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Tests pour la sécurité aérienne

B-58 Hustler en vol

B-58 Hustler en vol (US Air Force, Wikimedia Commons)

B-58 Hustler en vol

B-58 Hustler en vol (US Air Force, Wikimedia Commons)

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Découvrez quelques-unes des façons dont les avions et les engins spatiaux sont testés.

L'avion est de loin le moyen de transport le plus sûr. Cela s'explique par le fait que l'industrie aéronautique et les agences gouvernementales qui supervisent le transport aérien travaillent très dur pour s’en assurer. Les ingénieurs et ingénieures en aérospatiale effectuent de nombreux tests sur les avions et les vaisseaux spatiaux avant leur mise en service. Voyons de plus près en quoi consistent ces tests.

Des ours supersoniques !

Parfois, les essais de vol peuvent être très dangereux. Si dangereux que ce n’est pas sécuritaire pour les humains. Alors comment s'assurer que les avions sont sûrs ? Une façon de le faire est d'utiliser des substituts pour les personnes. Examinons quelques options disponibles.

Pour sortir rapidement d'un avion de chasse, la plupart ont des sièges éjectables. En cas d'urgence, un siège éjectable est propulsé hors de l'avion par une charge explosive ou un moteur-fusée, emportant le ou la pilote avec lui. Vous pouvez imaginer à quel point un tel siège serait dangereux s'il ne fonctionnait pas correctement !

Les sièges éjectables peuvent être encore plus dangereux lorsque l'avion vole à des vitesses supersoniques.

Le premier bombardier à réaction supersonique était le Convair B-58 Hustler. Il volait à environ Mach 2 (environ 2 000 km/h ou 1 320 MPH) et à une altitude d'environ 18 000 m (60 000').

A Convair B-59 Hustler supersonic bomber in flight
Un bombardier supersonique Convair B-59 Hustler en vol (Source : Image du gouvernement américain du domaine public via Wikimedia Commons).
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La photographie en noir et blanc montre un grand avion à réaction argenté, aux lignes pures, volant de gauche à droite dans un ciel clair. Il a un long nez pointu, une grande aile en forme de triangle et une grande queue à l'arrière de l'avion. Le nez et la queue de l'avion sont rouges avec un grand chevron blanc. Il y a quatre gros moteurs à réaction sous l'aile, et un conteneur détachable avec un nez pointu et quatre ailerons à l'arrière sous l‘avion. Sur le côté du nez sont imprimés les mots « Convair » et « B-58 », ainsi qu'un insigne américain.

 

À l'époque, les gens s'inquiétaient de ce qui arriverait à l'équipage s'il devait quitter l'avion alors qu'il volait aussi vite et aussi haut. On craignait qu’avec des sièges éjectables ordinaires, la force du courant d'air supersonique tuerait presque certainement l'équipage dès qu'il s’éjecterait de l'avion.

Pour résoudre ce problème, les ingénieurs de la Stanley Aviation Company ont conçu des capsules de sauvetage individuelles pour les trois membres d'équipage de l'avion.

Chaque capsule était entièrement fermée et maintenue à la pression interne appropriée. Cela permettait de protéger les membres d'équipage de l'environnement extrême dans lequel ils pouvaient être lancés. La capsule était également équipée de son propre oxygène, de sa nourriture et de son eau. Elle pouvait même servir de bateau si elle atterrissait dans l'eau.

Ground testing of the B-58’s escape capsule system, 1962
Essais au sol du système de capsule d'évacuation du B-58, 1962 (Image du domaine public du National Museum of the United States Air Force).
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La photographie en noir et blanc montre un grand avion à réaction argenté, aux lignes pures, assis sur une piste dans le désert, avec un ciel dégagé derrière lui. L'avion a un long nez pointu, une grande aile en forme de triangle et une grande queue à l'arrière de l'avion. Le nez et la queue de l'avion sont rouges avec un grand chevron blanc. Quatre gros moteurs à réaction se trouvent sous l'aile. Sur le côté du nez sont imprimés les mots « Convair » et « B-58 », ainsi qu'un insigne américain. Il y a quatre grues et quelques échafaudages sur le sol autour de l'avion. Le milieu de l'avion est couvert de fumée blanche. On voit la capsule, une forme ovale sombre dans le coin supérieur droit de la photo, avec de la fumée foncée qui s'en échappe à partir du haut de l'avion.

