AVIATION - Avions civils et militaires

AVIATION - Avions civils et militaires

C’est Clément Ader qui créa le mot avion à partir du latin avis qui signifie oiseau. Tel est le nom, en effet, qu’il donna à l’appareil qu’il construisit en 1897, successeur de l’Éole qui le premier (le 9 octobre 1890) quitta le sol sur une distance d’environ 50 mètres sous la seule impulsion de sa force motrice. En hommage aux vues prophétiques sur l’utilisation militaire des aéronefs exprimées par Ader dans plusieurs livres, il fut officiellement décidé, vers 1912, d’appeler «avions» les appareils militaires. Le nom «aéroplane» désignait les appareils de l’aviation civile, mais il est tombé en désuétude.

Le mot avion désigne aujourd’hui aussi bien les appareils militaires que civils, c’est-à-dire tout appareil d’aviation piloté, ou aéronef, qui, parmi les plus lourds que l’air, ou aérodynes, assure sa sustentation au moyen d’ailes fixes ou, à la rigueur, à géométrie variable; leur propulsion est assurée par des moteurs. Cette définition exclut donc, parmi les aérodynes, les planeurs et les hélicoptères, mais non les avions à décollage vertical, car, pendant les phases de décollage et d’atterrissage, la sustentation est assurée par la force propulsive des moteurs qui est alors dirigée vers le bas.

La conception d’un avion, quel qu’il soit, est le résultat d’une synthèse entre différentes disciplines, parmi lesquelles les plus importantes sont: l’aérodynamique, la propulsion ^{[cf. PROPULSION AÉRONAUTIQUE]}, la structure, les techniques de fabrication et les matériaux. À ces disciplines de base qui entraient déjà en jeu pour les tout premiers avions, sont venues s’ajouter les techniques liées aux équipements, telles que l’électronique, appelée avionique lorsqu’elle s’applique à l’aviation.

Cette synthèse entre des disciplines aux exigences souvent contradictoires implique des compromis qui forment une part importante du savoir-faire de l’avionneur.

Les avions militaires et civils se distinguent très nettement par leurs fonctions. Les appareils militaires doivent pouvoir remplir une mission avec précision et efficacité lors d’un conflit. Cela conduit à privilégier les performances, la manœuvrabilité et la sûreté de fonctionnement. Par contre, pour les avions civils, les compagnies aériennes recherchent avant tout, après la sécurité, la rentabilité commerciale, c’est-à-dire les moindres coûts d’exploitation.

1. Avions civils

Caractéristiques commerciales

Les premières données qu’un constructeur doit définir avant de lancer un projet d’avion civil sont les caractéristiques commerciales de l’avion (tabl. 1): nombre de passagers, quantité de fret, distance moyenne franchissable et vitesse. Le choix de ces caractéristiques est primordial car il est, pour une grande part, responsable du succès ou de l’échec du projet. L’avion doit être «le bon avion au bon moment».

Entre le lancement de l’étude définitive et le premier vol en service, il faut compter un délai de l’ordre de cinq années pour un avion nouveau mais ne comportant pas de caractéristiques révolutionnaires. Si l’avion fait une bonne «carrière», la production peut alors s’étaler sur une quinzaine d’années et compter au total entre 200 et 600 unités, voire plus si le succès dépasse les espérances (la production totale de Boeing 727 aura été de 1 831 appareils; près de 2 200 Boeing 737 avaient été vendus à la date du 30 septembre 1988). À l’opposé, certains avions ont été des échecs marqués, soit parce qu’ils sont arrivés trop tard face à la concurrence ou à l’évolution des techniques ou du marché, soit même trop tôt. Or le coût des études, du développement, des maquettes, des prototypes, des essais en soufflerie ou en vol, des outillages de fabrication et de montage sont tels qu’ils ne peuvent être amortis que sur un assez grand nombre d’exemplaires (pouvant aller jusqu’à 500).

Le prix de l’avion et son coût d’exploitation sont deux autres facteurs déterminants du succès, car ils conditionnent sa rentabilité pour la compagnie aérienne. Le prix d’un avion de transport varie, selon sa capacité, de 15 (pour une centaine de places) à plus de 100 millions de dollars. L’amortissement du prix d’achat entre pour 20 à 40 p. 100 (suivant la longueur des étapes) des frais directs d’exploitation; le reste se répartit entre les salaires de l’équipage et du personnel au sol (de 15 à 25 p. 100), le coût de la maintenance (de 8 à 15 p. 100) et le carburant (de 20 à 40 p. 100). La compagnie aérienne perçoit un prix proportionnel à la charge ou au nombre de passagers transportés multiplié par la distance parcourue. Cela explique la vogue des «wide bodies», avions à grande capacité (B 747, DC-10, Airbus A300), pour lesquels certains frais peuvent être répartis entre un plus grand nombre de passagers.

Enfin, l’avion doit être bien accepté par les usagers: vitesse, confort (cela peut aller jusqu’aux dimensions des casiers pour bagages à main) et observation des règles concernant l’environnement (réduction du bruit) doivent être pris en considération.

