ECHOS Sud-Aviation – Septembre 1968 : Les essais au sol de Concorde

Pour livrer au transport aérien commercial son premier avion de transport supersonique intercontinental en 1971, la British Aircraft Corporation, Sud Aviation, les établissements spécialisés gouvernementaux de Grande-Bretagne et de France, les constructeurs d’équipements de ces deux pays ont lancé depuis plusieurs années un programme de recherches et d’essais à la mesure de leur ambition.

Concorde au cours d’un essai de freinage avec parachute

L’ampleur de ce programme s’explique par les difficultés qu’a posé la conception d’un avion commercial de grandes dimensions adapté au domaine de vol supersonique, à savoir le choix des formes aérodynamiques en général, le choix des fuseaux moteurs, des commandes de vol, des matériaux à utiliser. Le paramètre chaleur a pris une importance primordiale et on doit aux dispositifs de réchauffage et de refroidissement une grande partie de la complexité des installations d’essais nouvelles destinées à Concorde. Le but de tous ces efforts est de prouver que, sur le plan sécurité Concorde, dans sa structure et dans ses systèmes sera au moins aussi sûr que les avions actuellement en service.

Les essais en vol

Pendant les premières années du développement du projet, l’accent a été mis sur les essais de matériaux de base, les essais partiels servant à la définition des principes structuraux et les études aérodynamiques en soufflerie. Il est illusoire de prétendre résumer le volume énorme des recherches entreprises sur les métaux, leur résistance à la fatigue, au fluage, à la corrosion, leurs assemblages par rivets, par soudure par points, rivets aveugles, etc… de résumer, les recherches sur les joints, les isolants, les plastiques, les surfaces transparentes, les matériaux de radomes, les liquides.
Un élément mérite une attention spéciale :
Le métal de base, l’alliage léger AU2GN, aluminium plus cuivre, magnésium, fer, nickel ou Hiduminium RR58 en Grande-Bretagne. Ayant abandonné l’emploi généralisé du titane et des aciers inoxydables sauf pour l’installation propulsive et le train, les avionneurs ont préféré cet alliage pour sa bonne résistance au fluage. Pour limiter au maximum le poids, les pièces ont été, aussi souvent que possible usinées dans la masse grâce à l’emploi de machines à commande numérique. Le gain réalisé est estimé à 20%. Les essais continuent sur l’AU2GN pour vérifier en temps réel la validité des essais de fluage accélérés qui ont servi de base au choix initial ; les résultats actuels semblent les confirmer pleinement.

Treize éprouvettes de structure ont été construites et sont actuellement soumises aux habituels cycles de charges de vol, de pressurisation, auxquels sont ajoutés les cycles thermiques. A titre d’exemple voici la description d’une éprouvette, il s’agit d’un tronçon du fuselage arrière entre les cadres 66 et 72, encadré des caissons de voilure entre longerons 66 et 69 allant jusqu’aux bouts d’aile

Mise en place d’un tronçon d’essais à l’échelle, de la partie arrière-fuselage-voilure, sur le banc d’essais de fatigue en condition réelle de vol, au CEAT

Le programme comprend :
1 – La mesure des déformations sous différentes charges, pressions et températures avec différentes valeurs de remplissage.
2 – Les essais de déformations dans les conditions d’un vol type d’une durée réelle.
3 – Des essais de fatigue accélérés.
Pour remplacer le kérosène, du gilotherm est utilisé ; le chauffage se fait par infrarouge, le refroidissement par échangeurs à eau salée ; la cabine est pressurisée à 10,7 PSI, surpression de la croisière à 60 000 pieds.
Les essais de fatigue ont commencé et dureront cinq ans.
Les essais de systèmes ont également engagé de gros moyens, voici quelques exemples : les essais de circuit de carburant, les essais de conditionnement, les essais de circuits hydrauliques et commandes de vol, de train d’atterrissage.

Circuit carburant

Le circuit carburant complet, à l’échelle grandeur, a été installé sur une plate-forme mobile en tangage et roulis. Les réservoirs sont une reproduction en acier des réservoirs réels, les pompes, les robinets les tuyauteries sont ceux de l’avion. La séquence complète d’un vol peut y être reproduite, en température, pressions et utilisation, c’est-à-dire, transferts, équilibrage, débits réacteurs, puits de chaleur pour échangeurs de conditionnement et de liquide hydraulique. L’ensemble pèse 250 tonnes, le système peut être utilisé à partir d’un panneau analogue à celui du mécanicien de bord.

