III-La réduction de la consommation de carburant

Les avions subsoniques produisent actuellement 2% de l'émission mondiale de CO2. En effet, pour 1 litre de kérosène consommé, 3 kilogrammes de dioxyde de carbone sont émis. C'est environ 0,8 kg de plus que l'essence et 0,4 kg de plus que le diesel. Un avion subsonique consomme environ 6 tonnes de kérosène par heure soit 7 500 litres (1 kg de kérosène correspond environ à 1,25 litre) : il émet 22 500 kgs de dioxyde de carbone par heure. Sachant que le Concorde consommait 20 tonnes de kérosène par heure, il émettait donc 75 000 kgs de CO2 par heure. Nous traiterons des différents effets sur l'environnement et la santé de cet excès de CO2 lors de la présentation orale.

La modification du fuselage pour réduire la consommation de carburant

La consommation en carburant d'un avion va dépendre de multiples facteurs. En effet, si la masse de l'avion augmente ou si sa traînée aérodynamique augmente, alors la consommation de carburant nécessaire augmentera elle aussi. Nous avons déjà vu certains moyens pour réduire la traînée mais la plupart d'entre eux ajoutent du poids. Il va donc falloir trouver un moyen de réduire le poids de l'avion sans qu'il perde en capacité. Les ingénieurs ont donc commencé à rechercher de nouveaux matériaux plus légers que ceux déjà utilisés dans l'aviation. Si l'on prend l'exemple du Concorde, son fuselage était conçu en alliage AU2GN d'aluminium. Cet alliage était résistant à la chaleur et cela était donc un avantage pour le Concorde.

Aujourd'hui, les matériaux composites sont de plus en plus utilisés. Souhil LYZIDI dans son mémoire précise que les matériaux composites sont des matériaux solides, hétérogènes et anisotropes, constitués par l'association d'au moins deux matériaux non miscibles aux caractéristiques complémentaires. La structure d'un matériau composite peut être découpée en 3 parties (cf schéma ci-dessous).

Tout d'abord il y a le renfort qui est généralement composé de fibre organique. Il sert de squelette au matériau, c'est lui qui va le renforcer, d'où son nom. Ensuite il y a la matrice. C'est elle qui va permettre la répartition des efforts imposés aux matériaux. Elle va aussi servir de liant avec les fibres constituant le renfort. Enfin, il y a l'interphase, qui est créée à l'endroit de rencontre des deux matériaux. Elle va faciliter la répartition de l'effort entre les deux matériaux.

Il existe 3 grandes familles de matériaux composites dont la classification se fait en fonction de la matrice avec 3 grands types de matrices :

• les matrices organiques,

• les matrices céramiques,

• les matrices métalliques.

Les matrices organiques sont celles le plus régulièrement utilisé. La matrice correspond à une résine polymère. Les plus utilisées sont les thermodurcissables mais on trouve aussi des résines thermoplastiques. Un exemple de résine thermodurcissable est la famille des époxydes, appelés par abus de langage époxy. Par exemple, en aviation le matériau composite fibre de verre/époxy va être utilisé pour insonoriser l'avion et du fait de sa résistance il est aussi utilisé sur le bord d'attaque de l'aile.

Les matrices céramiques sont généralement utilisées dans les domaines requérant une grande technicité et une grande résistance à la chaleur. Elles seront donc principalement utilisées dans le spatial, le militaire, mais aussi comme frein sur le Concorde par exemple. Elles sont caractérisées par des fibres céramiques techniques contenues dans une matrice céramique technique. Les céramiques techniques aussi appelées néocéramiques sont des dérivés des céramiques destinées à une utilisation industrielle ; par exemple, les oxydes d'aluminium et de zirconium sont des céramiques.

Les matrices métalliques sont composées d'un renfort en métal ou en céramique couplé avec une matrice généralement en aluminium ou en alliage d'aluminium car il faut que le matériau final soit léger. Elle est utilisée dans le monde de l'aérospatial mais aussi dans l'automobile.

De nos jours, les matériaux les plus utilisés dans l'aviation restent les alliages d'aluminium mais les matériaux composites qui font toujours l'objet de recherches les dépasseront d'ici quelques années.

Même si les matériaux composites ont un grand avenir dans l'aviation, il faut aussi prendre en compte les recherches sur les nanomatériaux. Ces matériaux sont déjà utilisés dans le domaine aérospatial. Ils permettent de par leur technologie de très bonnes performances pour une masse minime.

Le terme nanomatériaux représente l'ensemble des matériaux ayant des composants de l'échelle nanométrique, c'est-à-dire d'une taille comprise entre 1 et 100 nanomètres. Cela va leur permettre d'acquérir de nouvelles propriétés dans différents domaines. 

