publié le 09 février 2026 à 07:00
1279 mots
5 et 10 % d’économies de carburant, c’est ce que la Nasa pourrait offrir à la prochaine génération d’avions commerciaux grâce à l’emploi d’un nouveau type de profils d’aile. Celui-ci devrait permettre de favoriser l’écoulement laminaire et en conséquence de réduire la traînée.
Les briques technologiques des futurs avions commerciaux continuent de se dessiner. C'est dans cette optique que la Nasa a récemment mené un essai de roulage à grande vitesse avec la maquette d'un modèle de voilure à même de générer un gain significatif de carburant et de coûts. Le 12 janvier, ce modèle d’embryon de voilure d'essai pour un écoulement laminaire naturel à perturbations atténuées (Crossflow Attenuated Natural Laminar Flow ou CATNLF ) a atteint une vitesse d'environ 232 km/h, marquant ainsi sa première étape importante. Mesurant 91 cm de haut, il ressemble à une quille de stabilisation latérale montée sur l'un des avions d'essais F-15B de l'Agence. Cette portion d’aile a été disposée sur point d’emport ventral, entre les deux nacelles des turboréacteurs Pratt & Whitney F100. Dans les semaines à venir, le CATNLF devrait effectuer son premier vol, marquant le début d'une série de tests destinés à évaluer les performances et les capacités de la conception, en vol.
Cette configuration permet à la Nasa de tester en vol la conception de son nouveau modèle d’aile. Le concept CATNLF vise à augmenter l'écoulement laminaire et à réduire la traînée. Bien qu'il soit difficile de quantifier les réductions de coûts que cette technologie pourrait permettre de réaliser, l’étude indique qu’elles pourraient atteindre plusieurs millions de dollars par an et par compagnie aérienne. « Même de petites améliorations en termes d'efficacité peuvent se traduire par des réductions significatives de la consommation de carburant et des émissions pour les compagnies aériennes commerciales », a déclaré Mike Frederick, chercheur principal pour le CATNLF au centre de recherche aéronautique Armstrong de la Nasa, à Edwards en Californie. La réduction de la traînée est l’une des pierres angulaires des gains possibles et envisageables pour la prochaine génération d’avions commerciaux.
Pendant le vol, une fine couche d'air, la couche limite, se forme sur la voilure. C’est sur cette couche que la plupart des avions subissent un frottement accru, l’écoulement turbulent, où l'air change brusquement de direction. C’est également ce phénomène qui est à l’origine de l’augmentation de la traînée et de la consommation de carburant. Le projet CATNLF a ainsi pour but d’augmenter l'écoulement laminaire, ou le mouvement de l'air, régulier et prédictible, au sein de la couche limite, par réduction de la friction. Il ne s’agit ni plus ni moins que de favoriser un écoulement rectiligne, sans perturbations, en tentant de repousser au maximum la transition entre l'écoulement laminaire et l'écoulement turbulent vers le bord de fuite.
« La technologie du flux laminaire est étudiée et utilisée dans les avions pour réduire la traînée depuis plusieurs décennies, mais son application a toujours été limitée », déclare Michelle Banchy, chercheuse principale du CATNLF à Langley. Si les grandes ailes en flèche, comme celles que l'on trouve sur la plupart des avions commerciaux, offrent une certaine efficacité aérodynamique, pour autant elles sont toujours exposées au problème d’écoulement turbulent. La jonction fuselage-aile et plus précisément l’écoulement le long du fuselage génère une perturbation de la couche limite, qui entraîne en conséquence une perte de laminarité et donc d'efficacité. A cela s’ajoute le dessin de la voilure en lui-même. Autrement dit, la flèche adoptée est propice à une transition de l’écoulement laminaire vers le turbulent, tandis que les défauts de surface rencontrés sur la voilure, qu’il s’agisse aussi bien d’impacts, d’insectes écrasés ou d’imperfections liées à la fabrication/production et assemblage de l’aile, favorisent la transition vers l’écoulement turbulent. En allant de l’emplanture de la voilure vers le saumon d’aile s’ajoute un autre phénomène, les ondes de Tollmien-Schlichting, découvertes par Ludwig Prandtl - l’ingénieur et physicien à l’origine de la théorie de la couche limite - qui sont générées par des gradients de pression adverses. La conséquence directe est une transition à mi-corde de l’écoulement laminaire vers le turbulent.
