Le rôle de la poussée dans le développement des technologies d'aéronefs silencieux

La poursuite d'aéronefs silencieux représente l'un des objectifs les plus ambitieux de l'ingénierie aérospatiale. La mobilité aérienne urbaine s'étend et les collectivités exigent un ciel plus calme, le rôle de la poussée, la force même qui propulse un aéronef vers l'avant, est devenu au centre des stratégies de réduction du bruit. La poussée n'est pas seulement une mesure de la puissance du moteur; elle est la source dominante d'énergie acoustique dans la plupart des aéronefs, surtout lors du décollage et de la montée.

Les fondamentaux de la génération de poussées et de bruits

Dans les moteurs à réaction, cette accélération se produit par la combustion du carburant et l'expulsion des gaz à haute vitesse; dans les systèmes d'hélices, elle se produit par des pales rotatives qui donnent de l'élan à l'air environnant. Le bruit provient de plusieurs mécanismes inhérents à ce processus : mélange turbulent des jets d'échappement, fluctuations de pression non stables sur les pales du ventilateur et du compresseur, et interaction entre l'air en mouvement rapide et la cellule.

Bruit du jet

Le bruit de jet est généré par la couche de cisaillement entre le panache d'échappement à haute vitesse et l'air ambiant. L'intensité des balances de bruit de jet avec la huitième puissance de vitesse de jet à haute vitesse, ce qui rend même de petites réductions de vitesse d'échappement très bénéfiques. C'est pourquoi les moteurs turbofan à haut pont, qui déplacent un grand volume d'air à faible vitesse, sont intrinsèquement plus silencieux que les moteurs à faible pont ou turbojet.

Ventilateur et bruit du compresseur

Le bruit du ventilateur est composé à la fois de composants tonaux (à partir des fréquences de passage des pales) et de composants à large bande (à partir des interactions turbulentes). La conception des pales du ventilateur, l'espacement entre les rotors et les stators et l'utilisation de liners acoustiques avancés dans la nacelle sont des facteurs critiques.

Bruit de la cellule

Bien que n'étant pas directement liée à la production de poussées, le bruit de la cellule devient important lors de l'approche lorsque les moteurs sont redressés. Les trains d'atterrissage, les volets et les lamelles produisent un débit turbulent qui contribue au bruit global. Cependant, la poussée nécessaire pour maintenir la vitesse d'approche doit encore être fournie, et les moteurs fonctionnant à faible puissance peuvent présenter un bruit accru du ventilateur en raison des angles de pales non optimaux.

Normes relatives aux gaz de poussée et au bruit

Les cadres réglementaires ont donné lieu à une grande partie de l'innovation dans les aéronefs silencieux.L'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI) établit des normes de certification du bruit en vertu de l'annexe 16, volume I. Ces normes sont devenues progressivement plus strictes, aboutissant au chapitre 14 (en vigueur en 2017 pour les nouveaux types d'aéronefs), qui impose une réduction cumulative du bruit de 7 décibels de bruit perçus efficaces (EPNdB) par rapport à la limite précédente du chapitre 4. Les fabricants doivent démontrer leur conformité à trois points de mesure : survol, latéral (ligne latérale) et approche.

Pour plus de détails sur les normes de bruit de l'OACI, visitez les pages de l'OACI.

Conceptions avancées de moteur Optimisation de la poussée pour le faible bruit

Turbofans à haut passage et turbofans enroulés

La transition des turbofans à faible passage vers les turbofans à haute passage représente la réduction la plus importante du bruit des avions à ce jour. En déplaçant une masse d'air plus grande à plus faible vitesse, ces moteurs produisent la même poussée avec un bruit de jet considérablement réduit. Le prochain saut est le turbofan à faible pression (GTF), tel que la série Pratt & Whitney PW1000G. Une boîte de vitesses de réduction permet au ventilateur de tourner à une vitesse plus lente et aérodynamiquement optimale, indépendamment de la turbine à basse pression et du compresseur.