Caractéristiques aérodynamiques

Ce sont les ailes qui assurent la majeure partie de la sustentation de l’avion dans l’air; elles sont donc très travaillées du point de vue aérodynamique. Les paramètres géométriques d’une voilure, qui conditionnent ses qualités aérodynamiques, sont de deux ordres; on trouve d’abord ceux qui sont relatifs à sa forme en plan: l’allongement (cf. définitions infra ), la flèche et l’effilement, et ensuite ceux qui concernent la section ou le profil: l’épaisseur relative, la cambrure et le vrillage. Tous ces paramètres doivent être judicieusement choisis afin d’obtenir les performances requises pour toutes les phases du vol.

Les lois de l’aérodynamique nous enseignent qu’une voilure d’allongement ( = b ²/S, où b est l’envergure et S la surface de la voilure dite surface alaire) se déplaçant à la vitesse v subit un effort que l’on peut décomposer en une portance R^z dans la direction perpendiculaire à v, et en une résistance ou traînée R^x dans la direction de v. Ces deux forces ont pour expressions:

où 福 est la masse volumique de l’air ambiant, C^z et C^x sont des coefficients dont les ordres de grandeur, en fluide incompressible, sont:

où 見 est l’angle d’incidence exprimé en radians et k size=1^凞 = k /(1 + 2k / 神凞); k dépend du profil mais est voisin de 神. Le coefficient de traînée de profil, C^{x p} (somme des coefficients de traînée de pression et de traînée de frottement), est sensiblement indépendant de l’incidence; le terme C^2z / 神凞 est appelé traînée induite. Au regard de ces deux expressions, on constate que l’allongement a une grande importance; en effet, son augmentation entraîne celle de la portance et la diminution de la traînée.

En vol en palier stabilisé (altitude et vitesse constantes), la traînée doit être équilibrée par la poussée des moteurs, tandis que la portance équilibre le poids de l’avion. Pour un poids donné, l’avion consomme moins de carburant si le coefficient C^x est faible, et donc si le rapport C^z /C^x (qui est appelé finesse) est élevé. La finesse présente un maximum C^z /C^{x max} = 0,5 連 神凞/C^{x p} qui est d’autant plus élevé que C^{x p} est plus faible et que l’allongement est plus grand. Le coefficient C^{x p} sera réduit en optimisant la forme du profil et en travaillant l’état de surface de la voilure, en particulier la continuité des différents panneaux. Un grand allongement implique une très grande envergure et une corde (profondeur entre le bord d’attaque et le bord de fuite) faible; mais les impératifs de tenue structurale limitent l’augmentation de l’allongement qui, en pratique, est compris entre 6 et 12 pour un avion de transport. Notons que, pour un avion complet, il faudra tenir compte de la portance et surtout de la traînée des autres éléments de la cellule tels que le fuselage, la dérive et les stabilisateurs, ainsi que des traînées d’équilibrage dues au braquage des gouvernes. Par ailleurs, les lois de la portance et de la traînée indiquées ci-dessus ne sont respectées que jusqu’à une incidence limite dite de décrochage ; au-delà, les filets fluides ne peuvent plus suivre la surface de l’aile et décollent en entraînant la diminution progressive ou brutale de la portance.

Pour un avion volant à faible vitesse, la flèche (angle entre le bord d’attaque de la voilure et la normale à l’axe de l’avion) peut être nulle (avions légers ou lents, planeurs). En revanche, pour le vol à des vitesses transsoniques (à des nombres de Mach voisins de 0,8 ou 0,9, le nombre de Mach étant égal à la vitesse divisée par la vitesse du son), l’apparition de vitesses supersoniques à l’extrados de la voilure entraîne la formation d’un choc de recompression suivi de décollements qui augmentent considérablement la traînée. Il existe alors un nombre de Mach de divergence de traînée qui ne pourra être dépassé sans une augmentation importante de la consommation. Ce nombre de Mach limite augmente lorsque la flèche de la voilure croît, car c’est la composante de la vitesse normale au bord d’attaque qui compte (pour un Mach de croisière de 0,85, par exemple, la flèche est de 30⁰).

La diminution de l’épaisseur relative du profil (épaisseur maximale du profil rapportée à la corde) permet aussi de reculer le nombre de Mach limite tout en diminuant la traînée de profil C^{x p} , néanmoins la portance maximale diminue également. Par contre, une aile épaisse est plus légère; et le logement du train d’atterrissage, des réservoirs de carburant et des mécanismes des parties mobiles en est grandement facilité.

L’effilement est le rapport entre la corde à l’emplanture (c’est-à-dire à la jonction avec le fuselage) et celle d’extrémité; quant au vrillage, c’est le calage (ou incidence) du profil d’extrémité par rapport à celui de l’emplanture. Ces éléments, effilement et vrillage, sont choisis de façon que la répartition de portance en envergure soit le plus proche possible de l’optimum, représenté par la répartition elliptique, qui minimise la traînée. La cambrure, qui est le calage vers le bas de la partie avant du profil, est optimisée de façon à retarder le décrochage et donc à augmenter la portance maximale.

