Par Bo K. O. LUNDBERG, directeur général de l’institut de recherches aéronautiques suédoises
Cet article présente les principales conclusions du rapport de la FAA “Vitesse et Sécurité” dans l’aviation civile ainsi que les arguments fondamentaux sur lesquels reposent ces conclusions. Il n’a pas été possible, faute de place, d’inclure dans l’article les analyses détaillées et les données statistiques qui sont à la base du rapport. L’auteur espère que ce schéma suscitera une discussion d’ensemble couvrant tous les avantages et les inconvénients du vol supersonique et où chaque point particulier comme la sécurité, l’économie d’exploitation, le bang sonique et les conséquences indirectes du transport supersonique serait traité en détail et, si possible, évalué numériquement.
Sécurité.
La seule chose que l’on puisse dire avec presque cent pour cent de certitude sur la sécurité de l’avion de transport supersonique et des opérations en supersoniques, c’est qu’elle va être notablement moins grande que celle atteinte par l’avion subsonique actuelle sur longues distances. Ceci vient principalement de la quantité sans précédent de caractéristiques entièrement nouvelles, de l’effet d’échauffement cinétique sur les structures et les circuits, de l’absence presque totale d’expérience dans le domaine supersonique du côté militaire, de la vitesse balistique de l’appareil qui nécessite une navigation très exacte et rend l’équipage pratiquement aveugle en ce qui concerne les collisions avec les autres avions ou la rencontre de phénomènes météorologiques et, enfin, du fait que tout écart de la trajectoire optimale de montée et de croisière en vue d’une économie maximale de carburant entraînera une augmentation de la consommation beaucoup plus grande que pour un avion subsonique et risquera d’avoir un effet critique sur les réserves.
Toutes ces conditions s’ajoutent pour produire une somme de risques, imprévisibles et contre lesquels on ne peut rien, beaucoup plus grande que pour les avions subsoniques (probablement plus de dix fois plus élevée). Tous les efforts et les sommes d’argent considérables qui doivent être et seront certainement mis en oeuvre pour abaisser les risques d’accidents prévisibles du transport supersonique ne changeront rien à ce fait.
Economie d’exploitation.
Même avec les calculs les plus délibérément optimistes du prix de revient du siège-km fondés sur des méthodes standards utilisées pour les avions à réaction subsoniques actuels, le transport supersonique ne pourra soutenir la lutte sur le plan économique avec les avions subsoniques perfectionnés pour les raisons suivantes :
– Les tarifs des services réguliers assurés par avions subsoniques continueront à baisser par suite, a) la concurrence des transports à la demande toujours moins chers, b) des prix de revente réduit de ces appareils, c) des améliorations techniques abaissant par exemple le prix de l’entretien et, d) des progrès importants que l’on peut attendre dans certains domaines comme celui du contrôle de la couche-limite.
– Etant donné le marché beaucoup plus étendu ouvert au transport subsonique et la plus grande capacité de transport offerte par l’avion supersonique, le nombre de nouveaux types d’avions subsoniques présentés sur le marché (probablement de 10 à 15 fois plus grand, que le nombre de nouveaux types d’avions supersoniques. Ceci signifie que la progression technique de ces dernières machines et donc les possibilités de réduire le prix du siège-km du transport supersonique sera beaucoup plus lente ou beaucoup moins sûre que celle des avions subsoniques à moins que chaque nouveau type d’avion supersonique ne soit produit qu’en très petites quantités ne suffisant pas à amortir les frais de mise au point et d’outillage ou qu’il ne soit laissé en service que pendant un temps insuffisant pour amortir son prix de revient.
– Les courriers supersoniques ne voleront probablement qu’avec des coefficients de remplissage très réduits lors des nombreux vols qui devront être faits avec des heures de départ ou d’arrivée incommodes afin d’obtenir un coefficient d’utilisation suffisamment élevé de l’appareil, à moins que des tarifs spéciaux comportant une perte pour l’exploitant ne soient appliqués pour ces vols.
