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Les essais avant vol

Un avion grandeur nature dans une soufflerie aérodynamique

Un avion grandeur nature dans une soufflerie aérodynamique (NASA, Wikimedia Commons)

Un avion grandeur nature dans une soufflerie aérodynamique

Un avion grandeur nature dans une soufflerie aérodynamique (NASA, Wikimedia Commons)

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8,2

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Découvre comment les ingénieures et ingénieurs en génie aérospatial testent de nouveaux concepts.

Les ingénieures et ingénieurs en génie aérospatial conçoivent et construisent des aéronefs et engins spatiaux. Pour ce faire, ils et elles doivent avoir une bonne compréhension de l’aérodynamisme. Les ingénieures et ingénieurs doivent aussi comprendre les forces qui agissent sur les avions en vol. Ainsi, ils et elles sont capables de concevoir des avions et des engins spatiaux qui volent plus haut, plus loin, plus vite et qui ont une meilleure capacité de transport que les avions précédents.

Wernher von Braun, l’un des ingénieurs en génie aérospatial les plus célèbres devant son projet le plus connu, la fusée Saturn V
Wernher von Braun, l’un des ingénieurs en génie aérospatial les plus célèbres devant son projet le plus connu, la fusée Saturn V (Image du domaine public fournie par la NASA).
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Voici une photo en noir et blanc de l’ingénieur aérospatial Wernher von Braun et de la fusée Saturn V. Von Braun se trouve au premier plan. C’est un homme blanc d’âge moyen aux cheveux blonds. Il porte une chemise blanche boutonnée à manches longues, un pantalon gris et une cravate de couleur foncée. Il est détendu et a sa main gauche dans la poche de son pantalon. Il regarde légèrement à côté de l’appareil-photo. Il se tient sur un chemin de gravier qui mène à une fusée Saturn V et à une tour de lancement. La fusée est un long cylindre blanc qui termine en pointe. À plusieurs endroits sur la fusée, tu peux voir des panneaux noirs. La tour soutient la fusée par-dessous et par-derrière.

 

Les essais avant vol

Comme tu peux l’imaginer, l’activité de voler comporte des risques pouvant causer la mort. C’est pourquoi les ingénieures et ingénieurs aérospatiaux mettent à l’essai chaque pièce d’un nouvel avion ou d’un nouvel engin aérospatial. Ces essais ont lieu bien avant qu’une personne ne s’envole dans les airs! Les premiers essais peuvent impliquer de placer des modèles réduits du véhicule aérospatial dans une soufflerie aérodynamique, de faire voler des modèles réduits et de tester des pièces du nouveau véhicule au sol.

Les essais en soufflerie

Les souffleries aérodynamiques sont des installations utilisées par les ingénieures et ingénieurs aérospatiaux pour étudier la circulation de l’air autour d’un objet solide. À l’aide d’une soufflerie, les ingénieures et ingénieurs peuvent faire varier la vitesse et la direction de l’air de manière contrôlée sur un objet. Ils et elles peuvent observer comment l’objet modifie le mouvement de l’air.

Cette méthode permet aussi d’observer comment l’objet est affecté par le mouvement de l’air. Les souffleries aérodynamiques sont généralement utilisées avec des concepts d’avion ou de véhicule aérospatial. Parfois, des véhicules grandeur nature sont aussi placés dans de grandes souffleries aérodynamiques. Des voitures, d’autres types de véhicules, des structures et même des athlètes sont également testés dans des souffleries.

Un concept de voiture dans une soufflerie
Un concept de voiture dans une soufflerie (Source : ktsimage via iStockphoto).
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Voici une illustration en couleur d’un modèle en argile d’une voiture dans une soufflerie. Le modèle en argile se trouve sur le sol d’une grande pièce. Des lignes jaunes sur le sol indiquent où les objets à tester doivent être placés. La voiture a un design sportif. Elle est de couleur brun pâle. Elle a de vraies roues. Les fenêtres et les autres détails sont faits d’argile. Devant la voiture, un grand ventilateur semble tourner. Des filets de fumée sont projetés d’un poteau situé légèrement devant la voiture. La fumée passe vers le haut et au-dessus de la voiture. Le mouvement se voit par les lignes grossières et parallèles.

