21 avril 2025
Lorsqu'on pense à un avion, on visualise généralement la structure classique : un fuselage central, de forme tubulaire ou cylindrique, deux ailes sous lesquelles se trouvent les moteurs et un empennage arrière. Dans cette configuration traditionnelle, les moteurs sont installés sur des pylônes, bien en avant des ailes, profitant ainsi d’un flux d’air optimal, non perturbé par le reste de l’appareil. Cependant, cette disposition limite les possibilités d’amélioration aérodynamique.
D’autres concepts, comme les aéronefs à fuselage intégré (Blended Wing Body), offrent des avantages significatifs en intégrant la contribution du fuselage au système de portance. Cette conception plus efficace permettrait de réduire la traînée de 30 % par rapport à un avion conventionnel. Toutefois, elle entraîne une structure plus lourde pour une charge utile et un rayon d’action similaires. Mais le principal défi de ce type d’appareil réside dans l’intégration des moteurs à la cellule.
Mieux intégrer le système de propulsion aux avions à fuselage intégré
Dans les années 2000, la NASA et Boeing ont développé un concept d’avion à fuselage intégré, avec des moteurs positionnés au-dessus de la voilure, vers l’arrière de l’appareil. Cette configuration visait à réduire la traînée ainsi que le bruit perçu au sol lors des phases d’approche et d’atterrissage. Cependant, elle présentait un inconvénient majeur : en étant situés bien au-dessus du centre de masse de l’avion, les moteurs, comme les ailes, généraient un moment de tangage vers le bas, compromettant ainsi l’équilibre de l’avion. À la suite de plus d’essais, les concepteurs ont dû ajouter un petit stabilisateur à cette configuration.
Un avion en vol stable doit respecter une condition d’équilibre où la somme des moments de force est nulle, ce qui signifie que la portance compense le poids et que la poussée équilibre la traînée. Or, en raison de la position de ses moteurs, l’avion conçu par la NASA ne répondait à cette exigence qu’avec difficulté.
Pour corriger ce déséquilibre, il faudrait abaisser les moteurs afin de les aligner avec le centre de masse. Cependant, cette modification soulève un autre défi : des moteurs plus bas seraient davantage exposés aux effets de viscosité de l’air perturbant l’écoulement et réduisant leur efficacité. C’est précisément ce problème que cherche à résoudre Patrick Germain, professeur et directeur du Département de génie aérospatial de l’ÉTS : améliorer l’aérodynamisme de l’avion et la performance sans nuire à l’efficacité des moteurs.
L’objectif est d’améliorer la forme de l’avion au fuselage intégré grâce à des simulations numériques de l’écoulement de l’air autour de l’appareil et des moteurs. En ajustant une centaine de paramètres géométriques, le professeur Germain et son équipe espèrent, par optimisation automatique ou apprentissage par renforcement, trouver la meilleure configuration possible.
Voler sur Mars : un défi technologique
L’exploration spatiale pose l’une des plus grandes questions de l’humanité : la vie a-t-elle existé ailleurs que sur Terre? Mars est la candidate idéale pour cette quête, car elle est la planète la plus semblable à la nôtre et a probablement abrité de l’eau ainsi qu’une atmosphère plus chaude et dense par le passé. Son étude pourrait également fournir de précieuses informations sur l’histoire de la Terre.
Pour mieux explorer la surface martienne, une flotte d’aéronefs autonomes à voilure fixe pourrait se révéler précieuse. Ces appareils voleraient plus près du sol que les satellites et se déplaceraient plus rapidement que les rovers. Toutefois, plusieurs obstacles techniques doivent être surmontés avant qu’un tel engin ne devienne réalité.
Sur Mars, la densité de l’air ne représente qu’environ 1 % de celle de la Terre, bien que la gravité y soit d’environ 40 %. Les forces de portance sont donc bien plus faibles, ce qui complique le maintien en vol. De plus, cette très faible densité obligerait l’hélice de propulsion à tourner plus vite. Comme les températures sont extrêmement basses, cette vitesse supérieure entraînerait des effets de compressibilité en bout des pales et réduirait ainsi l’efficacité du système de propulsion.
L’appareil devrait être entièrement recouvert de panneaux solaires, car l’énergie solaire est plus faible sur Mars que sur la Terre due à son éloignement du Soleil. Or, ces panneaux nécessiteraient des structures plus lourdes, qui ajouteraient du poids à l’ensemble. Un aéronef plus lourd aura besoin d’un moteur plus puissant, lequel consommera plus d’électricité donc aura besoin de plus de panneaux solaires… Il y a danger de tomber dans un cercle vicieux ici.
Enfin, l’autopilote de l’aéronef serait primordial pour une mission sur Mars : un signal met entre 4 et 21 minutes pour voyager entre Mars et la Terre, rendant le pilotage à distance impossible. Les tests sur Terre pourraient être effectués au moyen d’une maquette, sous des conditions similaires déterminées par les lois de similitudes pour reproduire des conditions de compressibilité et de viscosité similaires à celles présentes lors d’un vol dans l’atmosphère de Mars.
Conclusion
Qu’il s’agisse d’améliorer l’efficacité des avions terrestres ou de concevoir des aéronefs capables d’explorer d’autres planètes, les défis aérospatiaux sont nombreux et passionnants. Grâce aux avancées en modélisation numérique et en intelligence artificielle, des solutions innovantes émergent pour repousser les limites de l’aérodynamique et de la propulsion. L’aviation de demain, qu’elle soit terrestre ou martienne, repose sur l’ingéniosité des chercheurs qui imaginent des designs toujours plus performants et adaptés aux défis du futur.
