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Les avions du futur : plus gros mais moins gourmands

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L'avion des années 2030 ou 2040 est en gestation chez les constructeurs. On sait déjà qu'il consommera moins et qu'il n'ira pas plus vite. Le deuxième siècle de l'Histoire de l'aviation sera donc très différent du premier, qui vient de s'achever. Pour inaugurer cette saga aéronautique que nous déclinerons durant ce mois de juin, commençons par les perpétuelles mutations des avions, d'hier à demain...

L'étude X48, de Boeing et la Nasa, porte sur un appareil à fuselage porteur, peu ou prou une aile volante. Trois prototypes ont été réalisés en version de petites tailles. On voit ici un dessin d'un hypothétique avion de ligne issu de cette étude. © Boeing

Plus rapide et plus haut : pendant, disons, le premier siècle de l'aviation, entre les années 1890 jusqu'à la décennie 1980, c'était le leitmotiv de tous les créateurs d'avions. Depuis les pionniers du plus lourd que l'air, le progrès se mesure d'abord en kilomètres à l'heure. Des compétitions, comme la Coupe Gordon Bennett (créée en 1906) ou Deutsch de la Meurthe (née en 1931), permettent aux ingénieurs et aux pilotes de rivaliser d'ingéniosité et de courage pour aller plus vite, toujours plus vite.

Aux presque 110 km/h d'Alfred Leblanc sur Blériot en 1910 succèdent, par exemple, les 215 km/h de Maurice Bréguet en 1916, sur Spad S-VII, les 448 km/h de Florentin Bonnet, sur Bernard-Ferbois V2 en 1924, les 1.127 km/h (soit Mach 1,06 et le premier passage du « mur du son ») de Chuck Yeager sur Bell X1 et, enfin, les 7.297 km/h de William Knight sur North American X-15 en 1967.

Lorsque le Concorde effectue son tout premier vol le 2 mars 1969, il préfigure, aux yeux de tous, l'avenir de l’aviation. L'avion franco-britannique est le premier appareil commercial à dépasser le mur du son, et même largement, avec une vitesse de croisière en service de Mach 2,02. « Il vole plus vite que le soleil » dit-on alors. En effet, avec moins de 3 h 30 pour un vol Paris-New York, les passagers arrivent - en heure locale bien sûr - avant d'être partis.

Le Concorde, l'avion le plus beau, le plus rapide, jamais égalé. Mais il consommait trop et ne correspondait pas au marché du transport aérien de masse. Ce n'est pas l'avion du futur. © Domaine public

Les avions plafonnent...

Quant à l'altitude, elle aussi fascine. Les aéronefs, plus lourds ou plus légers que l'air, explorent la troposphère puis la stratosphère, atteinte le 27 mai 1931 en ballon par Paul Kipfer et Auguste Piccard (père de l'océanographe Jacques et grand-père du Bertrand Piccard de Solar Impulse). Mais comment monter plus haut ? Le 22 août 1963, Joseph Walker parvient à 107.960 mètres sur un X15, c'est-à-dire à la limite officielle (car quelque peu arbitraire) de l'espace. Au-delà, les avions manquent d'air...

À cette aune, celle de l'altitude et de la vitesse, l'aviation plafonne depuis les années 1960. Aujourd'hui, les records d'altitude et de vitesse qui viennent d'être mentionnés tiennent toujours... (sauf prototypes inconnus de l'Armée de l'air américaine). Le Concorde ne vole plus et aucun avion commercial n'atteint sa vitesse de croisière ni son altitude. Retour dans la troposphère et sous le mur du son...

À gauche, le cockpit du Concorde. À droite, celui de l'Airbus A340. L'évolution des avions est beaucoup plus visible à l'intérieur du poste de pilotage. © DR et Airbus

Si l'on regarde de loin les avions de ligne, on peut se demander ce qui a progressé depuis les années 1970. Le plus gros avion de transport de passagers du monde de 1969, le Boeing 747, a tenu le record jusqu'en 2005 quand s'est envolé l'Airbus A380, qui est seulement un peu plus vaste. La forme des appareils n'a pas changé, mise à part l'apparition de petites ailettes en bout d'ailes, les winglets. Quant à la vitesse, elle s'est stabilisée vers 900 kilomètres à l'heure et ces avions évoluent toujours à environ 10 kilomètres d'altitude.

Il faut regarder dans le cockpit pour réaliser que, là, tout est différent. Sur la plupart des avions, le « manche à balai », qui était en fait un demi-volant, inventé par Robert Esnault-Pelterie en 1907, a disparu. On remarque juste une sorte de joystick, fixé à gauche pour la place gauche (celle du commandant de bord) et à droite pour le copilote. À l'arrêt, on peut bouger ce minimanche dans tous les sens sans effort : il n'est pas mécaniquement relié aux gouvernes de l'avion. Les commandes sont électriques.

