L'Antipode est un concept d'avion hypersonique pas vraiment réaliste qui atteindrait Mach 24 (soit 24 fois la vitesse du son), du jamais vu pour un engin piloté. Son intérêt est surtout de poser les bonnes questions. © Abhishek Roy, Imaginactif

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Un avion reliant Paris à New York en 15 mn, est-ce vraiment possible ?

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Jean-Luc Goudet, Futura-Sciences

Le concept d'un designer canadien, Charles Bombardier, consistant à faire voler un petit avion à Mach 24 (24 fois la vitesse du son), soit 12 fois plus vite que le Concorde, est irréalisable pour longtemps. Cependant, son Antipode, qui rallierait l'Europe à la côte est des États-Unis en un quart d'heure, met en scène une avancée aérodynamique originale. Elle consiste à protéger les bords d'attaque par un coussin d'air pour éviter qu'ils fondent. L'occasion de se pencher sur cette innovation et quelques clés du vol hypersonique.

Charles Bombardier s'amuse. Il est le petit-fils du fondateur de l'entreprise canadienne qui a inventé la motoneige (les « Ski-Doo ») dans les années 1930 et qui s'est recyclée depuis dans l'aéronautique et l'industrie ferroviaire. Ce Québecois a quitté la société familiale quand celle-ci s'est séparée de ses Ski-Doo. Parmi ses multiples casquettes, il est le fondateur d'Imaginactif (ou Imaginactive, selon la langue utilisée, car on a le choix au Québec), une association sans but lucratif qui regroupe des inventeurs et des designers. On leur doit des concepts originaux, comme la moto à quatre roues et la voiture électrique modulaire.

Le dernier concept en date est encore plus futuriste : c'est l'Antipode (ou Antipod en version anglophone), un avion d'affaires franchement hypersonique, dont la croisière s'effectuerait à 12.000 m et à Mach 24, soit 24 fois la vitesse du son, c'est-à-dire, à cette altitude, environ 25.500 km/h (à voir sur le site d'Imaginactif). L'engin, qui ne pourrait transporter qu'un petit nombre de personnes, par exemple « des officiers de haut rang », explique l'article de présentation, volerait donc 12 fois plus vite que le Concorde et mettrait New York à un quart d'heure de Paris.

La voilure de l'Antipode est originale mais rien ne dit que c'est la bonne formule pour dépasser 25.000 km/h. Le principal problème resterait l'échauffement considérable, dû au frottement de l'air, qui ferait fondre n'importe quel métal. © Abhishek Roy, Imaginactif

Antipode, un projet plein d'imagination avec des idées très sérieuses

Pour y parvenir, tout reste à inventer, ou presque. Bombardier prévoit une montée et une accélération jusqu'à Mach 5 grâce à deux fusées d'appoint, largables et qui redescendraient sous parachutes. La descente, elle, s'effectuerait en vol plané, avec deux fusées de secours pour une éventuelle « remise de gaz », comme disent les pilotes d'avions, permettant un tour de piste supplémentaire en cas d'atterrissage mal engagé. Les ailes seront protégées de la chaleur par un procédé quasiment révolutionnaire. Baptisé de façon absconse LPM, pour Long Penetration Mode, il fait appel... à l'air.

On pourrait sourire de l'audace gratuite et du crescendo depuis la dernière création imaginaire de Charles Bombardier, le Skreemr, qui n'atteignait qu'un misérable Mach 10, mais le concept n'est pas le seul du genre et des constructeurs aéronautiques travaillent aujourd'hui, eux aussi, sur de telles idées, par exemple Airbus qui a déposé un brevet d'un type particulier de volets pour, semble-t-il, un projet d’hypersonique en juillet 2015. En 2011, au salon du Bourget, l'entreprise (alors nommée EADS) avait présenté Zehst (Zero Emission High Supersonic Transport), une étude d'avion du futur à très grande vitesse. Mais ces projets ne visent que Mach 5... Les recherches effectuées dans ce domaine sont donc sérieuses : voilà une bonne occasion de s'y intéresser.

