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Dec 30, 2023

Volerons-nous jamais de manière supersonique au-dessus de la terre ?

Par Matthew Hutson En 1947, Chuck Yeager, le pilote d'essai de l'Air Force, est devenu le

Par Matthieu Hutson

En 1947, Chuck Yeager, le pilote d'essai de l'Air Force, est devenu la première personne à franchir le mur du son. Il l'a fait dans un petit avion de couleur orange appelé le Bell X-1 - essentiellement, un cockpit et deux ailes connectées à un moteur de fusée. Comme tous les dépliants supersoniques, Yeager a traîné un bang sonique derrière lui. Le principe de la perche est simple : le son se propage dans l'air sous la forme d'ondes de compression, ainsi appelées parce qu'elles se produisent lorsque l'air devient plus dense et plus clairsemé ; lorsqu'un avion vole, les ondes s'étendent dans toutes les directions à la vitesse du son. Mais lorsque l'avion lui-même dépasse cette vitesse - à environ sept cent soixante-dix milles à l'heure au niveau de la mer, ou environ six cent soixante à l'altitude de croisière - il rattrape les vagues qui s'étendent devant lui. Ils commencent à s'accumuler et cette seule vague fusionnée atteint le sol d'un seul coup, créant un boom. Une zone de basse pression suit - le creux de la vague - puis la pression atmosphérique normale revient, créant son propre son. (Souvent, les bangs soniques font boum-boum.) Ce n'est pas un hasard si les bangs soniques ressemblent au tonnerre ; le tonnerre est un bang sonique, causé par des ondes de choc se propageant autour des éclairs. Les balles voyagent assez vite pour provoquer des bangs soniques, tout comme la queue des fouets. Contrairement à ce que vous pourriez imaginer, un avion provoque un bang sonique non pas une seule fois, lorsqu'il franchit le mur du son, mais de manière continue pendant toute la durée de son supersonique. Le boom balaie tout ce qui se trouve en dessous - une sorte de balai sonique d'environ un mile de large pour chaque millier de pieds d'altitude de l'avion.

Les plans de l'avion qui allait devenir le Concorde - le premier "transport supersonique" commercial ou SST - ont commencé dans les années 1950. La NASA a commencé à travailler sur le transport supersonique lors de sa fondation, en 1958, pour finalement s'installer sur une conception de Boeing. Mais ces initiatives ont commencé avant que les bangs soniques ne soient pleinement compris. Dans un résumé technique écrit en 1960, les scientifiques de la NASA ont averti que "les pressions sonores des ondes de choc" pourraient être "d'une intensité suffisante pour endommager des parties des structures de construction au sol telles que les fenêtres, en plus de causer de la gêne". Il faudrait cependant un certain temps pour mesurer l'ampleur de ce désagrément. Pendant dix mois en 1961 et 1962, l'armée de l'air et la Federal Aviation Administration (FAA) ont mené l'opération Bongo, pilotant des bombardiers B-58 au-dessus de Saint-Louis et interrogeant les citoyens sur les quelque cent cinquante booms créés par les avions ; les auteurs ont seulement conclu qu'après des booms répétés, "une certaine réaction peut être attendue". ("Le bang sonique est un problème de relations publiques prioritaire", a déclaré un major de l'Air Force au New Yorker en 1962.) Une image plus claire a émergé en 1964, lorsque l'opération Bongo II a créé plus d'un millier de bangs soniques au-dessus d'Oklahoma City. Les gens se sont plaints d'interruptions de leur sommeil, de leurs conversations et de leur tranquillité d'esprit, et de fissures occasionnelles dans le plâtre ou le verre. À la fin, environ un sur quatre a déclaré qu'il ne pouvait pas apprendre à vivre avec le bruit. Ces études, ainsi que des dizaines de milliers de réclamations contre l'armée de l'air pour dommages matériels - des chevaux et des dindes étaient censément morts ou devenus fous - ont conduit la FAA à interdire les vols supersoniques terrestres civils, en 1973.

Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles le Concorde, qui a volé pour la première fois en 1969, a cessé de voler en 2003. Parmi elles, le fait que le service n'était autorisé à atteindre des vitesses supersoniques qu'au-dessus de l'océan. Ce mois-ci, United Airlines a annoncé son intention d'acheter des avions à Boom Supersonic, une startup de Denver qui vise à produire une nouvelle génération d'avions de passagers supersoniques. Mais l'avion de Boom, l'Overture, continuera de prospérer et restera donc une bête d'outre-mer, du moins à plein régime. Le voyage supersonique par voie terrestre - de JFK à SFO en trois heures, plus ou moins - dépend de l'invention d'un boom plus silencieux.