– Le transport supersonique devra compter toujours plus avec la concurrence des avions subsoniques des types STOL et VTOL en particulier qui pourront utiliser des aéroports situés beaucoup plus près des centres urbains. Ceci réduira sérieusement le nombre des routes sur lesquelles le gain de temps et de confort réalisé par le transport supersonique sera effectif, même en prenant des heures de départ et d’arrivée également commodes, car il faut penser que le temps passé en transport au sol est généralement la partie la plus inconfortable du voyage.
– Les exploitants doivent appliquer des taux d’amortissements du matériel volant beaucoup plus élevés à cause de l’incertitude au sujet de la durée en service des avions supersoniques et du faible prix de revente de ces appareils.
– Les courriers supersoniques sont très inférieurs aux avions subsoniques du point de vue souplesse d’emploi et possibilité d’utilisation économique sur étapes courtes et moyennes ou en ce qui concerne le remplacement d’une partie de la charge passagers par du fret.
– La complexité du courrier supersonique et l’échauffement cinétique entraînent des frais et des temps d’entretien beaucoup plus élevés que pour les avions subsoniques, le dernier point ayant pour conséquence une réduction du coefficient d’utilisation.
– Les restrictions imposées par le bang sonique (limitations géographiques des vols de nuit ou obligation d’effectuer le passage du vol subsonique au vol supersonique à haute altitude) réduiront plus ou moins les possibilités d’utilisation ou la charge marchande selon les compromis entre les intérêts des populations et ceux des exploitants des courriers supersoniques qui seront acceptés par les pays survolés.
– Si les accords réalisés à ce sujet ne suffisent pas à réduire les effets du bang sonique à des perturbations mineures et que les surpressions engendrées au sol causent des chocs aux personnes, troublent réellement leur sommeil, casse des vitres, etc…, le transport supersonique deviendra vite impopulaire et bien des voyageurs préfèreront prendre des avions subsoniques plutôt que de contribuer à la gêne imposée à leurs proches. Les exploitants auront de plus à réparer les dégâts causés par leurs appareils.
– Le facteur de multiplication du poids ou, en d’autres termes, l’influence sur le poids total de l’avion de tout kilogramme supplémentaire (par suite des répercussions sur la puissance et donc le poids des moteurs, le poids de carburant, la surface alaire, etc…, qu’il faut augmenter pour conserver les mêmes performances) sera accru si l’on impose des maxima fixes pour les surpressions admissibles en croisière supersonique ou pendant le passage du vol subsonique au vol supersonique. On devra d’abord appliquer à toute augmentation de poids initial (correspondant par exemple à un accroissement de la charge marchande ou des réserves de carburant, ou destinée à accroître la résistance de la structure) le facteur de multiplication normal qui est de l’ordre de 10 pour les long-courriers à réaction subsonique et qui peut être de 15 à 20 pour un courrier supersonique en dehors de toute considération de bang sonique. Lorsque, ensuite, des maxima seront spécifiés pour les surpressions sonores, par exemple 9,8 kg/m2 en montée supersonique et 7,3 kg/m2 en croisière, le facteur de multiplication augmentera considérablement et pourra même devenir infini. On retombe en effet dans le cercle vicieux, les moteurs plus puissants et donc plus lourds demandant plus de carburant pour franchir la même distance, tout ce poids supplémentaire nécessitant une augmentation de la surface alaire pour conserver les vitesses de décollage et d’atterrissage, ce qui fait une autre augmentation de la poussée des moteurs pour répondre aux conditions concernant le bang sonique, etc.
Ce dernier point montre que pour les versions ultérieures des courriers supersoniques (modifications ou nouveaux types), il sera beaucoup plus difficile d’augmenter la charge utile, la distance franchissable ou les dimensions de l’avion que dans le cas des avions subsoniques. Ce manque de souplesse de l’avion supersonique pour d’éventuelles transformations est en fait l’un des plus sérieux obstacles à son amélioration future. Il entraînera une différence sans cesse croissante entre les possibilités des avions à réaction subsoniques de l’avenir et celles des courriers supersoniques en ce qui concerne l’accroissement de la charge marchande et donc la rentabilité.
