Le retour des vols supersoniques commerciaux Le retour des vols supersoniques commerciaux

de Gilles Bordet

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Le 31 mai 2003 le « plus bel avion du monde » effectuait son dernier vol commercial, un vol Paris-New-York sous les couleurs d'Air France. Après une escale de quelques heures c'est avec les hommages sous un dernier « water salute » qu'il prit son envol pour une retraite bien méritée.

L'Overture de Boom Supersonic se veut le digne successeur du Concorde. Il devrait rentrer en service en 2029 et volera uniquement avec du carburant vert.
L'Overture de Boom Supersonic se veut le digne successeur du Concorde. Il devrait rentrer en service en 2029 et volera uniquement avec du carburant vert.
(Source : Boom Supersonic)

Le « plus bel avion du monde », ou encore « l'oiseau blanc », vous l'aurez compris c'est le Concorde. Le premier et jusqu'à aujourd'hui le dernier avion civil supersonique, et même bisonique, de transport de passagers en service opérationnel au monde. Cet emblématique aéronef est à l'aviation civile ce que le Lockheed SR-71 Blackbird est à l'aviation militaire, un avion légendaire détenteur de records encore invaincus malgré son âge plus que vénérable. Si sur un plan purement technique le Concorde est une véritable « success story », commercialement parlant son exploitation n'a jamais été rentable pour diverses raisons. Aujourd'hui plusieurs fabricants, Boom Technology en tête, veulent relancer l'exploitation commerciale des vols supersoniques. Mais 53 ans après le premier vol de Concorde, les problèmes à surmonter restent strictement les mêmes qu'à l'époque, et la viabilité économique de ces projets est aussi risquée aujourd'hui qu'hier.

Consommation, bruit, emport limité, ces limitations propres aux supersoniques

Plusieurs limitations ont toujours rendu l'exploitation de Concorde, par Air France comme par British Airways, économiquement déficitaire. Il y a eu d'abord les restrictions émises par les États-Unis, interdisant au Concorde de survoler et de se poser sur le territoire américain. Les raisons invoquées concernaient le bruit et l'impact environnemental. Bien que vrais, ces arguments étaient avant tout des excuses de façade pour cacher l'immense amertume laissée par le constat d'échec de l'industrie aéronautique américaine face au consortium européen BAC/Sud-Aviation.

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Mais pour autant, les reproches faits à Concorde n'étaient pas tous vides de sens, à commencer par les très importantes nuisances sonores générées par cet avion, et son impact environnemental à son altitude de croisière dans la startosphère. Car il ne faut pas l'oublier, « le bel oiseau blanc » est bien plus proche d'un bombardier nucléaire supersonique tel que le Convair B-58 Husler ou l'incroyable North American XB-70 Valkyrie, que d'un Boeing 747 ou d'une Caravelle de Sud-Aviation.

L'utilisation de la post-combustion lors des phases de décollage génère énormément de bruit et le bang supersonique reste un problème récurrent. La consommation élevée de carburant, l'emport limité de passagers et les importants coûts de maintenance rendent l'exploitation des supersoniques civils peu rentable. Pour terminer, la pollution engendrée par ces avions dans une couche encore passablement préservée de notre atmosphère n'est plus en adéquation avec les critères environnementaux actuels.

Le bang supersonique, une limitation extrêmement contraignante
Focus

Tous les habitants des territoires survolés par un aéronef qui vole à plus de Mach 1 entendront le fameux bang supersonique (en réalité il s'agit d'un double bang). Donc contrairement à ce que beaucoup d'entre nous pensent, le bang supersonique n'est pas une détonation unique qui se produit à Mach 1 mais une série continue de déflagrations qui dure tant que l'avion maintient sa vitesse au-dessus de celle du son. Pour ceux qui n'auraient jamais eu l'occasion d'entendre un bang supersonique, on peut facilement le résumer à cette analogie. Le bang c'est le craquement puissant et sec de la foudre. Ensuite, plus l'avion s'éloigne et plus le bruit est perçu comme le grondement du tonnerre.

Voilà pourquoi il ne suffit pas de passer le mur du son au-dessus de l'océan et d’opérer ensuite un demi-tour pour traverser un continent en silence comme un vol commercial subsonique. Et c'est bien cette contrainte qui posa le plus de problèmes aux exploitants du Concorde, le limitant à des vols transatlantiques, les océans étant par définition inhabités. Les vols continentaux se faisaient obligatoirement à vitesse subsonique, ce qui mettait le Concorde en concurrence direct avec les avions de ligne subsoniques bien plus rentables dans ce domaine de vol.