 

Mais avant de pouvoir être utilisé avec des personnes, il fallait d'abord le tester. Des mannequins humains équipés de capteurs ont été utilisés pour certains tests. Mais les ingénieurs avaient encore besoin de savoir ce que l'éjection à des vitesses supersoniques ferait à un être vivant. Les ingénieurs ont commencé avec des chimpanzés et ont obtenu quelques données utiles, mais ce n'était pas encore suffisant. Ils voulaient tester la capsule avec un animal dont la taille et la forme étaient plus proches de celles de l'homme. Pour cela, ils se sont tournés vers des pilotes d'essai improbables : des ours noirs.

[Vidéo - en anglais, sous-titres français disponibles] 
Live Bear Ejected From a Supersonic Fighter Jet Experiment (2020) par Dark Footage (5min 48sec)

Pour accéder aux sous-titres avec votre souris, cliquez sur les paramètres suivants avec sous-titres et choisissez l'option française.

Le 21 mars 1962, une ourse noire de deux ans nommé Yogi est devenu le deuxième être vivant à survivre à l'éjection d'un avion volant à des vitesses supersoniques. Pour garder son calme, Yogi a été légèrement endormie pour le test. Elle s'est éjectée d'un B-58 volant à une vitesse de Mach 1,3 (1 300 km/h ou 850 MPH) et à une altitude de 10 700 mètres (35 000 pieds). Elle a atterri en toute sécurité 7 minutes et 49 secondes plus tard.

Big John était un autre ours noir qui a été éjecté d’un B-58. Il a été éjecté à une vitesse et une altitude encore plus élevées. Toutefois, son voyage n'a pas été aussi facile que celui de Yogi. Sa capsule a culbuté en vol et a atterri durement. Big John a subi quelques fractures et des blessures internes, mais il s'est complètement remis. Aucun des ours n'a effectué plus d'un vol d'essai.

Les résultats de ces tests ont aidé à perfectionner la conception de la capsule de sauvetage. Ils ont également conduit à la la confiance nécessaire à laisser un humain essayer la capsule de sauvetage en vol. Bien que seuls quelques types d’avions utilisaient des capsules de sauvetage, cette idée était une bonne solution pour protéger les équipages qui pilotaient ce type d'appareils.

De tels tests ne seraient pas réalisés aujourd'hui, car les réglementations relatives aux droits des animaux sont beaucoup plus strictes. Les tests seraient probablement réalisés à l'aide de modèles informatiques et de simulateurs.

Le saviez-tu ?

George F. Smith, pilote d'essai de North American Aviation, est la première personne à survivre à l'éjection d'un avion à une vitesse supersonique. Il a effectué une éjection d'urgence d'un F-100 Super Sabre à Mach 1,05 le 26 février 1955. Il a été très gravement blessé au cours de l'opération. 

Essais en vol de la navette spatiale

Les premiers vaisseaux spatiaux habités ont été testés lors de vols non habités avant de voler avec des humains à bord. Cela n'était possible avec la navette spatiale. Ce vaisseau spatial fut alors lancé comme une fusée et est retombé sur Terre comme un planeur.

De nombreux essais en soufflerie ont été réalisés avec des modèles de la navette spatiale. Mais personne ne savait vraiment comment serait le pilotage la navette spatiale une fois qu'elle revendrait dans l'atmosphère terrestre pour atterrir. 

Les ingénieurs de la NASA ont eu une idée audacieuse pour faire voler la navette spatiale sans l'envoyer dans l'espace. Un Boeing 747 spécialement modifié avait déjà été construit pour transporter la navette spatiale depuis ses sites d'atterrissage jusqu'au Centre spatial Kennedy. Pourquoi ne pas utiliser ce 747 pour transporter une navette spatiale dans les airs, puis la laisser revenir au sol par ses propres moyens ?

Cela posait de nombreux problèmes. Tout d'abord, le 747 devait voler de manière très précise pour que la navette spatiale puisse s'en séparer en toute sécurité. Le 747 devait faire un plongeon afin de libérer la navette. Puis, tout en plongeant, le 747 devait lentement s'éloigner de la navette. Techniquement, le 747 était largué par la navette spatiale ! 

Un autre problème était d'avoir deux très gros avions volant si près l'un de l'autre. Personne ne savait comment l'air se déplaçant autour des deux avions affecterait le vol. Les gens craignaient donc que les deux avions entrent en collision. Mais finalement, la NASA a décidé qu'il n'y avait pas d'autre moyen de donner aux pilotes d'essai l'expérience du pilotage et de l'atterrissage de la navette spatiale.

