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Formes étranges dans le ciel : furtivité et ailes volantes

XB-35

XB-35 (United States Air Force, Wikimedia Commons)

XB-35

XB-35 (United States Air Force, Wikimedia Commons)

Lisibilité
6.2

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Découvre comment et pourquoi les ingénieurs ont conçu et construit des aéronefs uniques en leur genre.

Certaines des formes les plus cool que tu peux voir dans les aéronefs sont le fruit du travail d’ingénieurs qui cherchaient des solutions innovantes à différents défis. Parfois, ils cherchaient de meilleures façons pour faire voler les avions plus loin, plus vite et plus haut. Mais ces concepteurs essayaient aussi parfois de réaliser quelque chose de vraiment différent, comme de rendre un avion plus difficile à détecter au radar. Voici quelques exemples de réflexions originales menées par des ingénieurs en aéronautique.

Être furtif

Au début des années 1960, les États-Unis et l’Union soviétique étaient engagés dans ce qu’on appelle la guerre froide. Bien que ces pays ne s’attaquaient pas avec des fusils et des bombes, ils étaient en guerre. Chaque partie au conflit déployait beaucoup d’efforts pour découvrir ce que faisait l’autre partie. C’est ce qu’on appelle l’espionnage.

L’une des façons de recueillir des informations était de regarder vers le bas depuis le ciel. Pour y parvenir, la Central Intelligence Agency (CIA) des États-Unis a mis au point des avions espions secrets qui volaient autour et au-dessus de l’Union soviétique. Ces avions utilisaient des caméras et d’autres instruments pour recueillir des données sur les activités militaires soviétiques.

Ces avions doivent rester à l’abri des avions-chasseurs et des missiles ennemis, lorsqu’ils volaient à proximité ou au-dessus du territoire ennemi. Plusieurs stratégies étaient possibles. L’une d’entre elles consistait à voler si haut et si vite que l’ennemi ne pouvait pas les attraper ni les abattre. Un autre moyen était de ne pas être détecté par les radars ennemis. C’est ce qu’on appelle la « furtivité ».

À la fin des années 1950, la CIA voulait un avion secret qui volerait plus haut et plus vite que tout autre avion auparavant. Elle voulait aussi que cet avion soit difficile à détecter par les radars. La CIA a demandé aux ingénieurs du groupe Advanced Development Projects (ADP) de Lockheed de concevoir cet avion. L’ADP, mieux connu sous le nom de « Skunk Works », était dirigé par Clarence L. « Kelly » Johnson. Johnson et ses ingénieurs de Skunk Works sont responsables pour le développement et construction de certains avions les plus importants de l'histoire.

Entrance of the Lockheed Skunk Works in Palmdale, California
Entrée de l’usine Lockheed Skunk Works à Palmdale, Californie (Source : Alan Radecki [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons).
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L’image est une photographie en couleur d’une vue aérienne de l’entrée principale de l’usine Lockheed Skunk Works en Californie, par une journée ensoleillée. En haut à gauche, on voit une allée. En haut à droite, en bas à gauche et en bas à droite se trouvent des bâtiments gris et carrés, avec de l’herbe et du ciment entre les bâtiments. Devant l’entrée principale se trouvent deux avions sur des piliers. À gauche de la porte se trouve un jet P-80 gris clair aux ailes droites, à droite de la porte, on voit un jet F-117 noir triangulaire. Des tables rondes avec des parasols et des arbres de Josué parsèment le paysage environnant.

Pour répondre aux besoins de la CIA, Johnson et son équipe ont créé le A-12/YF-12/SR-71 Blackbird. Le Blackbird a constitué un énorme bond en avant pour l’aviation. Johnson a déclaré que la conception et la construction du Blackbird « n’étaient pas une tâche facile. Tout ce qui concerne le [Blackbird] a dû être inventé à partir de zéro... le design, la technologie et même les matériaux. »

Lockheed SR-71 Blackbird in flight
Lockheed SR-71 Blackbird en vol (Source : Image du domaine public de la United States Navy).
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L’image est une photographie qui montre un avion à réaction noir aux lignes effilées volant en direction et au-dessous de l’observateur, au-dessus d’un désert rocheux. L’avion a un long nez large et pointu ainsi que des ailes triangulaires. De gros moteurs pointus sont installés sur les ailes à mi-chemin entre le fuselage et les extrémités des ailes. Au-dessus de chaque moteur se trouve un plan fixe horizontal qui fait un angle vers le milieu de l’avion. Des traînées de condensation blanches s’échappent des ailes derrière l’avion.

