L’aérodynamisme joue un rôle essentiel dans la performance des avions, influençant leur vitesse, leur consommation de carburant (et donc le bilan carbone des vols) et leur stabilité en vol. Cet article se propose d’explorer les différents revêtements et traitements de surface appliqués aux fuselages pour améliorer la pénétration dans l’air et réduire les frottements, optimisant ainsi l’efficacité globale des aéronefs.
Quelques principes de l’aérodynamisme
L’aérodynamisme est la science qui étudie les mouvements de l’air et ses interactions avec les objets solides, en particulier les avions. Elle se concentre sur quatre forces principales : la portance, la traînée, la poussée et le poids.
Portance : Force générée par les ailes, permettant à l’avion de s’élever. La portance est proportionnelle à la densité de l’air, à la vitesse de l’avion et à la surface alaire. Par exemple, un Boeing 747 génère une portance suffisante pour soulever ses 400 tonnes à une vitesse de croisière de 900 km/h.
Traînée : Résistance de l’air qui s’oppose au mouvement de l’avion. Elle est composée de la traînée de forme, de la traînée de frottement et de la traînée induite. La traînée peut représenter jusqu’à 50 % de la consommation de carburant d’un avion de ligne comme l’Airbus A320.
Poussée : Force produite par les moteurs pour propulser l’avion en avant. Un moteur de GE90-115B sur un Boeing 777 peut produire jusqu’à 115 000 livres de poussée (512 kN).
Poids : Force due à la gravité qui tire l’avion vers le sol. Le poids doit être équilibré par la portance pour maintenir l’avion en vol.
Les frottements de l’air, ou traînée de frottement, sont causés par la viscosité de l’air et affectent directement la consommation de carburant. Une réduction de 1 % de la traînée peut entraîner une économie de carburant significative, estimée à environ 0,75 % pour les compagnies aériennes, selon l’International Air Transport Association (IATA).
Evolution des revêtements aéronautiques
L’évolution des matériaux et des techniques de revêtement a considérablement amélioré les performances des avions au fil des décennies.
1920-1930 : Utilisation de tissus enduits de dope pour rigidifier et lisser les surfaces. Ces revêtements étaient légers mais peu durables.
1940 : Introduction de l’aluminium dans les structures aéronautiques, offrant un meilleur rapport résistance/poids. Les revêtements étaient principalement des peintures pour la protection contre la corrosion.
1950-1960 : Développement de revêtements en alliages et composites métalliques, améliorant la durabilité et la résistance aux températures élevées. Des innovations comme les surfaces polies et les premiers revêtements anti-givrage ont vu le jour.
1970-1980 : Apparition de revêtements polymères et composites, comme la fibre de carbone, offrant une réduction de poids et une amélioration des performances aérodynamiques. Les revêtements anti-reflet et les films protecteurs ont également été introduits.
1990 à aujourd’hui : Technologies avancées de revêtements nanostructurés et intelligents. Utilisation de matériaux comme le graphène pour des revêtements ultra-légers et super-résistants. Des traitements de surface innovants, tels que les surfaces microstructurées imitant la peau de requin, ont permis de réduire la traînée jusqu’à 5 %.
Les revêtements modernes changent la donne
Les revêtements lisses réduisent la traînée de frottement en minimisant les irrégularités de surface. Ils améliorent l’efficacité aérodynamique et diminuent la consommation de carburant. Les polymères fluorés, comme le polytétrafluoroéthylène (PTFE), et les peintures polyuréthanes sont couramment utilisés pour leur faible coefficient de friction et leur résistance aux intempéries. Le PTFE, par exemple, est largement utilisé pour sa capacité à offrir une surface extrêmement lisse.
Revêtements structurés
Inspirées de la peau de requin, ces surfaces possèdent des microstructures qui perturbent les flux d’air laminaire, réduisant ainsi la traînée de frottement. Ces structures permettent de maintenir une couche limite turbulente, réduisant la résistance.
Les surfaces microstructurées peuvent réduire la traînée jusqu’à 5 %. Un exemple notable est le revêtement Riblet, développé par 3M, qui utilise des micro-rainures pour diminuer les frottements et améliorer l’efficacité énergétique.
Revêtements anti-givrage
Le givrage peut altérer les propriétés aérodynamiques et augmenter la traînée. Les revêtements anti-givrage assurent la sécurité et maintiennent les performances optimales des avions en conditions froides.
Les revêtements hydrophobes empêchent la formation de glace en rendant les surfaces glissantes. Les systèmes chauffants, tels que les films chauffants électrothermiques, sont intégrés dans les structures pour prévenir le givrage. Le revêtement Clear Ice de PPG Industries est un exemple de solution hydrophobe efficace contre le givrage.
A propos du traitement de surface et ses avantages
Le traitement de surface consiste à modifier les propriétés externes des matériaux pour améliorer leur résistance à la corrosion, leur adhérence, et réduire la traînée aérodynamique.
Procédés courants :
- Anodisation : Technique électrochimique qui augmente la couche d’oxyde sur les métaux pour améliorer la résistance à la corrosion et à l’usure.
- Peinture : Utilisée pour la protection et l’esthétique, offrant une première barrière contre les éléments.
- Application de films polymères : Les films tels que le polyamide ou le PTFE sont appliqués pour offrir une surface lisse et durable.
