Pour vérifier le niveau sonore du futur X-59 supersonique, la Nasa a mis au point un champ de micros d'une longueur de près de 50 kilomètres. Ils sont capables de récolter suffisamment d'échantillons sonores dans différentes configurations pour optimiser le fuselage de l'aéronef. © Nasa

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Avion supersonique X-59 : des micros d'une portée de 50 km pour l'entendre

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Pour mesurer le niveau sonore et la signature acoustique de son futur X-Plane supersonique, la Nasa a mis au point un microphone d'une longueur de 48 kilomètres.  

Près de 120 décibels ! Ce fut le niveau sonore du Concorde au décollage, soit au-delà du seuil de douleur auditive chez l'Homme. Mais pour un avion supersonique, en plus du décollage, le gros souci reste l'émission du fameux « bang » dès qu'il dépasse le mur du son, soit environ 1.200 km/h. Réduire ce volume sonore est l'un des grands chantiers de la Nasa dans le développement du X-59, le jet supersonique capable d'évoluer à Mach 1,4 et dont le premier prototype devrait décoller dès 2022. La Nasa souhaite que son avion n'émette que l'équivalent « du son d'une portière de voiture qui claque », soit environ 75 dB à Mach 1. La solution consiste à atténuer l'onde de choc et les dilatations provoquées par la vitesse. Pour cela, l'onde sonore est aplatie en douceur sur la surface de la carlingue.

En attendant que le prototype soit opérationnel, l'agence spatiale américaine met en place les outils permettant de mesurer la signature acoustique de l'aéronef. Ainsi, la Nasa avait déjà mené des simulations grandeur nature à partir d'un F/A-18 Hornet. Le pilote mettait l'avion en piqué pour atteindre Mach 1 et réduire le volume du bang au sol. Cette technique a permis d'étudier auprès de la population le niveau sonore de ce « bang » qu'elle peut tolérer.

Un des micros déployés dans le désert du Mojave pour vérifier si l'avion supersonique X-59 est bien aussi silencieux qu'il le prétend. © Nasa Photo / Lauren Hughes

Un micro de 48 kilomètres de long

Après ces tests, afin de mesurer le volume sonore du X-59, la Nasa a mis au point un microphone de 48 kilomètres de long. Il a été déployé dans le désert de Mojave dans le périmètre d'activités du centre de recherches en vol Armstrong de l'agence spatiale à Edwards, en Californie. Ce réseau de micros géants, baptisé CarpetDIEM sera capable de mesurer précisément la signature acoustique de l'avion.

Les micros orientés selon différentes inclinaisons permettent de simuler de nombreuses configurations acoustiques. Certains de ces micros sont même recouverts de matériaux plus ou moins épais pour simuler l'acoustique à l'intérieur de bâtiments, par exemple. En tout, ils sont capables de collecter 50.000 échantillons sonores par seconde ! C'est encore le F/A-18 Hornet qui a servi à réaliser les premières prises de son pour tester le dispositif. Les données sont actuellement en cours d'analyse. Une autre cession de tests aura également lieu à l'été 2020.

Pour en savoir plus

Avion supersonique X-59 : les tests de la Nasa pour réduire le « bang »

Pour évaluer le niveau sonore du bang supersonique acceptable par les populations, la Nasa va mener des simulations grandeur nature à partir d'un F/A-18 Hornet. Pour parvenir à réduire le niveau sonore du bang, le pilote d'essai doit évoluer à Mach 1 en piqué. Ces expérimentations serviront de base au développement du futur X-Plane supersonique.

Au début des années 1970, les Américains avaient interdit les vols supersoniques sur leur territoire en raison du bruit émis lors du franchissement du mur du son. Une décision qui visait alors essentiellement à brider le développement du Concorde. Pour le coup, aujourd'hui, avec le X-Plane, le projet de développement d'un avion de ligne supersonique, les autorités ont dû ajouter la réduction du bruit lors du passage à Mach 1 à leur cahier des charges.

Rappelons que l'Agence spatiale américaine (Nasa) affirme que ce jet à l'allure élancée volera à Mach 1,4 (1.728 km/h) à 16.800 mètres d'altitude en émettant « le son d'une portière de voiture qui claque », soit environ 75 dB. Pour réduire l'intensité du « bang », la carlingue du prototype sera optimisée afin d'éliminer les ondes de choc et les dilatations provoquées par le vol supersonique. Ainsi, l'onde sonore est aplatie doucement grâce à une montée en pression moins brutale lors du passage du mur du son. Confiante, l'agence prévoit que le premier prototype conçu par Lockheed Martin devrait décoller dès 2021.

Un double-bang qui fait double-pschiiit

En attendant, la Nasa est déjà à l'œuvre pour s'attaquer à l'étude de la tolérance du niveau sonore acceptable du fameux « bang » supersonique auprès des populations. Pour cela, l'agence spatiale exploite un F/A-18 Hornet préparé et piloté par l'un des pilotes d'essai de la Nasa. Comme la technologie n'existe pas encore, la seule solution possible consiste à simuler l'effet que pourrait produire ce bang en version douce. Pour cela, il faut exploiter des techniques de pilotage peu conventionnelles et n'ayant rien à voir des évolutions classiques à Mach 1.

Mais d'abord pour bien comprendre la manœuvre, rappelons que s'il y a bang, c'est parce que les ondes formées par la pression d'air ne peuvent plus s'étendre devant l'appareil. Elles sont en contact direct avec la pointe du nez de l'avion et c'est un cône qui se forme avec une seule onde.