 

Le radar fonctionne en envoyant des ondes radio. Lorsque ces ondes frappent quelque chose, elles sont réfléchies vers le récepteur radar. C’est ce qu’on appelle un écho radar. C’est un peu comme l’écho que tu entends lorsque tu cries dans une grande pièce vide. Dans la pièce, les ondes sonores que tu émets rebondissent après avoir frappé les murs de la pièce. Lorsque les ondes radar frappent un objet, elles rebondissent également. Plus la cible est éloignée, plus le radar doit être puissant. Si la puissance n’est pas suffisante, le signal ne reviendra pas. En calculant le temps que mettent les ondes à revenir au récepteur radar, on peut déterminer la distance de la cible. En déterminant l’endroit où le signal a rebondi, on peut connaître la position de la cible.

Le savais-tu?

Les grands radars peuvent détecter de grandes cibles à plusieurs centaines de kilomètres.

Comme les ondes sonores, les ondes radar rebondissent mieux sur certains objets que sur d’autres. Les ingénieurs de Lockheed voulaient que le Blackbird ait ce qu’on appelle une faible surface équivalente radar (SER). Ainsi, le Blackbird apparaîtrait plus petit au radar qu’il ne l’est en réalité. Avec une plus faible SER, les radars ne détectent pas le Blackbird lorsqu’il est beaucoup plus proche qu’un avion non furtif. Les ingénieurs ont procédé de plusieurs façons.

Surfaces équivalentes radar de divers animaux et avions
Surfaces équivalentes radar de divers animaux et avions (Parlons sciences utilise des images d’Anhelina Lisna via iStockphoto, de Gyzele via iStockphoto et de LNM via iStockphoto).
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L’image montre des dessins en noir sur fond blanc du dessus de différents types d’animaux et d’avions, avec des points rouges de différentes tailles représentant leurs surfaces équivalentes radar, ou SER. En haut à droite, on voit l’étiquette « Surfaces équivalentes radar ». À droite, on voit un A380, un gros avion de ligne à réaction, avec un très gros point rouge en dessous représentant une SER de 100 mètres carrés. En bas à gauche se trouve un 737-8, un avion de ligne de taille moyenne, avec un gros point rouge représentant une SER de 11 mètres carrés. En haut au centre, on voit un F-16, un petit avion de combat à réaction, avec un petit point rouge représentant une SER de 4 mètres carrés. Au centre gauche se trouve un B-2, un bombardier furtif à réaction triangulaire, avec un très petit point rouge représentant une SER de 0,1 mètre carré. En haut à gauche se trouve un F-117, un chasseur furtif à réaction triangulaire, avec un très petit point rouge représentant une SER de 0,003 mètre carré. À gauche de celui-ci, on voit un petit oiseau, avec un très petit point rouge représentant une SER de 0,01 mètre carré. Enfin, en haut à gauche se trouve un insecte ailé, avec un minuscule point rouge représentant une SER de 0,001 mètre carré.

La forme du Blackbird comporte de nombreuses courbes et très peu de surfaces planes. Ces courbes ont été conçues pour renvoyer les ondes radar loin du radar, et non vers celui-ci. Si tu regardes le Blackbird de côté, il n’y a aucune surface plane – même les surfaces qui doivent être planes, comme les queues verticales, sont inclinées.

Des matériaux spéciaux absorbant les ondes émises par les radars (RAM; de l’anglais radar-absorbent materials) étaient utilisés dans les parties de l’avion les plus susceptibles d’être dirigées vers les radars ennemis. Cela inclut les bords du fuselage et des ailes.

Le savais-tu?

Même la peinture noire du Blackbird absorbait les ondes radar!

