II-La réduction des nuisances sonores

Les avions supersoniques sont un vrai fléau pour l'oreille humaine (ce thème de la santé sera développé lors de la présentation orale). En effet, un avion supersonique émet énormément d'ondes sonores et d'ondes de pression lors du décollage notamment en raison de la postcombustion nécessaire pour atteindre une puissance de propulsion suffisante. De plus, lorsque l'avion passe du vol subsonique au vol supersonique, le phénomène physique appelé "bang supersonique" (vu précédemment) intervient ce qui produit énormément de bruit (aux alentours de 93 décibels pour le Concorde). Pour que l'avion supersonique du futur puisse voler au-dessus des agglomérations, il va falloir réduire ces nuisances sonores pour ne pas porter atteinte à la santé de la population, certaines personnes pouvant souffrir de troubles de la santé ou de pertes d'audition suite à une exposition à la pollution sonore consécutive au passage d'un avion en vol supersonique.

Le rôle de l'aérodynamisme dans la réduction des nuisances sonores

Lorsque vous montez dans un avion supersonique, vous attendez une prestation offrant une certaine rapidité de vol sans que votre tranquillité soit perturbée durant le voyage par un bruit  assourdissant. A l'avenir, les voyages en avion supersonique ne pourront se développer à travers le monde qu'à condition que la pollution sonore soit également réduite pour les habitants qui entendront les avions passer au-dessus de chez eux.

Au décollage, dans un rayon de 100 mètres, un avion supersonique émet jusqu'à 140 décibels, une valeur dépassant le seuil de bruit dangereux pour atteindre le seuil de la douleur pour l'homme. Ce puissant bruit émis par les moteurs peut devenir nocif et avoir des conséquences physiques pour les passagers mais aussi pour les habitants des zones survolées. Les impacts sur l'homme peuvent être immédiats comme la perte d'acuité auditive durant une certaine période, voire la destruction de certains organes auditifs ou se traduire dans un laps de temps plus long par irritabilités, insomnies, dépression ou suicide dans les cas les plus graves, des problèmes auditifs (surdité passagère ou définitive) ou encore de l'hypertension. De plus la propagation des ondes sonores peut avoir un effet nocif sur l'environnement naturel comme urbain. En effet on parle de risque d'explosions pour les bâtiments en construction, de mini-tremblements de terre quand les cloisons des bâtiments transmettent les ondes sonores de manière efficace.

Les nuisances sonores les plus importantes sont émises lors du bang supersonique. Comme il est difficile de supprimer ce phénomène physique, les ingénieurs ont dû travailler sur les ondes de pression et sur les ondes sonores, principales responsables du bang supersonique. La NASA affirme être sur le point de commercialiser un avion supersonique qui pourrait réduire le bruit produit lors du bang supersonique à environ 70 décibels ce qui équivaut au "bruit d'une portière de voiture qui se ferme". Pour y parvenir ses ingénieurs ont modifié la forme de l'avion pour empêcher les ondes de s'unir avant qu'elles n'atteignent le sol.

Ces ondes sont des ondes de choc. Cela correspond à une zone d'écoulement qui est inférieure à 1 millimètre. Cet écoulement fait la transition entre l'extrados où la vitesse est supersonique et l'intrados où la vitesse est subsonique. La pression est donc en augmentation dans un même espace. Ainsi, les particules du fluide compréhensible (particules d'air) lors de leur traversée de l'onde de choc subissent une décélération extrêmement importante. Cet impact violent produit un choc sur les particules d'air. Il existe deux types d'ondes de choc : les ondes de choc droites et les ondes de choc obliques. Pour le vol supersonique nous parlerons seulement des ondes de choc obliques.

L'aile delta est une forme d'aile qui est utilisée pour la conception d'avion supersonique. Cette aile est caractérisée par sa forme de triangle isocèle. Il existe cependant des variantes d'ailes deltas :

L'aile delta gothique est l'une des plus utilisées comme ce fut le cas pour le Concorde. Tandis que l'aile delta tronquée est très utilisée dans l'aviation militaire en particulier pour les avions de chasse. En effet, elle permet l'accrochage de missiles ou de réservoirs de carburant. Les ailes delta sont conçues pour permettre le vol d'un avion à Mach 1 ou plus. La forme de ces ailes permet, en vol supersonique, une meilleure maniabilité de l'aéronef. Elles sont donc utilisées par les grandes compagnies aériennes et spatiales pour leurs projets d'avions supersoniques.

