La NASA et Lockheed commenceront les tests du jet supersonique X-59 en 2021 | En profondeur

Malgré l’utilisation d’outils de conception avancés, l’équipe qui développe le démonstrateur X-59 Quiet Supersonic Technology (QueSST) de la NASA ne peut pas être sûre qu’il atteindra ses objectifs de « boom bas » tant que le jet ne franchira pas le mur du son en vol. Bien que les caractéristiques de conception qui réduisent les booms soniques soient comprises, l’équipe est confrontée au défi de s’assurer que le X-59 QueSST conserve sa forme unique de ramollissement du boom pendant le vol. On ne sait pas non plus comment le son du jet se déplacera dans l’atmosphère.

Ces questions trouveront une réponse dans le cadre d’essais en vol, qui, selon l’équipe, commenceront à l’automne 2021.

Vol X-59

« Lorsque vous obtenez un vrai avion dans une atmosphère réelle, il y a beaucoup de variables difficiles à modéliser », explique Craig Nickol, responsable du projet Low-Boom Flight Demonstrator de la NASA, à l’origine du X-59. « La façon dont cette signature se propage dans l’atmosphère devient difficile à prévoir. » Mais Nickol et ses partenaires de Lockheed Martin pensent que le X-59 prouvera que les avions supersoniques peuvent avoir des flèches suffisamment souples, ce qui pourrait conduire à une renaissance du transport aérien supersonique.

Faisant partie de la mission plus large de démonstration de vol à faible flèche de la NASA, le but du X-59 est de démontrer les caractéristiques de conception qui peuvent réduire les flèches et de tester la façon dont le public perçoit un bruit sonore plus doux. La NASA déploiera éventuellement le X-59 sur des « vols communautaires » au-dessus des États-Unis, recueillant ainsi des données sur la perception du public. Il a l’intention de donner ces données à des régulateurs comme la Federal Aviation Administration, qui pourraient les utiliser pour autoriser une certaine forme de vol supersonique terrestre civil. La réglementation américaine interdit ce vol depuis des décennies, mais la FAA a déjà commencé les travaux liés à la mise à jour de ses règles.

« Nous prévoyons d’emmener l’avion aux États-Unis, dans différentes communautés, et de faire des études de survol », a déclaré Nickol. « Nous sommes assez convaincus que si nous recueillons des données sur la réponse de la communauté à ces niveaux, nous devrions avoir quelque chose d’assez positif à montrer aux régulateurs. »

Le développement du X-59 intervient alors que des sociétés privées telles qu’Aerion Supersonic, Boom Supersonic et Spike Aerospace progressent dans le développement d’avions d’affaires et d’avions de ligne plus rapides que le son. «Nous avons été arrêtés au cours des 40 dernières années dans la progression vers des avions de plus en plus rapides», déclare David Richardson, directeur du programme X-59 à l’unité Skunk Works de Lockheed. Mais ce projet, dit-il, pourrait « ouvrir un tout nouveau type d’aviation ».

Le centre de recherche Langley de la NASA en Virginie gère le projet à faible flèche avec l’aide d’autres sites de la NASA. Son centre de recherche Glenn dans l’Ohio supervise les travaux de propulsion, le centre de recherche Ames en Californie s’occupe de l’ingénierie des systèmes et l’Armstrong Flight Research Center, également en Californie, contribue aux travaux d’ingénierie, d’exploitation et de sécurité.

En 2018, la NASA a attribué à Lockheed un contrat de 247,5 millions de dollars pour gérer la conception conceptuelle et détaillée, le développement, la fabrication et les essais en vol du X-59. Lockheed assemble l’avion sur son site Skunk Works à Palmdale, en Californie, et compte 130 à 140 employés affectés au projet. Un jet sera construit.

CONCEPTION OPTIMISÉE

L’avion monopilote, avec un fuselage d’environ 30 m (98 pieds) de long et une envergure de 9 m, est conçu pour naviguer à 55 000 pieds et Mach 1,4, selon la NASA. L’équipe prévoit que les caractéristiques de conception uniques du X-59 lui donneront un bang sonore de moins de 75 dB perçus au sol – comme un « tonnerre lointain » ou « des voisins fermant une porte de voiture », explique Nickol. « Si vous ne l’écoutez pas vraiment, vous ne le remarquerez peut-être même pas. »

En comparaison, Concorde avait un boom de 105 dB perçus.

Le X-59 sera propulsé par un seul moteur GE Aviation F414-GE-100 de 22 000 lb de poussée (98 kN), qui est une variante du moteur équipant le chasseur Boeing F/A-18E/F Super Hornet. Le moteur sera intégré à l’empennage du X-59. GE a un contrat pour fournir au programme deux F414 et en a déjà livré un.

Bien que sa conception soit nouvelle, le X-59 utilisera des composants trouvés sur d’autres jets militaires – une tactique visant à maintenir les coûts bas. Il aura le train d’atterrissage du Lockheed F-16, le manche de commande du F-117A Night Hawk et le cockpit et la verrière du Northrop Grumman T-38 Talon. « Le défi consiste à intégrer ces systèmes qui ont été conçus pour différents avions… Pour que tout fonctionne ensemble dans cet avion », explique Nickol.

Les caractéristiques de conception qui aident à adoucir les bangs soniques sont connues depuis un certain temps, et le gouvernement américain a testé ces caractéristiques en 2003-2004 en utilisant un Northrop F-5E Tiger modifié.