Installation d’essais du circuit carburant à Filton

Conditionnement d’air

Un tronçon de fuselage divisé en trois compartiments pour simuler l’avant, le milieu et l’arrière L’alimentation provient, comme sur le prototype, d’une triple génération. Tous les échangeurs de chaleur sont simulés et pour que le bilan soit correct, les passagers mannequins sont chauffés l’éclairage cabine est représenté.

Essais hydrauliques

L’ensemble des circuits hydrauliques est disposé sur un banc avec tous ses composants électriques et hydrauliques, de la même façon qu’il est installé sur l’avion. La génération est assurée par des pompes entraînées par des moteurs électriques et placés comme sur l’avion ; les trains d’atterrissages sont à leurs emplacements, les commandes de vol sont complètes depuis un poste de pilotage jusqu’aux élevons grandeur réelle sur lesquelles les charges aérodynamiques peuvent être appliquées. Les performances de chaque élément sont mesurées de même que leurs fiabilités et endurances. A noter que l’ensemble du banc des commandes de vol peut être accouplé au simulateur de vol situé tout à côté.

Le laboratoire d’essais d’équipements à Blagnac Vue d’ensemble du banc hydraulique.

Le train avant monté dans sa fosse au banc d’essais hydraulique

Nez basculant et visière

Les mécanismes de descente et relevage du nez et de la visière ont été essayés sous des charges dynamiques et statiques. 60.000 cycles complets ont été achevés sur la visière. Une endurance du même ordre sera obtenue sur le nez avant l’autorisation du premier vol. Les conditions extrêmes de fonctionnement dans la neige, la glace, le sable sont aussi observées. Le fonctionnement avec pressurisation fait partie des essais d’endurance et de résistance de l’éprouvette représentant la partie avant de l’avion.

Train d’atterrissage, pneumatique et freins

Les essais classiques de train d’atterrissage sont en cours ; les essais de fatigue sont aussi en cours un cycle de charges dure 3 ¼ minutes comprenant atterrissage, freinage, roulement, 4 virages, arrêt et redécollage. Pour les pneus le même cycle est appliqué avec réchauffage correspondant à la croisière supersonique. La dernière phase des essais au sol comprend l’utilisation de deux avions complets actuellement en construction

Essais au sol du train principal

L’avion d’essais statiques comprend la totalité des éléments structuraux : le programme comportera deux parties : des essais à température ambiante ou des charges et pressions correspondant au vol subsonique seront appliquées, des essais à chaud ou les variations de température attendues en supersonique seront associées aux charges habituelles.

Montage de la cellule complète d’essais au CEAT de Toulouse.

L’avion d’essais de fatigue ne comportera pas les éléments ayant déjà fait l’objet d’essais de fatigue (nacelles et élevons). Les essais comportent des vols complets avec charges de manoeuvre et de rafales, pressurisation température. Les contraintes thermiques, le vieillissement, le fluage sont des phénomènes difficiles à observer et l’accélération des essais par rapport à l’utilisation est faible, entre 3 et 5 d’où la prévision d’une durée des essais de cinq années.

Les essais au sol sur l’avion prototype*

Avant le premier vol, tous les équipements et tous les circuits de l’avion auront été vérifiés. Ces essais définis par les Bureaux d’Etudes de la British Aircraft Corporation et Sud Aviation, pour les systèmes de leur compétence correspondent après transcription en documents d’exécution, à 250 mémoires de contrôle comprenant chacun une quinzaine de pages. C’est le travail qui se fait actuellement à Filton et à Toulouse sur les prototypes. Il porte sur la vérification de la résistance structurale, les tenues en pression du fuselage et des réservoirs, des circuits de carburant et hydraulique, leur étanchéité ; les essais de continuité et d’isolement de l’ensemble des circuits électriques, de fonctionnement des équipements.

