avion

Provenant du mot latin « avis », qui signifie oiseau, le mot avion a été inventé par Clément Ader. L’avion est un appareil plus lourd que l’air équipé d’ailes qui permettent sa sustentation, et d’un ou de plusieurs moteurs à hélice ou à réaction qui permettent sa propulsion.

L’avion était à l’origine constitué de bois et de toile, et s’inspirait des animaux, telle la chauve souris de Clément Ader ou le pigeon de l’aviation allemande. Avec le temps et l’augmentation des vitesses atteintes, la structure de l’avion s’est progressivement renforcée. Aujourd’hui, on trouve deux types de structures : les structures anciennes, qui utilisent le bois, la toile et le métal, pour les petits avions, et les structures plus modernes, en métal, pour les autres. Les appareils supersoniques ont apporté des solutions optimales aux problèmes d’allègement et à l’accroissement des contraintes. Ainsi, la seule généralisation de ces solutions aux autres types d’appareils est considérée comme un progrès.

Les principales composantes d’un avion, quel qu’il soit, sont une cellule, un groupe propulseur, des commandes de vol et des instruments. La cellule se décompose en plusieurs éléments : le fuselage, la voilure, l’empennage et le train d’atterrissage.

Sur les premiers avions, le fuselage n’était qu’un élément de liaison entre le moteur, la voilure et les empennages. Aujourd’hui, même si c’est parfois encore le cas sur les avions légers, le fuselage sert également à loger l’équipage et la charge utile. Le fuselage, indépendamment de la taille des avions, est en général de forme tubulaire. Il est composé d’un ensemble de parties circulaire appelées couples, qui sont reliés par des parties longitudinales : les longerons et les lisses. Le revêtement métallique supporte de nombreuses contraintes : il doit notamment être étanche et résister à la différence de pression entre l’air pressurisé de l’intérieur de l’aéronef et la dépression extérieure due à la haute altitude.

L’aile, appelée également voilure principale, est l’élément qui varie le plus en fonction des performances de l’avion. Les éléments principaux qui constituent l’aile sont restés les mêmes depuis le début de l’aviation : des nervures qui définissent le profil sont reliées entre elles par des longerons et des raidisseurs longitudinaux. Cependant, les impératifs liés à la vitesse qui a notamment pour conséquence l’amincissement de l’aile, ont conduit à la recherche d’un maximum de cohésion entre ces différents éléments, notamment entre les raidisseurs, les nervures et le revêtement, qui sont soumis à d’importantes contraintes. La solution la plus récente est appelée la structure intégrale : elle consiste à usiner les longerons et le revêtement inférieur dans une même pièce par fraisage. Elle est notamment utilisée pour la construction des avions supersoniques, dont les ailes doivent être le plus mince possible. Sur la plupart des appareils, l’aile sert également à loger les réservoirs de carburant. La position de l’aile peut varier : médiane, haute ou basse. Aujourd’hui, la tendance est à l’augmentation de la charge alaire, qui est le rapport entre la masse de l’avion et la surface alaire. Cependant, l’augmentation de cette charge augmente la vitesse minimale que peut atteindre l’avion. Or cette vitesse est celle que l’appareil utilise lors des phases de décollage et d’atterrissage, une valeur trop grande demanderait alors des pistes très longues. Cette faiblesse est palliée grâce à des dispositifs hypersustentateurs escamotables implantés dans l’aile : les becs de bord d’attaque et les volets de bord de fuite. Ils augmentent donc la traînée de l’avion et ne sont donc déployés que lors de certaines manœuvres telles que l’atterrissage. La structure des empennages, qu’ils soient horizontaux ou verticaux, ressemble à celle de l’aile et ne pose pas de problème particulier. Ces derniers sont en général constitués d’une partie fixe et d’une surface mobile : les gouvernes. On trouve également sur certains appareils des empennages entièrement mobiles qui pivotent autour d’un axe : les empennages monoblocs.

Le train d’atterrissage est en général composé de deux parties : une partie dite porteuse, qui, grâce à ses roues, permet de répartir la charge de l’appareil à l’atterrissage (cette dernière peut dépasser plusieurs centaines de tonnes) et une partie appelée jambe de train qui assure le guidage et la stabilisation. Le train d’atterrissage est rétractable sur les appareils rapides afin de limiter la traînée en vol et ses roues sont dotées de pneus à très haute résistance et d’amortisseurs très puissants.