L'industrie aéronautique civile se trouve-t-elle donc confrontée à une limite physique au demeurant infranchissable ? Et bien non ! Aussi étonnant que cela puisse paraitre, il est possible de diminuer ce bruit dans des proportions nettement suffisantes pour autoriser de futurs survols de territoires à haute densité de population. Ce projet, en cours de développement aux Skunk Works de Lockheed Martin pour le programme Low-Boom Flight Demonstrator de la NASA, a été baptisé X-59 QueSST (Quiet Supersonic Transport). Comme le X de son nom l'indique, il s'agit d'un avion expérimental n'ayant pas vocation à être commercialisé, mais qui servira de banc de tests pour des technologies visant à réduire le niveau sonore perçu au sol. Il devrait faire son premier vol d'essai d'ici la fin de l'année et entamer les premières expériences sur le bang supersonique en 2023. Sa vitesse de Mach 1,42 (1510 km/h) n'est pas extraordinaire par rapport au Concorde, mais son altitude de croisière de 16 800 m est très similaire à celle de « l'oiseau blanc » qui pouvait voler entre 1 000 et 18 000 m. Ce paramètre est très important car le niveau sonore perçu au sol dépend également de l’altitude à laquelle vole un avion supersonique.

Les solutions misent en œuvre par Lockheed Martin pour le X-59 afin de réduire le fameux bang supersonique sont principalement aérodynamiques. Sa forme particulière avec son nez représentant 1/3 de sa longueur totale fait penser au Shinkansen, ce train à grande vitesse japonais dont l'appendice « nasal » est inspiré du bec du martin pêcheur. Les ingénieurs en aéronautique de chez Lockheed Martin prévoient une atténuation de l'ordre de 30 dB par rapport au Concorde. Cela peut paraitre peu, mais il ne faut surtout pas oublier que l'échelle de progression des décibels est logarithmique. Pour exemple, lorsque l'intensité d'un son double, son niveau ne s'élève que de 3 dB et inversement, si l'intensité est divisée par deux son niveau baisse de 3 dB.

Pour leurs mesures, les ingénieurs du Skunk Works de Lockheed Martin comme ceux de la Nasa n'utilisent pas comme unité le décibel pondéré A ou C mais le PLdB pour « Perceived Decibel Level », que l'on peut comparer au froid ressenti. Lockheed Martin annonce une intensité sonore maximale au niveau du sol de 75 PLdB ! Soit l'équivalent, là encore en pondération A, de l'habitacle d'un véhicule automobile, du bruit perçu par le passager d'un train ou encore de la sonnerie d'un téléphone. Cette valeur tout à fait raisonnable, même s'il faudra la comparer à des mesures réelles depuis le sol et en dB(A), et bien en deçà des très nombreuses mesures effectuées avec le Concorde et qui pouvaient atteindre les 130 dB(A). À ce niveau, largement au-dessus du seuil de douleur, les lésions auditives sont irréversibles.

Si ce projet aboutit, il pourrait ouvrir la voie aux survols continentaux à vitesse supersonique, ce qui rendrait enfin économiquement viable le transport aérien de passagers à grande vitesse. Auteur : Gilles Bordet

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Turbofan : le moteur taillé pour le transport civil et militaire subsonique

La différence fondamentale entre la totalité des avions de transports civils et les supersoniques civils comme militaires réside dans la motorisation. Les avions commerciaux sont équipés de turbofan, des turboréacteurs à double-flux avec un taux de dilution très élevé. Une part importante de la poussée est générée par la soufflante, une sorte d'immense hélice carénée, mise en rotation par le réacteur. Dans un turbofan de dernière génération, la poussée engendrée par le flux d'air froid généré par la soufflante procure l'essentiel de la poussée. On pourrait très bien remplacer le turboréacteur par un moteur électrique et obtenir un résultat très similaire. C'est ce que propose la société américaine Wright Electric avec son moteur Wright 1 de qualité aéronautique de 2 MW, apte à motoriser un avion de ligne.

Avec un réacteur à double-flux, plus le taux de dilution est élevé et plus la quantité d'air généré par la soufflante est importante. Cette caractéristique rend les turbofans silencieux avec une faible consommation spécifique de carburant. Ces moteurs sont parfaitement adaptés aux avions de transport civil ou militaire mais peu ou pas pour une utilisation en vol supersonique. À cause de leur imposante soufflante, ces moteurs ont un diamètre important de l'ordre de 2 m, ce qui impose un montage en pod sous les ailes, configuration standard sur les avions de transport.