On appelle nano-objets tout matériau ayant une ou plusieurs couches extérieures à l'échelle nanométrique. Il existe deux méthodes pour créer des nano-objets. Soit on part d'un bloc que l'on réduit en particules de plus en plus fines pour atteindre des nanoparticules, soit on part d'atomes que l'on amasse les uns avec les autres jusqu'à obtenir des nanoparticules. (cf schéma ci-dessous)

Il existe trois catégories de nano-objets et 3 types de matériaux nano-structurés. 

Tout d'abord il y a les nanoparticules. Ce sont des nano-objets dont les 3 dimensions extérieures sont à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire que l'objet entier est compris entre 1 et 100 nm.

Ensuite, il y a les nanofibres, nanotubes, nanofilaments. Ces objets possèdent 2 dimensions à l'échelle nanométrique et une autre dimension beaucoup plus grande. 

Enfin, il y a les nano-plaquettes ou nano-feuillets. Ces objets ont une seule dimension à l'échelle nanométrique et deux autres dimensions plus grandes.

Ces différents nano-objets peuvent être présentés sous la forme de différents nanomatériaux. En effet, on peut les retrouver sous la forme d'agglomérats de particules, sous la forme de nanocomposites et sous une forme nanoporeuse.

Nous allons nous intéresser aux nanocomposites qui sont les matériaux les plus utilisés dans le domaine de l'aviation.

Les nanocomposites sont des matériaux composés de nano-objets incorporés dans une matrice. Nous allons étudier les nanomatériaux métalliques, les nanocomposites ayant une matrice en polymère.

Les métaux contenant des nanoparticules sont très utiles en aviation. En effet, ils possèdent une très grande résistance pour un poids minimum. L'utilisation de ces métaux permet donc d'avoir des matériaux qui sont renforcés tout en ayant une masse inférieure à l'aluminium par exemple qui est utilisé actuellement. Cela va donc permettre la réduction de la consommation de kérosène de l'avion et le rendre par conséquent moins polluant.

Les nanocomposites ayant une matrice polymère sont aussi très appréciés dans le milieu de l'aviation. Par exemple, l'un des plus connus et utilisés de ces matériaux sont les nanotubes de carbones. Couplés avec une matrice en polymères, ces nano-objets vont permettre un ratio masse/résistance très intéressant pour l'industrie aéronautique. Ils possèdent en plus une très grande résistance aux vibrations et à la chaleur. Cela permettrait tout en réduisant le poids de l'avion d'avoir une couche extérieure capable de résister aux vibrations et à la chaleur infligées à l'avion lors du passage du mur du son.

Pour permettre la construction d'un avion de ligne supersonique et écologique, il va donc falloir innover dans l'utilisation des matériaux en privilégiant les matériaux composites et les nanomatériaux aux alliages d'aluminium. Ces matériaux permettent de meilleures performances que l'aluminium tout en réduisant le poids. Ils sont plus résistants face à la chaleur et aux vibrations ce qui sera très utile lors du vol supersonique.

En plus des matériaux, il va aussi falloir réduire la consommation des moteurs afin de minimiser la pollution émise. 

L'amélioration des moteurs pour réduire la consommation de carburant

Le développement des technologies et des transports dans le monde contribue à la pollution de la Terre ; le CO2 qui s'échappe des moteurs à combustion est en partie à l'origine du trou qui s'est formé dans la couche d'ozone et il contribue au réchauffement climatique. Les moyens de transport sont donc soumis à des lois de réduction de la pollution qu'ils génèrent. 

Cela constitue aussi un objectif majeur pour construire l'avion supersonique de ligne du futur. Jusqu'ici les avions supersoniques consommaient beaucoup de carburant et polluaient énormément. Il est aujourd'hui primordial de réduire ces taux pour construire un avion supersonique de ligne écologique. 

S'il est possible de réduire la consommation de carburant grâce à la modification du fuselage de l'avion comme nous l'avons vu précédemment, il est également important de travailler sur la pollution et la consommation au niveau du moteur.

Pour fonctionner un moteur a besoin d'air, d'essence (du kérosène dans le cas d'un moteur d'avion) et d'une source de chaleur. L'air arrive dans le moteur aspiré par les aubes de la soufflante (comme une hélice) ; il est ensuite comprimé par les compresseurs hautes et basses pressions puis se retrouve dans la chambre de combustion. Là le mélange d'air et de kérosène brûle avant d'être envoyé dans les turbines et de sortir du moteur. 