Vérification de l’étanchéité du prototype 001 pendant l’assemblage de l’appareil

A noter que le prototype a subi ses premiers essais il y a un an pour la mesure des modes de vibrations structuraux, lesquels ont permis un premier recoupement par comparaison des résultats de calcul et des résultats réels. Deux configurations de l’avion y ont été analysées, au poids d’atterrissages et au poids de décollage.
Le 12 septembre a eu lieu à Filton la première sortie d’usine de Concorde 002.

Concorde face à la concurrence

Tout d’abord on peut se demander pourquoi les deux Sociétés Européennes, Sud Aviation et British Aircraft Corporation ont choisi d’entrer dans la compétition du supersonique plutôt que dans celle des gros porteurs subsoniques long-courriers.
Il faut rappeler à ce sujet qu’à l’époque où fut prise la décision de construire Concorde personne n’imaginait que le développement du transport aérien serait aussi spectaculaire qu’il a été. Toutes les prévisions se sont trouvées dépassées de fort loin et on n’aurait pas pris au sérieux à l’époque (1962) un expert qui aurait cherché à justifier un avion de 400 sièges sur l’Atlantique. Cela s’explique fort bien car on sortait à peine d’une période de demi-marasme et de surcapacité. Les Boeing 707 commençant tout juste à se remplir après trois ans, de sièges vides et d’autre part il était à cette époque communément admis que du point de vue du transport aérien, les Etats-Unis approchaient de la saturation et que la croissance y serait dorénavant moins forte qu’ailleurs. Contrairement à ces prévisions, c’est aux Etats-Unis que les plus forts taux de croissance ont été enregistrés par la suite ce qui ouvre d’immenses perspectives pour les pays qui les suivent dans la course au progrès et dont l’Europe fait partie.

Dans le domaine supersonique, Concorde trouvera deux concurrents : le soviétique et l’américain.

Le Tupolev Tu 144 ressemble au Concorde ; même conception aérodynamique, capacité, vitesse et rayon d’action très proche de ceux de Concorde. Son premier vol est annoncé autour des mêmes dates que celui de Concorde. Il s’agit donc là d’un concurrent direct, utilisable par les mêmes clients et sur les mêmes réseaux. Il est toutefois difficile d’imaginer qu’il puisse constituer pour Concorde un concurrent sérieux en dehors des pays du bloc soviétique. En effet, outre les considérations politiques, le Tupolev Tu 144 devra surmonter les principaux obstacles suivants :
– Réputation justifiée par l’expérience de mauvaise économie d’exploitation des avions soviétiques dans le domaine civil.
– Manque d’expérience commerciale des constructeurs soviétiques, dont en particulier le réseau après-vente est inexistant.
– Aucune standardisation possible (quincaillerie, boulonnerie, équipements) avec les avions en exploitation.
– Crainte de difficultés pour obtenir une homologation par les autorités de certification occidentales réglementations différentes.

Le Boeing 2707, si l’on en croit certains commentaires récents surclassera Concorde dans tous les domaines et arrêtera toute vente de Concorde dès son entrée en service commercial. Cette supériorité toujours selon les mêmes auteurs, tient en trois points :
– Structure en titane permettant de voler à Mach 2,7 au lieu de Mach 2,2 pour Concorde.
– Voilure à géométrie variable contre voilure fixe delta pour Concorde.
– Capacité de 300 passagers contre 130 pour Concorde.

Les récentes nouvelles en provenance de Boeing annonçant une refonte totale du projet en raison des difficultés techniques rencontrées, montre à quel point cette analyse est superficielle. Une solution hardie ne pouvait en effet être justifiée que dans la mesure où :
– Elle était réalisable avec des technologies maîtrisées.
– Elle apportait par rapport aux solutions classiques des avantages substantiels.
Le fait que, malgré sa puissance scientifique et industrielle, Boeing rencontre de très grandes difficultés dans la réalisation d’un tel projet, démontre clairement que le choix de Sud Aviation et de British Aircraft Corporation en faveur de solutions moins radicales était judicieux. Si par ailleurs, on compare sur la base du projet Boeing 2707 tel qu’il était connu avant l’annonce de sa remise en cause, les caractéristiques opérationnelles des deux appareils, on s’aperçoit que les avantages du projet américain étaient en fait très marginaux.