La tendance générale, autorisée par les progrès sur les matériaux et la conception des structures, est d’augmenter la charge alaire. Celle-ci est le rapport entre la masse de l’avion m et la surface alaire S. Mais la vitesse minimale à laquelle peut voler l’avion (v^min = 1,2 連2mg / 福SC^{z max} où le facteur 1,2 est un coefficient de sécurité) est alors élevée. C’est à cette vitesse que l’avion décolle ou se pose; et une valeur trop grande demanderait des pistes très longues. On pallie cette déficience en équipant l’aile de dispositifs hypersustentateurs escamotables: les becs de bord d’attaque qui retardent le décrochage, et les volets de bord de fuite qui augmentent la portance à incidence donnée (cf. photo). Ces dispositifs entraînent une augmentation de la traînée et ne sont donc déployés que pour certaines manœuvres. Leur principe de fonctionnement repose d’une part sur l’augmentation de la courbure et de la surface portante, et d’autre part sur le soufflage naturel de la couche limite, au travers de fentes, retardant son décollement.

Les gouvernes et les empennages assurent le contrôle, l’équilibrage et la stabilité de l’avion autour des trois axes (cf. mécanique du VOL). L’empennage horizontal, qui comprend les stabilisateurs et les gouvernes de profondeur (fig. 1), sert à équilibrer l’avion en tangage. La stabilité et le contrôle en lacet, c’est-à-dire autour d’un axe vertical, sont assurés par la dérive et la gouverne de direction. Un virage à altitude constante ne peut être effectué qu’en inclinant l’avion en roulis (autour de l’axe longitudinal), car l’effort nécessaire pour incurver la trajectoire ne peut être obtenu que par la portance de la voilure. La mise en roulis est assurée par les ailerons qui, braqués différentiellement, entraînent la dissymétrie de portance nécessaire à la rotation. Les spoilers ont pour but d’augmenter la traînée et de détruire la portance. Ils sont utilisés lors des phases de descente, ou pour freiner l’avion sur la piste ou encore, braqués d’un seul côté, pour contrôler le roulis et le lacet.

Conditions optimales d’utilisation (vol de croisière)

Pour une masse de carburant donnée, l’autonomie maximale (durée de vol) est obtenue à l’incidence où la finesse C^z /C^x est maximale. Pour la distance franchissable, c’est l’incidence pour laquelle le rapport 連C^z /C^x est maximal; tandis que pour la rentabilité, c’est une incidence comprise entre les deux précédentes. Si l’avion vole à l’une des incidences déterminées ci-dessus, le C^z et le C^x sont donc donnés; l’équation de sustentation montre que le produit 福v² = 2mg /SC^z est alors fixé. Or la masse volumique de l’air 福 diminue lorsque l’altitude augmente. Par exemple, à 12 000 mètres, la densité est égale au quart de celle du sol et la vitesse sera donc double. De plus, la température diminue quand l’altitude augmente, ce qui améliore le rendement des réacteurs et diminue donc leur consommation spécifique. Au-delà de 11 000 mètres, la température devient constante et égale à 漣 56,5 ⁰C et aucun gain en consommation spécifique n’est plus réalisé. Par contre, la poussée utilisable d’un réacteur diminue avec l’altitude, et il faudra donc augmenter sa taille et par suite son poids.

Pour voler au-dessus de 3 000 mètres d’altitude, il faut que l’avion soit pressurisé et chauffé pour assurer le confort, et même la survie, tant des passagers que de l’équipage. La pressurisation restitue dans la cabine la pression qui règne vers 2 000 mètres; à 11 000 mètres, cela entraîne une surpression de 0,58 kg/cm². Cette surpression très importante provoque un surcroît de poids de la structure du fuselage, auquel s’ajoutent le poids des équipements de pressurisation et de chauffage ainsi que celui de l’excédent d’air contenu dans le fuselage.

Structure et matériaux

La structure de la cellule est conçue pour résister aux efforts qui s’exercent sur l’avion au cours des différentes phases du vol et pour toute sa durée de vie (de l’ordre de 40 000 h de vol), tout en étant aussi légère que possible, et cela pour un coût pas trop élevé. D’autres impératifs tels que la sécurité et la facilité d’effectuer la maintenance impliquent que, d’une part, la structure ne soit pas trop vulnérable à des défaillances locales et que, d’autre part, elle puisse être inspectée et réparée rapidement.

La définition des formes de même que le calcul de toutes les pièces constituant la structure de l’avion, qu’il soit civil ou militaire, font appel à la C.F.A.O. (conception et fabrication assistées par ordinateur). L’ingénieur du bureau d’études peut, en dialoguant avec de gros ordinateurs au moyen d’une console, définir tout d’abord les formes générales de l’avion, puis, au fur et à mesure de l’avancement de l’étude, celles de toutes les pièces mécaniques.

La structure de la voilure est constituée d’un caisson central sur lequel sont attachées les parties mobiles telles que les volets, les ailerons, les becs ainsi que les trains d’atterrissage et éventuellement les moteurs. Ce caisson est composé généralement de deux ou trois longerons qui s’étendent sur toute l’envergure de l’aile. Chaque longeron, qui présente une section en forme de «I», est dans toute la mesure du possible réalisé d’un seul tenant. Les longerons sont reliés entre eux par des nervures qui maintiennent le revêtement externe, constitué de panneaux métalliques, dont l’épaisseur peut varier suivant les endroits de quelques dixièmes de millimètre à plusieurs millimètres, et qui sont raidis par de petits profilés collés ou rivetés sur la face interne.

