Historique
Toutes ces évolutions sont liées à la demande au cours du temps. Chaque superpuissance voulant s'imposer, il a fallu au cours du siècle améliorer sans cesse les avions. L'aérodynamisme, les matériaux et les moteurs ont été repris et retravaillés à plusieurs dizaines de reprises. C'est ainsi que naquit le premier avion à moteur à réaction utilisé en condition réelle, le Me-262, qui fut utilisé à la Seconde Guerre mondiale. Vient ensuite le temps des courses aux records et surtout de la domination des airs. Après la guerre, Américains et Soviétiques se retrouvent seules superpuissances dans le monde, c'est alors le début d'une rivalité forte marquée pas la Guerre Froide. Chaque pays va se créer une puissance par le biais d'alliances avec d'autres pays. On assiste alors à l'affrontement du bloc soviétique de l'est contre le bloc américain de l'ouest.
Les années 50 seront dédiées à une tentative de domination par l'espace aérien uniquement. Bien que les Allemands aient déjà marqué l'histoire, en inventant le moteur à réaction, les Américains ne se laissèrent pas décourager et prirent la ferme intention de devenir les maîtres du monde. C'est ainsi qu'après la guerre, Etats-Unis et surtout l'URSS, malgré de nombreuses réparations à faire et une réorganisation totale, utilisèrent un énorme budget à la « défense du pays », et cela, dans le seul but d'impressionner la puissance adverse par leur puissance de frappe.
Les Américains mirent au point plusieurs sociétés leur permettant un niveau de développement suffisamment élevé pour devenir les maîtres des airs. La recherche fut de plus en plus poussée et la société Bell apparut comme la plus novatrice dans l'aviation moderne. En effet ceux-ci inventèrent le Bell X-1, cet engin qui fut le premier à passer le mur du son le 14 octobre 1947 après huit autres tentatives moins chanceuses. Le Mach fut dépassé et les records s'enchaînèrent. Sous l'impulsion du NACA, organisation des programmes de recherches, l'aéronautique se développe grâce aux laboratoires universitaires et à des souffleries performantes. Une autre société, North American, mit au point un engin hors du commun pour accroître encore les connaissances aériennes. Le X-15 vola ainsi à une altitude de 107960 mètres qui fut un record absolu de même que sa vitesse, Mach 6.3, soit 7300 km/h, qui sera aussi un record inégalé. Tout ceci se passe dans la stratosphère, cependant quand on voit le résultat du X-15, on constate que la conquête de l'air laisse la place à la conquête spatiale.
L'histoire de l'espace est toutefois totalement différente de l'histoire des airs. C'est l'URSS qui a pris la plus grande avance dans ce domaine. A la suite de la guerre, alors que les Américains ont préféré améliorer leurs nouveaux avions supersoniques, les Soviétiques ont cherché un nouveau terrain pour tenter de dominer le monde. C'est ainsi que les années 60 sont plutôt favorable à l'URSS. Leur budget était dirigé vers l'aérospatial avec comme principale cible la Lune. Certains pensaient cette tâche impossible, cependant en octobre 1957 le lancement de « Spoutnik » par les Soviétiques surprend totalement les Américains. Pour eux c'est un grave échec et le signe que l'URSS a comblé le retard qu'elle avait à la fin de la Seconde Guerre mondiale. Leur revanche viendra le 21 décembre 1968, avec pour la première fois dans l'humanité, un vol avec à bord trois astronautes. Ce fut alors la première fusée qui expédia des hommes survoler la Lune. C'est alors que les Américains prirent une avance décisive sur les Soviétiques qui ne parvenaient pas à faire décoller leur fusée N1. Dès ce jour les Américains ne lâchèrent pas leur suprématie dans le domaine spatial et réalisèrent des vols impressionnants à l'image de l'exploration du reste du système solaire.