La post-combustion : technologie jusqu'à présent essentielle aux vols supersoniques

A contrario, les turboréacteurs qui équipent les avions de chasse, et de manière générale la totalité des supersoniques, sont des moteurs de plus petits diamètres. La grande différence repose dans le fait qu'un turboréacteur à simple flux génère la totalité de sa poussée par l'éjection de gaz chaud issu de la combustion d'un carburant, généralement du kérosène. Ils sont dits à simple flux et ne possèdent donc pas de soufflante, d'où leur diamètre réduit. Mais tous les turboréacteurs militaires ne sont pas forcément à simple-flux. Beaucoup utilisent aujourd'hui la technologie à double-flux mais avec des taux de dilution très faibles, comme le GE F-110 qui équipe les F-16 et les F-15. Ce turboréacteur double corps à double flux avec postcombustion de 1,2 m de diamètre est parfaitement adapté au vol supersonique. Le petit diamètre de ces moteurs permet leur intégration dans la cellule, comme c'est le cas avec la majorité des avions de combat.

La seconde différence avec les turbofans, celle qui permet le vol supersonique, c'est la réchauffe ou post-combustion (PC) dénommée « Afterburner » ou « Reheat » en anglais. Le procédé est très simple et consiste à injecter et enflammer du kérosène grâce à une série d'injecteurs annulaires positionnés après la turbine dans le tube de réchauffe. Cet ajout supplémentaire de carburant aux gaz d'éjection permet d'augmenter la vitesse de ces derniers et donc la poussée du réacteur. Il devient alors possible de passer le mur du son mais également d'obtenir une poussée supplémentaire lors du décollage ou en combat aérien.

Si cette poussée supplémentaire permet de propulser des aéronefs à des vitesses bi- et même trisoniques, elle génère une importante augmentation du bruit et de la consommation de carburant. Son efficacité, pour les turboréacteurs militaires, est impressionnante et autorise une poussée qui peut atteindre 150 % de la poussée nominale à sec du moteur. Mais, revers de la médaille, son utilisation ne peut généralement pas dépasser les dix minutes à cause de l'augmentation de la consommation et des contraintes thermiques. Les vols prolongés avec post-combustion nécessitent d'emporter des quantités importantes de carburant et de nombreux ravitaillements en vol, ce qui limitent leurs applications au domaine militaire.

L'obligation d'utiliser la post-combustion au décollage rend cette phase extrêmement bruyante. Ce problème reste une contrainte importante pour une application commerciale des moteurs avec PC.

Super croisière : la solution élégante pour les vols supersoniques

Bien qu'essentielle au Concorde pour atteindre sa vitesse de croisière de mach 2,02 (2145 km/h), la post-combustion du turboréacteur Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 n'augmentait la poussée à sec que de 18 %, ce qui est peu par rapport aux turboréacteurs militaires. Ce gain de poussée limité était toutefois suffisant pour les phases de décollage et d'accélération transsonique. Concorde utilisait la réchauffe au décollage et entre Mach 0,9 et Mach 1,7. Ensuite, l'Olympus 593 était capable de soutenir la super croisière à Mach 2,02.

La super croisière, c'est la capacité d'un avion à soutenir un vol prolongé à des vitesses supersoniques sans l'utilisation de la post-combustion. C'est donc une solution intéressante lorsqu'un aéronef doit évoluer plusieurs heures à des vitesse supersoniques, tout en conservant une allonge suffisante pour un vol long-courrier sans ravitaillement. Le Concorde a passé plus de temps en super croisière que n'importe quel autre appareil au monde. Mais cette capacité nécessite des performances aérodynamiques exceptionnelles ainsi que des moteurs disposant d'une poussée à sec déjà très importante.

La super croisière est également une des caractéristique importante des avions de chasse de 4e et 5e génération. Aujourd'hui, l'avion en service le plus rapide en super croisière est le F-22 Raptor de Lockheed avec Mach 1,5.

« Overture » : l'avion qui se verrait bien calife à la place du calife

Le seul candidat sérieux à la succession du Concorde, l'Overture de la société américaine Boom Technology Inc. plus connue sous son nom commercial de Boom Supersonic, reprend nombre de caractéristiques propres au Concorde. Si plus de 50 ans séparent les deux projets, l'Overture se trouve confronté aux mêmes difficultés que son illustre prédécesseur. D'ailleurs, ce projet ne résout pas toutes les limitations liées aux vols supersoniques comme celle du « bang » supersonique.