Rayon d’action

Sans atteindre les performances des quadriréacteurs subsoniques à très long rayon d’action, Concorde transportera sa pleine charge, dans des conditions les plus sévères de vent, température et réserves sur des étapes transatlantiques telles que Londres-New York et Paris-New York. A partir de Rome, Zurich, Copenhague, Stockholm, les compagnies désirant relier New York sans escale devront accepter soit de limiter leur charge marchande, soit de restreindre leurs réserves de carburant au prix d’une légère diminution de leur régularité. Dans les mêmes conditions, le rayon d’action du Boeing 2707 était tombé, juste avant la décision de réexaminer, à 2300 miles (Paris-New York : 4000 milles).

Vitesse

Si l’on parle vitesse de croisière, volera, suivant les conditions de température ambiante entre Mach 2 et Mach 2,2 (vitesse au sol : 2150 à 2260 km/h) et dans les mêmes conditions, était annoncé pour Mach 2,5 à Mach 2,7 (vitesse au sol : 2700 à 2800 km/h). Mais si l’on parle vitesse commerciale, donc de temps de vol effectif entre démarrage du bloc de départ et arrêt devant le parking “ arrivée”, l’avantage du Boeing 2707 s’amenuise considérablement. Le temps bloc est de 3 h 05 mn soit 20 petites minutes de différences.

Economie d’exploitation

L’application des formules usuelles de détermination des coûts d’exploitation montre que Concorde coûtera plus cher au siège kilomètre que les avions subsoniques actuels. L’application de ces mêmes formules au Boeing 2707, conduirait pour cet avion à des coûts intermédiaires entre Concorde et les subsoniques actuels. Mais cette comparaison n’a plus de signification puisque les caractéristiques utilisées étaient celles d’un appareil qui depuis, a été jugé inadapté pour une liaison atlantique. Seule une comparaison effective sur la base du nouveau projet de Boeing, lorsqu’il sera révélé, permettra de juger objectivement de l’économie comparée de Concorde et de son concurrent américain.
Dans leurs études de marchés, Sud Aviation et British Aircraft Corporation, ont fait l’hypothèse qu’il y aurait deux niveaux de coûts d’exploitation : le niveau des subsoniques et le niveau des supersoniques avec Concorde et le SST Américain très voisins l’un de l’autre. Pour fixer un ordre de grandeur entre la différence des deux niveaux on peut dire que pour obtenir un même coefficient de remplissage d’équilibre (break-even load factor) les tarifs supersoniques devraient être de 20 à 25% supérieur aux tarifs subsoniques.

Productivité

En raison de sa capacité et de sa vitesse, le Boeing 2707, offre une productivité par heure de vol bien supérieure à celle de Concorde. Est-ce à dire que cette caractéristique concrétise plutôt une différenciation. Le Boeing 2707 sera mieux adapté que Concorde sur les routes à très forte densité de trafic ou son introduction ne conduira pas à des fréquences trop faibles, Concorde au contraire sera préféré sur toutes les routes à densité de trafic modéré et faible.

Disponibilité

Disponible pour livraison aux compagnies exploitantes dès la fin de 1971, Concorde bénéficie d’ores et déjà de plus de quatre ans d’avance sur son concurrent américain, sans préjuger des retards supplémentaires que ce dernier risque fort de devoir subir.
Dans le domaine subsonique
Il est certain que pendant cette même décennie 1970, les compagnies exploitantes n’auront pas encore amorti leurs long-courriers subsoniques actuels (Boeing 707 et Douglas DC 8) et recevront des flottes d’avions subsoniques nouveaux à grande capacité (Boeing 747 – Airbus A300 – Lockheed Tristar – Douglas DC 10)). Le problème de la coexistence de ces deux catégories d’appareils avec Concorde va donc se poser pour les exploitants, il semble qu’il puisse se résoudre de la manière suivante :
Les long-courriers subsoniques classiques (Boeing 707 et Douglas DC-8) ne pourront avoir de chances de survivre que dans la mesure où le tarif de passage qui leur sera appliqué sera inférieur au tarif des supersoniques. L’expérience passée démontre qu’à tarif égal, le passager préfèrera l’avion le plus moderne et le plus rapide, c’est ce qui a conduit il y a dix ans au déclassement prématuré de toutes les flottes de Lockheed Constellation, de Douglas DC-6 et DC-7, dès que la surcharge jet a été supprimée.
Pour les subsoniques gros porteurs, la solution peut être trouvée soit dans un tarif préférentiel, ce qui est économiquement possible avec un aménagement haute densité offrant un niveau de confort équivalent à celui de la classe touriste actuelle en Boeing 707 et Douglas DC-8, soit en offrant au même tarif, un niveau de confort exceptionnel, tel qu’il peut être obtenu par exemple avec un aménagement à 350 passagers de la cabine du Boeing 747.