Une caractéristique clé est la longueur. « Si vous regardez le design du X-59, vous remarquerez qu’il est très long et maigre », déclare Nickol. « C’est exprès, bien sûr, car nous essayons de propager les ondes de choc. »

Les ondes de choc commencent au nez d’un avion, se déplacent vers l’arrière et se détachent de « tous les principaux éléments de l’avion, jusqu’à la queue, et même du panache du moteur à l’arrière », dit-il. La conception élancée du X-59 aide à empêcher ces ondes de choc de « se fondre en une forte onde de choc qui provoque un bang sonique au sol », dit-il.

Richardson ajoute que le « rapport de finesse » de l’avion – sa longueur sur son diamètre – « est l’une des caractéristiques de conception de conduite » qui permet des bangs soniques plus doux. Mais d’autres caractéristiques jouent un rôle. Par exemple, l’équipe a conçu le jet de sorte que la plupart des caractéristiques externes se trouvent sur le dessus de l’avion. Cela aide les ondes de choc à monter, pas à descendre, disent-ils.

La queue s’est également avérée difficile. « Vous avez l’admission et l’échappement du moteur. Vous avez l’extrémité arrière de l’aile, puis l’empennage en T horizontal et vertical. Il se passe beaucoup de choses là-bas », dit Nickol. Chacune de ces caractéristiques « crée une perturbation ou une discontinuité dans le flux d’air, et nous ne voulons pas du choc qui serait généré par ces discontinuités se propageant vers le bas », ajoute Richardson.

Les ingénieurs ont également équipé le X-59 d’un « pont arrière » – une structure sous la buse du moteur qui s’étend vers l’arrière dans le but d’empêcher les ondes de choc provenant de l’échappement d’émaner vers le bas. « Vous devez avoir des matériaux assez exotiques sur ce pont arrière pour le protéger de la chaleur », explique Nickol.

Étant donné que les différences de pression créées par la portance entraînent également des «ondes de choc en champ proche» et, finalement, des bangs soniques au sol, les ingénieurs ont dû «équilibrer soigneusement la portance et la répartition de la zone sur le véhicule tout en optimisant la contrôlabilité», dit Nickol, ajoutant qu’ils devait également «lisser» la répartition de la portance. Pour y parvenir, il a fallu optimiser les structures, y compris les ailes (placées relativement loin à l’arrière), les canards, une queue horizontale et une « queue en T » au sommet de la queue verticale. Ces fonctionnalités créent également des défis de contrôle, nécessitant que le X-59 ait plusieurs surfaces de contrôle. Comme le dit Nickol, la prise en compte de toutes ces variables est un « problème d’optimisation multidisciplinaire ».

DÉFI DE VISIBILITÉ

Le cockpit du X-59 aura des vitres latérales mais pas de pare-brise avant, ce qui générerait de fortes ondes de choc. Par conséquent, l’avion disposera d’un système de visibilité externe développé par la NASA. Ce système utilisera une caméra orientée vers l’avant pour générer des images que le pilote visualisera sur un écran à l’intérieur du cockpit. « Le pilote regarde essentiellement à travers une fenêtre électronique pour obtenir sa vision vers l’avant », explique Nickol.

Rien dans la conception ou la fabrication du X-59 « n’est une avancée technique », dit Richardson. Mais le défi pour les ingénieurs est de s’assurer que le jet conserve la forme souhaitée en vol, lorsque les ailes fléchissent. « L’essentiel est pour nous de conserver cette forme, afin que nous puissions ensuite produire le bang sonique que nous avions prédit », dit-il. « C’est là qu’on prend beaucoup de soin. »

Taxi X-59

L’équipe a achevé l’examen critique de la conception de l’avion en septembre 2019. Le personnel du X-59 de la NASA a travaillé à distance pendant la pandémie de coronavirus, ce qui a ralenti le développement de certains matériels de vol. « Lorsque nous reviendrons de ce virus, nous devrons rattraper notre retard et nous assurer que nous pouvons livrer cet équipement à Lockheed », déclare Nickol.

Pendant ce temps, Skunk Works de Lockheed a continué à fabriquer le jet. Les ouvriers assemblent maintenant les trois principales sous-sections de l’avion : le fuselage avant, le milieu du corps de l’aile principale et l’empennage de queue. La structure principale de l’avion est construite en aluminium, bien qu’elle ait des gouvernes et des revêtements d’aile en composite et du titane dans les sections à haute température de l’empennage.

«Une fois ceux-ci fabriqués, il y aura… un compagnon d’assemblage majeur, lorsque nous mettrons les trois ensemble. C’est la première fois que nous… avons un avion », dit Nickol.

Viendront ensuite l’intégration et les tests des sous-systèmes, ainsi que les tests au sol. La prochaine étape majeure de l’équipe sera un examen de préparation au vol, qui devrait avoir lieu trois à quatre mois avant le premier vol, prévu pour l’automne 2021.

Le programme d’essais en vol comprendra une phase d’expansion de l’enveloppe d’environ neuf mois. Selon le calendrier, Lockheed livrera l’avion à la NASA en 2022, après quoi l’agence commencera environ neuf mois de « vol de validation acoustique » et d’autres tests du Armstrong Flight Research Center.

Des vols terrestres pour tester les perceptions du public suivront ensuite – pour voir si tout cela en valait la peine.

« Nous avons beaucoup d’analyses informatiques… mais vous ne savez vraiment pas jusqu’à ce que vous l’ayez réellement construit et volé dans une atmosphère réelle à grande échelle », explique Nickol. « C’est l’autre chose passionnante – voir si toutes les analyses et conceptions des dernières décennies fonctionneront réellement dans la vraie vie. »

Fabrication X-59

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