Aéronautique

Les petits-enfants du Concorde

Le 31 mai 2003, Concorde effectuait son dernier vol New York-Paris, à près de 2 500 km/h et en moins de quatre heures. Après 27 années de service, ce bel oiseau franco-britannique n'a jamais réussi à se tailler une place dans l'hypermarché de l'aviation long courrier, restée totalement subsonique. Les temps changeraient-ils? Le projet Lapcat rassemble l'élite des motoristes de l'aéronautique européenne qui étudient des réacteurs à hydrogène, ambitionnant de propulser des avions de ligne à plus de 5 000 km/h.

Prototype de l'A2, avion supersonique civil qui pourrait voir le jour en 2023. Prototype de l'A2, avion supersonique civil qui pourrait voir le jour en 2023.
©Reaction engine
Deux profils très différents: celui de l'Airbus A380 (73 m de long) et de l'A2 (140 m). Deux profils très différents: celui de l'Airbus A380 (73 m de long) et de l'A2 (140 m).
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Dessin du prototype de propulseur Scimitar. Dessin du prototype de propulseur Scimitar.
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Apparu à l'époque où franchir le mur du son – dépasser 1224 km/h ou Mach 1 – était un puissant symbole de modernité et enflammait les imaginations, Concorde est-il né trop tôt? Cet avion était "révolutionnaire" pour son temps, mais tributaire des technologies de l'époque. Il était lourd, bruyant et très vorace en kérosène. Les premières crises pétrolières des années '70 ont, notamment, plombé son essor. Les compagnies aériennes conclurent à la non rentabilité des vols supersoniques et les avionneurs se détournèrent de cette filière. Airbus et Boeing (à moins de 1000 km/h) devinrent les autobus du ciel aérien mondial.

L'aviation supersonique des dernières décennies demeura donc une affaire de militaires. Toujours plus rapides, les avions de chasse ont escaladé "l'échelle des Mach". On est passé du super à l'hypersonique, appellation adoptée quand on entre dans la zone des vitesses supérieures à Mach 5. Le dernier record absolu a été battu, en novembre 2004, par le prototype X-43A, un avion sans pilote de la NASA, qui a atteint Mach 9,6, soit 11.250 km/h.

L'hypersonique pour tous

Dépasser la frontière hypersonique (plus de 6 000 km/h) pour le transport aérien civil est cependant devenu aujourd'hui un objet de recherche très sérieux dans les milieux européens de la construction aéronautique. Si le défi conserve une tonalité de science-fiction, les professionnels considèrent néanmoins qu'il est temps de prévoir les "petits-enfants de Concorde". Ces avions d'une capacité de 300 passagers, pour une charge totale de 400 tonnes, décolleront à l'horizontale (et non comme une fusée), avec leur charge utile et tout le carburant nécessaire à un vol "antipodes-express", puis s'élèveront à 20 ou 30 km d'altitude en continuant à accélérer. Tel est le pas de géant technologique sur lequel travaille le projet Lapcat (Long Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies), coordonnés par l'ESTEC, la branche ingénierie de l'Agence spatiale européenne (ESA).

Voler à de telles vitesses implique d'abord d'affronter les contraintes très fortes de chaleur dues au frottement de l'air, qui met à l'épreuve la résistance des matériaux et des structures de l'appareil. De ce côté, les progrès technologiques développés pour les retours d'engins spatiaux dans l'atmosphère ont sérieusement ouvert la voie. Mais le principal défi que tentent de relever les 14 partenaires de Lapcat suppose davantage encore une révolution radicale dans la conception des moteurs qui permet d'imaginer une prochaine génération d'avions commerciaux hypersoniques.

Quatre heures pour Bruxelles-Sidney

"On travaille sur des réacteurs à hydrogène foncièrement différents des classiques turbo-jets au kérosène qui équipent tous les avions depuis des lustres", souligne Johan Steelant (ESA), coordinateur du projet. "La perspective de pouvoir relier, par exemple, Bruxelles à Sidney en quatre heures – avec une économie sur le combustible qui peut rendre les coûts de transport suffisamment attractifs – est désormais notre objectif. A l'heure d'une mondialisation de plus en plus omniprésente, la demande de tels vols intercontinentaux en si peu de temps intéresse les avionneurs et les compagnies, dont plusieurs sont impliqués dans Lapcat."

Les "avions à réaction" classiques sont équipés de moteurs dits atmosphériques. Ils exercent leur poussée, produite à la tuyère arrière du réacteur, par l'expulsion des gaz de combustion du kérosène au contact de l'oxygène, apporté par l'air sous pression qui est aspiré à l'entrée par les turbines à ailettes.