Essais d'approche et d'atterrissage Documentaire cinématographique du Centre de recherche sur le vol Armstrong de la NASA (4min 27sec)

Cinq essais d'approche et d'atterrissage ont été effectués au-dessus du désert californien sur la base aérienne d'Edwards en 1977.

Le cinquième vol d'essai a révélé un problème potentiellement dangereux avec le système de contrôle de vol, mais la navette Enterprise a pu atterrir en toute sécurité.

Les données de ces tests ont aidé les ingénieurs à perfectionner le système de contrôle de vol de la navette spatiale. Elles ont également permis aux pilotes d'élaborer des procédures de pilotage de la navette spatiale.

Tous ces tests ont porté leurs fruits. Au cours de 135 missions, aucune navette spatiale n'a eu d'accident à l'atterrissage.

The space shuttle Enterprise separates from the Boeing 747 during an Approach and Landing Test, October 12, 1977
La navette spatiale Enterprise se sépare du Boeing 747 pendant un test d'approche et d'atterrissage, le 12 octobre 1977 (Source : image du domaine public de la NASA).
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La photo montre un grand avion à réaction argenté volant de droite à gauche avec un grand avion-fusée blanc au-dessus de lui, dans le ciel bleu au-dessus d'un désert montagneux. L'avion à réaction est légèrement orienté vers le bas. Deux moteurs argentés en forme de tonneau sont visibles sous l'aile gauche, et il y a des bras de suspension sur le dessus de l'avion. De nombreuses petites fenêtres sont visibles sur le côté de l'avion. À l'avant de l'avion, le toit est bombé, avec des fenêtres pour les pilotes à l'avant. Une bande blanche rouge, blanche et bleue court sur le côté de l'avion, avec le mot «NASA» imprimé en rouge sur la queue, et le numéro « 905 » dessous. L'avion-fusée se trouve juste au-dessus de l'avion argenté. Il est environ deux fois moins long que l'avion argenté, et son nez et son ventre sont noirs. Le mot « United States » est imprimé en noir sur le côté de l'avion-fusée, juste au-dessus de l'aile. Trois gros moteurs de fusée noirs, en forme de cône, se trouvent à l'arrière de l'avion-fusée.

 

Apprendre des accidents

Les avions et les vaisseaux spatiaux font partie des machines les plus complexes jamais construites. Vous pouvez imaginer que si un système ne fonctionne pas correctement, des choses terribles peuvent se produire. C'est pourquoi l'ingénierie aérospatiale implique de nombreux plans et tests. Ce qui ne veut pas dire que les accidents n'arrivent pas.

Lorsque des accidents se produisent, les ingénieurs et ingénieures se mettent rapidement au travail pour essayer de comprendre ce qui s'est passé. Ils et elles proposent ensuite des moyens d'éviter que des accidents similaires ne se reproduisent.

Le saviez-tu ?

Les pays du monde entier ont des organismes qui enquêtent sur les accidents d'avion. Au Canada, le Bureau de la sécurité des transports est chargé d'enquêter sur tous les accidents de transport.

Les catastrophes des comètes

L'aviation fait souvent appel à de nouvelles technologies. Mais parfois, les problèmes liés aux nouvelles technologies ne sont pas vraiment compris avant que des accidents ne se produisent.

Par exemple, la Grande-Bretagne a construit le premier avion à réaction commercial du monde en 1949. Il s'agissait du de Havilland Comet. Le Comet volait beaucoup plus vite et plus haut que tout autre avion de ligne de l'époque. Il était également beaucoup plus silencieux et plus confortable pour les passagers. Il semblait que la Grande-Bretagne serait le leader mondial des avions de ligne pour les années à venir. Puis, au début de 1954, le monde est choqué par deux accidents de Comet qui tuent toutes les personnes à bord.

De Havilland Comet
De Havilland Comet (Source : Imperial War Museum [ IWM Non-Commercial Licence]).
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La photographie en noir et blanc montre un grand avion de ligne aux lignes épurées, assis sur une piste, avec un ciel nuageux derrière lui. À droite de l'avion se trouve un bâtiment de trois étages surmonté d'antennes. L'avion a un nez élégant et arrondi avec des fenêtres pour l'équipage à l'avant. Il y a une rangée de fenêtres le long du côté de l'avion, à l'intérieur d'une bande sombre qui court au milieu du côté de l'avion. En dessous de la bande, l'avion est argenté, et au-dessus de la bande, l'avion est blanc. Les lettres « B O A C » sont imprimées au-dessus des fenêtres, au milieu de l'avion. Il y a deux ouvertures ovales pour les moteurs à réaction dans l'aile droite, juste à côté du corps.