L’ensemble constitué par les longerons, les nervures et les revêtements forme une poutre en caisson capable de supporter l’effort de cisaillement ainsi que les moments de flexion et de torsion dus aux charges. Une très grande rigidité n’est pas recherchée car elle conduirait à un poids de structure trop élevé. L’aile peut donc se déformer, ce qui est très visible lorsque, à bord d’un avion, on observe l’extrémité de celle-là. Les nervures et longerons sont allégés et ajourés partout où cela est possible. Le plus souvent, une grande partie du caisson est utilisée comme réservoir, ce qui est bénéfique pour le bilan des efforts car le poids du carburant s’oppose directement à la portance.

Pour les avions pressurisés, le fuselage adopte pratiquement toujours une forme cylindrique à section circulaire (ou parfois bilobée); du point de vue de la structure, cette section est la plus légère et la plus résistante à la pression interne. La forme cylindrique est conservée sur la plus grande longueur possible, parce que cela permet la fabrication de tronçons identiques réduisant ainsi le coût des outillages. De plus, il est alors possible de proposer des versions à fuselage court ou rallongé, en supprimant ou en ajoutant des tronçons de part et d’autre de la voilure.

Pour les avions à cabine non pressurisée, des fuselages à section rectangulaire, plus faciles à construire et à aménager, sont adoptés. En règle générale, la structure du fuselage est constituée de cadres (ou couples), de forme annulaire, assez rapprochés, et reliés entre eux par de nombreuses lisses sur lesquelles sont fixés les panneaux de revêtement (cf. photo). Des longerons longitudinaux viennent compléter la tenue en flexion de l’ensemble. Le plancher est fait en poutrelles recouvertes de dalles légères en structure sandwich.

Les trains d’atterrissage sont parmi les éléments les plus robustes de la cellule. La jambe principale de chacun des trains forme un amortisseur «oléopneumatique» qui dissipe une partie de l’énergie cinétique résiduelle lors de la descente de l’avion et au moment du contact avec le sol. Les roues sont équipées de freins très puissants, mais une partie du freinage est assurée par les aérofreins et par les inverseurs de poussée, si l’avion en est équipé. Différents types d’inverseur de poussée existent, le plus courant étant formé de deux coquilles qui viennent se placer dans le jet du réacteur pour le dévier vers l’avant.

Pendant longtemps, la structure des aéronefs a été dessinée suivant le principe de construction «fail safe». Selon celui-là, la résistance de l’ensemble ne doit pas être menacée si un élément de la structure s’endommage par suite d’une avarie ou d’une défaillance. Pour cela, il faut en particulier veiller à ce que d’éventuelles criques ou fissures ne puissent se propager. C’est ainsi, par exemple, que les tôles de revêtement sont cloisonnées en laissant une surépaisseur lors de l’usinage ou en collant des renforts sur leur pourtour.

Mais cette solution alourdit la structure et peut, par accumulation de défaillances locales, s’avérer insuffisante. Un nouveau concept, appelé «fail soft», tend à remplacer le précédent. Il consiste à prévoir les moyens de suivre de près le vieillissement de la cellule et d’apporter les remèdes, pour éviter, par exemple, la propagation des criques, dès que nécessaire. Ces moyens sont constitués de capteurs mesurant les contraintes subies par la cellule pendant le vol ou au roulage, des témoins de rupture (tels que des fils conducteurs noyés dans les matériaux composites) et des méthodes d’inspection par différents procédés (ultrasons). Des accès permettent aussi d’aller inspecter les structures internes visuellement et éventuellement par l’intermédiaire d’endoscopes.

Les matériaux utilisés pour la construction des avions sont choisis pour allier une bonne résistance à une grande légèreté. Dans les années 1920 à 1940, les alliages d’aluminium ont remplacé peu à peu le bois et la toile. Ils associent légèreté, facilité d’usinage, résistance à la corrosion et prix relativement peu élevé. De nouveaux alliages tels que les alliages aluminium-lithium présentent des caractéristiques encore meilleures. Le titane et ses alliages, plus résistants mais plus coûteux, sont utilisés soit pour leurs qualités de résistance à haute température (pièces de moteurs ou de tuyères), soit pour leurs caractéristiques de mise en œuvre telles que le formage superplastique, le soudage par diffusion et l’usinage chimique. Ces procédés permettent d’obtenir des pièces plus légères et plus résistantes pour un prix abordable.

Les matériaux composites, apparus dans les années 1970, occupent une part sans cesse croissante de la masse de la cellule. Elle atteint de 20 à 25 p. 100 sur les avions modernes et près de 100 p. 100 sur certains avions légers ou d’affaires. Ces matériaux sont constitués de fibres de verre, de carbone ou de bore enserrés dans une matrice en résine polymérisable, époxy ou phénolique. À ces trois types de fibres est venue s’ajouter une fibre polyamide aromatique, le Kevlar (développé par DuPont de Nemours). Ces fibres ont une résistance en traction très élevée (de 20 à 300 daN/mm²), proche de celle des meilleurs aciers, mais avec une densité beaucoup plus faible. Les caractéristiques du produit final sont légèrement inférieures à cause de l’enrobage; toutefois, à résistance égale, la masse d’un élément en matériau composite est de 20 à 25 p. 100 inférieure à celle du même élément fabriqué en alliage léger.