Tout cela signifiait qu’une très faible partie de l’énergie radar qui frappait l’avion était renvoyée vers le récepteur radar. Cela faisait du Blackbird un avion très difficile à détecter par les radars.

Un véritable Blackbird a été emmené dans la zone 51, une installation secrète située dans le désert du Nevada, pour tester la taille de sa SER. Le Blackbird était monté sur un pilier au milieu d’une grande surface plane. Des radars étaient dirigés vers l’avion à différentes distances et sous différents angles.

Ces tests ont permis aux ingénieurs de Lockheed d’ajuster les dimensions du Blackbird de façon à ce que la SER soit la plus petite possible.

Lockheed A-12 Blackbird reconnaissance aircraft mounted on a pole for radar cross-section (RCS) testing in Area 51, Nevada, 1962
Avion de reconnaissance Lockheed A-12 Blackbird monté sur un pilier pour des tests de surface équivalente radar (SER) dans la zone 51, Nevada, 1962 (Source : Image du domaine public par la Central Intelligence Agency via Wikimedia Commons).
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L’image est une photographie en noir et blanc qui montre un désert plane, avec un grand pilier émergeant du sol du désert. Au sommet du pilier se trouve un gros avion à réaction gris, avec un long nez pointu, deux moteurs dans une aile triangulaire et deux queues sortant des moteurs. L’avion est à l’envers sur le pilier. Une jeep est garée au pied du pilier, et quelques instruments scientifiques et une cabane sont visibles dans la partie gauche de la photo.

 

Cette installation d’essais et d’autres installations semblables dans le monde sont sont encore utilisées aujourd'hui par les concepteurs d'avions militaires. Ces derniers mesurent la SER d’avions, de drones et de missiles pour déterminer leur degré de furtivité.

Même si le Blackbird a volé pour la première fois en 1962, il conserve une allure futuriste et détient toujours de nombreux records mondiaux de vitesse et d’altitude. En outre, Kelly Johnson et ses concepteurs de Skunk Works ont également conçu le premier avion furtif au monde.

A Lockheed YF-12 Blackbird at Area 51 in Nevada, with Clarence L. “Kelly” Johnson standing in the left foreground
Un Lockheed YF-12 Blackbird dans la zone 51 au Nevada, avec Clarence L. « Kelly » Johnson debout au premier plan à gauche (Source : Smithsonian Institution).
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L’image est une photographie en noir et blanc qui montre un gros avion à réaction argenté et noir, avec un long nez pointu, deux moteurs dans une aile triangulaire et deux queues sortant des moteurs, qui repose sur une piste dans un désert plane. Sur le côté gauche de la photo, un homme caucasien d’âge moyen, rasé de près, aux cheveux foncés et portant un costume sombre, est debout devant l’avion.

 

Les ingénieurs essaient toujours d’améliorer leurs conceptions. Dans les années 1970, les ingénieurs de Skunk Works voulaient fabriquer un avion avec une SER encore plus petite que celle du Blackbird.

Ben Rich, qui avait travaillé sur le Blackbird, était alors à la tête de Skunk Works. La compagnie n’était pas intéressée par la fabrication d’un avion qui volerait plus haut ou plus vite. Skunk Works voulait un avion qui serait « invisible » aux radars.

Ben Rich with F-117 Nighthawk
Ben Rich près d’un F-117 Nighthawk.(Source : National Portrait Gallery, Smithsonian Institution).
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L’image est une photographie en noir et blanc qui montre un avion à réaction noir avec un nez en forme de pyramide, posé sur une piste dans un désert plane. Sur le côté gauche de la photo, un homme caucasien âgé, rasé de près et aux cheveux gris, vêtu d’un costume sombre, est debout devant l’avion.

 

L’avion que Rich et son équipe ont conçu portait le nom de code <<Have Blue>>. Sa forme était totalement différente de celle du Blackbird. Le Blackbird comporte beaucoup de courbes, mais le Have Blue n’en avait aucune. L’ensemble de l’avion était constitué de surfaces planes conçues pour réfléchir les ondes radar loin du récepteur radar. Les deux prototypes du Have Blue ont été détruits dans des écrasements.