Un projet de Lockheed Martin avec une voilure curieuse et deux moteurs sur deux dérives, à l'arrière. © Nasa/Lockheed Martin

L'informatique à bord : simplicité et sécurité

Les indicateurs à aiguilles (les « pendules » aiment à dire les pilotes) ont définitivement laissé la place à des écrans plats concentrant un grand nombre d'indicateurs. Dans un Airbus, chaque pilote en a deux devant les yeux et un cinquième est installé au centre. Plus qu'un rassemblement des indicateurs (comme le rêvait déjà Saint-Exupéry, qui avait même déposé un brevet pour un tel principe), cette virtualisation des instruments facilite le pilotage et la gestion du vol car les données affichées dépendent du contexte ou des souhaits du pilote. Si une panne survient, par exemple, les données affichées ne seront pas les mêmes.

Un pilote des temps anciens serait étonné par une autre absence : celle d'un troisième siège, celui du mécanicien navigant (le « mécano-nav »). Ce troisième homme surveillait un mur de cadrans qui indiquait les paramètres moteur et lui donnait le contrôle du circuit de carburant. Placé derrière ceux des pilotes, son siège en était suffisamment approché pour qu'il puisse aller mettre la main sur les manettes de gaz.

Ces trois disparitions (manche, instruments à aiguilles et mécano-nav) reposent sur l'apparition d'un troisième membre d'équipage : l'ordinateur. Ou plutôt le système informatique car les multiples redondances imposent plusieurs dispositifs indépendants (jusqu'à quatre). L'ordinateur surveille tout, à la fois le fonctionnement des moteurs, la navigation et le pilotage lui-même, imposant des limites aux actions des pilotes. Un avion de ligne moderne se gère autant qu'il se pilote.

En 2007, une étude a montré que la proportion d'erreurs humaines auxquelles sont imputables des accidents ou incidents a notablement diminué entre 1983 et 2002. Cette baisse s'expliquerait par la meilleure qualité de l'information à disposition des équipages, ce qui « améliore la prise de décisions ».

Transporter davantage de passagers : c'est le but des constructeurs depuis des décennies. L'Airbus A380 peut embarquer jusqu'à 853 personnes. Ce projet du MIT, avec les sociétés Aurora Flight Science Corp. et Pratt & Whitney, le D8 « double bubble » présente un fuselage élargi. On remarque les moteurs originaux, classiquement à double flux mais dans lesquels le flux central est très mince, au profit du flux secondaire, en couronne. © Nasa/MIT/Aurora Flight Sciences

L'autre évolution est celle de la consommation, qui ne cesse de diminuer. On l'exprime en kilogrammes par heure (car l'aviation commerciale préfère acheter le carburant au kilogramme plutôt qu'au litre, en raison de la variation de densité avec la température), et, depuis peu, on lui adjoint les émissions de gaz à effet de serre. En 1969, le Boeing 747 consommait près de 12 tonnes à l'heure et le Concorde exigeait 20 t/h. Aujourd'hui, la consommation d'un Airbus A320 est d'environ 5 tonnes à l'heure et celle du Boeing 747-8, dernière version du vieux géant, est de moins de 10 t/h, pour une capacité en passagers accrue. L'habitude est d'ailleurs de préciser la consommation par passager, voire par kilomètre et par passager. Pour des comparaisons entre différents moyens de transports, on donne parfois la consommation en litres aux 100 kilomètres par passager. Un Airbus A340-600 descend ainsi sous les 4 litres avec un taux de remplissage de 80 %.

Toutes sortes de modifications ont permis ces progrès. Les réacteurs ont été largement optimisés et ont beaucoup gagné en efficacité. On le remarque par exemple avec l'énorme ouverture des réacteurs double flux actuels, comme les CFM-56 qui équipent de nombreux avions de ligne, en comparaison des entrées étriquées des réacteurs d'antan. Des raffinements aérodynamiques, comme les winglets (ou les « sharklets » d'Airbus), et des profils d'ailes mieux calculés ont fait gagner encore quelques pour cent. Les matériaux composites ont réduit le poids, ce qui, sur un avion, diminue la consommation à performances égales.

Deux fuselages transporteront deux fois plus de passagers qu'un seul : c'est l'idée de Northrop Grumman. © Nasa/Northrop Grumman

Des idées pour réduire encore la consommation

Le futur est sur cette voie : davantage de passagers, moindre consommation, réduction d'émission de gaz à effet de serre. Les créateurs d'avions disposent de plusieurs moyens pour progresser. Une idée... est de réduire les temps de parcours. Elle peut paraître saugrenue mais elle présente un potentiel réel. Lufthansa a récemment réduit de 2 % la consommation de ses appareils grâce à un logiciel informatique qui détermine la meilleure navigation possible compte tenu des contraintes du contrôle aérien sur le trajet.

