Voyage en avion d'affaires supersonique : quand Gulfstream et la NASA ont étudié les booms soniques

Quiet Spike était un programme de recherche en coentreprise entre Gulfstream Aerospace et le Dryden Flight Research Center de la NASA. Les deux partenaires se sont associés pour enquêter sur la suppression des bangs soniques associés aux ondes de choc créées par un vol de croisière supersonique.

Les bangs soniques génèrent de grandes quantités d’énergie sonore et peuvent endommager de petites structures. Les effets continus des ondes soniques impactent les positionneurs sur des régions spécifiques situées en forme de cône derrière l'avion générateur de flèche. Les bangs soniques créés au-dessus des régions peuplées peuvent avoir un impact sur le bien-être des personnes en raison du bruit.

Bien qu’il existe un marché pour les avions d’affaires supersoniques, les réglementations de la Federal Aviation Administration (FAA) interdisent aux avions commerciaux de provoquer des bangs soniques au-dessus des zones peuplées. Le projet Quiet Spike visait à atténuer ou adoucir le bang sonique des avions supersoniques pour permettre le développement d'une nouvelle génération d'avions civils supersoniques.

Le pic silencieux

L'objectif du programme

Vitesse de croisière actuelle des avions d’affaires	Futur avion d'affaires de croisière supersonique
Mach 0,85	Mach 1,8

Considérations environnementales	Vision future
Surpression de flèche	Acceptable pour le vol supersonique terrestre
Émissions au décollage	Limites de l'OACI avec une marge
Émissions de croisière	Impact minimal
Bruit de l'aéroport	Étape 4 avec une marge d'au moins 10 dB

Le programme Quiet Spike impliquait un carénage de nez spécialisé fixé au fuselage avant d'un avion F-15B. Il visait à développer une technologie permettant des vols de transport supersoniques (au-dessus de Mach 1) dans des zones surpeuplées.

Photo:NASA/Carla Thomas | Wikimédia Commons

Équipement et mécanisme primaires

• Un carénage de cône de nez de six pieds de long
• Une pointe extensible
  • Longueur rétractée: 14,15 pieds
  • Longueur étendue: 24,31 pieds
  • Poids: 450 livres
  • Pièce jointe: Fuselage avant du F-15B au niveau de la cloison de support radar
• Un câble et une poulie électriques

SelonLe rapport de la NASA,

«Quiet SpikeTM est un concept technologique développé par Gulfstream Aerospace Corporation (GAC) (Savannah, Géorgie) comme méthode pour adoucir le bang sonique pour les avions d'affaires supersoniques en atténuant l'onde de choc en une série d'ondes de choc plus petites à travers une pointe télescopique s'étendant depuis l'avant d'un avion.»

"L'objectif principal du programme était de collecter des données de vol pour vérifier la dynamique structurelle des pointes et le modèle de charges jusqu'à Mach 1,8 et de valider la faisabilité technique d'un fuselage morphing."

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Mesure et mécanisme

Gulfstream Aerospace et Dryden Flight Research Center (DFRC) ont conçu conjointement la version à demi-échelle de la pointe extensible et l'ont fixée au nez d'un DFRC -15B de la NASA. Des tests au sol et en vol ont été effectués et des données avant et après le vol ont été collectées. Les essais en vol ont été effectués dans un domaine de vol limité, jusqu'à Mach 1,8.

Photo:NASA/Carla Thomas | Wikimédia Commons

Le DFRC a effectué l'étalonnage des données aériennes, le jeu servo-élastique aérodynamique, la dynamique structurelle, l'aérodynamique, ainsi que la stabilité et le contrôle. Les agences ont également effectué une modélisation informatique de la dynamique des fluides (CFD) de la conception, principalement pour vérifier les résultats expérimentaux et estimer les effets des pics sur les performances de l'avion.

Mécanisme Spike silencieux

• Pointe de nez extensible
• Générer une série de chocs faibles
• Se propager parallèlement les uns aux autres
• Transformez un craquement aigu en un murmure silencieux

Le premier vol breveté avec atténuation du boom sonique Quiet Spike a eu lieu le 22 octobre 2006, franchissant une étape importante. Les tests au sol avec le cône avant pointu ont été précédés de plusieurs mois avant le décollage proprement dit. L'avion F-15B de la NASA a atteint Mach 1,2 et le Quiet Spike a fonctionné comme prévu.

Photo : FAA

Pendant le vol, la sonde a été déployée jusqu'à sa position maximale et est restée en position pendant le vol d'essai de 65 minutes. Les données de vol ont été enregistrées tout au long du vol, la plupart se produisant à 45 000 pieds. Le vice-président principal des programmes, de l'ingénierie et des tests chez Gulfstream, Pres Henne, a montré son enthousiasme face à cette réussite en déclarant :

"Le fait que le Quiet Spike ait fonctionné comme prévu à des vitesses supersoniques et ait été déployé et rétracté sans aucune difficulté, nous rapproche de notre objectif de voir s'il réduira le bang sonique lorsqu'il sera monté sur une plate-forme plus appropriée."

Un pas de plus vers un vol de transport supersonique ?

La Federal Aviation Administration (FAA) a comparé les résultats obtenus par le projet Quiet Spike (QSJ) aux tendances de pression d'un avion d'affaires supersonique conventionnel (SBJ) et d'un Concorde. L'installation du Quiet Spike produit une onde de pression beaucoup plus douce. De plus, l’amplitude des vagues est la moitié de celle obtenue lors d’un vol Concorde, comme le montre l’image ci-dessous.

Photo : FAA

En comparant les conceptions conventionnelles et pointues de cône de nez, le Quiet Spike fournit une surface supplémentaire pour la pointe à générer, ce qui entraîne une propagation progressive par étapes. La signature du boom est atténuée avant l'approche du radôme et de la zone inter-ailes, réduisant ainsi le bruit.

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L’image ci-dessous montre que le Quiet Spike a réduit les niveaux sonores du boom de plus de 35 dB par rapport au bruit du boom du Concorde de 94 dB. Le SBJ conventionnel réduira légèrement le bruit du boom à 86 dB, tandis que le Quite Spike aboutira à environ 54 dB.

Photo : FAA

Conclusion

Bien que cela ne résolve pas tous les défis associés aux vols de transport supersoniques, cela constitue un pas en avant dans la minimisation de l’impact des bangs soniques sur les vols terrestres. La recherche a indiqué que davantage de tests sont nécessaires pour comprendre les effets du flux d'air à l'emplacement de la sonde de données aérodynamiques et du cône d'angle d'attaque, car la présence de la pointe peut l'influencer.

Que pensez-vous de l’étude de recherche sur le bang sonique entre Gulfstream et la NASA ? Partagez votre point de vue dans la section commentaires.