Ce n'est qu'au cours des vingt dernières années, avec des modèles informatiques améliorés d'aérodynamique, qu'une sorte de bruit sourd est devenu possible. "La théorie de base de la mise en forme du boom sonique existait en fait pendant le développement du Concorde, dans les années 1960", m'a dit Michael Buonanno, responsable des véhicules aériens chez Lockheed Martin. Malheureusement, a-t-il poursuivi, "les ordinateurs n'étaient pas assez puissants à l'époque pour exécuter les simulations avancées nécessaires pour vraiment composer" la forme idéale. En 2003 et 2004, en utilisant de meilleures simulations, la NASA a piloté le Shaped Sonic Boom Demonstrator, un Northrop Grumman F-5 avec un travail de nez; les chercheurs ont économisé de l'argent en greffant une partie amovible sur le dessous d'un jet préexistant, appelant l'avion résultant le Pélican, en raison de son profil bulbeux. En 2006 et 2007, la NASA a poursuivi une idée similaire en partenariat avec Gulfstream, en équipant un McDonnell Douglas F-15 d'un "Quiet Spike", qui dépassait à environ vingt-quatre pieds de son nez.

Dans les deux cas, l'idée était d'arrondir le pic de l'onde de compression principale, transformant un tsunami à arêtes vives en une houle plus progressive. Les avions, avec leurs formes distinctives, provoquent en fait de nombreuses ondelettes distinctes ; à mesure que les ondelettes s'approchent du sol, elles fusionnent dans les ondes d'étrave et de queue qui provoquent les boums. Si vous pouvez modifier la forme de l'avion pour que les vagues ne se combinent pas - en les étalant, par exemple, au moyen d'un nez extra-long - alors les bangs soniques seront d'une intensité moindre. À cet égard, le Pelican et le Quiet Spike ont été de modestes succès; leurs boums n'étaient pas aussi tonitruants. En 2015, la JAXA, l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale, a confirmé la découverte fondamentale avec un projet à plus petite échelle, appelé D-SEND. L'agence a largué un élégant planeur non motorisé de vingt-six pieds d'un ballon à dix-neuf milles au-dessus de la Suède. Il a atteint Mach 1,39, c'est-à-dire 1,39 fois la vitesse du son, et a produit une onde relativement aplatie.

Le projet actuel de la NASA, le X-59 QueSST (pour Quiet SuperSonic Technology), vise à la fois à explorer la technologie à faible boom et à étudier la réponse de la communauté aux booms étouffés. "L'avion n'est essentiellement qu'un boom, ou, dans ce cas, un générateur de bruit sourd", a déclaré David Richwine, chef de projet adjoint de la NASA pour la technologie sur QueSST. Les acoustiques ont de nombreuses mesures de volume; La NASA utilise le niveau de décibel perçu, ou PLdB. Le boom du Concorde était d'environ cent trois PLdB, à peu près le volume d'un tonnerre à proximité, ou d'une porte de voiture qui claque alors que vous êtes à l'intérieur de la voiture ; Soixante-quinze PLdB, l'objectif de la NASA pour QueSST, est environ un huitième aussi fort - l'équivalent d'un tonnerre lointain ou d'une portière de voiture qui claque à vingt pieds. (Comme les décibels ou les tremblements de terre, les PLdB sont mesurés sur une échelle logarithmique.) Lockheed Martin construit actuellement l'avion, qui survolera les villes américaines en 2024. (Buonanno est l'ingénieur en chef de la société sur le projet.)

Avec son nez pointu et ses ailes delta, le X-59 monoplace ressemble à un mini-Concorde à certains égards et en diffère à d'autres. Il fera cent pieds de long, avec une envergure de trente pieds, un moteur centré sur la queue, et plus de surfaces qu'il n'apparaît nécessaire : des stabilisateurs horizontaux à la fois en bas et en haut de la queue, et aussi sur le nez. "Tous ceux-ci sont utilisés pour régler ces amortisseurs", a déclaré David Richardson, directeur du programme X-59 chez Lockheed Martin. L'équipe espère étirer le front de la vague de boom d'une seule milliseconde à vingt ou trente. ("Je suis au Skunk Works depuis environ trente ans, faisant beaucoup de programmes différents", a ajouté Richardson. "C'est mon premier programme non classifié - donc c'est vraiment bien de pouvoir en parler non seulement au monde mais à ma famille.")

En fin de compte, en exécutant une sorte d'opération Bongo III, l'équipe X-59 espère persuader la FAA de revenir sur son interdiction de 1973 sur le transport supersonique ; l'agence pourrait accepter, à la place, d'émettre des normes de certification pour le SST commercial. L'avion contient une autre technologie qui pourrait se traduire par une conception commerciale. Une caractéristique prometteuse est le système de vision externe, ou XVS Le X-59 est trop pointu pour une verrière de cockpit, donc l'équipe l'a équipé de caméras et de moniteurs haute définition ; les pilotes regarderont des écrans leur permettant de regarder "à travers" l'avion, dans une sorte de réalité augmentée. Les concepteurs du Concorde, qui était tout aussi pointu, permettaient à ses pilotes de voir la piste au moyen d'un mécanisme élaboré qui inclinait physiquement le nez de l'avion vers le bas avant l'atterrissage, ce qui ajoutait beaucoup de poids et de dépenses à un avion déjà au budget trop élevé. Lockheed Martin ne fabriquerait probablement pas une version commerciale du jet, mais il pourrait s'associer à d'autres entreprises; la compagnie prédit qu'une version passagers du X-59 aurait deux cent trente pieds de long, environ la longueur d'un Boeing 777, et transporterait une cinquantaine de personnes.