D'une manière générale, le contrôle du trafic est une source d'économie. Aux États-Unis et en Europe, le programme Sesar (Single European Sky ATM Research, avec ATM pour Air Traffic Management) prévoit ainsi une optimisation des trajectoires, notamment pour la montée initiale et pour les approches. Une autre manière d'optimiser le trafic serait, paradoxalement, de réduire la taille des avions. Si les plus gros ont tendance à devenir encore plus gros, une idée dans l'air est d'utiliser aussi des avions plus petits qui pourraient se poser des aéroports modestes. On pourrait ainsi mieux diluer le trafic en évitant les concentrations sur des grands aéroports et, surtout, réduire les nombre de vols avec correspondance.

De leur côté, les biocarburants constituent un espoir de réduire l'impact sur le climat en améliorant le bilan carbone (on estime que l'aviation contribue actuellement pour 2 à 3 % aux émissions humaines de dioxyde de carbone mais cette proportion devrait augmenter dans les années à venir avec l'inflation du trafic aérien mondial). Cependant, la viabilité écologique de cette solution reste à démontrer.

On peut aussi augmenter la taille de l'avion et donc le nombre de passagers. Dans le cadre d'une étude menée sous l'impulsion de la Nasa, Northrop Grumman imagine un moyen assez radical : installer deux fuselages suspendus à une aile haute. Boeing revient sur une idée ancienne, l'aile volante, avec son étonnant projet déjà baptisé 797. Le fuselage s'étale en forme de triangle et fusionne avec l'aile tandis que l'empennage, à l'arrière, disparaît, comme sur les avions à ailes delta (le Concorde par exemple). Le volume intérieur devient énorme et, sur le papier, l'idée est séduisante mais ce principe de l'aile volante n'a jamais abouti.

Voici le Sugar Volt de Boeing, un avion à hélices, du moins à turboréacteurs, avec des pales externes, de capacité moyenne, à ailes à grand allongement (mais qui pourraient se replier au parking)... et à motorisation hybride. La turbine centrale serait conventionnelle et la motorisation électrique ferait tourner les pales quand la turbine serait ralentie. De quoi assurer, par exemple, un décollage plus silencieux. © Boeing

Le temps des hélices ?

Les moteurs sont l'objet de toutes les attentions et depuis longtemps, les ingénieurs planchent... sur le retour des hélices. Avec des pales énormes, aux formes subtilement calculées (comme on en voit sur l'Airbus militaire A400M), le rendement devient meilleur pour des vitesses faibles. Boeing revient sur l'idée avec son « Sugar », qui n'a rien de sucré, le terme signifiant Subsonic Ultra Green Aircraft Research, donc un concept d'avion subsonique (car Boeing songe toujours à un supersonique) « ultravert », c'est-à-dire à très faible consommation. L'aile est fine et longue (on dit qu'elle est à grand allongement) et n'est pas sans évoquer celle de l'avion français Hurel-Dubois HD34, construit en 1956. Les bonnes idées durent longtemps. L'envergure est si grande que Boeing envisage de la rendre pliable pour que l'avion soit moins encombrant au sol, à la manière des avions de la marine destinés aux porte-avions. L'élément le plus original parmi les idées avancées pour ce Sugar est l'utilisation d'une motorisation hybride, avec un appoint électrique. Les réacteurs sont des turboréacteurs, avec une turbine centrale, un réacteur, donc, mais dont le ventilateur de façade est remplacé par des pales (on parle de rotor ouvert). La motorisation hybride viendrait en appoint pour faire tourner ces hélices quand le cœur des réacteurs serait à faible puissance. On peut imaginer que cette assistance électrique serait utile au décollage, permettant de réduire le bruit. L'idée est belle mais il reste à faire des progrès dans les batteries...

À plus long terme, les ingénieurs planchent et plancheront encore durant des années sur des moteurs complètement différents. L'hydrogène pourrait être utilisé directement, comme carburant, ou indirectement, dans une pile à combustible qui produirait de l'électricité.

L'avionique, elle, poursuivra son évolution, notamment pour prendre en main les échanges avec le contrôle du trafic. Jusqu'où ira son intervention dans le pilotage ? Combien y aura-t-il de pilotes dans l'avion de 2050 ? Deux ? Un ? Zéro ? On ne le sait pas encore mais, les drones le démontrent, il est possible de faire voler un avion sans aucun pilote à bord. Des réflexions existent d'ailleurs déjà sur l'intégration d'avions sans pilote dans le trafic aérien. Il est cependant peu vraisemblable que l'humain soit à ce point débarqué des avions de ligne, au moins à court terme...