L'avion est placé verticalement
C'est le cas du XFY-1. Cet avion américain, conçu à la fin de la seconde guerre mondiale, était un hybride. Sur le nez de l'avion était placé deux hélices contrarotatives, de plus l'avion était aussi équipé d'un turbopropulseur Allison YT40-A-6 de 5850 chevaux. La présence de deux puissances de propulsion était nécessaire à cause de la faible puissance des moteurs à réaction de l'époque. Mais la particularité de l'avion n'était pas là, en effet le « Pogo » possédait la capacité de reposer sur son empennage et de pouvoir être utilisé à partir de plates-formes embarquées exiguës. L'avion est de la famille VTOL des « tail-sitter », ceci consiste à faire décoller et atterrir un appareil avec le fuselage posé verticalement sur le sol, d'où la désignation « tail-sitter ». L'utilisation et la conception de cet appareil n'étaient pas aisées, en effet le rapport masse/puissance devait être inférieure à 1 pour décoller et se poser en douceur, de plus le système ne pourra être testé qu'après la naissance du turbomoteur à la fois très puissant et léger. Cet avion effectua son premier décollage et atterrissage vertical le 1 août 1954 mais le programme de production en série fut annulé en raison de problèmes de maniabilité et surtout parce que les militaires estimaient qu'il n'était pas nécessaire de fabriquer un chasseur dont les performances étaient égales à celles des avions à réaction de la même catégorie.
L'avion est placé horizontalement
Ce projet fut proposé par le Français Michel Wibault, bien qu'il eut tout pour réussir, le concept ne séduit point les Français, il fut alors repris par l'entreprise américaine Hawker qui créa le prototype P.1127 qui vola pour la première fois en octobre 1960. L'évolution du Hawker ouvrit la voie au Harrier, avion aussi propulsé par des réacteurs pivotants. Cet avion fut le premier avec le potentiel STOVL (Short Take-Off and Vertical Landing), c'est à dire à décollage et attérrissage court et verticaux. L'avion est équipé d'un moteur turbofan Pegasus, qui fut le seul turboréacteur à poussée vectorielle du monde, dont les gaz de la turbine agissaient sur quatre grands compresseurs dotés chacun d'un réacteur pivotant. Ceux ci peuvent alors diriger la poussée du moteur avec un angle d'ouverture allant jusqu'à 90°. Les ouvertures pivotantes s'inclinaient à 90° assurant ainsi la portance nécessaire à un décollage vertical et s'inclinaient aussi horizontalement vers l'arrière fournissant la traction pour un vol normal. Ce phénomène est appelé poussée dirigée, il est conçu pour répondre à la demande de décollages rapides et atterrissage verticaux. C'est le plus puissant moteur à réaction équipant un chasseur. Pour une question de stabilité le Pegasus est placé à proximité du centre de gravité de l'avion, et pour une question de chaleur élevée et de bangs, ses quatre réacteurs sont en titane. L'orientation variable de ces réacteurs permet donc au Harrier d'évoluer vers l'arrière à près de 50km/h. Un pilote réputé a déclaré que le mieux était de s'arrêter avant d'atterrir et non d'atterrir puis de tenter de s'arrêter. Bien qu'aillant une voilure fixe, le potentiel de vol stationnaire reste l'atout du Harrier ce qui le rend opérationnel pratiquement partout. Le décollage se réalise en trois phases. Tout d'abord le moteur est à 55% de sa puissance avec des réacteurs inclinés à 10°. Ensuite une fois que l'avion a atteint la vitesse de 150km/h, les réacteurs sont inclinés à 55° et le pilote actionne les pleins gaz. La combinaison de la portance verticale de la voilure et des jets des réacteurs soulève l'avion. Enfin le Harrier passe progressivement en vol horizontal avec des réacteurs qui dirigent leur poussé vers l'arrière.