La fiabilité des commandes de vol devant être irréprochable, elles sont souvent réalisées en double. Les commandes mécaniques telles que les tringles et les renvois ont été presque entièrement remplacées par des commandes pneumatiques, hydrauliques ou électriques. Les charges aérodynamiques qui s’exercent sur les surfaces de commande des gros avions sont tellement considérables qu’on utilise des systèmes assistés et des servocommandes qui facilitent les manœuvres des pilotes. Sur les autres avions, des systèmes aérodynamiques tels que les volets auxiliaires permettent de compenser les efforts.

Quant aux moteurs, c’est seulement à la fin du XIXe siècle qu’ils ont acquis une puissance spécifique suffisante permettant par la suite l’essor de l’aviation. Dans les années 1950, les turboréacteurs font leur apparition. Ces derniers, qui n’utilisent pas de pièces alternatives et travaillent à plus haute température, ont par conséquent un rendement plus élevé et ne connaissent pas les limitations du moteur à piston liées à l’hélice : vitesse maximale de 700km/h et puissance de 3000 CV. Il existe une alternative au turboréacteur : le turbopropulseur. Composé d’une hélice et d’une turbine, celui-ci permet d’offrir un meilleur rendement. Des progrès notables effectués dans le domaine de la métallurgie, tels que la résistance à la température, et dans celui de l’aérodynamique permettent de disposer de turboréacteurs de plusieurs dizaines de tonnes de poussée, silencieux, et au rendement énergétique très élevé. D’autres catégories de moteur existent : les statoréacteurs, les pulsoréacteurs, les moteurs-fusées ou encore les moteurs thermoïoniques, mais ils n’ont que des applications limitées et ne concernent donc pas forcément le domaine de l’aviation.

Le domaine de l’aéronautique est particulièrement prolifique en innovations. Du point de vue de l’aérodynamique, on cherche à augmenter la portance maximale utilisable, à augmenter la distance franchissable et à réduire la traînée. Ainsi, pour les avions civils, des études sont conduites visant à diminuer le nombre de Mach de divergence de traînée afin de permettre aux avions de voler plus vite sans pour autant augmenter leur consommation de carburant. Les commandes de vol électriques permettent aux avions aérodynamiquement instables de voler en recréant une stabilité artificielle. Ce sont ces commandes qui ont permis d’introduire les systèmes antiturbulence améliorant le confort des passagers : les rafales de vent sont ainsi absorbées par le braquage rapide des gouvernes. Des progrès sont également attendus dans l’apport d’informations nécessaires au pilote pendant le vol tels que les paramètres de vol. Ces progrès sont envisageable grâce aux visualisations multifonctions et la puissance toujours plus grande des ordinateurs embarqués. La synthèse vocale permet au pilote de recevoir des informations sur l’état des systèmes mais également de commander certaines fonctions. Il dispose de nombreux autres moyens qui améliorent la sécurité et facilitent sa tâche, tels que les systèmes qui détectent les avions environnants et lui indiquent les manœuvres à suivre pour éviter la collision.

De nombreuses études sont également mises en œuvre dans le domaine de la motorisation : on cherche à réduire la consommation, le poids des moteurs, et leur volume sonore. Dans le secteur du transport civil, des études très différentes sont menées parallèlement : elles visent d’une part à augmenter la taille des avions vers de très gros porteurs, et d’autre part au développement de nouvelles générations d’avions supersoniques voire hypersoniques. Avec l’augmentation de la taille des avions, le coût du billet est réduit de façon notable, tout comme le coût du fret dans le cas d’un transport de marchandise. Ainsi, l’A380 d’Airbus, qui a effectué son premier vol en 2005, peut accueillir plus de 500 passagers. Les aéroports sont contraints d’adapter leurs structures afin de pouvoir accueillir de tels engins : augmentation de la longueur des pistes et du poids maximum qu’elles peuvent supporter, modification des structures d’accès des passagers etc… Quant aux avions supersoniques, de nombreuses études sont lancées en Europe, aux Etats-Unis et au Japon pour créer un appareil capable de succéder au mythique Concorde. Les nouveaux avions seraient capables de transporter deux fois plus de passagers sur une distance supérieure.

Le principal obstacle au développement de tels appareils reste économique : il faudrait en effet construire des centaines d’avions et pouvoir offrir aux passagers un billet au coût à peine supérieur à un billet de première classe sur un avion classique. Les mauvais résultats commerciaux du Concorde rendent les constructeurs frileux. En ce qui concerne les avions hypersoniques, qui permettraient de relier Tokyo à New York en 2 heures de vol, ils sont plus du ressort de la technologie spatiale. Deux difficultés majeures doivent être résolues avant une éventuelle concrétisation des recherches : la tenue des matériaux de la cellule face à l’échauffement lié au frottement de l’air, et l’élaboration de propulseurs dont le cycle thermodynamique pourrait s’adapter à la vitesse.