Matthieu

Oral de TPE
Matthieu : animateur/présentateur
Alexandre : scientifique pour les matériaux
Paul : scientifique pour les formes
Matthieu : Bonjour, nous sommes ici en présence de deux scientifiques qui
vont débattre sur un sujet passionnant : est-il possible ou non de faire des
avancées conséquentes dans le domaine de l’aérodynamisme.
Paul et Alex : Présentation.
Matthieu : Ainsi, le Falcon HTV a réalisé la performance de voler à 20 000 km/h,
bien sure cette performance est à relativiser car on ne maitrisait pas
totalement l’avion et celui-ci était sans pilote, mais elle nous montre qu’il est
possible d’effectuer quelque chose de concret dans les améliorations à
apporter aux avions actuels. Mais d’abord, Paul expliquez nous en quoi consiste
exactement l’aérodynamisme.
Paul : L’aérodynamisme c’est l’étude de l’écoulement d’un fluide sur un solide.
De façon plus concrète c’est l’étude de la résistance qu’apporte l’air à un avion
en vol. Cette résistance appelée traînée est le principal problème que l’on
rencontre lorsque l’on recherche à rendre un avion très rapide. Ainsi il est
primordial de savoir comment la minimiser. Les principaux facteurs qui
rentrent en jeu dans cette résistance sont la forme et les matériaux dont est
composé l’avion.
Matthieu : Pensez-vous qu’il est possible de faire des innovations ou
améliorations sur ces deux facteurs pour les avions actuels ?
Paul : Tout-à-fait, je pense déjà aux ailes aux positions changeables en cours de
vol, c’est un système qui a été utilisé pour permettre à des avions d’atteindre
de très faibles vitesses pour se poser sur des portes avions, comme sur le F-14.
Mais l’inverse est également possible.
Alex : Je tiens à préciser que ce système présente de nombreux désavantages,
comme rendre les avions trop lourds, ou trop peu solides pour résister à la
vitesse.
Paul : Cela est vrai mais je pense qu’il est possible d’arranger cela : les gains
seraient énormes. Par exemple, lorsque la vitesse d’un avion augmente, sa
portance également, il peut être alors extrêmement avantageux de réduire la
taille des ailes lorsque l’on atteint des grandes vitesses.
Alex : Cette idée est extrêmement intelligente, mais il faut savoir que cela
demande une précision extraordinaire sur la taille des ailes. En effet, si on
prend notre avion avec ses ailes qui se rétrécissent, tout le poids de l’avion
portera sur une surface bien plus petite, cela devient rapidement dangereux,
notamment si le vent change de direction ou de force, l’avion risque de
décrocher beaucoup plus facilement.
Matthieu : Tout cela nous montre que sur les avions actuels, on peut améliorer
des choses, mais cela reste assez vague et dangereux. On entend souvent
parler de la goutte d’eau comme étant une forme d’un aérodynamique parfait,
mais les avions actuels n’ont pas exactement cette forme, est-il alors possible
de changer les formes ? On a fait des calculs et pour un avion qui vole à 30 000
mètres où la pression est moindre, il faudrait que sa dimension caractéristique
soit de 3mm. Imaginez un avion de cette longueur !
Alex : Alors déjà, je tiens à préciser que la forme parfait pour un objet de la
taille d’un avion, ca n’existe pas ! Je m’explique : il existe deux sortes de
traînées, la traînée lacunaire, qui oppose peu de résistance et la traînée
turbulente qui en oppose beaucoup plus. Le nombre de Reynolds est un
coefficient qui permet de savoir quelle est la traînée d’un objet d’un objet
quelconque. Lorsqu’il est supérieur à 1000, il s’agit d’un écoulement qui est
turbulent, s’il est inférieur à 1000, cet écoulement est lacunaire. Ce coefficient
est toujours supérieur à 1000 pour un objet de la taille d’un avion se déplaçant
dans l’air. On ne peut donc qu’essayer de diminuer les écoulements turbulents.