 

Une grande enquête a été lancée pour déterminer la cause de ces deux accidents. Des caméras vidéo sous-marines ont été utilisées pour la première fois afin de localiser l'épave du premier avion qui s'est écrasé. La marine royale a récupéré une grande partie de l'épave pour l'analyser.

Entre-temps, un Comet complet a été doté d'un réservoir d'eau construit autour de son fuselage afin que l'avion puisse être testé. L'eau était pompée dans et hors de l'avion. Cela simulait les pressions que le fuselage subissait lors de vols répétés.

Après 3 060 vols simulés, de grandes fissures sont apparues dans le fuselage autour de la trappe d'évacuation avant. L'examen de l'épave de l'avion a montré des fissures similaires autour d'une des fenêtres.

Comet Test (Image tirée de la vidéo The Comet Test (2015) de British Movietone (55 s) sur YouTube).
Comet Test (Image tirée de la vidéo The Comet Test (2015) de British Movietone (55 s) sur YouTube.

Les enquêtes ont donc conclu que le métal s'était rompu après avoir été soumis à des contraintes dues à la pressurisation et à la dépressurisation répétées du fuselage. Ces changements de pression se produisaient lorsque l'avion montait et descendait de son altitude de croisière de 12 000 mètres (40 000 pieds). D'autres caractéristiques de conception, comme la méthode de rivetage et les fenêtres carrées de la cabine, ont également contribué à l'accident. La principale leçon tirée de ces accidents est que l'usure du vol peut affecter le métal utilisé dans les avions. Cette leçon a influencé la conception de tous les avions de compagnies aériennes qui ont suivi.

Tests de collision

Les accidents analysés ne sont pas toujours de réels accidents impliquant des passagers. Parfois, la seule façon de comprendre ce qui se passe lorsqu'un avion s'écrase est de le faire s'écraser volontairement. Les essais de choc (crash-testssont des expériences précisément contrôlées. Ils permettent aux ingénieurs et ingénieures d'observer le comportement de la structure et des systèmes d'un avion lorsqu'il s'écrase au sol. Ces tests sont très soigneusement planifiés, car bien souvent, nous n’avons qu’une seule occasion de collecter ces précieuses données !

L'un des crash-tests les plus célèbres fut la démonstration d'impact contrôlé. Ce test consistait à faire s'écraser un véritable avion de ligne Boeing 720 dans le désert californien. L'avion était piloté à distance et il y avait 113 « passagers », qui étaient des mannequins.

La NASA et l'Administration fédérale de l'aviation américaine ont effectué ce test le 1er décembre 1984.

The ‘passengers’ for the Controlled Impact Demonstration on board the Boeing 720
Les « passagers » de la démonstration d'impact contrôlé à bord du Boeing 720 (Source : Image du domaine public de la NASA via Wikimedia Commons).
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Cette photo en couleur a été prise à l'intérieur d'un avion de ligne, en regardant vers l'arrière de l'appareil. L'avion est rempli de rangées de sièges rouges, avec un passage au centre et chaque rangée a trois sièges de chaque côté. La plupart des sièges sont occupés par des mannequins de taille adulte portant des pantalons et des chemises de couleur beige, mais le siège avant, au milieu de la photo, est occupé par un mannequin de taille enfant. Des câbles courent le long du plancher et des instruments de test sont visibles à l'arrière de l'avion. Les fenêtres de l'avion sont visibles à côté des sièges extérieurs.

 

Il a fallu quatre ans pour préparer le test. Il avait trois objectifs :

  1. Pour tester un carburant kérosène anti-buée, censé avoir moins de chance de prendre feu en cas de crash;
  2. Collecter des données sur la manière dont la conception des aéronefs affecte les chances de survie des passagers et de l'équipage en cas d'accident ; et
  3. Tester l'efficacité des ceintures de sécurité et des fixations des sièges pour les passagers des avions de ligne.

Outre le carburant spécial qui était testé, un certain nombre d'améliorations de la sécurité de la cabine étaient également à bord. Il s'agissait notamment de fenêtres et de matériaux intérieurs résistants au feu et d'enregistreurs de données de vol résistants aux chocs. 

Le saviez-tu ?

C'était la première fois qu'un avion à réaction quadrimoteur était piloté par télécommande.