La force du projet de Boom vient des compagnies aériennes qui se sont déjà engagées commercialement. Le 16 août dernier, American Airlines a annoncé avoir passé commande pour 20 appareils avec une option pour 40 unités supplémentaires. L'année précédente, c'est United Airlines qui passait commande pour 15 avions avec une option d'achats pour 35 jets supplémentaires. D'autres compagnies aériennes avaient également déjà pris des options dès 2016, comme Virgin Group ou Japan Airlines. Fin 2017, le fabricant avait recueilli 76 engagements pour la commande de ce nouveau supersonique.

Avant de pouvoir à nouveau profiter de vols supersoniques commerciaux, il faudra que le prototype du démonstrateur technologique Boom XB-1 à l'échelle un tiers effectue son premier vol. Ce démonstrateur tri-réacteurs est équipé de moteurs bien connus en Suisse, les General Electric J-85 qui équipent nos F-5 Tiger II, un petit turboréacteur militaire équipé de la post-combustion. Le Boom XB-1 doit valider en vol les milliers d'heures de tests effectués en soufflerie sur la voilure delta développée par Boom. La voilure delta est considérée comme le meilleur compromis lorsque qu'il s'agit d'atteindre des vitesses élevées tout en assurant une bonne maniabilité à vitesse subsonique. Elle permet également de stocker plus de carburant que dans une voilure classique.

Trouver une motorisation appropriée reste un grand défi

Quant à la motorisation de l'Overture elle devrait faire appel à des turboréacteurs à double flux sans post-combustion pour une vitesse de croisière de Mach 1,7 (1800 km/h) au-dessus des océans et de Mach 0,94 au-dessus des terres. Même pour une société privée aussi innovante et dynamique que Boom Supersonic, le problème de la motorisation reste toujours complexe à résoudre. Historiquement, les fabricants d'aéronefs ne fabriquent pas leur propre motorisation et font appel à des motoristes. Après s'être tournée vers différents fabricants, Boom a trouvé avec Rolls-Royce, fabriquant de l'Olympus 593, un partenaire expérimenté pour développer un turboréacteur apte à propulser l'Overture. Mais en septembre dernier, Rolls-Royce annonçait l'abandon du programme après avoir déterminé que le marché du supersonique civil n'était pas une priorité pour elle. GE Aviation, Safran Aircraft Engines et Honeywell ont déjà fait savoir qu'elles ne sont pas intéressées par la conception de réacteurs pour ce type de jets. Seul Pratt & Whitney ne s'est pas encore positionné définitivement, mais le fabricant émet des doutes sur la viabilité du projet. Boom a annoncé qu'elle pourrait concevoir ce moteur en interne, ce qui est très complexe, chronophage, coûteux et nécessitera de solides partenariats. Ce fâcheux contretemps va encore retarder l'aboutissement de ce projet ambitieux qui devrait entrer en service en 2029.

Assurer une rentabilité économique dès la mise en service

L'Overture pourra transporter de 65 à 88 passagers soit moins que son prédécesseur avec ses 100 passagers, capacité alors déjà considérée comme insuffisante à l'époque. Le rayon d'action du supersonique de Boom fait mieux que le Concorde avec 7870 km contre 6200 km. Boom Supersonic affirme qu'avec 500 routes viables, il y aurait un marché pour 1000 appareils de ce type, très loin des 20 Concorde fabriqués, dont 6 n'ont jamais eu de carrière commerciale.

Les coûts de fabrication et de maintenance des supersoniques civils restent une importante limitation à leur exploitation commerciale. À ce sujet, Boom vise un coût d'acquisition hors aménagement de cabine et non actualisé de 200 millions de dollars par unité. Les tarifs des vols sont très optimistes avec un vol aller et retour New York – Londres à 5000 dollars, soit quatre fois moins qu'avec Concorde (calcul ajusté à l'inflation).

Déjà à l'époque, l'exploitation de Concorde s'avéra déficitaire, eu égard aux coûts d'exploitations considérables inhérents à la technologie très complexe d'un jet commercial bi-sonique. L'exploitation d'avions similaires dans le domaine militaire se heurte aux mêmes contraintes. Les moteurs sans post-combustion de l'Overture devraient réduire les coûts de maintenance par quatre par rapport au Concorde. L'utilisation de quatre moteurs plus simples et moins puissants devrait permettre à cet avion de respecter les réglementations de plus en plus contraignantes en matière de bruit. Ce moteur qui reste encore à inventer et contrairement à celui du Concorde ne disposera certainement pas d'une entrée d'air mobile complexe et coûteuse ni d'une tuyère à géométrie variable.