La technique des panneaux en sandwich, plus ancienne, est très employée en construction aéronautique. Deux feuilles métalliques, ou composites, sont collées sur un noyau de remplissage très léger en mousse de polyvinyle expansé, en tôle ondulée ou en structure alvéolée telle que les nids d’abeilles (appelés nida). Cette conception assure une grande rigidité pour un poids assez faible. Certains revêtements et planchers mais surtout les éléments de faible épaisseur, tels que les volets et les empennages, sont construits de cette manière.

Les aciers (de 10 à 15 p. 100 de la masse totale) sont concentrés, en grande partie, dans les trains d’atterrissage et dans certaines pièces de liaison (visserie, axes, glissières). Enfin, divers autres matériaux tels que le caoutchouc, le verre et les plastiques représentent 10 p. 100 de la masse.

2. Avions militaires

Classification

Les avions militaires sont classés suivant des catégories liées à leur rôle opérationnel. On distingue ainsi quatre grands groupes: les chasseurs et avions d’assaut, les bombardiers, les avions de transport et les avions d’entraînement. D’autres groupes aux effectifs plus réduits viennent s’ajouter tels que les avions de reconnaissance, les avions de ravitaillement en vol, les avions spécialisés dans la surveillance ou les contre-mesures électroniques. La plupart des avions de ces derniers groupes sont des versions dérivées d’avions des premiers groupes ou d’avions civils, après adaptation de l’équipement; mais peu de modifications sont apportées à la cellule ou à la motorisation. Chaque groupe peut être subdivisé pour distinguer, par exemple, les avions basés à terre ou sur porte-avions.

La nomenclature établie par les États-Unis fait bien apparaître l’appartenance de chaque avion à un groupe par la ou les premières lettres: F pour la chasse (fighter ), A pour l’assaut (attack ), B pour le bombardier (bomber ), C pour le transport (cargo ), T pour l’entraînement (trainer ). Le numéro qui suit ces lettres (F-16, C-135) est un numéro de type. Des lettres complémentaires viennent ensuite préciser ou bien la version (R pour reconnaissance, par exemple) ou bien une modification apportée au cours des fabrications.

Des nomenclatures analogues ont été établies par les Britanniques et les Russes. En France, la dénomination des avions ne fait pas apparaître cette appartenance à un groupe (Mirage III, Mirage 2000, Rafale, Transall), mais une lettre complémentaire permet d’identifier la version (par exemple: Mirage III A présérie, III B biplace, III C intercepteur tout temps, III E chasseur-bombardier-pénétration à long rayon d’action, III D fabriqué sous licence en Australie, III R reconnaissance, etc.)

Caractéristiques aérodynamiques

Les caractéristiques opérationnelles et les performances d’un avion à vocation militaire sont, à la différence de ce qui se passe pour les avions civils, généralement imposées par l’armée cliente qui établit une fiche-programme définissant les spécifications requises. Une compétition s’ouvre entre différents constructeurs qui proposent chacun un avion existant ou un projet répondant au plus près à ce cahier des charges. Cette compétition peut être ouverte aux constructeurs étrangers ou restreinte aux nationaux. Les ventes ou les achats de matériel militaire à l’étranger doivent recevoir l’approbation des gouvernements des pays concernés, car ils font figure de gestes politiques.

Les avions militaires de transport ainsi que les bombardiers subsoniques ont une architecture proche de celle des avions commerciaux et, par conséquent, des caractéristiques aérodynamiques et structurales analogues. Les différences résident dans les contraintes apportées par le type de matériel transporté et en la nécessité d’être opérationnel dans pratiquement toutes les conditions climatiques ainsi qu’à partir de terrains sommairement ou pas du tout préparés, éventuellement très courts. Cela implique des équipements de navigation tout temps autonomes et, du point de vue aérodynamique, une forte hypersustentation permettant le vol à des vitesses très réduites. Par ailleurs, la structure et les trains d’atterrissage sont renforcés, et généralement la voilure est placée en position haute par rapport au fuselage. De larges portes et trappes sont ménagées pour le chargement des véhicules et les largages en cours de vol.

Par contre, les avions de combat ont une architecture et des caractéristiques très spécifiques, impliquées par les performances en vitesse (souvent supersonique), en accélération et en manœuvrabilité qui leur sont requises. Le ou les réacteurs occupent une partie importante du volume total de l’avion (fig. 2). Ils développent une poussée qui tend à égaler, voire même dépasser, le poids de l’avion. Les réservoirs constituent eux aussi une part importante du volume; tandis que le restant est occupé par le poste de pilotage, l’avionique (radar, calculateurs) et les commandes de vol. La majorité des charges (bombes, missiles, conteneurs) sont transportées attachées par des pylônes à l’extérieur de l’avion.

Les rôles principaux qui peuvent être demandés aux avions de combat sont: la défense aérienne ou l’interception, la supériorité aérienne, la pénétration et l’attaque au sol ou appui tactique. Les qualités requises sont, respectivement, une grande vitesse ascensionnelle, une excellente manœuvrabilité et une faible sensibilité aux rafales et à la turbulence.