Des solutions ont été envisagées par le passé récent pour éviter ou juguler la transition vers l’écoulement turbulent, mais non sans inconvénients. La première réside autour d’une réduction de l’angle de flèche, qui présente le désavantage d’être couplé à une inévitable réduction de la vitesse de l’appareil. La deuxième solution envisagée a été celle d’un système de contrôle de l’écoulement par aspiration, qui alourdirait la voilure elle-même et déplacerait le problème avec un accroissement de masse à la clé… Sans parler des coûts supplémentaires liés non seulement à la conception d’un tel système, mais également à son entretien. Ce qui explique très probablement pourquoi aucune de ces solutions n’a été adoptée sur un avion commercial. La solution proposée par la NASA, dont l’étude lancée dès 2014, réside autour du changement des profils d’aile, de telle manière que ces derniers entraîne une distribution de pression à même de retarder ou de reculer, autant que faire se peut, la transition du laminaire vers le turbulent en « amortissant » les instabilités. Cette étude, d’abord computationnelle, menée par la Nasa jusqu'en 2017 a permis de théoriser que l'application d'une aile de type CATNLF à un avion long-courrier de type similaire au Boeing 777 pourrait permettre de réaliser entre 5 et 10 % d'économies de carburant par an. L’étude précise que cette solution permettrait ainsi un écoulement laminaire sur 56 % de l’extrados d’une aile similaire à celle du « triple sept », avec une réduction de 7 % de traînée en comparaison à une voilure « classique ». La Nasa a ensuite procédé à des essais au sein du National Transonic Facility (NTF), une soufflerie dans laquelle une demie-maquette à 5,2 % a été testée, soit une aile de 1,52 m de long ayant une corde de référence située à 36,3 cm, le tout à une vitesse de Mach 0,86. Et les essais en soufflerie ont presque vérifié les simulations computationnelles précédemment effectuées, avec une marge de différence relativement étroite. Lors d'un de ces essais réalisés en 2018 à Langley, les chercheurs ont confirmé que la voilure issue du CATNLF permettait d'obtenir un écoulement laminaire prolongé.
« Après les résultats positifs obtenus lors de l'essai en soufflerie, la NASA a jugé cette technologie suffisamment prometteuse pour passer aux essais en vol », a déclaré Michelle Banchy, chercheuse principale à Langley pour le projet CATNLF. « Les essais en vol nous permettent d'augmenter la taille du modèle et de voler dans un air moins turbulent que dans une soufflerie, ce qui est idéal pour étudier l'écoulement laminaire », ajoute-t-elle. En 2019, les chercheurs de la NASA du centre d’Armstrong ont donc mis au point la forme et les paramètres initiaux du modèle. La conception a ensuite été affinée au centre de recherche Langley de la NASA à Hampton, en Virginie. Et le F-15B de la NASA rattaché au centre d’Armstrong a fourni l'environnement de vol nécessaire aux essais. L'avion permet aux chercheurs d'aborder des questions fondamentales sur la technologie tout en maintenant des coûts inférieurs à ceux d'autres solutions, telles que le remplacement de l'aile d'un avion d'essai par un modèle CATNLF à taille réelle ou la construction d'un avion de démonstration dédié.
Le programme CATNLF se concentre actuellement sur l'aviation commerciale, qui n'a cessé de croître au cours des 20 dernières années, le nombre de passagers devant doubler au cours des 20 prochaines années, selon l'Organisation de l'aviation civile internationale. À l'avenir, les travaux de la NASA sur le CATNLF pourraient jeter les bases d'un transport aérien commercial plus efficace et pourraient un jour étendre des capacités similaires au vol supersonique, améliorant ainsi le rendement énergétique à des vitesses encore plus élevées. « Les essais en vol du CATNLF au centre d’Armstrong permettront à la technologie laminaire de faire un pas de plus vers sa mise en œuvre sur les avions de nouvelle génération », conclut Michelle Banchy.
