La pollution

    L'aviation a deux talons d'Achille : la pollution sonore et la pollution atmosphérique. En dépit des progrès énormes accomplis pour réduire ces nuisances majeures, il reste encore beaucoup de solutions à trouver pour remédier à ces problèmes afin de pouvoir les éradiquer de la vie quotidienne. Ces problèmes posent désormais, sur le terrain de l'environnement, un défi de taille à l'ensemble de la recherche aéronautique.

 

La pollution sonore

Introduction

    Le bruit des avions est inscrit dans la vie de plus de 5 millions de français. Ces nuisances sonores peuvent provoquer une gêne intense, accroître un stress latent, révéler certains problèmes de santé. Elles peuvent également dévaloriser les biens immobiliers, déqualifier des quartiers urbains entiers par le départ de populations ... Ces effets sont tels que la réduction du bruit des avions se hisse peu à peu au rang d'enjeu politique allant jusqu'à remettre en cause le développement de la mobilité aérienne. La réduction de la pollution sonore est un défi lancé aux industriels et scientifiques.

Le bruit des avions

Définition du bruit

- Les Bruits correspondent à l’ensemble des sons produits par des vibrations perceptibles par l’ouïe.
- L’intensité sonore est la puissance surfacique transportée par l’onde sonore.
- L’intensité peut être mesurée en décibel à l’aide de la relation sonore :
 

        I(Db) = 10 x log( I / Io)

Io =10 -12 W.m² : seuil d’audibilité minimal.
I : intensité du bruit en W.m-2
- Quelques exemples : -.Réacteur d’avion à quelques mètres : 130 dB
-.Seuil de douleur : 120 dB
-.Discussion à voix basse : 25 Db

Les causes du bruit des avions

On classe les bruits selon deux grandes catégories :
ce qui génère des turbulences au contact de l’air ambiant.

I.)  le bruit moteur dans lequel on distingue :
-le bruit de jet lié à l’expulsion des gaz à l’arrière du moteur,  ce qui génère des turbulences au contact de l’air ambiant.
- le bruit des parties tournantes du moteur
- le bruit de combustion.
 

II.)- Le bruit dit aérodynamique qui concerne les turbulences aérodynamiques autour de l’avion c'est-à-dire les mouvements d’air créés par les  parties extérieurs (volets, trains d’atterrissage …..).Cette source de bruit est aussi importante que le bruit moteur, notamment en phase d’atterrissage.


 

Méthodes ayant permis la réduction du bruit

Généralité sur les réacteurs à double-flux

     Les turboréacteurs à double-flux ont permis de réduire la pollution sonore émise par les avions. La partie de l’air entrant qui reste à basse température entoure les gaz chauds qui sortent de la chambre de combustion pour se mélanger avec eux et abaisser leur température. Ainsi la vitesse d’éjection des gaz chauds diminue, ce qui réduit le bruit du réacteur qui est dû à la vitesse d’échappement des gaz chauds. (pour mieux comprendre vous pouvez retournez au chapitre portant sur le fonctionnement des turboréacteurs en cliquant ici )

Les matériaux

    Actuellement les tuyères d’avions agissent comme des instruments desquels sortent des sons : des recherches sont effectuées sur les matériaux constitutifs des tuyères, qui absorberaient les sons et répondraient aux contraintes mécaniques de l’appareil.
Parmi eux, il existe des matériaux poreux, d’autres rigides et métalliques.
    Leur disposition dans la tuyère : les panneaux acoustiques pouvant alors avoir une forme de « nid d’abeille », de « sandwich » et comporter un nombre défini de couches jouent un rôle dans la diminution sonore. Mais la technologie nécessaire à leur réalisation reste encore très coûteuse car l’emploi de laser est parfois indispensable.

Tuyère : disposition des matériaux

 

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Pollution atmosphérique

Le rejet de gaz par les réacteurs

   Pour assurer la poussée, le réacteur brûle l’air compressé dans la chambre de combustion. Un réacteur fait donc réagir a haute température du kérosène (hydrocarbure de formule variable, de C10H22 à C14H30) avec un mélange gazeux composé majoritairement de dioxygène (O2) et de diazote (N2). Cette réaction entraîne l’émission de polluants :
- des oxydes d’azote (NOx)
- de la vapeur d’eau (H2O)
- du monoxyde de carbone (CO)
- des hydrocarbures (HxCy)
- des composés organiques volatiles (COV)
- des particules solides (suies)
- du dioxyde de carbone (CO2)
   

