Israël Wygnanski est obsédé par le vol depuis son enfance. Pilote amateur, il a fait ses premiers pas en solo à 16 ans. Il a presque 80 ans et continue de voler sans montrer aucun signe d’arrêt. Au cours de ses plus de 50 ans de carrière, Wygnanski, professeur en génie aérospatial et mécanique à l'Université de l'Arizona, a étudié la façon de manipuler le flux d'air et la turbulence pour améliorer l'efficacité des avions.
L'année prochaine, le fruit de son travail volera dans l'avion d'essai de Boeing, le 757 ecoDemonstrator. Le projet se concentre sur une source majeure d'inefficacité en vol: la queue de l'avion. La nouvelle queue utilise une série de 37 petits jets d’air puissants qui aident à contrôler la direction à basse vitesse ou en cas de panne moteur, lorsqu'un gouvernail est nécessaire pour maintenir l’avion sur sa route. La conception, testée en partenariat avec Boeing, la NASA et Caltech, pourrait déboucher sur des queues plus petites et plus légères et sur un meilleur rendement énergétique dans les décennies à venir. L’équipe a reçu un prix d’excellence du groupe de la NASA en octobre.
Le modèle de démonstration que vous avez créé montre que les queues des plans sont plus grandes que nécessaire. Pourquoi donc?
La queue verticale est très grande; dans certains cas, il atteint presque la moitié d'une aile. Essentiellement, si un avion traverse son cycle de vie complet, disons 25 ans, et ne perd jamais un moteur - cela arrive, car les moteurs sont très fiables aujourd'hui -, il a essentiellement transporté ce grand stabilisateur vertical tout au long de sa vie sans raison valable. Pensez à son poids, sa traînée. Cela contribue beaucoup à la consommation de carburant de l'avion. Il est toujours utilisé, dans une certaine mesure, mais pas à son plein potentiel. Si un avion ne perd pas de moteur, la queue ne constitue pas une surface de contrôle critique.
Plus tôt cette année, vous avez mis à l’essai en soufflerie une queue de taille normale équipée de vos jets rapides. Comment c'était?
À l'origine, il y avait 37 actionneurs [à jet de balayage] intégrés dans cette queue verticale. Il s'est avéré que même un seul actionneur pourrait améliorer l'efficacité de la queue de près de 10%. La surface de ce jet d'actionneur, un huitième de pouce carré, peut affecter le débit sur toute l'aile, qui est de 370 pieds carrés. C'était un résultat incroyable. Je pense que ce sera testé et éprouvé en vol.
Alors, à quel point une queue d'avion peut-elle être plus petite?
Les résultats montrent immédiatement que nous pouvons le réduire de 30%. C'est substantiel. Si vous économisez environ 1% sur la consommation de carburant, réfléchissez à ce que cela signifie pendant la vie d'un avion. Toute l'expérience ici consistait à prouver une technologie et à mettre les pieds dans le vif du sujet, de sorte que l'industrie soit consciente du potentiel ici qu'elle n'a jamais utilisé. En d’autres termes, la boîte à outils contient un outil qui peut changer la façon dont les avions sont conçus.
Wygnanski est professeur de génie aérospatial et mécanique à l'Université de l'Arizona. (Avec la permission de la NASA) Ainsi, en modifiant légèrement le flux d'air, vous êtes en mesure d'influer sur le résultat, par exemple, de la direction ou de la portance. Cela semble être un concept simple. Qu'est-ce qui rend la réalisation si difficile?
Le talon d'Achille dans tout ce problème était la complexité des actionneurs qui fournissent le contrôle de flux. Nous avons initialement utilisé des électromagnétiques. Les gens ont utilisé ceux piézoélectriques. Ils sont lourds ou difficiles à entretenir. Puis est venue cette autre idée d'utiliser un petit actionneur à jet oscillant, qui nécessite un air comprimé. Il ne comporte aucune pièce mobile et peut être essentiellement gravé à la surface de l'aile.
Et vous avez déjà testé ce concept sur d’autres types d’avions?
Ouais. Nous avons commencé à étudier des modèles d'écoulement relativement fondamentaux, tels que le mélange de deux flux d'air, ce que vous pouvez voir dans les gaz d'échappement des moteurs à réaction. Cela a conduit à des applications de plus en plus grandes de cette idée. Par exemple, en 2003, nous l'avons testé avec Bell Helicopters et Boeing sur un avion qui était le démonstrateur de technologie du V-22 Osprey. Ce que nous avions prédit dans le laboratoire a fonctionné.
Il s’agit d’un grand saut d’un avion V-22 à un avion de ligne. Comment êtes-vous passé en vol commercial?
Nous avons pensé: "Quelle serait une surface de contrôle qui ne soit pas critique en vol?" En d'autres termes, si quelque chose arrive à cette surface de contrôle, l'avion peut toujours voler. Une queue typique sur un avion commercial est une de ces surfaces. Disons qu'un moteur d'avion se ferme. Dans ce cas, la queue garantit que l’avion pourra toujours voler droit, bien que la poussée ne soit plus symétrique.
Le système de jets d’air pourrait-il être utilisé ailleurs que dans la queue?
Oh oui. Exactement. [Cette démonstration] visait simplement à convaincre les gens que nous pouvions essayer. Cela pourrait faire beaucoup pour la conception future des avions. Il peut éventuellement balayer les ailes plus en arrière, ce qui peut augmenter la vitesse sans augmenter la traînée. Imaginez que vous traversiez l'Atlantique avec un avion qui consomme la même quantité de carburant tout en économisant une heure et demie de vol. À l'exception du Concord, nous sommes bloqués aux mêmes vitesses depuis 50 ans.
Les compagnies aériennes commerciales sont conservatrices, avec raison. Le taux d'adoption des nouvelles technologies est donc relativement lent.
Très, très lent Si vous n'êtes pas un expert, examinez les avions aujourd'hui et les avions à réaction commerciaux qui ont volé à la fin des années 50 et vous auriez bien du mal à voir quelque chose de très différent. Cela fait plus de 100 ans depuis les frères Wright. Au cours des 50 premières années, il y a eu un énorme changement, du Wright Flyer au 707. À partir des années 707, nous constatons une amélioration de l'aérodynamisme, mais ce n'est pas très évident. Aujourd'hui, nous volons à la même vitesse que celle que nous avions en 1960. Il y a une économie de carburant, etc., mais, fondamentalement, les gens disent: «L'aéronautique est une science à la limite du jour. Nous ne voyons plus rien de nouveau.
Et ici, vous croyez avoir quelque chose de nouveau?
Je crois que nous faisons.