De nombreux projets d'avions supersoniques qui réduiraient le boom supersonique à un claquement de porte sont en cours. L'un des projets principaux est l'avion supersonique X-59 de la NASA. L'agence spatiale réalise le projet en collaboration avec l'entreprise Lockheed Martin.

Photo du prototype du X-59

Les ingénieurs de la NASA auraient réussi à empêcher l'union des ondes avant qu'elles n'atteignent le sol grâce à la forme très spéciale qu'ils ont donnée à cet avion. Tout d'abord le nez de l'avion qui est très pointu et allongé. Cette forme aérodynamique permet d'amortir le choc entre la structure de l'avion et les molécules d'air. Les ailes sont blindées ce qui permet d'éliminer certaines turbulences. L'avion pourrait voler à une hauteur de 55 000 pieds (16 764 mètres) à une vitesse maximale de 1 590 km/h et une vitesse de croisière de 1 515 km/h. Cependant seules certaines informations sont divulguées par l'agence spatiale. Elle veut en effet garder le monopole sur ce projet. L'entreprise a tout de même divulgué certaines vidéos présentant le projet :

Une autre vidéo de la NASA montre un  peu plus en détail la réduction du bang supersonique:

Malgré ces annonces majeures de la NASA dans la course à l'avion supersonique, le X-59 n'est pas le projet le plus avancé. Le Spike S-512, issu de l'union des sociétés Japan Airlines et Boom, devrait permettre de rejoindre Dubaï depuis Londres en moins de trois heures.

De nombreux autres projets sont également en cours. Chaque compagnie cherche à se doter du meilleur avion supersonique : il doit être rapide, le plus silencieux et le moins coûteux possible. C'est une vraie course vers l'avion supersonique du futur qui est engagée. Certains prototypes devraient d'ailleurs connaître leurs premiers vols d'essai dès 2023.

Les modifications aérodynamiques ne sont pas seulement nécessaires pour répondre aux impératifs commerciaux de l'avion supersonique. Elles le sont aussi pour des questions de santé publique : les bruits engendrés par les avions supersoniques du futur ne devront plus avoir de conséquences plus ou moins directes sur la santé de l'homme.

La réduction des émissions sonores grâce aux moteurs

Il est possible, comme nous l'avons vu précédemment, de réduire les décibels émis en vol en modifiant des caractéristiques de la forme de l'avion supersonique. Il est également possible de réduire la pollution sonore en agissant au niveau de la motorisation.  

Piste n°1 : Positionner les moteurs au-dessus des ailes 

Pour limiter le bruit du bang supersonique, le positionnement des moteurs peut jouer un rôle important. En effet, en s'inspirant des avions technologiques, les ingénieurs ont pensé à redisposer les moteurs au-dessus des ailes, formant ainsi un mur anti-bruit. Les moteurs contribuent de cette manière à diminuer majoritairement les émissions sonores.

Ecran acoustique

Les moteurs atténuent le bruit du bang supersonique à la suite de 4 étapes distinctes qui sont: 

• la réflexion,
  
• la diffraction,
  
• la transmission,
  
• l'absorption. 
  

La réflexion permet d'absorber une partie des ondes au niveau des moteurs et de les réfléchir dans le sens inverse, atténuant le bruit. Une partie de la diffraction permet de diminuer la puissance de l'onde diffusée. La transmission permet de faire passer l'onde à travers l'écran acoustique, diminuant ainsi l'énergie transmise et donc le bruit. Enfin en phase d'absorption l'écran anti-bruit absorbe les ondes sonores réduisant le bruit de manière considérable. 

Schéma des étapes de diminution du bruit par écran acoustique

Pour réussir à réduire le son de manière encore plus efficace, il faut réduire la propagation des ondes sonores. Pour éviter leur propagation, l'épaisseur de l'écran acoustique est un facteur important dans la diminution du volume sonore. Les moteurs devront être travaillés sur la longueur pour absorber le maximum d'ondes sonores liées au bang.  

Diminution du bruit en fonction de l'épaisseur des matériaux

Une seconde source de bruit provenant des moteurs supersoniques est l'arrivée d'air. Pour fonctionner, un moteur a besoin d'air, d'essence et d'une source d'énergie thermique (étincelle, chaleur selon les moteurs).