 

Le savais-tu?

La première soufflerie aérodynamique a été imaginée et construite par Francis Wenham et John Browning en Angleterre en 1871.

Une soufflerie permet de simuler le mouvement d’un objet dans l’air à différentes vitesses. Plutôt que de déplacer l’objet dans l’air, l’objet demeure en place dans une grande pièce en forme de cylindre. Des ventilateurs géants soufflent de l’air dans la pièce et sur l’objet à l’essai.

L’assemblage du ventilateur de 8,5 m (28 pieds) de la soufflerie aérodynamique de l’Institut allemand de recherche sur l’aviation à Berlin, 1935
L’assemblage du ventilateur de 8,5 m (28 pieds) de la soufflerie aérodynamique de l’Institut allemand de recherche sur l’aviation à Berlin, 1935 (Source : Image du domaine public des Archives fédérales allemandes via Wikimedia Commons).
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Voici une photo en noir et blanc d’un ventilateur géant dans une soufflerie à Berlin en 1935. Le ventilateur occupe presque toute la photo. Il a un diamètre de 8,5 mètres et six énormes pales. Tu peux voir six hommes en complet marcher entre les pales du ventilateur. Le ventilateur n’est pas en marche! Chaque pale mesure environ deux fois la taille d’une personne.

 

 

En 1883, Osborne Reynolds a découvert que les modèles réduits permettaient de prédire avec précision le mouvement des fluides autour d’objets plus ou moins grands. Les souffleries aérodynamiques s’avéraient donc être de précieux outils pour les ingénieures et ingénieurs aérospatiaux. Afin de collecter des données utiles, les modèles réduits destinés aux souffleries aérodynamiques devaient avoir exactement la même forme que le véhicule grandeur nature simulé.

Un modèle grandeur nature d’une capsule spatiale Mercury dans la soufflerie à grande échelle du Centre de recherche Langley de la NASA en Virginie, en 1959
Un modèle grandeur nature d’une capsule spatiale Mercury dans la soufflerie à grande échelle du Centre de recherche Langley de la NASA en Virginie, en 1959 (Source : Image du domaine public fournie par la NASA).
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Voici une photo en noir et blanc d’une capsule spatiale Mercury dans une soufflerie du Centre de recherche Langley de la NASA en 1959.
La soufflerie se trouve en arrière-plan. Elle a la forme d’un rectangle horizontal avec des coins arrondis. Au fond de la soufflerie, caché dans l’ombre, tu peux voir un grand ventilateur à quatre pales. Devant la soufflerie, la capsule est maintenue par deux bras métalliques fixés perpendiculairement à deux pistons hydrauliques. La capsule est à l’envers et légèrement inclinée vers le ventilateur. La lumière des ampoules réfléchit sur la surface métallique brillante de la capsule. Un homme tout en haut d’un grand escabeau se trouve près du bras gauche du piston. Il regarde en direction de la capsule.

 

Il existe de nombreux types de souffleries conçus pour simuler différentes vitesses d’air. De manière générale, les souffleries à grande vitesse ont un très petit diamètre. Lorsque l’on force l’air à passer par une ouverture plus petite, sa vitesse augmente. C’est une démonstration du principe de Bernoulli. Les grandes souffleries, comme celles qui contiennent des objets grandeur nature, sont généralement destinées aux vitesses subsoniques. C’est à dire aux vitesses inférieures à celle du son. En plus d’observer l’objet dans la soufflerie, des dispositifs peuvent être fixés sur l’objet pour mesurer la pression de l’air à différents endroits sur l’objet.