5 et 10 % d’économies de carburant, c’est ce que la Nasa pourrait offrir à la prochaine génération d’avions commerciaux grâce à l’emploi d’un nouveau type de profils d’aile. Celui-ci devrait permettre de favoriser l’écoulement laminaire et en conséquence de réduire la traînée.
Les briques technologiques des futurs avions commerciaux continuent de se dessiner. C'est dans cette optique que la Nasa a récemment mené un essai de roulage à grande vitesse avec la maquette d'un modèle de voilure à même de générer un gain significatif de carburant et de coûts. Le 12 janvier, ce modèle d’embryon de voilure d'essai pour un écoulement laminaire naturel à perturbations atténuées (Crossflow Attenuated Natural Laminar Flow ou CATNLF ) a atteint une vitesse d'environ 232 km/h, marquant ainsi sa première étape importante. Mesurant 91 cm de haut, il ressemble à une quille de stabilisation latérale montée sur l'un des avions d'essais F-15B de l'Agence. Cette portion d’aile a été disposée sur point d’emport ventral, entre les deux nacelles des turboréacteurs Pratt & Whitney F100. Dans les semaines à venir, le CATNLF devrait effectuer son premier vol, marquant le début d'une série de tests destinés à évaluer les performances et les capacités de la conception, en vol.
Cette configuration permet à la Nasa de tester en vol la conception de son nouveau modèle d’aile. Le concept CATNLF vise à augmenter l'écoulement laminaire et à réduire la traînée. Bien qu'il soit difficile de quantifier les réductions de coûts que cette technologie pourrait permettre de réaliser, l’étude indique qu’elles pourraient atteindre plusieurs millions de dollars par an et par compagnie aérienne. « Même de petites améliorations en termes d'efficacité peuvent se traduire par des réductions significatives de la consommation de carburant et des émissions pour les compagnies aériennes commerciales », a déclaré Mike Frederick, chercheur principal pour le CATNLF au centre de recherche aéronautique Armstrong de la Nasa, à Edwards en Californie. La réduction de la traînée est l’une des pierres angulaires des gains possibles et envisageables pour la prochaine génération d’avions commerciaux.
Pendant le vol, une fine couche d'air, la couche limite, se forme sur la voilure. C’est sur cette couche que la plupart des avions subissent un frottement accru, l’écoulement turbulent, où l'air change brusquement de direction. C’est également ce phénomène qui est à l’origine de l’augmentation de la traînée et de la consommation de carburant. Le projet CATNLF a ainsi pour but d’augmenter l'écoulement laminaire, ou le mouvement de l'air, régulier et prédictible, au sein de la couche limite, par réduction de la friction. Il ne s’agit ni plus ni moins que de favoriser un écoulement rectiligne, sans perturbations, en tentant de repousser au maximum la transition entre l'écoulement laminaire et l'écoulement turbulent vers le bord de fuite.
« La technologie du flux laminaire est étudiée et utilisée dans les avions pour réduire la traînée depuis plusieurs décennies, mais son application a toujours été limitée », déclare Michelle Banchy, chercheuse principale du CATNLF à Langley. Si les grandes ailes en flèche, comme celles que l'on trouve sur la plupart des avions commerciaux, offrent une certaine efficacité aérodynamique, pour autant elles sont toujours exposées au problème d’écoulement turbulent. La jonction fuselage-aile et plus précisément l’écoulement le long du fuselage génère une perturbation de la couche limite, qui entraîne en conséquence une perte de laminarité et donc d'efficacité. A cela s’ajoute le dessin de la voilure en lui-même. Autrement dit, la flèche adoptée est propice à une transition de l’écoulement laminaire vers le turbulent, tandis que les défauts de surface rencontrés sur la voilure, qu’il s’agisse aussi bien d’impacts, d’insectes écrasés ou d’imperfections liées à la fabrication/production et assemblage de l’aile, favorisent la transition vers l’écoulement turbulent. En allant de l’emplanture de la voilure vers le saumon d’aile s’ajoute un autre phénomène, les ondes de Tollmien-Schlichting, découvertes par Ludwig Prandtl - l’ingénieur et physicien à l’origine de la théorie de la couche limite - qui sont générées par des gradients de pression adverses. La conséquence directe est une transition à mi-corde de l’écoulement laminaire vers le turbulent.