Have Blue
Have Blue (Source : Image du domaine public par la United States Air Force via Wikimedia Commons).
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L’image est une photographie en couleur qui montre un petit avion à réaction gris, de forme triangulaire, avec des taches irrégulières noires, vertes et beiges, un long nez pointu, un fuselage en forme de pyramide, deux queues à l’arrière et des ailes triangulaires, posé sur une piste devant un mur de métal ondulé. L’avion est orienté vers la gauche de l’observateur.

 

Les leçons tirées du Have Blue a conduit au F-117 Nighthawk. Le F-117 ressemble au Blackbird à certains égards. Il est noir, et il est recouvert de matériaux absorbant les ondes radar. Mais sa forme est différente de celle du Have Blue. Le F-117 était si difficile à piloter que l’un de ses surnoms était « Wobblin’ Goblin ». Mais il fonctionnait. Pour un radar, le F-117 a la même taille qu’un colibri! Le F-117 est devenu le premier chasseur furtif.

F-117 Nighthawk in flight
F-117 Nighthawk en vol (Source : Image du domaine public par la United States Air Force via Wikimedia Commons).
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L’image est une photographie qui montre un avion à réaction noir aux lignes effilées volant en direction et au-dessous de l’observateur, au-dessus d’un désert rocheux. L’avion a la forme d’une boîte. Il est entièrement constitué de surfaces planes. Il a un long nez large et pointu ainsi que des ailes triangulaires. L’avion possède trois fenêtres triangulaires à l’avant et deux sur les côtés. La queue a la forme d’un petit V et se trouve tout à l’arrière de l’avion.

 

Le F-117 est vraiment l’une des formes les plus étranges dans le ciel!

Le Blackbird et le Nighthawk sont d’excellents exemples de la façon dont les mêmes ingénieurs peuvent trouver des solutions très différentes à un défi technique.

Faire voler l’aile volante

L’une des conceptions d’avion les plus inhabituelles est « l’aile volante ». Une aile volante est un avion qui n’a ni fuselage ni queue. Dans une aile volante, les moteurs, l’équipage, le train d’atterrissage et toutes les autres parties de l’avion se trouvent en fait à l’intérieur de l’aile. L’avantage de la conception de l’aile volante est qu’elle présente beaucoup moins de traînée qu’un avion classique de même poids. Cela signifie qu’il peut voler plus loin avec moins de carburant.

Le problème principal de la conception de l’aile volante était son instabilité. L’absence de queue rend le vol difficile. Mais cela n’a pas découragé les concepteurs. Les avantages du concept de l’aile volante ont incité plusieurs ingénieurs en aéronautique à tenter de résoudre le problème.

Jack Northrop était le plus grand partisan de l’aile volante. Au cours de sa longue carrière, il a construit de nombreux modèles d’ailes volantes dans le but de prouver l’efficacité du concept. Le rêve de Northrop était de construire de gros avions de type ailes volantes, tels que des avions de ligne et des bombardiers. Mais avant d’y arriver, Northrop devait résoudre les problèmes de contrôle et de stabilité que posaient les ailes volantes.

Jack Northrop in front of an XB-35
Jack Northrop devant un XB-35 (Source : Image du domaine public par la United States Air Force via Wikimedia Commons).
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L’image est une photographie en noir et blanc qui montre un homme caucasien d’âge moyen portant une chemise blanche, un pantalon foncé et un chapeau blanc, debout devant la roue avant d’un gros avion argenté en forme de boomerang, posé sur une piste déserte. Les fenêtres de l’équipage sont derrière la tête de l’homme, et un groupe d’hommes est debout sous l’avion, en bas à droite de la photo.

 

En 1940, la société Northrop avait reçu l’ordre de construire un énorme bombardier de type aile volante, le XB-35. Northrop devait maintenant faire fonctionner le concept de l’aile volante pour de vrai!

Northrop a alors choisi de construire quatre modèles réduits volants du XB-35. Ces modèles devaient permettre aux ingénieurs et aux pilotes d’essai d’en connaître davantage sur les performances de l’aile volante en vol et de résoudre les problèmes qu'ils rencontraient.