L'efficacité des turboréacteurs (turbofan, en anglais), généralisés sur la flotte actuelle des avions de ligne subsoniques, peut sans problème élever la vitesse d'un aéronef lourd au-delà de Mach 1 (tel le Concorde). Mais, au-delà de 3 000 km/h, la poussée des réacteurs plafonne et ne suffit plus pour poursuivre l'accélération. Les motoristes se sont donc tournés vers le concept du statoréacteur (ramjet), un système de propulsion atmosphérique futuriste, imaginé par des physiciens-ingénieurs… dès 1912. Le "stato" a connu divers stades expérimentaux au cours du 20ème siècle, mais n'a jamais dépassé cette étape. La combustion se déroule dans une tuyère dépourvue de toute pièce mobile. La forme aérodynamique de l'entrée de l'air permet à elle seule d'établir un niveau stable de compression permettant à l'oxygène de l'air de brûler le carburant.

Ramjet et scramjet

La configuration, simple dans son principe, du ramjet et l'importance de la poussée qu'il peut imprimer à un avion expliquent que, durant les deux dernières décennies, les chercheurs-mécaniciens ont misé de plus en plus sur ce moteur. Celui-ci présente les meilleures performances pour s'élever de façon radicale dans l'échelle des vitesses hypersoniques. Le fonctionnement actif d'un tel propulseur doit cependant surmonter un handicap non négligeable: c'est seulement à partir du moment où une vitesse de plusieurs centaines de km/h est atteinte que l'allumage du statoréacteur peut exercer une poussée. Dans le cas de ce nouvel avion, il faut donc intégrer une double forme de motorisation combinant à la fois les fonctionnements de type turbo (pour le décollage et la première étape de vol) et stato.

Un autre problème surgit, cependant, lorsque le moteur ramjet grimpe au-delà de 6 000 km/h (Mach 5). A ces vitesses, la pression de plus en plus élevée créée par l'air entrant dans la tuyère provoque un échauffement énorme, incompatible avec la stabilité de la combustion et à la résistance des matériaux. C'est ainsi qu'est né le concept plus complexe du super-statoréacteur (scramjet), dans lequel les motoristes mettent au point des systèmes de refroidissement cryogéniques de l'air arrivant dans la tuyère de combustion. C'est un système de ce type qui équipait le prototype américain X-43 A. C'est aussi celui qui inspire les équipes du projet Lapcat.

Hydrogène toute

Atteindre des vitesses hypersoniques implique des vols à très haute altitude de l'ordre d'au moins 20 000 mètres, dans des couches où le réacteur trouve encore assez d'oxygène pour assurer la combustion. A ces hauteurs, le carburant élu, tant par le secteur aérospatiale que par les chercheurs en aéronautique, est l'hydrogène. Celui-ci est de loin le plus efficace énergétiquement, le moins lourd et le moins dommageable à un environnement stratosphérique fragile, puisque sans émission carbonée. Il est aussi la source cryogénique utilisée pour le refroidissement du réacteur.

L'industrie des lanceurs et des engins spatiaux ne cesse de développer, depuis de longues années, des technologies très avancées et performantes de l'utilisation de ce carburant considéré comme "idéal". La transposition de son usage pour propulser des avions de lignes pose, cependant, d'importants problèmes encore irrésolus, en particulier en raison de sa très haute inflammabilité.

Actuellement, la société britannique Reaction Engines, partenaire du projet, met au point le prototype de recherche répondant au nom de Scimitar. Ce propulseur combine les fonctions turbo, pour les décollages/atterrissages et le survol des terres habitées à vitesse subsonique, et superstato au-delà de la vitesse du son.

Ligne et concept de l'A2

Mais un moteur puissant et fiable ne suffit pas à créer une bonne Formule 1… Au sein du projet, des ingénieurs "planchent" également sur l'aérodynamique de cette génération d'avions hypersoniques, portant la modeste immatriculation "A2".

Constitué d'une cellule mince et élancée, mesurant près de 140 m de long (contre 73 m à l'Airbus A380) et 7,5 m de diamètre, l'appareil serait pourvu d'ailes delta disposées au milieu de la cellule, avec deux réacteurs sur chacune d'entre elles. La cabine des passagers, située au-dessus des ailes, serait longue de 32 m et la quasi-totalité du reste du fuselage serait occupée par les réservoirs d'hydrogène, de part et d'autre de la cabine.

Bruxelles-Sidney en quatre heures? L'horizon d'une telle prouesse se situe en 2023. Avec, en principe, un billet dont le prix moyen devrait être comparable au tarif actuel de ce vol en business class.

Matthieu Lethé

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