Moteurs à rotor ouvert et ventilateur non déduit

Les moteurs à rotor ouvert (également appelés ventilateurs non entraînés) offrent une efficacité propulsive plus élevée en éliminant la nacelle, réduisant ainsi la traînée et permettant des lames plus grandes. Cependant, l'absence de conduit signifie que les tourbillons de pointe et les charges irrégulières produisent un bruit tonal important. La recherche moderne se concentre sur les lames contre-rotation avec un balayage et un espacement soigneusement optimisés pour annuler les sources de bruit. Le programme RISE de GE Aerospace développe un concept de rotor ouvert de nouvelle génération qui vise à réduire la consommation de carburant de 20 % tout en respectant les limites sonores du chapitre 14 grâce à la conception avancée des lames et au contrôle de poussée.

Propulsion électrique et électrique hybride

Les systèmes de poussée électrique promettent un bruit fondamentalement moindre parce qu'ils fonctionnent avec moins de pièces mobiles et éliminent le bruit de combustion.Les moteurs électriques peuvent être distribués le long de l'aile ou du fuselage, ce qui permet de produire un plus grand nombre de plus petits propulseurs, chacun produisant un bruit moindre individuellement. L'absence de turbomachine réduit le bruit tonal haute fréquence. Cependant, le bruit d'hélice à basse vitesse peut encore être important et la poussée fournie par les moteurs électriques doit être adaptée avec précision aux conditions de vol. L'avion expérimental X-57 Maxwell de la NASA a démontré que la propulsion électrique distribuée (DEP) peut réduire le bruit global en répartissant la demande de puissance sur de nombreuses petites hélices à rotation lente.

Bouclier et intégration du bruit

En plaçant les moteurs au-dessus de l'aile ou du fuselage, la cellule agit comme une barrière qui reflète et diffracte les ondes sonores vers le haut, loin du sol. Le concept d'avion silencieux NASA/SAX-40 utilisait un corps d'aile mixte (BWB) avec des moteurs embarqués et une entrée de serpentine pour protéger la face du ventilateur. Cette configuration a réduit le bruit d'une cinquantaine de EPNdB cumulative par rapport à un tube et une aile conventionnel. La clé était que l'axe de poussée des moteurs était dirigé vers l'arrière, mais les surfaces de protection ont brisé la ligne de vision directe entre la source du bruit et l'observateur.

Végétation de poussée pour la gestion du bruit

Le vecteur de poussée, qui permet de réorienter le panache d'échappement, est généralement associé à la maniabilité des avions de chasse, mais il a aussi des applications sonores. En faisant descendre les gaz d'échappement pendant le décollage, le jet à grande vitesse peut être dirigé loin du sol, réduisant ainsi l'impact du bruit sur les communautés latérales. Inversement, le vecteur vers le haut pendant l'approche peut réduire le bruit au sol tout en maintenant la poussée nécessaire pour une descente raide.

Gestion des poussées opérationnelles pour la réduction du bruit

Le bruit des aéronefs est non seulement fonction de la conception du moteur, mais aussi de la façon dont la poussée est utilisée en vol. Les compagnies aériennes et les aéroports mettent en oeuvre des procédures de réduction du bruit qui modifient les niveaux de poussée à diverses phases.

Décollage réduit de la poussée

Les décollages de poussée interrompus ou réduits sont standard dans les aéroports où le bruit est limité. Le pilote choisit un niveau de poussée inférieur au maximum disponible, souvent en fonction des conditions ambiantes et de la longueur de piste. Cela réduit la vitesse du moteur et la vitesse d'échappement, abaissant directement le bruit des jets et des ventilateurs.

Approche de descente continue (ADC)

Pendant l'atterrissage, l'approche classique par paliers exige des segments de vol en palier avec des moteurs à faible puissance, ce qui peut augmenter le bruit du ventilateur. L'ADC utilise une descente régulière et peu profonde de l'altitude de croisière vers la piste, avec des moteurs ralentis ou à poussée minimale. Cela réduit le bruit du moteur et le bruit de la cellule, car les volets et le train d'atterrissage peuvent être déployés plus tard. L'ADC peut réduire le bruit de 3 à 5 dB dans les collectivités situées sous la trajectoire d'approche.

Découpe de poussée pendant l'escalade

Après le décollage, les aéronefs réduisent généralement la poussée pour monter à une altitude désignée (p. ex. 1 000 pieds), ce qui réduit considérablement le bruit des collectivités plus éloignées de l'aéroport.Les fabricants de moteurs conçoivent des calendriers de réduction qui réduisent le bruit tout en assurant un gradient de montée adéquat.