Lors du test, l'avion était censé s'approcher d'une piste avec le train d'atterrissage relevé. Il devait ensuite voler très bas entre deux séries de poteaux en acier. Les poteaux d'acier devaient ouvrir les ailes et laisser sortir le carburant. L'avion devait ensuite déraper jusqu'à l'arrêt. Les ingénieurs espéraient qu'il se poserait de manière à ce que la plupart des passagers puissent survivre. Pour enregistrer ce qui s'est passé, l'avion a été équipé de capteurs et des caméras à haute vitesse ont été utilisées pour filmer le crash au ralenti. Cela a permis aux d'étudier en détail ce qui s'est passé pendant le crash.

This sequence of photos shows the crash of the Boeing 720 during the Controlled Impact Demonstration
Cette séquence de photos montre le crash du Boeing 720 lors de la démonstration d'impact contrôlé (Source : Image du domaine public de la NASA via Wikimedia Commons).
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Il s'agit d'une série de six photographies en couleur montrant un grand avion de ligne à réaction testé au-dessus d'une piste dans un désert. L'avion est un gros avion à réaction avec des ailes en flèche et deux réacteurs en forme de tube sous chaque aile. Les ailes et le haut de l’avion sont blancs, le ventre est argenté et une bande rouge court sur le côté de l'avion. Une série de fines bandes noires court de haut en bas sur le côté de l'avion. Sur chaque photo, l'avion se déplace de droite à gauche.
Sur la photo en haut à gauche, l'avion vole à basse altitude au-dessus du désert et du bout de la piste. Il y a des lignes noires sur le sol du désert et le bout de la piste, et un groupe de six grandes lames métalliques se trouve au bout de la piste.
Sur la photo en haut à droite, l'avion vient de toucher le sol du désert. L'aile gauche touche le sol, et un nuage de poussière traîne derrière l'avion.
Sur la photo du milieu à gauche, l'avion glisse sur le sol du désert et est sur le point de heurter les lames métalliques en bout de piste. Un grand nuage de poussière traîne derrière l'avion.
Sur la photo du milieu à droite, l'avion commence à glisser le long de la piste. Il y a du feu provenant du milieu de l'avion, et les lames de métal peuvent être vues à travers la poussière derrière l'avion.
Sur la photo en bas à gauche, la plus grande partie de l'avion est dans une grande boule de feu sur la piste, avec juste l'aile droite visible pointant vers le haut à travers la boule de feu. Une épaisse fumée noire s'échappe derrière la boule de feu.
Sur la photo en bas à droite, la boule de feu couvre la majeure partie de la piste, avec une partie de l'aile droite pointant vers l'avant hors de la boule de feu, touchant presque la piste. Une fumée noire dense recouvre le côté droit de la piste derrière la boule de feu.

Le test ne s'est pas déroulé exactement comme prévu... Alors que l'avion s'approchait de la piste, le nez de l'appareil a commencé à dévier (en lacet) vers la gauche. L'aile gauche a donc touché le sol plus tôt que prévu. Lorsque l'avion a heurté les poteaux, ceux-ci ont déchiré le fuselage, et l'avion s'est enflammé. Le test du kérosène non explosif avait manifestement échoué. Malgré la boule de feu, les enquêteurs pensent qu'environ 26 à 28 des mannequins auraient survécu au crash et à l'incendie. Néanmoins, les données collectées lors du test ont été très utiles et ont conduit à la construction de nombreux avions de ligne plus sûrs.

Conclusion

Les essais jouent un rôle très important dans l'ingénierie aérospatiale, car la vie des gens est en jeu. Les ingénieurs et ingénieures en aérospatiale utilisent toutes sortes de tests innovants pour faire voler les avions plus haut, plus vite, plus loin et plus sûrement. Grâce à leurs efforts, le transport aérien est le moyen le plus sûr et l'un des plus excitants pour voyager.

En savoir plus

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Cette vidéo sans son (47sec) montre un vol de démonstration à impact contrôlé.

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Références

Aviation Safety Network (n.d.). de Havilland DH-106 Comet 1 (19540110-1)Flight Safety Foundation.

Curry, M. (Feb 6, 2002). Space Shuttle Approach and Landing Tests (ALT)NASA: Dryden Flight Research Center.

Goyer, I. (Oct 26, 2021). Why Did The de Havilland Comet Jet Airliner Keep Crashing? Plane & Pilot.

Royal Air Force Museum (n.d.). Comet - The First Jet Airliner