Paul : Oui, cela est vrai, il n’empêche que, comme vous l’avez dit
précédemment, il est possible de faire un changement total de forme. Nous
avons étudiés quelles formes avaient la plus petites traînée turbulente. Celle-ci
dépend de deux facteurs relatifs à la forme : son coefficient de traînée et sa
surface de référence. Il faut les diminuer tout deux ainsi la meilleure surface de
référence est le rond, car pour une surface donnée, c’est elle qui permet
d’avoir le plus d’espace. Le coefficient de trainée qui dépend de la forme
générale et des matériaux utilisés se calcule en soufflerie, on compare les
différents coefficients de traînées pour le même matériau et la forme de la
goutte d’eau qui oppose le moins de résistance. C’est la forme parfaite.
Alex : C’est en effet une théorie qui semble correcte, mais un avion vole grâce à
ses ailes, et le simple fait d’ajouter des ailes à votre goutte d’eau aura pour
effet de lui faire perdre toute ses propriétés. Cela n’est donc pas très réaliste et
aura pour effet de la rendre quasi-similaire aux avions déjà utilisés.
Paul : Cela est vrai. Le meilleur compromis est alors de prendre notre goutte
d’eau, et de la modifier un peu pour que sa forme soit légèrement bombée au
dessus.
Matthieu : C’est une excellente idée ! En effet, une aile d’avion vole grâce à un
principe simple : la vitesse réduit la pression. Dans la formule de la portance
que nous avons vue tout à l’heure, il s’agit du coefficient de portance et de la
surface projetée. Ainsi, la forme basique d’une aile est d’avoir le dessus plus
bombé que le dessous. L’air qui passe au dessus est donc plus rapide que celui
qui passe en dessous, et une dépression se crée au dessus de l’aile, cela la tire
vers le haut : c’est la portance.
Alex : Je concède cela en effet, on peut aussi faire de nombreuses innovations
au niveau des formes. Mais il ne faut pas oublier que l’aérodynamisme dépend
également d’un facteur très important : le choix des matériaux.
Matthieu : Certes, mais ce facteur est-il aussi primordial que la forme ?
Alex : Tout-à-fait. Même si l’idée de l’aérodynamisme évoque d’avantage les
formes, les matériaux ont également un rôle important dans ce domaine. Du
point de vue matériel, l’aérodynamisme dépend de la légèreté des matériaux
utilisés mais aussi de sa surface en raison du phénomène de couche limite mais
aussi de leur surface en raison du phénomène de couche limite. En effet, plus
une surface est lisse, moins les couches d’air seront perturbées et plus l’avion
ira vite car il résistera moins à l’air. Il est donc primordial d’avoir un matériau
lisse et léger pour que l’avion soit aérodynamique. Une innovation en termes
de légèreté a été réalisée, et elle s’appelle l’aérogel de graphène. Ce matériau
est le plus léger du monde, il est 6 fois plus léger que l’air.
Paul : Il est vrai ! Mais l’utilisation de ce matériau est impossible en
aéronautique. De nombreuses contraintes sont à prendre en compte en plus de
la légèreté. Il faut un matériau capable de résister aux contraintes en vol, que
l’on puisse produire facilement et qui ne soit pas trop chère. Cela ne colle pas
du tout avec l’aérogel de graphène ! En revanche, ce n’est pas le cas des
alliages aluminiums qui ont de nombreux avantages comme leur légèreté, leur
malléabilité, leur cout et leur résistance.
Alex : Cela est vrai mais la plupart de ces alliages ont une résistance à la
corrosion trop faible. De plus, lors de vols hypersoniques, le matériau choisi
doit pouvoir résister à la chaleur extrême à la surface de l’avion. Les matériaux
composites sont donc beaucoup plus intéressants à utiliser car ils n’ont pas les
défauts des alliages d’aluminium tout en étant encore plus léger et plus
résistants grâce à leur structure particulière. Cependant, un composite se
distingue des autres pour les vols hypersoniques c’est la fibre de carbone. En
effet, par rapport aux autres composites, elle tient très bien les températures
extrêmes. Des composites en carbone on d’ailleurs servit à la construction du
Falcon HTV-2, et ils constituent surement l’avion hypersonique du futur.
Matthieu : Ainsi, on voit que de nombreuses idées sont un minimum réalistes
pour améliorer sensiblement l’aérodynamisme, il ne reste plus qu’à la science à
les mettre en place. On pourra donc voir dans un temps plus ou moins long des
avions volants à 20 000 km/h de façon durable. Mais une fois cela fait, pourra
on faire mieux ?