Des capteurs révolutionnaires améliorent les performances aérodynamiques des ailes
L’objectif cardinal des ingénieurs en aéronautique est de parvenir à maîtriser l’écoulement laminaire, car il permet de réduire la traînée. L’écoulement laminaire fait référence à l’écoulement du flux d’air au-dessus et en dessous des surfaces de l’aile, en suivant des trajectoires planes et parallèles exemptes de toute perturbation. Phénomène opposé, l’écoulement turbulent se produit quelles que soient la forme ou la taille des surfaces de l’aile. À mesure que l’air s’écoule le long d’une aile, l’interface devient une région chaotique, caractérisée par des fluctuations irrégulières, des tourbillons et une augmentation de la pression, ce qui entraîne une augmentation de la traînée aérodynamique et de la consommation de carburant.
Mesurer le frottement de surface et la pression
«Conjointement, la pression et cette force appelée frottement de surface ou contrainte de cisaillement de la paroi, dans l’industrie aéronautique, sont les deux signatures de la physique des écoulements à proximité d’une aile d’avion», fait remarquer Julien Weiss, coordinateur du projet SKOPA, financé par l’UE. «Nous avons conçu et fabriqué un système de mesure prêt pour le vol, qui repose sur des capteurs thermiques pour les mesures du frottement de surface et des capteurs à fibre optique pour les mesures de la pression. Cette technologie permet d’atténuer les effets de la séparation de l’écoulement et, par conséquent, d’accroître l’efficacité aérodynamique et de renforcer la sécurité aérienne.» Contrairement aux capteurs traditionnels, les capteurs à fibres optiques nouvellement développés sont moins sensibles aux perturbations externes et au bruit. De plus, à la différence de la plupart des capteurs, qui ne détectent que l’amplitude, les capteurs thermiques sont conçus pour détecter à la fois l’amplitude et la direction du frottement de surface sur une aile.
Moteurs d’avion de prochaine génération
Les activités du projet contribuent grandement au développement de moteurs plus silencieux, plus écologiques et plus économes en carburant, comme les moteurs à très haut taux de dilution. Ces moteurs affichent une efficacité de propulsion plus élevée mais exigent le développement de nacelles relativement grandes. Ainsi, «afin d’assurer un dégagement suffisant entre la nacelle et la piste, sans avoir à recourir à des jambes de train d’atterrissage plus longues, les nacelles doivent être intégrées plus près de l’aile. Cette configuration accroît le risque de séparation de l’écoulement dans la région de l’interface aile/pylône, en particulier pendant les phases de décollage et d’atterrissage», explique Julien Weiss. La séparation réelle de l’écoulement serait particulièrement préjudiciable en ce sens qu’elle limiterait à la fois le coefficient de portance maximum et le rapport portance/traînée de l’avion, deux grandeurs aérodynamiques essentielles pour l’atterrissage et le décollage, respectivement. Le programme de recherche Clean Sky 2 de la CE a mis en place des techniques intégrées de contrôle actif de l’écoulement à l’interface aile/pylône afin de réduire ou d’éliminer les éventuelles zones de séparation de l’écoulement. «Notre nouvelle technologie permet aux ingénieurs de valider l’efficacité des systèmes de contrôle actif de l’écoulement et de continuer à optimiser l’aérodynamique des nouveaux aéronefs de transport», fait remarquer Julien Weiss. Les partenaires du projet ont utilisé un modèle industriel d’aile extérieure intégrant un contrôle actif de l’écoulement pour tester la réponse des deux capteurs. Les résultats ont montré que les capteurs thermiques mesuraient avec efficacité l’augmentation de la contrainte de cisaillement de la paroi générée par les actionneurs de contrôle actif de l’écoulement. Les pressions statiques et les fluctuations de pression mesurées par le capteur de pression correspondaient aux données de référence. Après la réalisation d’essais en soufflerie, les partenaires du projet ont utilisé le Light Aircraft for Science, Education and Research (LASER) de l’Université technique de Berlin pour valider l’aptitude au vol des deux capteurs. «Les essais en vol ont généré de précieuses informations sur la physique du vol, mais nécessitent une technologie de détection de base solide. Notre capteur de pression miniature, qui fournit des mesures précises sur une plage dynamique étendue, permet de réaliser des essais de terrain dans des environnements exigeants. Les capteurs à fibres optiques représentent également une solution prometteuse pour les environnements exigeants, grâce aux caractéristiques inhérentes des systèmes à fibres optiques: aucun couplage électromagnétique, aucune corrosion, conception passive et protection contre les surcharges et stabilité inégalées», conclut Julien Weiss.
Mots‑clés
SKOPA, frottement de surface, séparation de l’écoulement, contrôle actif de l’écoulement, capteurs à fibre optique, capteurs de pression, moteurs à très haut taux de dilution