C'est lors de l'entrée et de l'expulsion de l'air que le son provenant des moteurs est émis. Pour que l'air entre dans le moteur, celui-ci est aspiré par les aubes (sorte d’hélices à l'avant du réacteur) de la soufflante puis expulsé à très haute pression et à très haute vitesse (450 mètres/seconde) à l'arrière du moteur ce qui crée une grande partie du bruit. En passant dans le moteur, l'air produit un important sifflement. Dans les années 1950-1960, les réacteurs des avions étaient dotés d'un seul flux d'air qui entrait directement dans l'avion, passant par l'intérieur du moteur et ressortant à grande vitesse, avec une température élevée se mélangeant à l'air frais ce qui créait des turbulences assorties d'un grand bruit à l'échappement à basse fréquence (50 à 500 Hertz).

Réacteur à un seul flux d'air.

Pour remédier à ce problème, les ingénieurs ont décidé de passer à un turbo réacteur à double flux d'air. Dans ce type de réacteur, une partie de l'air est absorbée pour passer par le moteur (turbine, chambre de combustion, ...) et l'autre passe sur l'extérieur des éléments, par exemple à côté de la chambre de combustion (lieu où le mélange d'air et de kérosène est brûlé) pour ressortir en même temps que les gaz sortant du turbo réacteur. Ce système réduit le bruit produit par les moteurs.

Réacteur à double flux d'air.

Pour réduire encore davantage le bruit d'un moteur à réaction d'avion supersonique, plusieurs pistes de recherche sont actuellement explorées.

Piste n°1 : Augmenter le diamètre des soufflantes

Plus le diamètre des soufflantes sera augmenté, plus le bruit d'éjection à l'arrière du réacteur sera diminué. Ainsi l'air sera éjecté à l'arrière de la nacelle à une vitesse moins élevée ce qui rendra le bruit moins audible. 

Mais quand le diamètre de la soufflante augmente, de nouvelles sources de pollution sonore apparaissent suite à une interaction entre les aubes et la soufflante. Heureusement, cette source de bruit peut être diminuée en jouant sur le nombre d'aubes fixes et sur leur distance par rapport à la soufflante. 

Piste n°2 : Augmenter le taux de dilution d'air 

Le taux de dilution d'air (rapport entre le flux d'air chaud et rapide et le flux d'air secondaire lent et froid) doit aussi être pris en compte dans la conception d'un avion supersonique. Il faudrait selon les ingénieurs que celui-ci soit plus élevé de manière à ce que le flux d'air secondaire à l'extérieur soit plus important que le flux primaire. On passerait d'un taux actuel de 6 environ à un taux à  15. Sachant que le flux d'air secondaire produit 90% de la poussée, l'avion supersonique a besoin d'un taux de dilution élevé pour conserver sa vitesse.  Cela a un autre effet positif car plus le taux de dilution d'air est élevé moins l'avion consomme de carburant. 

Piste n°3 : Développer une isolation plus poussée du moteur

Une autre source de bruit provient directement de la chambre de combustion et des turbines (compresseurs d'air qui envoient à bonne température et pression l'air dans la chambre de combustion). Ces deux éléments provoquent de fortes turbulences qui générent des bruits à haute fréquence (1500 à 2000 Hertz). Pour remédier à ce problème les ingénieurs ont pensé à créer une isolation plus poussée du moteur actuel. Il s'agirait d'intégrer des sortes d'écrans acoustiques autour du réacteur pour isoler les moteurs contre le bruit produit par le moteur. Ce sont des sortes de pièges sonores créés en laboratoire et positionnés autour des zones produisant des sons. Les pièges sonores sont constitués d'un ensemble de petits trous jouant chacun son rôle d'isolant, appelé résonateur de Helmholtz (pour piéger des fréquences sonores). Ces isolations ont une limite car le moteur prend du volume à mesure que l'on rajoute des pièges sonores, les chercheurs doivent donc calculer les bonnes quantités.

« L'évolution vers des moteurs de diamètre de plus en plus grand s'accompagne d'une augmentation de bruits plus bas en fréquence, plus difficiles à atténuer. En parallèle, les contraintes imposées sur la taille des nacelles ne permettent plus d'augmenter l'épaisseur des structures en nid d'abeilles », souligne le chercheur.

Les progrès actuels sont remarquables, mais les solutions pour réduire significativement le bruit produit par les moteurs restent à trouver par les chercheurs pour produire des avions encore plus silencieux.