De toute façon la solution sera décidée par les compagnies exploitantes réunies au sein de l’IATA, qui devra déterminer le montant d’une surcharge supersonique par rapport au tarif des subsoniques classiques et éventuellement par rapport au tarif des subsoniques gros porteurs, qui répartisse harmonieusement les passagers entre les différents types d’appareils. Pour fixer un ordre de grandeur Sud Aviation et British Aircraft Corporation ont estimé qu’une surcharge de l’ordre de 15 à 20% conserverait au supersonique une clientèle potentielle représentant à peu près 50% du trafic total et permettrait à Concorde d’être exploité avec de bons coefficients de remplissage et dans des conditions de rentabilité favorables.
On ne peut conclure ce rapide exposé sans indiquer les perspectives de l’évolution de l’appareil lui-même, qui devra être de nature à maintenir et même à renforcer son niveau concurrentiel. En effet, la définition des avions Concorde de série est maintenant bien précisée ; leurs performances sont donc à peu près connues et même si les essais en vol apportent quelques heureuses surprises, celles-ci ne peuvent pas être d’un ordre de grandeur tel, que le marché de Concorde puisse en être sensiblement modifié.
Mais comme tout appareil, Concorde naît avec un certain potentiel de croissance et il n’est pas exclu qu’après une série de Concorde stade 1, les constructeurs puissent offrir des Concorde stade 2, puis 3 de capacité, rayon d’action et économie améliorés. Une telle évolution devra être programmée, en cherchant par exemple à faire coïncider la date de disponibilité d’une version améliorée avec la date de sortie des premiers SST américain de manière à faciliter la vente de Concorde dans cette deuxième phase qui sera très concurrentielle.
L’orientation d’une telle évolution nécessitera des études de marchés très poussées, car dans la limite des améliorations techniques possibles, un compromis devra être trouvé entre l’augmentation du rayon d’action qui développerait les ventes auprès des compagnies transcontinentales et l’augmentation de la capacité qui, entraînant une rentabilité améliorée, développerait les ventes auprès des compagnies intercontinentales.
Enfin, il faut savoir que tous les arguments qui viennent d’être développés ont fait l’objet d’études prospectives, et pour chacun d’entre eux, Sud Aviation et British Aircraft Corporation ont déterminé un éventail d’hypothèses dont les combinaisons, introduites dans les études de marché, conduisent à définir pour Concorde un marché minimum et un marché maximum.

Les résultats des plus récentes études sont résumés dans le tableau suivant :

Reportage photographique sur la première campagne d’essais de roulage au sol de Concorde 001 (20/28 août 1968)

Dix-huit essais de roulage ont été exécutés dont la moitié à 12 noeuds (120 km/h). Ces essais ont comporté des expériences diverses sur les moyens de freinage, frein sur roues, parachute de queue, reverse des moteurs et sur la vérification de la tenue au sol sec et mouillé lors de pannes simulées.
Ces essais ont fourni de très utiles enseignements pour la mise au point de l’appareil. Ils ont montré une bonne tenue au sol et une manoeuvrabilité satisfaisante qui permet de bien augurer de l’insertion de l’avion dans les zones encombrées des grands aéroports modernes.
L’avion est maintenant en atelier pour y subir les travaux figurant au programme et préalables aux essais en vol. Cette phase d’expérimentation s’est, comme prévu, déroulée en complète coopération entre les représentants des industries française et britannique : équipages et techniciens BAC, de Sud Aviation, de Rolls Royce (Bristol Engine Division) de la SNECMA, des spécialistes des équipements, train d’atterrissage et freins.
Sir Georges Edwards, Président de la British Aircraft Corporation, et Monsieur Henri Ziegler, Président de Sud Aviation, ont personnellement assisté à certains des essais.