Bien souvent, des rubans sont placés sur toute la surface de l’objet. Ils permettent de bien démontrer le mouvement de l’air sur l’objet. Parfois, de la fumée est dispersée dans l’air pour rendre bien visible le mouvement de l’air autour de l’objet.

Utilisation de la fumée pour voir le mouvement de l’air autour d’une balle de tennis
Utilisation de la fumée pour voir le mouvement de l’air autour d’une balle de tennis (Source : Image du domaine public fournie par la NASA).
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Voici une photo en couleur d’une balle de tennis dans une soufflerie. Le fond est noir et la balle de tennis est de couleur jaune pâle. Des lignes de fumée blanche parallèles contournent la balle de tennis. Au-dessus et au-dessous de la balle, le mouvement des lignes est plutôt parallèle. Directement derrière la balle, la fumée prend davantage la forme d’un nuage. De la lumière éclaire la balle de tennis et les lignes de fumée.

 

L’un des plus grands avantages des souffleries est que les ingénieures et les ingénieurs peuvent observer et photographier un avion ou un engin spatial en plein essai. Les essais peuvent aussi être facilement répétés dans une soufflerie. Ces essais s’avèrent beaucoup plus difficiles à faire lors d’essais en vol. Évidemment, les essais en soufflerie sont plus sécuritaires, car personne ne se trouve à bord du véhicule testé!

Aujourd’hui, des logiciels informatiques très efficaces sont souvent utilisés pour simuler le mouvement de l’air autour d’objets. C’est ce qu’on appelle la dynamique numérique des fluides (DNF). Ces logiciels permettent de tester des concepts plus rapidement et de plusieurs manières différentes.

Puisque l’interaction entre l’air et un solide demeure très complexe, les résultats obtenus à l’aide des simulations par DNF sont généralement confirmés par des essais réels. Ensuite, les essais réels comme ceux en soufflerie dynamique permettent de perfectionner les logiciels informatiques.

Une image de la DNF montre un concept de navette spatiale
Une image de la DNF montre un concept de navette spatiale (Source : Image du domaine public de la NASA via Wikimedia Commons).
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Voici une image générée par ordinateur qui montre le mouvement de l’air autour d’une navette spatiale lorsqu’elle revient sur Terre. La navette spatiale est cette forme argentée au premier plan. Tu peux voir des traînées de couleur bleu, vert et jaune qui partent de sous la navette et qui s’étendent vers le haut. Ces différentes couleurs illustrent les différents niveaux de turbulence causés par la forme de la navette.

 

Les maquettes volantes

Les souffleries aérodynamiques et les logiciels de simulations informatiques sont bien utiles. Mais la meilleure façon de tester un avion est de le faire voler. Attention, il ne faut pas nécessairement avoir un avion grandeur nature. Les ingénieures et ingénieurs en génie aérospatial utilisent souvent des modèles réduits pour tester les concepts d’avions et d’engins spatiaux avant que le véritable appareil ne soit construit. Procéder de cette façon aide à déceler des problèmes avec le concept. Les maquettes volantes permettent aussi de valider les données collectées grâce aux essais en soufflerie et en simulations informatiques, améliorant ainsi leur précision.

Parfois, ces maquettes sont testées en vol libre. C’est-à-dire que les maquettes ne sont ni propulsées ni contrôlées ; un peu comme un avion en papier. D’autres maquettes sont, quant à elles, radiocommandées par une personne au sol.

