Le Double bubble : l’avion vert du futur

Il était une fois le Double bubble, un nouveau concept d’avion créé par des étudiants, qui a conquis l’un des plus grands projets prospectifs environnementaux de la NASA, à savoir le Transformative Aeronautics Concepts Program. L’avion, né en 2010, après deux ans de travail dans le Department of Aeronautics and Astronautics du Massachussetts Institute of Technology (MIT), a été adopté dans la même année par la NASA, joignant les idées qui donneront naissance aux avions verts de 2035.

L’équipe d’étudiants a été dirigée par Ed Greitzer, professeur en aéronautique et en astronautique au MIT, avec la contribution d’Aurora Flight Sciences Corporation et de Pratt & Whitney. En 2016, la NASA a signé avec Aurora un contrat de 2,9 millions de dollars américains (£ 2,19 millions) pour la construction d’un prototype du concept Double bubble. En 2017, l’entreprise a conçu le premier design qu’elle a nommé D series.

Aurora estime que le premier avion de la D series volera en 2025. L’avion se caractérise par une augmentation de l’efficacité de 50 %  par rapport aux modèles actuels et entraînerait une réduction de 25 % de la consommation mondiale de carburant s’il était adopté.

Le concept

Afin de répondre aux enjeux du transport aérien du futur, l’équipe d’étudiants s’est donné pour objectif principal de créer un avion subsonique moins polluant. Double bubble doit consommer 70 % moins de carburant et diminuer ses émissions d’oxydes d’azote (NOx) de 35 %. Cet avion devrait notamment pouvoir décoller et atterrir sur des pistes courtes.

L’équipe a conçu deux modèles : la D series, qui peut transporter 180 personnes, et la H series, l’équivalent du Boeing 777, ayant une capacité de 350 passagers.

Le Double bubble se caractérise par des gouvernes et des empennages horizontaux fusionnés surmontant les réacteurs situés à l’arrière du fuselage.

Pour dessiner la forme de l’avion, les concepteurs sont partis du modèle 737-800 de Boeing en prenant en considération les objectifs cités plus haut. Le nom de l’avion reflète son design inédit sous forme d’un double fuselage. Les deux cellules ont été fusionnées comme deux bulles de savon pour former un volume plus large qui permet, en outre, d’augmenter le nombre de rangées de sièges et d’avoir une cabine comportant deux allées. L’intersection des deux cellules crée une fente incurvée, au niveau du haut de la voilure, qui participe à l’optimisation du design basé sur le principe d’ingestion de couche limite (boundary layer ingestion).

L’ingestion de couche limite

Il s’agit d’une configuration d’avion à ailes fusionnées qui permet de supprimer le mât réacteur en positionnant les réacteurs en arrière. Ce design participe à l’augmentation de l’efficacité propulsive des moteurs en éliminant la résistance aérodynamique créée par le mât. Dans le cas du Double bubble, la fente incurvée permet d’accélérer le flux d’air et d’optimiser de facto le rendement aérodynamique de la surface qui participe au bon fonctionnement du principe d’ingestion de couche limite.

Les caractéristiques morphologiques du Double bubble

Le diamètre du fuselage a été élargi et la forme du nez a été effilée et élevée afin d’optimiser la résistance aérodynamique de l’avion. Ces transformations ont permis notamment d’allonger les ailes et de réduire leur profil afin de diminuer la résistance. La forme du nez et les dimensions de l’empennage aident à améliorer la stabilité de l’avion.

Par ailleurs, le Double bubble oblige une diminution de la vitesse de croisière de 0,8 Mach à 0,76 Mach, ce qui représente 18 minutes supplémentaires pour un vol de trois heures. Cette perte n’est pas importante comparée à la réduction énergétique globale réalisée par ce design. D’un autre côté, rappelons que la configuration de la cabine permet de gagner du temps lors de l’embarquement et du débarquement.

L’ingestion de couche limite présente pour ce concept un grand défi technologique à surmonter. En effet, lorsqu’ils sont placés à l’arrière de l’avion, les réacteurs reçoivent des flux d’air non uniformes, à savoir :

• Des écoulements laminaires et rapides de filets d’air, épousant la forme incurvée de la voilure (créée par l’intersection des deux cellules), pénètrent la partie inférieure du réacteur;
• Des écoulements turbulents se forment au niveau de la partie supérieure du réacteur.

En plus des contraintes générées par les écoulements turbulents, cette irrégularité altère la performance des réacteurs.