Le curieux principe du jet d'air à contre-courant pour améliorer l'aérodynamisme à très grandes vitesses. Cette sorte de pomme d'arrosoir, qui pourrait être le nez d'un missile ou d'un avion, est ici schématisée en coupe (Cross Section Schematic of Model) mais représente un modèle réel utilisé en soufflerie dans une expérience de la Nasa en 2005. La vidéo est visible sur YouTube. L'air vient de la gauche et frappe le modèle. D'un tube jaillit un puissant jet d'air (ici en bleu) qui se heurte au vent de la soufflerie et se déploie vers la droite, à la manière du sommet d'un jet d'eau. La surface du modèle est ainsi isolée par une sorte de coussin d'air. Le principe évite au métal de trop chauffer et réduit la traînée aérodynamique. Selon la puissance du jet, il s'enfoncera plus ou moins dans l'air de la soufflerie ; les chercheurs ont découvert deux modes d'écoulement, baptisés LPM et SPM. © Nasa STI Program, YouTube

Les écueils du vol à très hautes vitesses

Le projet permet aussi de comprendre les trois grands blocages techniques pour atteindre de telles vitesses : les gouvernes de pilotage, la motorisation et les températures épouvantablement élevées dues au frottement de l'air.

  • Les gouvernes de pilotage. À plus de 25.000 km/h, l'allure du bolide ne serait plus très éloignée de celle d'un engin spatial revenant de l'orbite basse, lequel se protège avec un bouclier thermique et ne commence le vol piloté qu'une fois la vitesse suffisamment réduite. La Darpa (Agence de recherche de la défense des États-Unis) n'a apparemment pas connu un grand succès avec son HTV-2, qui a (mal) volé à 20.000 km/h. L'Esa a eu plus de réussite avec l'IXV, un véhicule d'essai pour la rentrée atmosphérique, qui a volé en 2015 (avec une retransmission en direct sur Futura-Sciences). Doté d'un bouclier thermique, il avait aussi des moteurs-fusées pour s'orienter à gauche et à droite ou pivoter en inclinaison ainsi que deux grands volets mobiles pour lever ou baisser le nez. Essai réussi mais le pilotage d'un avion est une autre affaire.
  • La motorisation. Comme les autres projets d'hypersoniques, l'Antipode fait appel à un statoréacteur (ramjet en anglais), le plus simple et le plus élégant des réacteurs, sans pièces mobiles. Déjà utilisé par le Français René Leduc dans les années 1940, il consiste en un tuyau vide cintré dans lequel la vitesse de l'air elle-même engendre la compression. Il ne fonctionne qu'à partir d'une certaine vitesse et ne peut donc servir au décollage, sauf à être placé derrière le réacteur, dans le flux d'air sortant, pour assurer temporairement une « postcombustion ». Son second inconvénient est d'avoir aussi une vitesse maximale. Il faut ralentir l'air s'engouffrant dans la chambre de combustion et le procédé n'est plus suffisant quand l'appareil atteint environ Mach 6. Pour aller au-delà, il faut savoir contrôler un flux supersonique dans la chambre : c'est le travail d'un superstatoréacteur (scramjet en anglais). Charles Bombardier a opté pour cette solution... qui reste à mettre au point, comme le fait Lockheed avec le projet SR-72.
  • Les températures élevées. Quand l'air frappe l'avion à plus de Mach 6, la température à laquelle est exposé l'avion se mesure en centaines de degrés et peut dépasser 2.000 °C. À 25.000 km/h, point de salut sans bouclier thermique. Du moins pour l'instant. Charles Bombardier a puisé dans de récentes recherches aérodynamiques pour découvrir un sujet d'études : le jet d'air à contre-courant, un peu comme si un motard soufflait devant lui. Suffisamment puissant, il peut s'opposer localement au vent dû à la vitesse et dévier les filets d'air, les éloignant de la carlingue, qui serait ainsi entourée d'un cocon d'air à température plus basse. La traînée et le bruit seraient réduits eux aussi car l'onde de choc serait atténuée. Les tests et les simulations ont montré deux cas de figure bien distincts, selon que le jet va plus ou moins loin vers l'avant : le SPM et le LPM (Short Penetration Mode, pénétration courte, et Long penetration Mode, pénétration longue), le second étant le plus efficace. Les essais ont montré que le principe fonctionne à plus de Mach 3, mais localement, au niveau du nez d'un missile par exemple. L'Antipode, lui, dispose d'un tel système sur tous les bords d'attaques des surfaces portantes. Encore un système à mettre au point.

Il ne reste plus qu'à réaliser ce rêve de designer ; il est notable de constater que de nombreux ingénieurs s'y emploient, avec des objectifs militaires mais aussi civils.

Kézako : que se passe-t-il lorsqu'un avion franchit le mur du son ?  Que se passe-t-il lorsqu’un avion supersonique franchit le mur du son ? Pourquoi se forme-t-il un petit nuage ainsi qu’une déflagration ? Quelles sont les contraintes physiques en présence ? Unisciel et l’université de Lille 1 avec le programme Kézako nous apportent des réponses dans cette vidéo. 

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