Des ingénieurs du Centre de recherche Langley de la NASA photographiés aux côtés de modèles réduits pour les essais de vol radiocommandés, en 1969
Des ingénieurs du Centre de recherche Langley de la NASA photographiés aux côtés de modèles réduits pour les essais de vol radiocommandés, en 1969 (Source : Image du domaine public fournie par la NASA).
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Voici une photo en couleur de quatre ingénieurs et de leurs modèles réduits destinés aux essais radiocommandés.
Les ingénieurs et les modèles réduits sont sur un grand lit de lac plat et asséché. Tu peux voir des collines au loin. Deux des hommes sont debout et deux autres hommes sont accroupis près des modèles réduits. Ils portent tous des chemises à boutons à manches courtes et des pantalons. L’un d’entre eux porte une casquette et deux d’entre eux portent des lunettes de soleil. Six modèles réduits destinés aux essais se trouvent sur le sol devant les ingénieurs. Ces modèles présentent tous une conception angulaire et en pointe. Ils sont de différentes couleurs, notamment blanc, orange, gris-vert et noir. Tout près des modèles d’essai, sur le sol, tu peux voir deux radiotélécommandes.

 

L’avion Arrow de la société Avro Canada

Lors de la conception de l’avion de chasse à réaction CF-105 Arrow dans les années 1950, la société Avro Canada était en territoire inconnu. L’Arrow était le tout premier avion supersonique à être conçu au Canada. À l’époque, il s’agissait aussi de l’une des conceptions d’avion les plus avancées au monde.

Une illustration d’artiste de l’Arrow CF-105 d’Avro Canada dessinée environ en 1955
Une illustration d’artiste de l’Arrow CF-105 d’Avro Canada dessinée environ en 1955 (Source : Office national du film du Canada. Photothèque / Bibliothèque et Archives Canada PA-111546).
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Voici une photo en noir et blanc d’un dessin d’artiste de l’Arrow d’Avro datant d’environ 1955. L’avion vole au-dessus des nuages, il monte du bas à droite vers le haut à gauche.
L’ Arrow est un avion de chasse dont la conception rappelle des triangles. Les ailes sont des triangles qui s’étendent vers l’arrière. La queue, le nez et même les fenêtres du cockpit sont triangulaires. Tu peux voir la grande ouverture, longue et rectangulaire, pour l’entrée d’air le long de l’une des ailes. Tu peux aussi voir des emblèmes de l'Aviation royale canadienne sur l’entrée d’air et sur les ailes. Il est écrit CF 201 sur le côté de l’avion.

 

L’Arrow a été conçu pour voler à Mach 2, c’est-à-dire à vitesse transsonique, soit environ 2 000 km/h à haute altitude. Cette vitesse était beaucoup plus élevée que ce que les souffleries aérodynamiques pouvaient simuler avec précision. Pour résoudre ce problème, les ingénieures et ingénieurs d’Avro ont dû trouver un autre moyen de collecter des données de vol à vitesse élevée entourant la performance, la stabilité et la traînée de l’Arrow à des vitesses supersoniques.

Des modèles d’essai en vol libre de l’Arrow ont donc été envoyés dans les airs à l’aide de fusées. Chaque modèle mesurait 2,7 mètres (9 pieds) de long, soit 1/8 de la taille de l’avion grandeur nature. Chaque modèle d’essai était fixé à un propulseur d’appoint de missile Nike-Ajax produisant une poussée de 490 N (50 000 lb.). Les propulseurs ont fait voler les modèles d’essai à une vitesse avoisinant Mach 2. La durée totale du vol était d’environ 30 secondes. Pendant le vol, la vitesse supersonique a été atteinte pour une durée d’environ 8 secondes.

Les ingénieures et ingénieurs d’Avro ont mis à l’essai les modèles sur le champ de tir de missiles de l’Établissement de recherches et de perfectionnement de l’armement à Point Petre, près de Picton, en Ontario. Entre 1954 et 1957, neuf de ces modèles ont été tirés au-dessus du lac Ontario. Deux autres modèles d’essai ont été lancés depuis la zone d’essais du Comité consultatif américain de l’aéronautique à Wallops Island, en Virginie. Malheureusement pour les ingénieures et ingénieurs d’Avro, ces essais n’ont pas permis de collecter beaucoup de données.