Le modèle réduit, appelé N-9M, avait une envergure de 18,3 mètres (60 pieds). Cela représentait environ un tiers de la taille du XB-35. Le premier N-9M a volé le 27 décembre 1942, soit trois ans et demi avant le premier XB-35.

Les N-9M étaient une partie utile du programme B-35. Un certain nombre de problèmes de contrôle et de stabilité ont été découverts et résolus grâce à leurs essais en vol. Les données des essais en vol ont également permis de vérifier les données en soufflerie parmi d’autres données.

Cependant, les gros bombardiers posaient encore des problèmes. Après plusieurs écrasements, les bombardiers de type ailes volantes de Northrop ont été annulés. Toutes les ailes volantes de Northrop ont été mises au rebut au début des années 1950. L’un des N-9M a survécu et a fait partie de la collection du musée Planes of Fame à Chino, en Californie, pendant de nombreuses années. Tragiquement, il s’est écrasé en 2019.

The last surviving Northrop N-9M model in flight
Le dernier modèle survivant du Northrop N-9M en vol (Source : Image du domaine public par Malfita via Wikimedia Commons).
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L’image est une série de quatre photographies en couleur d’un avion en vol ayant la forme d’un boomerang. L’avion est jaune sur le dessus et bleu sur le dessous. Deux hélices émergent vers l’arrière au milieu de l’aile, et le pilote est assis sous un dôme transparent en forme de larme au milieu de l’aile. La photo en haut à gauche montre l’avion depuis le dessous du côté droit. La photo en haut à droite montre l’avion directement de côté, où il apparaît très petit. La photo en bas à droite montre l’avion incliné vers la droite, en direction de l’observateur. La photo en bas à gauche montre l’avion incliné vers la gauche, en direction de l’observateur. La forme en boomerang de l’avion est clairement visible sur cette photo.

 

Pendant 30 ans, Jack Northrop a cru que son rêve d’une aile volante était mort. Mais en 1980, un Jack Northrop gravement malade a été emmené dans une pièce secrète du siège de la société Northrop. Le président de la société et ses principaux concepteurs ont obtenu une autorisation de sécurité spéciale pour montrer à Jack un modèle de l’avion top secret qu’ils construisaient.

C’était un énorme bombardier furtif de type aile volante qui est devenu le B-2 Spirit. Il se trouve que le B-2 a exactement la même envergure que le XB-35 !

Lorsque Jack Northrop est décédé en 1981, il était heureux de savoir que son aile volante allait enfin devenir une réalité.

B-2 Spirit bomber in flight
Bombardier B-2 Spirit en vol (Source : Image du domaine public par la United States Air Force via Wikimedia Commons).
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L’image est une photographie en couleur qui montre un gros avion gris foncé, vu du dessus du côté droit, survolant un désert. L’avion vole vers la droite de la photo. L’avion a la forme d’un grand triangle, avec quatre sections triangulaires découpées à l’arrière. Il y a un renflement lisse à l’avant de l’avion, avec des fenêtres teintées à l’avant. De chaque côté de ce renflement se trouvent deux renflements plus petits pour les moteurs.

 

Le savais-tu?

Le XB-35 et le B-2 ont exactement la même envergure : 52 mètres (172 pieds)!

Alors, la prochaine fois que tu verras un avion différent de ceux que tu vois habituellement, n’oublie pas qu’il a cette forme pour une raison! Il peut être amusant d’essayer de comprendre quel défi les concepteurs ont essayé de résoudre.

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Références

Crickmore, P. (1997). Lockheed A-12/YF-12/SR-71. Wings of Fame, 8, 30–93.

Crickmore, P. (2004). Lockheed Blackbird: Beyond the Secret Missions. Osprey.

Dorr, R. F. (1994). Lockheed F-117: The Black Jet. World Airpower Journal, 19, 48–107.

Miller, J. (1990). Lockheed F-117 Stealth fighter: America's Most Secret Warplane Revealed! Aerofax.

Miller, J. (1985). Lockheed SR-71 (A-12/YF-12/D-21). Aerofax, Inc.

Pape, G. R., and Campbell, J. M. (1995). Northrop Flying Wings: A history of Jack Northrop's Visionary Aircraft. Schiffer Pub.