Un concept d’aile en forme de boîte pour des avions plus efficaces
Nous sommes en 1924. Ludwig Prandtl, un ingénieur allemand considéré comme le père de l’aérodynamique, présente au monde une de ses nouvelles idées: l’aile en forme de boîte (box wing). Par rapport aux avions classiques possédant deux ailes séparées, qui nous sont désormais familiers et dans lesquels nous avons l’habitude d’embarquer, les ailes en forme de boîte sont censées tirer le meilleur rendement possible de l’envergure d’un avion, ce qui permet de diminuer la traînée et la consommation de carburant. Près d’un siècle plus tard, les avions équipés d’ailes en forme de boîte n’ont toujours pas vu le jour, malgré des années et des années de recherches et de développements intensifs. Mais leurs avantages potentiels ont été confirmés. De récents travaux de recherche émanant de l’Université de Pise indiquent que l’aile en forme de boîte pourrait réduire de 22 % la consommation de carburant par passager. «La configuration PrandtlPlane (PrP), que l’Université de Pise a baptisée ainsi en l’honneur de Prandtl, pourrait exercer un effet de levier dans la recherche de solutions neutres sur le plan climatique. S’il peut réduire la consommation de carburant de près de 25 % grâce aux systèmes de propulsion et aux carburants actuels, on ne peut qu’imaginer les avantages qu’il offrirait avec des systèmes de propulsion électriques hybrides ou à hydrogène», déclare Vittorio Cipolla, professeur adjoint au département de génie civil et industriel de l’Université de Pise et coordinateur du projet PARSIFAL (Prandtlplane ARchitecture for the Sustainable Improvement of Future AirpLanes). PARSIFAL incarne l’engagement continu manifesté par la communauté de la recherche pour concrétiser le rêve de Prandtl. De mai 2017 à juillet 2020, l’équipe du projet a évalué l’impact de l’introduction de la PrP sur des avions tels que le Boeing 737 et l’Airbus A320, qui relèvent de la catégorie C en ce qui concerne les exigences de l’OACI en matière d’aéronefs.
Une évaluation approfondie des avantages
L’évaluation du projet a été menée sous l’angle de la faisabilité technique, au moyen d’activités de conception et d’analyses haute-fidélité axées sur l’aérodynamique, la mécanique du vol, les structures, les systèmes de propulsion et les études d’impact. Ces dernières se sont tout particulièrement intéressées à la façon dont le remplacement des ailes classiques par la PrP pourrait jouer sur les émissions de CO2 ou d’autres émissions atmosphériques, sur le potentiel de réchauffement du globe, sur les niveaux de bruit perçus, sur les opérations au sol et sur le retour sur investissement pour les compagnies aériennes. Afin de garantir une comparaison précise entre les ailes en forme de boîte et la configuration standard, l’équipe du projet a mis en œuvre tous ses modèles d’analyse dans un cadre de conception multidisciplinaire adapté aux architectures conventionnelles et PrP. «La configuration “box wing” nous permet de générer davantage de portance pour une même envergure. C’est la condition nécessaire pour transporter un plus grand nombre de passagers par vol sans dépasser les exigences de classe prévues par l’OACI. La réduction de la consommation de carburant par passager-kilomètre, estimée en adoptant des approches haute-fidélité identiques pour les architectures conventionnelles et PrP, varie entre 10 % et 22 % en fonction des exigences de la mission. Des analyses similaires sont en cours pour le secteur des avions de transport régional dans le cadre du projet de recherche italien “PROSIB”, où la PrP est combinée avec la propulsion hybride électrique», explique Vittorio Cipolla. Outre la réduction de la consommation de carburant, les partenaires de PARSIFAL ont constaté que la PrP permettrait de réduire le potentiel de réchauffement du globe des avions de classe C d’environ 17 % en 20 ans. Par ailleurs, l’augmentation de la capacité des avions PrP (plus de 100 sièges supplémentaires) se traduirait par une réduction du nombre de vol et du bruit. Le portefeuille des passagers devrait également en profiter: selon Vittorio Cipolla, le coût par siège-kilomètre disponible pourrait diminuer de près de 12 %. Bien que le projet soit arrivé à son terme, Vittorio Cipolla et son équipe continuent à étudier certains aspects conceptuels spécifiquement liés au PrP. Au départ, ils espéraient que le premier PrP puisse prendre son envol dès 2035. Mais, à l’instar de tant d’autres choses, la COVID-19 risque de retarder l’issue du projet.
Mots‑clés
PARSIFAL, box wing, Ludwig Prandtl, économie de carburant, avion, aérodynamique, PrandtlPlane