Il est suggéré ici d’établir pour tous les projets d’avions supersoniques le facteur de multiplication tenant compte des limitations du bang sonique et de le comparer avec le facteur de multiplication normal des avions à réaction subsoniques de façon à permettre aux acheteurs éventuels de courriers supersoniques de comparer dans les deux cas les effets sur l’économie d’exploitation techniques éventuelles.
La conclusion qui s’impose est que l’avion supersonique ne sera pas rémunérateur. Elle est appuyée par le rapport préparé par le Stanford Research Institute pour la FAA et intitulé : “Une analyse économique du transport supersonique”. Ce rapport arrive entre autres aux conclusions suivantes :
– Si l’on se fonde sur les informations dont on dispose sur les différentes conceptions d’avions supersoniques et sur l’état actuel de la technique, l’exploitation du plus économique des avions de transport supersonique ne sera pas aussi rentable que celle des long-courriers à réaction actuels. On s’attend à des seuils de rentabilité plus élevés et à des coefficients annuels d’utilisation plus faibles. Il n’y a par conséquent aucune justification économique directe pour le lancement d’études et de mise au point d’un avion de transport supersonique.
– Etant donné les frais d’exploitation plus élevés du transport supersonique par rapport à l’avion à réaction subsonique, les finances des compagnies aériennes souffriront de la mise en service du premier et le potentiel de rentabilité de beaucoup de ces compagnies décroîtra en supposant des coefficients de chargement similaires pour les deux types d’avions et l’application des mêmes tarifs.
Le Stanford Research Institute est apparemment arrivé aux mêmes conclusions que nous sans tenir compte de tous les facteurs mentionnés plus haut.
Il est donc évident que le courrier supersonique ne remplira pas la neuvième des dix conditions demandées par l’IATA pour cet appareil ; Le prix de revient du siège-km du courrier supersonique doit être égal ou plus faible que celui des avions à réaction subsoniques de rayon d’action et de dimensions comparables en service au moment de son introduction.
Les radiations cosmiques
L’effet des radiations cosmiques aux altitudes auxquelles doit croiser l’avion supersonique constitue un obstacle important à l’intérêt, à la sécurité, à l’économie et, probablement aussi, à la régularité du transport supersonique. Une limitation du nombre d’heures de vol devra probablement être prévue pour les équipages de courriers supersoniques afin de ne pas dépasser les doses maxima admissibles. Les équipages seront en effet exposés non seulement aux radiations cosmiques normales mais aux radiations des taches solaires assez fréquentes et qui ne peuvent être évitées. Un point plus important sans doute pour la rentabilité de l’avion supersonique sera la question des grosses taches solaires moins fréquentes mais dangereuses aux altitudes élevées et que l’avion devra éviter en descendant aux altitudes inférieures et en continuant son vol à vitesse subsonique. Ces taches peuvent se produire à peu près à n’importe quel moment et l’on dispose de 10 à 15 minutes seulement pour les éviter de sorte que le courrier supersonique devra toujours emporter des réserves de carburant suffisamment importantes pour lui permettre d’atteindre son point de destination ou un aéroport de déroutement en volant à partir du milieu de l’Atlantique, par exemple, à vitesse subsonique.
Ces taches solaires peuvent intéresser simultanément jusqu’à 100 courriers supersoniques croisant au-dessus de l’Atlantique Nord et de la partie septentrionale du continent nord-américain et les obliger à descendre aux altitudes inférieures avec les dangers de collision que représentent ces manoeuvres et le vol subsonique aux basses altitudes, une partie du trafic au-dessus des océans et des continents s’effectuant sur des routes qui se croisent.