Les fusées et les modèles se sont comportés comme prévu. En revanche, les caméras et le radar censés suivre les modèles n’ont pas du tout fonctionné. Les seules données utiles collectées étaient la télémétrie des modèles d’essai. Les ingénieures et ingénieurs ont toutefois découvert l’importance d’avoir de bons instruments de tests pour collecter des données.

Le programme de l’Arrow CF-105 a pris fin le 20 février 1959. Les six avions Arrow qui avaient été construits ont été détruits. Aujourd’hui, il ne reste plus que le nez, les ailes extrêmes et le train d’atterrissage au Musée de l’aviation et de l’espace du Canada à Ottawa.

L'avion Arrow d’Avro en 1957
L'avion Arrow d’Avro en 1957 (Source : Image du domaine public fournie par le Gouvernement du Canada via Wikimedia Commons).
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Voici une photo en noir et blanc du lancement officiel de l’avion Arrow d’Avro. La photo est prise d’une vue à vol d’oiseau, probablement du haut d’un bâtiment à proximité. Le dessus de l’avion occupe la majeure partie de la photo. C’est un avion angulaire blanc clair. Tu peux voir des emblèmes de lAviation royale canadienne sur les ailes et le côté du fuselage. Il est inscrit RL 201 sur l’avion. Tout autour de l’avion, derrière une corde, tu peux voir une foule de personnes impatientes de voir le nouvel avion. À gauche, des dignitaires se trouvent sur une plateforme.

 

Les modèles d’essai en vol libre sont toujours là, perdus quelque part. À la fin de leur vol, les modèles d’essai continuaient de planer jusqu’à ce qu’ils sombrent dans les eaux du lac Ontario à environ 10 kilomètres de la rive. Récemment, plusieurs groupes ont tenté de retrouver et de récupérer ces modèles d’essai à l’aide de sonars et de caméras sous-marines. Jusqu’à présent, seuls les morceaux d’un modèle ont été récupérés. Les essais en vol libre des modèles de l’avion Arrow n’auront pas fourni les données que les ingénieures et ingénieurs espéraient collecter, mais ils ont caché des trésors qui attendent toujours d’être retrouvés dans le lac Ontario!

Les essais de moteurs-fusées

Lors de missions spatiales, les moteurs-fusées ne sont utilisés que pendant un court moment. Pourtant, le succès et la sécurité de chaque mission spatiale dépendent du bon fonctionnement de ces moteurs. Un moteur-fusée doit fonctionner aussi longtemps que nécessaire et fournir exactement la bonne poussée. Sans cela, l’engin spatial pourrait ne pas atteindre l’orbite souhaitée ou, pire encore, le moteur et la fusée pourraient exploser. Par conséquent, les moteurs-fusées subissent des tests très rigoureux.

Les ingénieures et ingénieurs de l’équipe de Wernher Von Braun au Centre des vols spatiaux Marshall, à Huntsville, en Alabama, faisaient partie des milliers de personnes qui ont travaillé sur le programme Apollo de la Lune des États-Unis.

Ce sont ces ingénieures et ingénieurs qui ont conçu le moteur-fusée F-1. Cinq de ces moteurs ont propulsé le premier étage de l’énorme fusée Saturn V de 110 m (363 pieds) qui enverrait des astronautes sur la Lune.

Le moteur-fusée F-1 était un énorme défi technique. Chaque moteur devait produire une poussée supérieure à 6,67 x 106 N (1,5 million de livres). En plus, la poussée devait aussi durer plus de 2 minutes et demie. Un moteur-fusée en marche consommait 3 tonnes de gaz propulseur à la seconde. Comme la fusée Saturn V comportait cinq de ces moteurs, elle brûlait donc 15 tonnes de gaz chaque seconde!