Performances et qualités de vol

Le choix des caractéristiques aérodynamiques d’un avion de combat est plus complexe que pour un avion de transport, car aux contraintes apportées par le vol en croisière, le décollage et l’atterrissage viennent s’ajouter les possibilités de manœuvre.

Les critères de manœuvrabilité peuvent être classés en trois groupes. D’abord ceux qui sont liés aux performances (tabl. 2): accélération ou décélération, rayon de virage, facteur de charge, vitesse; ensuite ceux qui sont liés à l’efficacité des gouvernes: taux de roulis, contrôle en lacet; et enfin ceux qui sont liés à la contrôlabilité de l’appareil dans les conditions extrêmes d’incidence, de vitesse ou de turbulence: stabilités statiques et dynamiques.

L’étude de l’équilibre d’un avion effectuant un virage permet de dégager quelques-uns des paramètres influençant la manœuvrabilité. Les équations de sustentation et de propulsion, en régime permanent, peuvent se mettre sous la forme:

où F est la poussée du réacteur supposée parallèle à l’axe de référence de l’avion, 見 l’incidence et 塚 la pente de la trajectoire. Pour un virage de rayon R (fig. 3) en palier ( 塚 = 0), le facteur de charge n est égal à n = 連1 + v⁴/R²g ²; le rayon de virage et le taux de virage (vitesse angulaire) ont pour expressions:

Mais la vitesse v est liée au facteur de charge par l’équation de sustentation, ce qui donne pour le taux de virage:

Or, en combat rapproché, il importe de virer plus court et plus vite que l’adversaire. Le taux de virage est alors d’autant plus grand que le coefficient de portance C^z et le facteur de charge n sont plus élevés et que, pour une masse donnée m , la surface alaire S est plus grande (c’est-à-dire que la charge alaire m /S est plus faible). Le facteur de charge est lui-même limité par la portance maximale (équation de sustentation). Au-delà d’un nombre de Mach voisin de 1, la traînée R^x augmente considérablement, et c’est alors la poussée maximale du réacteur qui limite le facteur de charge. L’altitude de vol intervient dans les équations par l’intermédiaire de la masse volumique de l’air 福. Lorsque l’altitude augmente, la masse volumique diminue, ce qui entraîne la diminution du facteur de charge réalisable. On représente couramment les possibilités d’un avion donné par des courbes iso-limites de manœuvre dans un diagramme nombre de Machaltitude (fig. 4). Les limites du domaine de vol sont aussi présentées sur cette figure. Aux faibles vitesses, la limite est due à la portance maximale utilisable (c’est la vitesse de décrochage). Le plafond opérationnel est fixé en France à 50 000 pieds (15 000 mètres), car c’est la limite de survie d’un pilote qui devrait s’éjecter de l’avion sans un équipement particulier du type scaphandre. L’avion lui-même a pour plafond la courbe où le facteur de charge est égal à 1. La limite en nombre de Mach maximale est due à l’échauffement cinétique qui affaiblirait la structure (cette limite est voisine de 2,3 pour les avions construits principalement à base d’alliages d’aluminium). Enfin, la dernière limite est aussi structurale: il existe une pression dynamique (0,5 福v² ) au-delà de laquelle les forces de rappel de la structure de l’aile, en flexion ou en torsion, ne sont plus suffisantes pour s’opposer aux efforts aérodynamiques et alors la voilure se déformerait puis se casserait. D’autres limites, spécifiques à certains avions, viennent encore réduire ce domaine de vol, telles que la limite d’équilibrage par les gouvernes, l’explosion des entrées d’air (à grande vitesse et faible altitude) ou leur limite de fonctionnement, l’apparition du tremblement ou du flottement «aéroélastique». Notons que de brèves excursions hors du domaine de vol sont possibles. La montée en chandelle permet, par exemple, de dépasser le plafond.

Le critère qui caractérise la vitesse ascensionnelle ou la capacité d’accélération est la réserve de puissance P^s (en anglais S.E.P.: Specific Excess Power), définie par:

où R^x est la traînée. L’équation de propulsion écrite dans le cas plus général d’un avion volant avec une pente 塚 et ayant une accélération d v/dt s’écrit:

En combinant ces équations et en notant que, si z est l’altitude, la vitesse ascensionnelle est dz/dt = vsin 塚, on obtient:

L’expression z + 0,5 v²/g est l’énergie spécifique totale (égale à la somme de l’énergie potentielle et de l’énergie cinétique divisée par le poids mg ). P^s représente donc la capacité de l’avion soit à augmenter son altitude (vitesse ascensionnelle), soit à accélérer. Remarquons que, en piqué,

l’énergie potentielle se transforme en énergie cinétique, ce qui permet d’augmenter encore l’accélération. La réserve de puissance sera d’autant plus grande que la traînée sera faible et que le rapport poussée sur poids F/mg sera élevé.

Avionique et armement

Pour un avion de combat, les équipements électroniques et les armements constituent les composants les plus sophistiqués et les plus coûteux. Ainsi, on estime que l’avionique compte pour près de 60 p. 100 du coût total de l’avion, alors que la cellule et la motorisation n’en représentent chacun que 20 p. 100 (ces proportions sont respectivement de 20, 50, 30 sur un avion civil et la part de l’avionique tend à y diminuer). Le prix «fly away», c’est-à-dire en ordre de marche mais sans rechange ni armement, d’un avion comme le Mirage 2000 était de l’ordre de 160 millions de francs en 1988.