Rendre les vols supersoniques plus verts

Le dernier problème, et non des moindres, c'est l'impact environnemental de ces avions. Les très hautes altitudes auxquelles croisent ces jets, entre 16 000 et 18 000 m, font parties de la stratosphère. Bien avant la mise en service de Concorde, de nombreux rapports faisaient déjà état des risques élevés de pollution par des vols commerciaux dans cette couche de l'atmosphère encore préservée.

Bien évidemment, ce critère a été intégré dès les premiers développements de l'Overture. C'est sur ce point que cet avion devrait se différencier de son prédécesseur. L'avion de Boom sera résolument vert, autant que faire se peut. Sa conception fera appel à des technologies et des moyens de production les moins impactants possibles. L'utilisation massive de matériaux composites sera prépondérante pour la réduction significative de sa masse à vide. Mais c'est surtout son carburant qui devrait faire la différence, avec l'utilisation de SAF (sustainable aviation fuel), nom donné aux carburants aviation certifiés comme durables. Ces carburants verts nous promettent une réduction d'environ 80 % des émissions de gaz à effet de serre tout au long de leur cycle de vie. Comme toujours avec les carburants verts, leur origine à un impact direct sur leur efficacité environnementale. L'utilisation d'huiles végétales usagées, la biomasse issue de végétaux, les filières thermochimiques à partir de déchets de bois ou encore les électrofuels synthétiques produits à base d'eau et d'électricité renouvelables, sont les principales possibilités.

Autre époque et autres priorités, le super­sonique civil n'est pas encore pour demain

Il faut remettre les exploits de l'époque dans leur contexte. Toutes ces merveilleuses machines volantes qu'étaient le X-15, le SR-71 ou le XB-70, ont été développées dans les années soixante à une époque où aucunes limites ne semblaient infranchissables. Le Concorde est l'enfant prodige de ces années où les frontières du possible étaient sans cesse repoussées. Bien plus qu'un avion supersonique commercial, il était avant tout une vitrine technologique. Celle du Royaume-Uni et de la France mais également celle de l'occident face à l'URSS. Disposer d'une flotte de jets commerciaux supersoniques est également une forme de prestige pour toute compagnie aérienne. Aujourd'hui le succès d'un tel projet ne se fera pas sans une rentabilité commerciale importante. Tout passionné d'aviation rêve de revoir un jour prochain des supersoniques commerciaux dans nos cieux. Aujourd'hui le projet de Boom Supersonic est celui qui est le plus prêt d'aboutir. Il faudra attendre le premier vol du démonstrateur XB-1 d'ici la fin de l'année ou début 2023 pour avoir la confirmation de la justesse des choix fait par les ingénieurs de Boom. Ce qui surprend le plus avec le projet de l'Overture, c'est bien le fabricant lui-même. Boom Technology Inc à Denver dans le Colorado est une entreprise américaine fondée en 2014. Elle emploie aujourd'hui environ 150 collaborateurs et a réussi à lever plus de 100 millions de dollars de capital-risque. Boom a également reçu une aide de 60 millions de dollars dans le cadre du programme de promotion de l'innovation AFWERX de l'USAF. Cette année, elle a engagé un partenariat avec Northrop Grumman pour développer une version dédiée au gouvernement américain et ses alliés. Le prochain Air Force One pourrait être supersonique et construit par Boom. Voilà de quoi donner encore plus de crédibilité à cet ambitieux projet.

L'aéronautique et le spatial ont longtemps été l'apanage des gouvernements et des géants industriels du secteur. Désormais les start-ups et les PME sont des acteurs incontournables dans ces domaines de pointe et il faudra compter avec elles à l'avenir. Prendre la relève du Concorde n'est pas chose facile, d'autant plus à une époque où le bien fondé de tels programmes est constamment remis en cause. Pendant longtemps, les projets qui devaient succéder au Concorde mettaient la barre encore plus haut avec des vitesses toujours plus élevées. Si le projet de Boom est plus modeste, ce n'est pas à cause de limitations techniques mais par choix. Un choix qui finalement pourrait s'avérer plus rentable sur le long terme et qui permettrait d'assurer une viabilité économique réelle aux vols supersoniques.

Quoi qu'il en soit, force est de constater qu'il sera toujours extrêmement difficile de surpasser un avion « bien né » comme le Concorde. C'est là le privilège de ces avions d'exception capables d'imposer leur supériorité sur des décennies et ce même bien après leur retrait du service. MSM

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