     Les oxydes d’azote sont émis principalement quand le moteur est dans les hauts régimes ce qui arrive au décollage et en montée, ils réagissent rapidement avec l’air pour donner de l’ozone (O3) et du méthane (CH4). L’ozone est un gaz nocif pour l’homme s’il est présent à basse altitude. De plus il est produit par l’avion quand celui-ci est encore à basse altitude. Le méthane, lui est un puissant gaz à effet de serre, environ 23 fois plus que le dioxyde de carbone.
La vapeur d’eau émise par les réacteurs est responsable de l’effet Cirrus. La vapeur d’eau est elle aussi un puissant gaz à effet de serre, son absence baisserait la température moyenne de la Terre de 30 degrés (!)
Au régime ralenti et au sol se dégage cette fois beaucoup de monoxyde de carbone et d’hydrocarbures. Le monoxyde de carbone et connu pur les nombreuses intoxications parfois mortelles causées par les poêles défectueux. Les hydrocarbures et les suies, particules résultant d’une combustion incomplète, sont réputées cancérogènes.

    Une autre préoccupation des motoristes concerne les suies, qui sont les particules de carbone imbrûlées. Elles participent à la pollution locale autour des aéroports mais leur rôle vis-à-vis du changement climatique reste controversé, car elles ont à la fois une action de réchauffement et de refroidissement. Ces petites particules participent à la formation des cristaux de glace en sortie du réacteur : ils forment le premier "noyau" autour duquel la glace s'agrège. Les suies se forment surtout dans les zones du moteur riches en carburant qui servent à stabiliser la combustion. Avant de pouvoir les réduire, il importe de bien comprendre leur formation. " Or, la modélisation des suies est particulièrement difficile, car plusieurs phases coexistent (solide, gaz) et de nombreuses espèces intermédiaires se forment lors de la combustion ", note Francis Dupoirieux. L'Onéra travaille sur ce sujet au sein d'un programme européen baptisé SIA (soots in aeronautics, ou suies dans l'aéronautique)

 

Visualisation par LII (Laser Induced Incandescence)
de la fraction volumique de suie dans une flamme de diffusion turbulente

 

Les solutions envisageables

    Le fonctionnement d'un moteur est très complexe. Une combustion idéale ne produirait que du dioxyde de carbone (CO2) et de l'eau (H2O), mais ce n'est bien sûr jamais le cas. Le monoxyde de carbone (CO), que l'on trouve lorsque la combustion est incomplète, est le mieux maîtrisé. Sa présence dépend du régime de fonctionnement des moteurs, mais un bon mélange de carburant permet de limiter sa formation. En revanche, les oxydes d'azote (NO2, NO et N2O) créent de gros soucis aux constructeurs. Ces oxydes participent à la fois à la pollution locale (NO2 est toxique pour l'homme et provoque des pluies acides) et à la pollution globale, à cause de leur rôle dans la formation de l'ozone.

    Celui-ci, utile dans la haute atmosphère pour filtrer les rayons solaires, a des effets nocifs pour la respiration et participe à l'augmentation de l'effet de serre lorsqu'il est présent à plus basse altitude. Ces oxydes se forment à pression et température élevées. Or, ces conditions sont les meilleures pour augmenter le rendement du moteur, permettant d'utiliser le moins de carburant possible. une situation quasiment insoluble. " Les oxydes d'azote sont le seul polluant qu'on n'arrive pas à réduire actuellement ", regrette Francis Dupoirieux, maître de recherche à l'Onéra.

    L'augmentation des pressions dans les moteurs étant inéluctable, il faut jouer sur le mélange carburant/air pour tenter de réduire les oxydes d'azote. " Ceux-ci se forment lorsqu'il y a juste la quantité d'air nécessaire à la combustion. Si l'on ajoute d'avantage d'air, on forme un mélange dit "pauvre" peu favorable à la formation des oxydes d'azote ", explique le scientifique. Malheureusement, la combustion est alors moins stable, et il existe des risques d'extinction et, de plus, il peut être difficile d'obtenir le réallumage. " Nous devons donc bien mélanger le carburant et l'air avant de les envoyer dans la chambre de combustion. Mais ce pré-mélange est dangereux en cas de remontée de flamme ".

    Il importe donc de concevoir des chambres de combustion avec une architecture différente pour accroître la sécurité. " Les modélisations deviennent alors très utiles, car elles évitent des expériences coûteuses. Nous reproduisons par calcul les limites de stabilité des mélanges selon les architectures des moteurs, et nous tentons de voir si nous parvenons à réduire ainsi les oxydes d'azote ", précise Francis Dupoirieux. " Dans trois à quatre ans, nous aurons les outils numériques pour juger si les nouvelles architectures de moteurs sont efficaces à la diminution des rejets. Mais leur point faible reste la sécurité, et seuls les constructeurs pourront réellement décider si ces moteurs sont suffisamment sûrs pour être installés sur des avions. En cas de succès, ils pourraient apparaître dans cinq à dix ans sur les appareils commerciaux. "


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