L’équipement électronique le plus important d’un avion de chasse est son radar pour lequel il est désormais demandé des capacités multifonctions: combat air-air et air-sol, désignation et suivi de cibles multiples pour le tir de missiles, suivi de terrain, anti-brouillage. Ces capacités sont désormais possibles grâce aux progrès de l’électronique numérique. De même, les antennes lourdes et encombrantes à balayage mécanique sont remplacées par les antennes à balayage électronique, passif ou actif, plus légères et capables de modes de fonctionnement plus nombreux.

Les systèmes de navigation autonomes, à centrales inertielles par gyroscopes mécaniques ou par gyrolasers, représentent un élément clé de l’avion, lui permettant ainsi de se diriger de façon sûre et précise sur un objectif. Ils peuvent de plus être recalés, de façon à compenser la dérive dans le temps, faible mais inévitable, par des systèmes de reconnaissance du terrain ou en utilisant des signaux émis par des satellites (système G.P.S.-Navstar).

Les avions sont aussi équipés de détecteurs de menace (détection de signaux électromagnétiques, infrarouges ou lasers) et de systèmes de contre-mesure, de brouillage ou de leurrage. Les caméras thermiques, utilisant le rayonnement infrarouge, permettent aux pilotes de voler de nuit et de mieux détecter certaines cibles, telles que les chars.

Un avion de combat ne constitue pas une arme en lui-même, mais seulement une plate-forme très manœuvrante, à long rayon d’action, capable d’emporter et de tirer des munitions. Celles-ci sont très variées et peuvent aller des obus de canon aux missiles de croisière à charge nucléaire.

Excepté sur les bombardiers, les armements sont, pour la plupart, transportés de façon externe, accrochés sous la voilure, à ses extrémités ou sous le fuselage. L’armement interne se réduit à un ou deux canons capables de tirer entre 200 et 1 000 obus de 20 à 30 mm de diamètre. Les points d’emport externes, au nombre de 5 à 9, peuvent recevoir une grande variété de charges grâce à des pylônes appropriés. Des réservoirs externes, largables en vol une fois vides, sont utilisés pour les missions à longue distance, pour le convoyage ou encore pour ravitailler en vol d’autres avions. Divers conteneurs (ou pods) de reconnaissance, de contre-mesure électronique ou de désignation de cibles par laser peuvent être emportés.

Les armes elles-mêmes consistent soit en missiles air-air, air-sol ou air-mer de courte ou longue portée (de quelques centaines de mètres pour le combat rapproché à plusieurs centaines de kilomètres sinon), soit en bombes planantes ou guidées, soit en lance-roquettes ou lance-grenades. La charge maximale qui peut ainsi être emportée représente environ la moitié de la masse de l’avion en ordre de vol. Les bombes guidées par laser et certains missiles ont des systèmes de guidage semi-actifs. Dans ce cas, c’est l’avion porteur qui «illumine» l’objectif en dirigeant sur lui une émission électromagnétique ou un faisceau laser. Le missile, ou la bombe, équipé seulement d’un détecteur, se dirige alors automatiquement vers la cible ainsi désignée. Tant que celle-ci n’est pas atteinte, l’avion doit rester dans les parages, ce qui l’expose à d’éventuelles contre-attaques. Des missiles plus perfectionnés ont des systèmes de guidage autonomes par radar actif ou par détecteur infrarouge qui captent les émissions produites par les gaz d’échappement.

3. Développements et perspectives

Des progrès sont constamment réalisés et sont encore attendus dans tous les domaines concernés: aérodynamique, matériaux, commandes de vol et avionique, motorisation et armement.

Du point de vue aérodynamique, les recherches tendent à augmenter la portance maximale utilisable, à étendre le domaine de vol des avions – surtout pour les avions de combat – et à diminuer la traînée. Ainsi, pour les avions civils, des études sont menées sur les profils de voilure, dits «supercritiques», afin de reculer le nombre de Mach de divergence de traînée, pour permettre aux avions de voler plus vite sans être pénalisés au point de vue consommation de carburant. Les «winglets», sortes de petites dérives fixées en extrémité d’aile qui permettent d’augmenter l’allongement apparent de la voilure, apparaissent sur de nombreux avions.

Des dispositifs, destinés à réduire le frottement de l’air sur l’avion, sont à l’étude. Parmi ceux-ci, les plus prometteurs semblent être, pour les petits avions ou les éléments de petites dimensions (empennages), les profils laminaires et, pour les surfaces plus grandes (fuselage), les «riblets». La forme des profils laminaires a pour effet de retarder la transition laminaire-turbulent de la couche limite. Ainsi, l’écoulement reste laminaire sur une plus grande surface, sachant que le coefficient de frottement laminaire est de cinq à dix fois plus faible que celui de l’écoulement turbulent.