Quelques entreprises sont déjà à la recherche d'avions de passagers supersoniques à faible flèche. Gulfstream a obtenu des brevets dans le domaine, et une société appelée Spike Aerospace dit qu'elle utilise la "technologie de vol supersonique silencieuse" pour développer un avion d'affaires de dix-huit passagers avec un boom sonore de soixante-quinze PLdB. (Aucune des sociétés n'a répondu aux demandes de renseignements.)

Exosonic, une startup californienne, mène des essais en soufflerie à l'échelle de ce qui serait un avion supersonique de soixante-dix places. Son approche est similaire à celle de la NASA : "Ce que nous faisons, c'est changer la forme de l'onde du boom sonique en quelque chose de beaucoup moins audible", m'a dit John Morgenstern, responsable de l'aérodynamique et du boom chez Exosonic. (Un des collègues de Morgenstern a décrit l'objectif d'Exosonic comme une "bouffée" sonore.) En septembre dernier, la société a reçu un contrat militaire d'un million de dollars pour explorer la possibilité d'utiliser l'avion comme Air Force One. Morgenstern a rejoint Exosonic en avril, après avoir travaillé chez Lockheed Martin en tant que concepteur sur le X-59 ; dans son nouveau rôle, il a différentes variables à équilibrer. L'avion doit être plus qu'un simple générateur de bruits sourds - sa conception doit optimiser l'intensité de la flèche, la sécurité des passagers, le bruit du moteur au décollage et à l'atterrissage et le rendement énergétique. (Le Conseil international sur le transport propre a estimé que les avions supersoniques consommeront trois à neuf fois plus de carburant par passager que les avions ordinaires - une bonne raison, comme l'a écrit Bill McKibben, plus tôt ce mois-ci, pour essayer Zoom, pas Boom.) L'avion d'Exosonic volera à Mach 1,8, ce qui est une vitesse idéale pour les SST : les avions plus lents réduisent insuffisamment les temps de vol, tandis que les plus rapides nécessitent des moteurs plus bruyants. J'ai demandé à Morgenstern s'il était risqué d'investir dans un avion commercial à faible flèche alors que les vols supersoniques terrestres étaient toujours interdits. "Je dirais que c'est moins risqué que d'aller là-bas avec un avion qui n'a pas cette technologie", a-t-il déclaré. Il a esquissé un scénario dans lequel la réglementation change vers 2028 et Exosonic commence des vols d'essai quatre ou cinq ans plus tard.

En 2016, le Mercatus Center, un groupe de réflexion libertaire de l'Université George Mason, a publié "Make America Boom Again", un livre blanc affirmant que, compte tenu des nouvelles technologies, nous devrions ramener le transport supersonique. Les auteurs de l'article, Eli Dourado et Samuel Hammond, ont déploré "la stagnation et la régression de l'aviation supersonique", qui avaient brisé "une tendance de progrès rapide" dans le transport aérien qui avait commencé avec les frères Wright. Et pourtant, il y a des raisons de croire que, même s'il était autorisé, le vol supersonique intérieur aurait un attrait commercial limité. Richwine, de la NASA, m'a dit qu'il pensait que le SST pourrait réduire de moitié les temps de vol. Mais, a-t-il dit, un vol supersonique ne réduirait pas proportionnellement le temps de trajet global jusqu'à ce que nous ayons réparé notre infrastructure : à quel point est-il préférable de voler de LAX à JFK en deux ou trois heures si vous passez deux fois plus de temps dans les aéroports et le trafic ?

Pendant la plupart des années au cours desquelles le Concorde a volé, un voyageur pouvait entrer dans un aéroport et se rendre directement à la porte. En 2013, Doug Robinson, chroniqueur d'un journal de l'Utah, a rappelé la vitesse des aéroports d'avant le 11 septembre : "Dans l'un des plus grands exploits sportifs de ma vie, je suis arrivé une fois sur le trottoir de l'aéroport trois minutes avant le départ prévu de mon avion et j'ai sprinté dans les escaliers et dans le hall jusqu'à la porte, ce qui n'a duré que quelques secondes avant qu'ils ne ferment la porte de l'avion", a-t-il écrit. Aujourd'hui, avec une sécurité accrue, les compagnies aériennes recommandent aux passagers d'arriver deux heures plus tôt pour les vols intérieurs et trois heures plus tôt pour les vols internationaux, soit environ le temps que les vitesses supersoniques pourraient faire gagner. Et il y a donc plus d'un sens dans lequel le vol supersonique est un retour vers le passé. Avec la technologie sophistiquée de la NASA, nous reviendrons là où nous étions il y a vingt ans.