Des solutions ont été envisagées par le passé récent pour éviter ou juguler la transition vers l’écoulement turbulent, mais non sans inconvénients. La première réside autour d’une réduction de l’angle de flèche, qui présente le désavantage d’être couplé à une inévitable réduction de la vitesse de l’appareil. La deuxième solution envisagée a été celle d’un système de contrôle de l’écoulement par aspiration, qui alourdirait la voilure elle-même et déplacerait le problème avec un accroissement de masse à la clé… Sans parler des coûts supplémentaires liés non seulement à la conception d’un tel système, mais également à son entretien. Ce qui explique très probablement pourquoi aucune de ces solutions n’a été adoptée sur un avion commercial. La solution proposée par la NASA, dont l’étude lancée dès 2014, réside autour du changement des profils d’aile, de telle manière que ces derniers entraîne une distribution de pression à même de retarder ou de reculer, autant que faire se peut, la transition du laminaire vers le turbulent en « amortissant » les instabilités. Cette étude, d’abord computationnelle, menée par la Nasa jusqu'en 2017 a permis de théoriser que l'application d'une aile de type CATNLF à un avion long-courrier de type similaire au Boeing 777 pourrait permettre de réaliser entre 5 et 10 % d'économies de carburant par an. L’étude précise que cette solution permettrait ainsi un écoulement laminaire sur 56 % de l’extrados d’une aile similaire à celle du « triple sept », avec une réduction de 7 % de traînée en comparaison à une voilure « classique ». La Nasa a ensuite procédé à des essais au sein du National Transonic Facility (NTF), une soufflerie dans laquelle une demie-maquette à 5,2 % a été testée, soit une aile de 1,52 m de long ayant une corde de référence située à 36,3 cm, le tout à une vitesse de Mach 0,86. Et les essais en soufflerie ont presque vérifié les simulations computationnelles précédemment effectuées, avec une marge de différence relativement étroite. Lors d'un de ces essais réalisés en 2018 à Langley, les chercheurs ont confirmé que la voilure issue du CATNLF permettait d'obtenir un écoulement laminaire prolongé.
« Après les résultats positifs obtenus lors de l'essai en soufflerie, la NASA a jugé cette technologie suffisamment prometteuse pour passer aux essais en vol », a déclaré Michelle Banchy, chercheuse principale à Langley pour le projet CATNLF. « Les essais en vol nous permettent d'augmenter la taille du modèle et de voler dans un air moins turbulent que dans une soufflerie, ce qui est idéal pour étudier l'écoulement laminaire », ajoute-t-elle. En 2019, les chercheurs de la NASA du centre d’Armstrong ont donc mis au point la forme et les paramètres initiaux du modèle. La conception a ensuite été affinée au centre de recherche Langley de la NASA à Hampton, en Virginie. Et le F-15B de la NASA rattaché au centre d’Armstrong a fourni l'environnement de vol nécessaire aux essais. L'avion permet aux chercheurs d'aborder des questions fondamentales sur la technologie tout en maintenant des coûts inférieurs à ceux d'autres solutions, telles que le remplacement de l'aile d'un avion d'essai par un modèle CATNLF à taille réelle ou la construction d'un avion de démonstration dédié.
Le programme CATNLF se concentre actuellement sur l'aviation commerciale, qui n'a cessé de croître au cours des 20 dernières années, le nombre de passagers devant doubler au cours des 20 prochaines années, selon l'Organisation de l'aviation civile internationale. À l'avenir, les travaux de la NASA sur le CATNLF pourraient jeter les bases d'un transport aérien commercial plus efficace et pourraient un jour étendre des capacités similaires au vol supersonique, améliorant ainsi le rendement énergétique à des vitesses encore plus élevées. « Les essais en vol du CATNLF au centre d’Armstrong permettront à la technologie laminaire de faire un pas de plus vers sa mise en œuvre sur les avions de nouvelle génération », conclut Michelle Banchy.
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