l'industrie aérospatiale est le développement durable : améliorer l'efficacité et réduire les émissions. Dans un article précédent, nous avons examiné comment des sources d'énergie alternatives font l'objet de recherches dans le but de décarboner l'industrie aérospatiale. Nous allons ici nous intéresser à la manière dont l'innovation dans deux domaines clés de la conception aéronautique – l'aérodynamique et la propulsion – cherche à répondre au défi du développement durable. Plus précisément, nous nous pencherons sur les innovations en matière de conception des ailes et sur l'introduction de la propulsion électrique distribuée.

Conception des ailes

L'efficacité aérodynamique, qui peut être définie par le rapport portance/traînée d'un aéronef, est un facteur clé des émissions des aéronefs. Il est donc possible d'améliorer l'efficacité aérodynamique en réduisant la traînée. La conception des ailes offre sans doute le plus grand potentiel de réduction de la traînée. C'est ainsi que, au fil des ans, des conceptions d'ailes visant à optimiser l'efficacité aérodynamique ont vu le jour.

La configuration en canard est un exemple de ce type de conception. Elle consiste à associer de petites ailes situées à l’avant de l’appareil – les ailes canards – aux ailes principales, placées à l’arrière. Bien que les effets de cette configuration soient complexes et variés, elle peut être utilisée pour réduire la traînée globale de l’appareil. Cela implique toutefois un compromis en matière de stabilité de l’appareil. Mais à mesure que la conception des ailes s'améliore, nous pourrions bien assister à une utilisation plus répandue des ailes canard sur les avions de série.

L'aile fusionnée est un exemple de conception d'aile quelque peu radicale visant à améliorer l'efficacité aérodynamique. Comme son nom l'indique, cette conception fusionne le fuselage de l'avion avec les ailes, de sorte que l'ensemble de la structure de l'appareil soit conçu pour générer de la portance. Une conception d’aile intégrée est actuellement développée par la société américaine JetZero (à ne pas confondre avec la stratégie du gouvernement britannique visant à atteindre la neutralité carbone dans le secteur de l’aviation d’ici 2050). JetZero affirme que sa conception permet de réduire de moitié les émissions liées à la consommation de carburant par rapport à un avion de ligne commercial classique.

Un dernier exemple de conception d'aile est l'utilisation d'ailes renforcées par des entretoises ou des treillis. Dans cette configuration, les ailes sont soutenues structurellement par des entretoises ou des treillis s'étendant entre les ailes et le fuselage de l'avion. Ce soutien structurel supplémentaire permet d'utiliser des ailes plus longues et plus élancées, qui génèrent moins de traînée en vol. Le Boeing X-66, dont un prototype devrait effectuer son premier vol en 2028, est un exemple d'avion utilisant cette configuration d'aile.

Propulsion électrique distribuée

Une autre innovation relativement récente dans la conception des aéronefs est la propulsion électrique distribuée (DEP). La DEP utilise un ensemble composé, en général, de trois unités de propulsion électriques ou plus, commandées indépendamment les unes des autres. Certains systèmes DEP font appel à un grand nombre d’unités de propulsion, parfois plus d’une dizaine. Les unités de propulsion sont généralement réparties sur toute l'envergure des ailes d'un aéronef. La DEP peut améliorer l'efficacité des aéronefs grâce à plusieurs mécanismes, tels que le couplage aérodynamique-propulsif, c'est-à-dire l'interaction entre les forces aérodynamiques et les forces de propulsion visant à réduire la traînée et à augmenter la portance. La DEP peut également apporter des améliorations en matière de sécurité, grâce à la redondance des unités de propulsion, ainsi qu’en matière de réduction du bruit, ce qui rend les aéronefs utilisant la DEP particulièrement adaptés au transport urbain et aux trajets très courts. Parmi les exemples de ce type d’aéronefs, on peut citer le jet Lilium et l’Airbus CityAirbus NextGen. Parmi les exemples d’aéronefs de plus grande taille utilisant la DEP, on peut citer l’Airbus E-Thrust et le N3-X de la NASA.

Innovation combinée : aérodynamique et propulsion

Les aéronefs du futur combineront probablement des innovations tant en aérodynamique qu'en matière de propulsion. C'est ce que démontre l'aéronef mentionné plus haut. L'Airbus Racer, qui a effectué son premier vol cette année, en est un autre exemple. À première vue, l’Airbus Racer ressemble à un hélicoptère classique. Cependant, contrairement à un hélicoptère classique, le Racer utilise une conception innovante d’aile en caisson pour améliorer l’efficacité aérodynamique et générer de la portance, en plus du rotor principal et de deux hélices propulsives destinées à produire la poussée. Cette combinaison permet des gains d’efficacité se traduisant par une réduction annoncée de 20 % de la consommation de carburant par rapport aux hélicoptères classiques de la même catégorie de masse maximale au décollage.

Résumé

Il est difficile d'imaginer que les avions changent radicalement d'aspect au cours des prochaines décennies. Cependant, dans une optique de développement durable, il se pourrait bien que certains éléments de conception que nous considérions autrefois comme radicaux commencent à faire leur apparition dans les avions de série. Quoi qu'il en soit, comme l'ont montré l'histoire et les évolutions récentes, le potentiel d'innovation en matière de conception aéronautique est immense.

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