Si l’on peut pas mettre au point un dispositif avertisseur capable de différencier avec certitude les taches solaires dangereuses peu nombreuses de celles plus fréquentes (à peu prés une ou deux fois par mois) qui n’ont pas d’effet réellement nocif, les occasions de changer les plans de vol seraient si nombreux que la situation deviendrait inacceptable non seulement sur le plan de la rentabilité et de la sécurité des vols mais aussi du point de vue régularité des services et intérêt du transport supersonique pour les passagers.
Le bang sonique.
Le phénomène du bang sonique constitue un obstacle à la rentabilité du courrier supersonique tellement important qu’il ne pourra probablement pas être compensé même par l’octroi de subventions très élevées. De plus, l’aviation supersonique développée à une échelle suffisamment grande pour être valable causerait du fait de ce bang sonique une grave gêne à des centaines de millions de gens à la surface de la terre. Rien que pour ces deux raisons l’aviation supersonique ne doit être introduite que lorsqu’une investigation complète du phénomène du bang sonique aura été faite et aura montré que les avantages économiques de même que les inconvénients pour les populations sont négligeables, ou bien lorsque le bang sonique aura pu être éliminé par de nouvelles découvertes ou inventions.
Dans son appel d’offres pour l’étude et la mise au point d’un courrier supersonique, la FAA a indiqué que la moyenne admissible des surpressions engendrées au sol par les ondes de choc à la verticale de l’avion, ou valeur nominale calculée dans le cas d’une trajectoire rectiligne en vol supersonique dans les conditions correspondant à celles de l’atmosphère standard, ne devrait pas dépasser 9,8 kg/m2 pendant la phase d’accélération et de montée à l’altitude de croisière de 7,3 kg/m2 pendant le vol de croisière et la descente avec ralentissement. Le Concorde et les projets américains atteindront probablement ces limites ou s’en approcheront beaucoup. Or, si l’on se fonde sur les deux critères suivants, il est peu probable que la limite de 7,3 kg/m2 elle-même soit acceptable pour les populations au sol.
Carte des Etats-Unis sur laquelle sont représentés les bandes de 150 kilomètres de largeur correspondant au sillage au sol des ondes de choc produites par un courrier supersonique d’un poids total de 180 tonnes volant à Mach 3 à 20.000 mètres d’altitude dans les conditions atmosphériques standards. La largeur de la zone intéressée peut augmenter dans le cas d’un vent latéral ou d’écarts de route. La zone de sillage sonique d’un avion volant à Mach 2,2 à 18.000 mètres d’altitude n’aurait plus que 80 kilomètres de largeur.
Le premier critère est le critère de la perturbation du sommeil pour lequel c’est l’intensité nominale qui est importante. Des surpressions de l’ordre 7,3 kg/m2 sont susceptibles de réveiller la plupart des gens dormant avec leurs fenêtres ouvertes lorsque le niveau de bruit de fond est faible. En évaluant l’importance de la gêne causée il faut tenir compte de ce que bien des gens, par exemple ceux qui travaillent de nuit, les malades et les bébés dorment pendant le jour. De plus, la fréquence des bangs sera relativement élevée sur bien des routes utilisées par les courriers supersoniques et elle augmentera au fur et à mesure de l’expansion du transport supersonique. Il n’est pas admissible d’interrompre peut-être plusieurs fois par jour ou par nuit le sommeil des gens et l’on peut se demander si un moyen de transport ne causant même que des perturbations légères du sommeil, telles qu’elles n’affecteraient, par exemple, que les gens au sommeil léger mais ceci dans de vastes zones et à une grande distance de l’appareil, peut de toute façon être accepté. Il serait d’autre part peu généreux et anti-démocratique de faire supporter des bangs soniques plus forts (d’une intensité de montée de 9,8 kg/m2, par exemple) que ceux jugés acceptables pour les zones à forte population aux gens vivant, ou séjournant occasionnellement ou se trouvant en transit dans des régions moins habitées. On doit finalement faire observer que le bang sonique peut sérieusement affecter les malades dans les hôpitaux, les convalescents dans les maisons de repos et les curistes des stations balnéaires, certains de ces endroits étant inévitablement situés dans la zone du sillage des ondes de choc si les vols supersoniques ne sont pas limités à l’espace aérien se trouvant au-dessus des océans.