Piste n°1 : Optimiser le mélange d'air et de kérosène

La première piste pour réduire la consommation de carburant et la pollution concerne le mélange de l'air et du kérosène. Plus la quantité de carburant est élevée dans le mélange, plus la combustion produit de gaz à l'échappement. Mais si le mélange est réalisé par des injecteurs de kérosène avant l'entrée dans la chambre de combustion, on obtient un mélange plus homogène ce qui réduit la consommation de carburant et la température dans la chambre de combustion. Les injecteurs s'appuient sur des technologies très précises pour envoyer la quantité exacte de carburant nécessaire. De nombreux capteurs reliés aux injecteurs sont disposés à proximité du moteur. Ils déterminent la quantité exacte de carburant à injecter en fonction de la puissance souhaitée. La façon d'injecter le carburant a aussi été modifiée. En effet, dans les anciens moteurs le carburant était injecté en continu. Aujourd'hui, le carburant est injecté goutte par goutte ce qui permet d'éviter toute surconsommation de kérosène. Les économies de carburant ainsi réalisées sont autant d'émissions de pollution en moins.

Moteur supersonique Pratt & Whitney F100 

On remarque que ce moteur supersonique possède aussi des injecteurs après les turbines ; ces injecteurs post-combustion permettent d'obtenir une puissance beaucoup plus élevée. Ce sont eux qui sont responsables des flammes que l'on peut observer à la sortie des moteurs supersoniques.

Avion supersonique possédant des moteurs a postcombustion 

Piste n°2 : Alléger les moteurs grâce aux matériaux composites 

La post-combustion est une phase importante de consommation de carburant. Les injecteurs doivent donc évoluer pour être le plus précis possible. L'utilisation d'injecteurs aérodynamiques, très minutieux quant à la quantité de kérosène injectée peut contribuer à réduire cette consommation. Mais l'idéal serait de supprimer totalement la post combustion. C'est dans ce but que les recherches se portent sur l'amélioration interne des moteurs pour augmenter leurs performances de manière suffisante pour pouvoir supprimer la post combustion.

Le recours à des matériaux composites ou à des matériaux moins lourds et plus résistants comme la fibre de carbone pour constituer les aubes par exemple permettra de limiter la puissance nécessaire à développer pour un vol supersonique et par conséquent, réduira la quantité de carburant consommée et la pollution générée.

Exemples de matériaux composites utilisables

Piste n°3 : Stabiliser la flamme de combustion 

Les moteurs à combustion (voiture, moto, ...) fonctionnent avec une combustion par cycle alors que pour un réacteur, la flamme de la chambre de combustion doit être constante. Le passage d'air à haute pression dans le réacteur crée un courant puissant qui, en déstabilisant la flamme de combustion, rend nécessaire une combustion plus riche en kérosène. Pour réduire cette consommation, il faudrait parvenir à stabiliser la flamme de combustion en l'envoyant à haute pression en sens inverse du courant puissant dû à la haute pression .

Piste n°4 : Utiliser des énergies nouvelles 

Pour parvenir à réduire la consommation de carburant d'un avion supersonique, les nouvelles énergies sont un autre axe de recherche.

L'électricité est une énergie très peu voire pas polluante. En effet utiliser l'énergie électrique  réduit totalement les émissions de CO2 après la combustion. Autre avantage, le bruit des moteurs électriques reste très faible ce qui réduit sensiblement la pollution sonore. Il reste cependant à résoudre le problème de l'alimentation du moteur par batteries électriques. L'avion doit atteindre une vitesse supersonique ce qui requiert une grande puissance. Or la combustion d'un litre d'essence produit 40 fois plus d'énergie que la consommation d'un kilogramme d'énergie d'une très bonne batterie. La taille ou le nombre de batteries va donc nécessairement augmenter, entraînant une augmentation du poids de l'avion qui n'est pas compatible avec les objectifs recherchés.

En 2013, un nouveau modèle d'avion à deux places, totalement électrique et destiné aux écoles de conduite a été créé. Il est appelé l'E-Fan. Les turbines de cet avion (appelées les Fan) sont alimentées par 120 kgs de batteries rechargeables. Elles sont en charge de la propulsion nécessaire au vol de l'avion et elles alimentent aussi un moteur qui entraîne la roue principale du train d'atterrissage pour atteindre une vitesse suffisamment élevée au moment du décollage. Malgré toutes ces batteries, le prototype ne dispose que d'une heure d'autonomie et ne peut atteindre qu'une vitesse de 220 km/h, insuffisant pour un vol supersonique.

La compagnie EasyJet prévoit un autre avion de neuf places pouvant parcourir jusqu'à 500 kilomètres ce qui est équivalent à un voyage de Genève à Amsterdam. Le dispositif électrique du moteur de l'avion neuf places est plus de 4 fois plus puissant que l'E-Fan. La compagnie ayant déjà réduit ses émissions de CO2 de 32% par passager par kilomètre prévoit de les réduire de 15% de plus. L'avion devrait être équipé de batteries très performantes de près de 2 kilowatts chacune. Malgré ces progrès, nous restons loin de la puissance nécessaire pour faire voler un avion supersonique.