Le principe
A la fin de la seconde guerre mondiale, qui avait vu l'aéronautique faire un bon de géant, les ingénieurs se concentrèrent sur les plus grandes vitesses que pouvaient atteindre les avions. En 1947 l'avion Bell X-1 devient le premier appareil à passer le cap des 1000km/h. Les pilotes et les ingénieurs observent alors qu'en se rapprochant du cap des 1000km/h l'appareil subissait de violentes vibrations, les commandes répondaient mal et il arrivait que parfois l'appareil se disloque. Ces problèmes apparaissaient lors du rapprochement de la vitesse du son soit 340m/s. D'où l'expression « mur du son ». On utilise le terme de Mach pour représenter la vitesse de l'appareil. Le Mach est égal à la vitesse du son qui varie en fonction de l'altitude et de la température. Au niveau de la mer, le Mach correspond à 1226km/h alors qu'à la base de la troposphère celui-ci est d'environ 1062km/h. Au-delà de la tropopause, à environ 11000mètres, la vitesse du son demeure constante. Ce nom est celui du physicien Ernst Mach. Ce physicien autrichien du début du 20eme siècle fut célèbre pour ses travaux sur la vitesse du son. L'effroyable bruit produit lors du passage d'un avion supersonique provient d'un phénomène en relation à la vitesse du son. Le son se propage à 340 m/s et ceci dans toutes les directions possibles y compris à l'avant de l'appareil. Cependant dans le cas d'avion supersonique, l'engin va plus vite que la vitesse du son, le son généré par l'appareil est alors « rattrapé » par l'avion lui-même, cela crée un « mur » d'onde juste devant le nez de l'avion. Le « Bang » continuel provient donc du choc des molécules, de l'avion et du son, les unes contres les autres.
Le premier avion supersonique
Nous étudierons dans ce paragraphe le premier avion à avoir atteint le mur du son : le Bell X-1. Ce nouveau prototype fut conçu pour résister à la forte pression que lui infligeait l'air. Tout d'abord l'engin était taillé comme un obus, il avait été dessiné après de sérieuses études des propriétés aérodynamiques à vitesse supersonique des balles de gros calibre. Le Bell X-1 était propulsé par un moteur-fusée, en effet les réacteurs n'étaient pas encore assez performants. Le principe des moteurs-fusées est similaire à celui d'un moteur de fusée actuel. Le moteur-fusée à ergols liquides transforme en force propulsive l'énergie dégagée par la réaction chimique entre deux ergols: le combustible, et le comburant. Ces deux corps sont injectés sous forte pression dans la chambre de combustion. Leur combustion très vive produit une grande quantité de gaz à haute température. Accélérés par leur passage au travers de la tuyère, leur éjection à grande vitesse produit la poussée. Pour cet avion les deux ergols étaient un mélange d'eau et d'alcool pour le combustible et de l'oxygène liquide comme comburant. Le X-1 aurait présenté des risques extrêmes lors d'un décollage classique. De plus, l'énorme consommation des moteurs aurait tout record de vitesse après un décollage depuis le sol. Pour cette raison on arrima le X-1 sous le fuselage d'un B-29. Cette véritable bombe volante était pilotée par le général Charles Yeager, légende vivante américaine qui suivit une préparation militaire avant de s'engager dans l'armée. Après quelques mètres en chute libre « Chuck » effectuait la mise à feu des moteurs et le 14 octobre 1947, lors du neuvième vol propulsé, le X-1 monta à 14300mètres et l'appareil atteint Mach 1.07 soit 1126km/h. Au sol, dans la base du désert californien de Mojave, une forte détonation retentit indiquant alors que pour la première fois le mur venait d'être franchi.
Les moyens d'accélération de vitesse:
Nous parlerons d'un appareil hors du commun lancé par la firme North American le 17 septembre 1959. En effet le X-15 accumula les records durant sa période d'utilisation. Le 22 août 1963 l'avion atteint l'altitude record de 107960 mètres, qui fut le record absolu. Le 3 octobre 1967, le major Peter Knight mena son appareil à Mach 6.3, soit 7300k/h. Ce record atteint dans la stratosphère ne fut, lui non plus, pas égalé. De plus le X-15, davantage laboratoire volant que simple engin de record, permit de rassembler de précieuses données aux américains pour la conquête de l'espace. Par exemple sa cellule pouvant subir des températures de 650°C permit de répondre aux questions générées par le retour dans l'atmosphère d'engins spatiaux. Nous pouvons donc affirmer que le X-15 marqua la fin de la conquête de l'air au profit de la conquête spatiale.