Sur cette vidéo, devant des observateurs au sol, le F/A-18 de la Nasa piloté par Jim Less va passer le mur du son de façon conventionnelle au-dessus de la mer aux alentours de 49.000 pieds d’altitude (environ 16.350 mètres). Le premier double-bang intervient à 0,43 secondes. Le second, plus doux arrive après la manœuvre de cabré à 2 min 34 s. © Nasa

Au-dessus de la mer, le F/A-18 pique pour franchir le mur du son et émettre le traditionnel bruyant et brutal double-bang. Arrivant à proximité de la ville, le F/A-18 recommence sa manœuvre de piqué à plus faible altitude (10.600 mètres). Après avoir passé le mur du son, il cabre brutalement l'appareil et recommence. Cette technique particulière va permettre de modifier l'orientation du cône de l'onde en la dirigeant vers le bas lors de la descente. L'onde va s'étendre dans l'atmosphère et atténuer le volume du double-bang. Durant sa ressource pour regagner de l'altitude, le pilote encaisse 3,5 G.

Déterminer le niveau acceptable pour les populations

La Nasa va faire évoluer son avion en conditions réelles à partir du mois de novembre au-dessus de la ville de Galveston au Texas (États-Unis). L'idée consistera à recueillir les impressions de la population locale. Par ailleurs, 500 volontaires livreront leurs ressentis. En parallèle, des mesures acoustiques au sol seront relevées. Le niveau sonore sera transformé en PLdB (perceived level of noise), une mesure qui évalue la gêne en décibels sur une échelle. En multipliant les passages à différentes altitudes, les scientifiques de la Nasa vont chercher à déterminer le niveau sonore du « bang » acceptable par la population. Ils devront alors adapter en conséquence leurs travaux sur le X-59, le démonstrateur conçu par Lockheed Martin.

 

 


X-Plane, un avion supersonique sans bang promis par la Nasa

Article de Rémy Decourt publié le 14/04/2018

La Nasa n'est pas seulement l'agence spatiale des États-Unis : elle s'occupe aussi de recherche aéronautique. Il y a quelques jours, elle a donné le coup d'envoi à la réalisation d'un démonstrateur supersonique civil dont la particularité sera de rester silencieux en vitesse supersonique. Premier vol promis en 2021.

Le bruit généré par le passage d'un avion en régime supersonique est un des freins à la mise en service d'un avion commercial volant à plus de Mach 1 (ou 1.224 km/h). C'est une des raisons de l'échec commercial du Concorde francobritannique et du Tupolev Tu-144 russe. Aux États-Unis, ce type de vols est interdit au-dessus du territoire depuis 1973.

Dans un contexte de regain d'intérêt pour les avions supersoniques, la Nasa a décidé de financer un important programme de développement de technologies supersoniques silencieuses. Le gouvernement souhaite relancer l'aviation commerciale supersonique qui a pris fin en 2003 après l'accident d'un Concorde, en l'autorisant au-dessus de zones habitées. Ce qui diviserait par deux la durée de la traversée des États-Unis d'une côte à l'autre.

À travers ce programme, la Nasa veut également amorcer de nouveaux marchés de transport supersonique de passagers et de fret, comme elle a su si bien le faire avec SpaceX et Orbital ATK qui ravitaillent aujourd'hui la Station spatiale internationale.


L'avion proposé aura une longueur de 30 mètres et une envergure de 9 mètres et un poids total au décollage de 14,6 tonnes. Il sera propulsé par un seul moteur General Electric F414, qu'utilise l'avion de combat Super Hornet de Boeing (F/A-18E/F). © Nasa

Un démonstrateur supersonique silencieux

Pour cela, la Nasa doit donc démontrer qu'il sera possible de voler de façon supersonique tout en produisant des « bangs sonores si silencieux que les gens au sol ne les remarqueront presque plus, s'ils les entendent », explique-t-elle dans son communiqué de presse.

Elle vient de signer un contrat de 247,5 millions de dollars avec le groupe aéronautique américain Lockheed Martin pour fabriquer un avion supersonique expérimental qui pourrait décoller dans trois ans. Pour l'instant baptisé X-Plane (comme tous les avions expérimentaux de la Nasa), cet avion volerait à 55.000 pieds d'altitude (environ 16.800 mètres) et à la vitesse de croisière de Mach 1,42 (environ 1.500 km/h) avec une pointe possible à Mach 1,5 (près de 1.600 km/h). Il devrait franchir le mur du son et voler en supersonique en produisant au sol « le bruit d'une porte de voiture qui se ferme », précise-t-elle. Autrement dit, la Nasa vise un niveau de bruit perçu d'environ 75 décibels.

Pour s'assurer de l'efficacité de sa technologie supersonique silencieuse et son acceptabilité auprès du public, la Nasa prévoit d'utiliser cet X-Plane au-dessus de quelques villes américaines, qui n'ont pas encore été sélectionnées.

Pour réaliser cet appareil, la Nasa et Lockheed Martin ne partent pas de zéro. En effet, les premières études de réduction de ce bruit remontent aux années 1960. Depuis la Nasa n'a jamais cessé un travail de veille technologique avec ici et là quelques programmes mais qui n'ont pas débouché sur des projets concrets.

Les deux partenaires ont déjà une idée de la forme que devra prendre cet X-Plane. Elle sera telle que les différentes ondes de choc générées en plusieurs endroits de la cellule ne se réuniront pas en une seule onde de compression très forte, le « bang ». La configuration du X-plane sera basée sur une conception préliminaire développée par Lockheed Martin en vertu d'un contrat attribué en 2016.

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