Avion électrique Airbus

En revanche, dans une interview, Elon Musk, le créateur de Paypal, Tesla et SpaceX a parlé d'un concept très novateur d'avion supersonique électrique. Cet avion aurait des propriétés différentes des avions que l'on connaît actuellement. En effet, il décollerait et atterrirait à la verticale. Pour que cet avion vole à une vitesse supersonique, il faudrait qu'il atteigne une altitude très élevée. Plus l'altitude augmente, plus la densité et donc la résistance de l'air diminue (la résistance de l'air diminue environ de moitié tous les 5 kms). Or si cette résistance diminue, l'énergie nécessaire pour atteindre une vitesse supersonique sera bien plus faible qu'à 10 kms, altitude à laquelle les avions de ligne volent actuellement. Cette altitude permettrait aussi d'utiliser l'énergie potentielle gravitationnelle. Cette énergie équivaut au travail nécessaire pour déplacer un objet d'un point A à un point B dans un champ gravitationnel. Une fois que l'avion aura utilisé de l'énergie pour s'élever et atteindre l'altitude souhaitée, il pourra de nouveau utiliser cette énergie pour atteindre des vitesses supersoniques. Cet avion n'est malheureusement pas une priorité pour Elon Musk qui considère que les voitures électriques sont beaucoup plus importantes que les avions électriques. 

En plus de l'électricité, nous avons étudié les possibilités offertes par une autre source d'énergie : l'hydrogène. Les moteurs à hydrogène existent déjà mais leur commercialisation est limitée aux voitures et aux motos car les moteurs créés sont des moteurs à combustion actionnés par un cylindre et un piston grâce à l'inflammation de dihydrogène. L'avantage de ces moteurs est qu'ils ne polluent absolument pas car si l'on observe l'équation de la combustion du dihydrogène, elle ne produit que de l'énergie et de l'eau :

 2H2 + O2 2H2O + Q (Q : quantité d'énergie libérée) 

Des moteurs à réaction reposant sur la combustion du dihydrogène et du dioxygène existent aussi mais ils sont seulement utilisés pour faire décoller des fusées. De l'oxygène liquide et du dihydrogène liquide sont injectés dans la chambre de combustion avant de brûler et d'être expulsés par une tuyère. Ces moteurs pourraient s'adapter aux avions mais le problème vient de l'hydrogène lui-même. En effet, le stocker en grande quantité présente des risques car l'hydrogène est extrêmement inflammable et la moindre étincelle provoquerait l'explosion de l'avion. Une alternative consisterait à produire l'hydrogène pendant le vol par voie d'électrolyse mais cela nécessiterait d'embarquer beaucoup d'eau à bord ce qui ajouterait trop de poids. 

Voici une courte vidéo montrant la puissance de l'hydrogène (la vidéo est en anglais mais nous pensons que les images suffisent pour montrer la puissance de ce gaz ) :

Il existe des prototypes de réacteur fonctionnant grâce à l'hydrogène. Voici par exemple le schéma du prototype du moteur à propulsion VASIMR. Ce moteur fait actuellement l'objet de recherches pour le domaine spatial : sa technologie pourrait à terme être utilisée dans l'aviation. Sa conception ne repose pas sur la combustion de l'hydrogène mais sur 3 des aspects de la propulsion électrique. 

Tout d'abord, il va utiliser la propulsion électrothermique. Une antenne hélicon va chauffer l'hydrogène à 30 000°K pour le pré-ioniser. Il va ensuite utiliser la propulsion ionique. Une antenne ICRH va chauffer le gaz pré-ionisé à une température de 10 mégakelvin. Cela va avoir pour effet de totalement ioniser le plasma. En même temps, cette antenne va générer un champ électrique qui va avoir comme conséquence d’accélérer les ions vers la sortie. Finalement, le moteur va utiliser la force électromagnétique. Une tuyère possédant un champ magnétique va diriger le flux de plasma pour lui donner la trajectoire voulue.  

Actuellement, ce type de moteur est capable de produire une poussée comprise entre 5 et 500 N. Or il faut beaucoup plus de poussée pour atteindre des vitesses supersoniques. Par exemple les moteurs du rafale sont capables de produire une poussée allant jusqu'à 75 kN grâce à la post combustion. Tant que la puissance du moteur à propulsion VASIMR n'aura pas sensiblement augmenté, ce type de moteur ne pourra pas être utilisé pour les vols supersoniques.

Pour obtenir un avion de ligne supersonique écologique et qui consomme moins de carburant, des progrès sont à apporter sur les moteurs à post combustion. Les nouvelles énergies ont un potentiel pour y parvenir mais leurs contraintes sont également à prendre en compte. Pour pouvoir les utiliser, il faudra donc attendre de nouvelles avancées technologiques pour concevoir des moteurs qui puissent exploiter leurs capacités.