Propulsion par fusée:
Le statoréacteur ne fonctionne réellement qu'à des vitesses supérieures à 500km/h et s'avère très gourmant en kérosène. Il est donc inadapté aux phases de décollage et d'atterrissage, c'est ce qui explique son utilisation très anecdotique dans l'aviation moderne. En théorie, le statoréacteur n'a pas de vitesse limite, il peut accélérer indéfiniment aussi longtemps qu'il reste de l'oxygène dans l'air. Il ne fonctionnerait alors que pendant une durée trop courte, du moment où l'appareil atteindrait le mur du son et cela jusqu'à la limite de l'atmosphère. En effet celui ci fonctionnant avec l'oxygène, il n'aurait aucune utilité dans l'espace. Il fallait alors trouver un autre moyen de propulsion puissant, fiable et moins gourmant en carburant qu'un statoréacteur. La fusée est le premier réacteur mis au point tout d'abord par les armées chinoises dans le premier millénaire, son apparition en Europe est plus tardive. Aujourd'hui ce type de propulsion est utilisé sur les lanceurs de satellites et les missiles. Les caractéristiques des fusées résident dans les carburants. Une fusée utilise un mélange chimique appelé propergol, le propergol brûle sans utiliser l'oxygène de l'air et produit une grande quantité de gaz chauds utilisés pour la propulsion. Il existe principalement deux types de fusée, les fusées à propergol solide et les fusées à propergol liquide.
Fonctionnement :
L'exemple de Saturne 5 :
La fusée saturne 5 est composée de trois étages. Le premier étage est équipé de 5moteurs F1 qui fonctionne 150secondes développant une poussée totale de 3500 tonnes, 60 fois la poussée des 4réacteurs de concorde. 15 tonnes de carburant sont brûlées chaque seconde et ceci pour atteindre une altitude de 61km de haut et une vitesse de 9600km/h. Cet étage utilise du kérosène et de l'oxygène. Le deuxième étage est quant à lui doté de 5 moteurs J2 développant une poussée totale de 450 tonnes. 1 tonne de carburant est consommée par seconde pour atteindre une altitude de 173 km et une vitesse de 27800 km/h. Le dernier est composé d'un seul moteur J2 développant une poussée de 90 tonnes. Celui ci fonctionne à deux reprises, la première fois pendant 2 minutes pour atteindre l'altitude de 187 km et la seconde pendant 6 minutes pour insérer Saturne sur une orbite très allongée qui l'emmène à proximité de la Lune. Les deux derniers étages utilisent un mélange extrêmement réactif d'hydrogène et d'oxygène. En effet 1 kg d'oxygène mélangé à de l'hydrogène génère une poussée 40% plus forte que 1 kg de kérosène mélangé à de l'hydrogène. Pour les trois étages les ergols liquides sont dirigés vers les chambres de combustion des moteurs par un système de pressurisation à l'hélium contenu dans de petites bouteille, le carburant est ensuite brûlé est éjecté par les tuyères orientales. Les trois étages propulsifs de la fusée se détachent un par un une fois leurs réserves de carburants écoulés. Le détachement de chaque élément permet une diminution de la masse et ainsi le rapport puissance/masse augmente et la force de propulsion augmente aussi permettant au vaisseau Apollo de se mettre en orbite. Ce vaisseau est constitué de trois modules d'une masse totale de 2.5 tonnes de matériel électronique chargé d'effectuer et de transmettre pendant le lancement et le vol des milliers de mesures. Ce module lunaire contenait par exemple la Jeep lunaire lors des dernières missions. Vient ensuite le module de service, soit la salle des machines du vaisseau Apollo. Et enfin le module de commande avec lequel les trois astronautes amerrissaient en fin de mission. On note que le module de commande, bardé de boucliers thermiques très résistants, est attaché par une structure métallique à la tour de sauvetage, chargée de l'arracher en cas de dysfonctionnement du premier étage lors du lancement.