Le deuxième critère est le critère du coefficient de sécurité. La valeur des surpressions engendrées s’écarte beaucoup de la valeur moyenne (ou valeur nominale) suivant les conditions atmosphériques et, en particulier, les discontinuités dans la répartition des températures et la force et la direction des vents, de même que suivant les manœuvres du courrier supersonique comme les virages et les modifications de l’assiette. Si les valeurs moyennes de surpression atteignent 7,3 et 9,8 kg/m2, des surpressions de 14,6 et 19,5 kg/m2 se produiront fréquemment en n’importe quel point du sillage. Elles briseront les vitres et occasionneront des chocs graves aux personnes et aux animaux. De plus, pour peu que le trafic supersonique sur la route considérée soit appréciable, des super-bangs soniques de 48,8 kg/m2 se produiront occasionnellement. Ces amplifications ou concentration des ondes de choc dues aux conditions atmosphériques et aux manœuvres de l’avion pourront être réduites par un contrôle très strict des opérations mais ne pourront jamais être complètement éliminées. Il n’est pas possible d’introduire un mode commercial de transport qui, comme contrepartie inévitable, exposerait les gens à des commotions graves et endommagerait leurs biens, même si les compagnies aériennes jugées responsables des dommages étaient obligées de payer de fortes indemnités. Le critère qui nous occupe demande donc un coefficient de sécurité élevé se définissant comme le rapport entre, a) une surpression élevée (n’englobant pas nécessairement le cas extrême du super-bang) supportable pour le public et que celui-ci ne pourrait accepter de voir dépasser que dans des conditions de répétition données, par exemple une fois par jour ou une fois par semaine, et, b) la surpression moyenne correspondante.
Ces deux critères mis ensemble concourent à donner comme intensité moyenne du bang sonique pouvant être admise sans récrimination par le public une valeur maximale de quelque 1,5 à 2,4 kg/m2. Or cette limite rendrait une exploitation commerciale du vol supersonique impossible du point de vue rentabilité car elle imposerait au courrier supersonique des limites dimensionnelles telles qu’il ne pourrait emporter que quelques passagers.
Pour éviter ces inconvénients on a proposé de restreindre l’utilisation des avions supersoniques aux routes transocéaniques à commencer par celles au-dessus de l’Atlantique Nord. Ceci réduirait d’après les calculs la capacité du marché de l’avion supersonique pour les Etats-Unis seulement de 350 à 400 appareils environ et porterait le prix du courrier supersonique américain aux alentours de 40 millions de dollars. Il faut cependant observer que les routes orthodromiques Londres-New York et Paris-New York passent pour un tiers au-dessus des terres : Terre-Neuve, la Nouvelle-Ecosse, et la côte nord-est des Etats-Unis et que les zones placées dans le sillage sonique sont toutes habitées. De plus, le trafic maritime intense existant sur ces mêmes routes serait fortement gêné par des bangs soniques se répétant plusieurs centaines de fois par jour. On en arrive à se demander si les opérations supersoniques même limitées aux routes transocéaniques sont possibles.
La forme de l’onde de choc produite par un avion supersonique diffère très sensiblement de celle d’une onde sonore normale. Les différences soudaines de pression rencontrées au passage de l’onde de choc suffisent à causer un vif malaise. A – forme une onde de choc sonore normale : b – forme de l’onde de choc et variation de la pression suivant la ligne AA du croquis c ; d – pression atmosphérique.
supersoniques au-dessus de leur pays ne viennent troubler la tranquillité de leurs nombreux centres de villégiature si importants pour leur industrie touristique.