Les «riblets» sont de très fines rainures, de quelques centièmes de millimètres – s’apparentant à celles d’un disque microsillon mais encore plus fines –, qui, placées dans le sens de l’écoulement, ont la propriété de réduire le frottement turbulent. Elles sont réalisées sur des films qui sont collés sur la surface de l’avion. Elles pourraient permettre de réduire de quelques pour-cent la traînée totale de l’avion.

Pour les avions d’arme, les efforts portent surtout sur l’augmentation de l’incidence maximale utilisable. Celle-ci est limitée (vers 20 à 30⁰) par l’apparition d’instabilités des écoulements dues, le plus souvent, aux dissymétries dans les tourbillons qui se forment à l’extrados des ailes ou à partir de la pointe avant. Les plans canards, qui sont de petits empennages horizontaux placés devant la voilure principale, et les virures ou «stakes», sortes de lames horizontales localisées sur les bords du fuselage, ont pour but de stabiliser ces tourbillons. Une expérience germano-américaine (avion expérimental X-31) est menée pour étudier la possibilité et l’intérêt opérationnel de voler à des incidences encore plus élevées, c’est-à-dire au-delà de 40⁰.

Les commandes de vol électriques, qui, sur les avions militaires les plus récents, ne sont même plus doublées par des commandes mécaniques de secours, permettent d’améliorer considérablement les caractéristiques de vol des avions. Le pilote n’a alors plus d’action directe sur les gouvernes, mais c’est un ordinateur qui agit sur celles-ci et optimise leur braquage en fonction des conditions de vol ou des manœuvres recherchées.

Cela permet de faire voler des avions qui sont aérodynamiquement instables en tangage, l’ordinateur restituant alors une stabilité artificielle. La traînée d’équilibrage et les charges subies par la cellule peuvent ainsi être diminuées. Ces commandes de vol électriques numériques ont permis l’introduction de systèmes antiturbulence. Les rafales de vent sont absorbées par le braquage rapide des gouvernes, améliorant le confort des passagers (pour les avions de transport civils) et diminuant la fatigue des pilotes d’avion de combat volant à basse altitude.

Dans le domaine de l’avionique, des progrès spectaculaires sont attendus dans la présentation au pilote des paramètres de vol et de toutes les autres informations dont il peut avoir besoin. Les instruments à aiguilles ont été remplacés par des visualisations multifonctions à écrans cathodiques couleur. Celles-ci demeurent relativement lourdes et encombrantes et consomment beaucoup d’énergie électrique. À partir du milieu des années 1990, des écrans plats à cristaux liquides plus performants, plus robustes et parfaitement visibles en pleine lumière prendront place dans les cockpits.

Grâce à la synthèse vocale, le pilote reçoit certaines indications sur l’état des systèmes et en particulier les alertes. Il pourra bientôt commander certaines fonctions par la voix, grâce à la reconnaissance vocale.

Le pilote disposera de moyens permettant d’une part d’améliorer la sécurité et d’autre part de faciliter sa tâche. Des systèmes d’interrogation et de répondeurs vont ainsi détecter et localiser les avions environnants et indiquer les manœuvres à suivre pour éviter tout risque de collision. Dans le domaine militaire, on pense déjà au «copilote électronique» qui, grâce à l’utilisation de l’intelligence artificielle, pourra aider le pilote à prendre des décisions face à des situations complexes.

En ce qui concerne la motorisation, les recherches ont pour objectif de diminuer la consommation, le poids des moteurs et leur niveau acoustique. L’une des voies est l’augmentation des températures maximales dans la chambre de combustion et la turbine en utilisant de nouveaux matériaux et des techniques de refroidissement. L’augmentation du taux de dilution (c’est-à-dire du rapport du débit d’air accéléré par le moteur à celui passant dans la turbine) a pour effet de réduire considérablement la consommation de carburant. Ce taux est proche de 1 pour un moteur d’avion de combat; il est de l’ordre de 5 sur une turbosoufflante moderne et pourrait atteindre 40 sur les moteurs à hélices rapides (propfan).

Du point de vue de l’armement, l’un des axes importants de recherche vise à diminuer la détectabilité et la vulnérabilité des avions. Des techniques utilisant des matériaux absorbant les ondes électromagnétiques et un travail sur les formes de l’avion (en évitant les dièdres et en protégeant les cavités) permettent de réduire sa signature radar. Les avions seront équipés de détecteurs passifs, tels que les caméras infrarouge, pour éviter l’emploi du radar qui révèle la présence de l’avion. Enfin, les missiles seront tirés à plus grande distance et seront capables de détecter et de rallier leurs cibles de façon autonome, selon le concept «tire et oublie». L’avion porteur peut alors s’éloigner rapidement de la zone hostile.

Enfin, des études prospectives sont menées, tant aux États-Unis qu’en Europe et même au Japon, sur des avions de transport super ou hypersoniques, capables de relier New York à T 拏ky 拏 en deux ou trois heures. Mais, avant que de tels projets puissent se concrétiser, des recherches devront d’abord résoudre deux problèmes: la tenue des matériaux à l’échauffement cinétique et l’élaboration de propulseurs, à bon rendement, capables d’adapter leur cycle thermodynamique en fonction de la vitesse. Les sommes énormes qui devront y être consacrées et le nombre forcément réduit d’appareils à construire risquent de rendre de tels projets irréalisables.

Encyclopédie Universelle. 2012.