La poussée et le bruit dans la mobilité urbaine émergente de l'air

Les véhicules électriques à décollage vertical et à atterrissage (eVTOL) représentent une nouvelle frontière pour la poussée silencieuse. Ces avions comptent sur plusieurs rotors ou ventilateurs canalisés pour générer des élévateurs et des poussées. Le profil sonore de l'eVTOL est dominé par le large bande du rotor et le bruit tonal, mais parce que les véhicules sont généralement plus petits et fonctionnent à des vitesses plus faibles, les niveaux de bruit de pointe sont beaucoup plus bas que les jets commerciaux. Cependant, le bruit cumulé de nombreuses opérations en milieu urbain exige des conceptions extrêmement calmes.

Technologies et orientations de la recherche futures

Ingestion de la couche limite (BLI)

En ingérant le flux de la couche limite à faible momentum sur le fuselage, les propulseurs BLI peuvent réduire la poussée nécessaire pour une vitesse donnée parce qu'ils réenclenchent le sillage. Cela réduit la puissance nécessaire du moteur et donc le bruit. BLI réduit également le bruit des jets parce que le débit ingéré est plus lent, réduisant la différence de vitesse. Le Boeing X-48 financé par la NASA corps d'aile mélangé et le projet Airbus NAGRA intègrent tous deux des concepts BLI. Cependant, BLI impose des défis sur la conception du ventilateur en raison d'un afflux non uniforme, qui peut augmenter le bruit si pas soigneusement géré.

Moteurs à cycle variable

Un moteur à cycle variable peut basculer entre le mode turbofan à haut débit (faible bruit, croisière efficace) et le mode à faible débit ou turbojet (forte poussée pour le vol supersonique). Le moteur GE Affinity, choisi pour le jet d'affaires supersonique Aerion AS2 (maintenant annulé), a démontré des principes de cycle variable. En mode subsonique, il a utilisé un ventilateur plus grand pour un fonctionnement silencieux; en mode supersonique, il a contourné le ventilateur pour une vitesse d'échappement plus élevée.

Buses d'échappement adaptatives et morphantes

Les buses d'adaptation émergentes peuvent changer la géométrie en vol, par exemple en s'étendant à un modèle de chevron à basse altitude et en se rétractant pour une croisière efficace. Les buses de vecteurs de poussée entrent également dans cette catégorie. En contrôlant précisément le débit des gaz d'échappement, ces dispositifs peuvent réduire la longueur de corrélation des structures turbulentes, source majeure de bruit de jet à basse fréquence.

Impact socio-économique et environnemental des aéronefs silencieux

Les aéroports du monde entier font face à des couvre-feux, à des restrictions d'exploitation et à des coûts d'atténuation du bruit considérables. Les technologies d'aéronefs silencieux pourraient permettre des opérations 24 heures sur 24, augmenter la capacité aéroportuaire et réduire les effets sur la santé, comme les troubles du sommeil et le stress cardiovasculaire. L'avantage économique de la réduction des contraintes de piste liées au bruit est estimé à des milliards de dollars par année pour les grands hubs.

Sur le plan environnemental, les avions silencieux vont souvent de pair avec des améliorations de l'efficacité énergétique. Le bruit est généralement moins élevé en raison de la faible vitesse des gaz d'échappement, qui réduit également la consommation de carburant (puisque la poussée est proportionnelle aux temps de débit massique et que l'efficacité augmente avec une vitesse moindre pour une poussée nette donnée).

Conclusion

La poussée est bien plus que la force qui surmonte la traînée; elle est la principale signature acoustique d'un aéronef. Le voyage vers un aéronef silencieux repose sur la compréhension et la manipulation de la poussée générée, dirigée et contrôlée. Du turbofans à haut passage à la propulsion électrique distribuée, des buses de chevron à l'ingestion de couches limites, chaque innovation cherche à concilier la demande de poussée suffisante avec l'impératif de réduction du bruit. L'industrie aéronautique a réalisé des progrès remarquables, atteignant une réduction globale du bruit de 75 % par opération au cours des 50 dernières années.