Un avion sans pièces mobiles prend son envol

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Lorsque le Wright Flyer, le célèbre avion de Wilbur et d’Orville Wright, a volé pour la première fois en 1903, il était extrêmement lent avec son moteur à essence à deux hélices via des chaînes de transmission. Près de 115 ans plus tard, un autre type d’avion a prit son envol, et il est aussi silencieux qu’un fantôme – sans aucune pièce mobile.

Un nouveau type d’avion

Ce nouveau type d’avion pourrait inaugurer des drones silencieux et peut-être des avions beaucoup plus simples, si les chercheurs parviennent à surmonter la lourde tâche consistant à développer cette technologie.

Au lieu de compter sur une hélice ou un moteur à réaction, l’avion, de la taille d’un kayak se propulse dans les airs en utilisant l’électroérodynamique (EAD). Cette forme de propulsion utilise des effets électriques pour envoyer l’air en arrière, donnant à l’avion une poussée et le faisant voler

Les ingénieurs aéronautiques ont longtemps pensé que les avions pourraient être alimentés par l’EAD, explique Steven Barrett, un ingénieur en aéronautique au Massachusetts Institute of Technology (MIT) de Cambridge. Mais personne n’avait jamais construit un avion EAD capable de soulever son propre poids. Quand Barrett et ses collègues ont finalement réussi, ils se sont tus dans le silence, dit-il. « Cela avait pris environ 7 ans de travail juste pour le faire décoller. »

Dans un système de propulsion EAD, un champ électrique puissant génère un vent de particules chargées à mouvement rapide, appelées ions, qui se brisent en molécules d’air neutres et les poussent derrière l’avion, donnant à l’avion une poussée. Cette technologie – également appelée entraînement ionique, éolienne ionique ou propulsion ionique – a déjà été mise au point par la NASA pour être utilisée dans l’espace extra-atmosphérique qui est maintenant déployée sur certains satellites et engins spatiaux.

Parce que l’espace est sans air, ces systèmes entraînent l’inionisation d’un fluide, comme le xénon, alors que l’avion de Barrett est conçu pour ioniser les molécules d’azote dans l’air ambiant.

Il est cependant beaucoup plus facile de déployer un propulseur d’ions dans l’espace que dans l’atmosphère. La gravité guide un satellite autour de la planète, avec un entraînement par ions appliquant de petites corrections du cap. En revanche, un avion doit produire suffisamment de poussée pour se maintenir en altitude et surmonter la résistance de l’air.

Sa conception technique

Après avoir effectué plusieurs simulations informatiques, l’équipe de Barrett a opté pour un avion ayant une envergure de 5 mètres et une masse de 2,45 kg, soit environ le poids d’un poulet. Pour générer le champ électrique, des jeux d’électrodes ressemblant à des stores vénitiens passent sous les ailes de l’avion. Chacun consiste en un fil en acier inoxydable chargé positivement, à quelques centimètres de la tranche de mousse fortement chargée négativement et recouverte d’aluminium.

L’avion comporte également une pile et un convertisseur permettant de faire passer la tension des piles d’environ 200 volts à 40 kilovolts. Bien que les électrodes très chargées soient exposées sur les cadres de l’avion, elles peuvent être activées et désactivées par une télécommande afin de limiter les risques d’accidents.

L’équipe a testé l’avion dans un gymnase du MIT. «Il y a eu de jolis accidents épiques», déclare Barrett. Finalement, l’équipe a mis au point un appareil semblable à une fronde pour aider au lancement de l’avion. Après des centaines de tentatives infructueuses, l’avion a finalement été capable de se propulser suffisamment pour rester en suspension dans l’air. Après 10 vols d’essai, l’avion a volé jusqu’à 60 mètres, un peu plus loin que le premier vol des frères Wright, en environ 10 secondes, avec une altitude moyenne d’un demi-mètre, rapportent les chercheurs cette semaine dans Nature.

«C’est une excellente première étape», déclare Daniel Drew, ingénieur électricien à l’Université de Californie à Berkeley, qui travaille sur des microrobots EAD et qui n’a pas participé à cette étude. Cependant, a-t-il averti, « s’ils essayaient d’avoir des ailes de la taille de l’avion, ils rencontreraient de nombreux problèmes. »

Le problème fondamental est de réduire à l’échelle, explique Drew. À mesure que si la taille de l’avion augmente, son poids augmentera plus rapidement que la surface de ses ailes. Donc, pour rester en vol, un avion plus gros doit produire beaucoup plus de poussée par unité de surface des ailes, explique-t-il, ce qui «serait extrêmement difficile à réaliser du point de vue de la physique».

Transporter des êtres humains

Barrett n’est pas prêt à exclure la possibilité qu’un jour cette technologie puisse transporter des êtres humains. «Nous sommes encore loin de cela et nous devons améliorer beaucoup de choses pour y arriver», dit-il, «mais je ne pense pas que rien ne puisse rendre cela fondamentalement impossible.»

On pourrait améliorer la poussée en rendant le système de convertisseur de puissance et les batteries plus efficaces, tester différentes stratégies de créations d’ions ou intégrer les propulseurs dans le châssis de l’avion pour réduire la traînée, explique-t-il. Franck Plouraboué, chercheur en mécanique des fluides au CNRS et à l’Université de Toulouse, explique que l’un des moyens de propulser les avions EAD pourrait consister à utiliser des panneaux solaires ultra-légers fixés au sommet de l’avion.

L’absence de bruit est un avantage 

Drew pense que nous avons plus de chances de voir un jour un essaim d’appareils EAD plus petits. Dans ce contexte, Barrett pense que le principal avantage des avions EAD sera l’absence de bruit. «Si nous voulons utiliser des drones un peu partout dans nos villes pour acheminer des objets et surveiller la qualité de l’air, tous ces bourdonnements et nuisances sonores pourraient devenir assez ennuyeux.».

Source : Science

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