La conception et la construction d’un moteur de cette taille n’étaient qu’une partie du défi auquel les ingénieures et ingénieurs de la NASA étaient confrontés. Comment était-ce possible de tester un objet si gros et si puissant? Il fallait d’énormes plateformes d’essais! Ces plateformes d’essais devaient satisfaire plusieurs critères. D’abord, elles devaient être suffisamment solides pour résister à la force du moteur lorsqu’il est en fonction. En d’autres mots, elles devaient pouvoir garder le moteur en place. Ensuite, elles devaient pouvoir résister aux vibrations du bruit du moteur. Enfin, elles devaient être suffisamment grandes pour soutenir les énormes réservoirs de carburant du moteur.

Plusieurs plateformes ont été construites à Huntsville et à la base aérienne militaire Edwards en Californie au début des années 1960. Ces plateformes d’essais étaient essentielles pour aider les ingénieures et les ingénieurs à déceler et à résoudre les problèmes du moteur F-1.

Un moteur-fusée F-1 est mis à feu sur une plateforme d’essais à la base aérienne militaire Edwards, en Californie, en 1964
Un moteur-fusée F-1 est mis à feu sur une plateforme d’essais à la base aérienne militaire Edwards, en Californie, en 1964 (Source : Image du domaine public de la NASA via Wikimedia Commons).
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Voici une photo en couleur d’un moteur-fusée F-1 fixé à une plateforme d’essais en Californie en 1964. La plateforme est cette grande structure métallique dotée d’une ouverture au bas. Dans cette ouverture, tu peux voir le moteur-fusée F-1. Tu peux voir une traînée de feu orange et des nuages de gaz jaunes entre le moteur et le sol. Au sommet de la structure, tu peux voir deux grands réservoirs de carburant sphériques. Il semble aussi y avoir une grande grue au sommet de la structure.

 

Les essais effectués par les ingénieures et ingénieurs à Huntsville et ailleurs ont permis de créer un moteur qui frôle la perfection. Chacun des 65 moteurs utilisés pour le lancement de fusées Saturn V a fonctionné sans problème.

En conclusion

Bien avant qu’un nouvel avion ou engin spatial ne prenne son envol, les ingénieures et ingénieurs en aérospatial ont passé des milliers d’heures à mettre à l’essai la conception et les différentes composantes. Ces essais contribuent à améliorer et à rendre plus sécuritaires les voyages aériens et spatiaux.

En savoir plus

COMPRENDRE : Les fusées (2021)
Cette vidéo Youtube (5m 16s) par la chaîne Nat Geo France montre comment fonctionnent les fusées.

Avro Arrow (2019)
Page d’information sur L’Arrow CF-105 d’Avro Canada par L'Encyclopédie canadienne.

Soufflerie
Page wikipédia sur les installations d'essais utilisées en aérodynamique.

La soufflerie aéronautique la plus puissante du monde (2019)
Cette vidéo Youtube (1m 24s) par la chaîne aeronewstv qui donne aux téléspectateurs un aperçu de la soufflerie aéronautique la plus puissante du monde.

Test de parachutes pour une mission vers Mars
Page d’information provenant de Parlons sciences qui donne un aperçu sur les tests de parachutes en préparation d’une mission vers Mars.

Un prototype de l'avion Avro Arrow trouvé au fond du lac Ontario (2017)
Un article provenant de Radio Canada sur le prototype de l’Avro Arrow trouvé au fond du lac Ontario qui contribue à l'histoire de l'aviation.

Le repêchage de l'Avro Arrow
Une page provenant de Ingenium Canada avec plusieurs liens vers des articles concernant le repêchage de l'Avro Arrow.

Références

Boom (Aug 10, 2021). What Is Wind Tunnel Testing?

Chong, B. J. (Feb 7, 2007). Avro ArrowThe Canadian Encyclopedia.

Hall, N. (May 13, 2021). Wind Tunnel TestingNASA.

Hitt, D. (Apr 5, 2017). What Are Wind Tunnels? NASA Knows!

Young, A. (2008). The Saturn V F-1 Engine: Powering Apollo into History. Chichester, United Kingdom; Praxis Publishing House.