ARCHIVÉ - Un mystère de la haute altitude élucidé
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Le 28 août 2009 — Ottawa (Ontario)
Un mystérieux phénomène capable d’arrêter les moteurs d’un avion en plein vol a été recréé en laboratoire par le CNRC.
L’accumulation de glace dans un moteur à réaction, mécanisme qu’on a longtemps cru impossible, a désormais été associée à 14 pannes survenues dans les airs au cours des dernières années. Les moteurs des gros-porteurs commerciaux sont conçus pour redémarrer automatiquement dans les rares cas où ils tombent en panne. En général, les passagers ne s’en rendent absolument pas compte. Mais jusqu’à présent, personne n'avait pu montrer de façon précise comment de la glace pouvait se former à l’intérieur de ces moteurs.
Pour la première fois, le CNRC a reproduit les conditions susceptibles de produire une accumulation de glace dans le moteur, à une altitude de 36 000 pieds environ. Les essais, réalisés avec le concours de Boeing et de la NASA, constituent un premier pas en vue d’éviter de tels incidents à l’avenir.
Les essais effectués par le CNRC pourraient mener à la construction de moteurs qui résisteront mieux aux cristaux de glace. © Boeing.
Question de froid
On se demande depuis longtemps comment de la glace peut apparaître dans un moteur à réaction, où la température dépasse considérablement le point de congélation. Au cœur du mystère se trouvent les cristaux de glace. Ils existent typiquement en grande quantité dans les cellules orageuses, surtout en zone tropicale. Invisibles à l’œil du pilote, ces cristaux n’apparaissent pas davantage sur les écrans radar.
Dès les années 1950, on savait que les cristaux de glace pouvaient susciter des difficultés, mais ce n’est que depuis peu qu’on pense qu’ils posent un risque pour les avions commerciaux. « Avant 2003, l’industrie ne savait pas – et ne pensait pas – que des cristaux de glace pouvaient s’accumuler à l’intérieur d’un moteur en marche », a déclaré Jeanne Mason, ingénieure en chef spécialisée chez Boeing.
Des études récentes ont permis de mieux comprendre le rôle de tels cristaux dans l’arrêt inexplicable des moteurs. L’hypothèse était que la fonte des cristaux refroidissait la surface interne du moteur jusqu’au point de congélation, même si personne n’a jamais été en mesure de constater le phénomène.
Ce qu’a fait le CNRC
Le CNRC a donc construit une maquette à l’échelle d’un moteur et a reproduit les conditions dans lesquelles se trouve un avion lorsqu'il rencontre des cristaux de glace à haute altitude. L'essai a prouvé la véracité de l’hypothèse. Dans certaines conditions, de la glace se forme à l’intérieur du moteur, même si la température de l’air y dépasse le point de congélation.
Les essais du CNRC montrent une accumulation d’environ un kilo de glace en l’espace de cinq minutes. La quantité de glace accumulée serait beaucoup plus grande dans un moteur de taille normale. Or, si une partie – même infime – de la glace se détache, la performance du moteur sera touchée (voir l’encadré). « Le moteur pourrait s’arrêter dans les minutes qui suivent le moment où l’appareil se retrouve dans de telles conditions », explique Jim MacLeod, chef du groupe des essais environnementaux, à l’Institut de recherche aérospatiale du CNRC (IRA-CNRC), à Ottawa.
Ces photos montrent le circuit d’écoulement d’un moteur miniature avant et après son exposition aux conditions entraînant la formation de glace.
Le mystère s’épaissit
La première étape vers la compréhension du problème et l’élaboration d’une solution éventuelle consistait à reproduire les cristaux de glace en laboratoire. « Nous avons prouvé que l’hypothèse est solide, reprend M. MacLeod. Dorénavant, nous pourrons étudier le phénomène de plus près afin de comprendre les mécanismes physiques fondamentaux. »
En effet, il reste de nombreuses questions quant aux conditions précises dans lesquelles la glace se forme. Certains types de moteur, par exemple, ne sont jamais affectés, alors que chez d’autres, les incidents sont nombreux; parfois le même moteur connaît des problèmes dans un avion, mais pas dans un autre.
Les chercheurs du CNRC poursuivront leurs essais avec un consortium de fabricants d’avions et de moteurs. Ils travaillent également sur une sonde qui sera fixée à un appareil pour mesurer la quantité de cristaux de glace en suspension dans l’atmosphère.
De la glace dans un moteur? Comment?
Les cristaux de glace n’adhèrent pas aux surfaces froides. Voilà pourquoi ils rebondissent sans danger sur l’aile et la carlingue des avions, dont la température descend parfois jusqu’à -40 degrés Celsius. « Le problème est que les cristaux pénètrent dans le moteur, où il fait chaud, explique Jim MacLeod de l’IRA-CNRC. Les cristaux fondent et collent au métal, sur lequel ils s’accumulent. »
L'essai du CNRC montre que dans certaines conditions, de la glace se forme à l’intérieur du moteur, où la température est d'environ 20 degrés Celsius. Les prises de vue vidéo réalisées à haute vitesse montrent que les cristaux fondent sur la paroi interne du moteur pour y créer une pellicule humide sur laquelle s’engluent d’autres cristaux. L’accumulation engendre de la neige fondante qui absorbe la chaleur du métal. « La température du métal tombe sous le point de congélation, poursuit M. MacLeod. Dès lors, tout se met à coller. »
Éventuellement, la glace peut être aspirée dans le cœur du moteur, où la température approche 500 degrés Celsius. Elle se transformera instantanément en vapeur, ce qui engendrera une variation de pression qui modifiera la circulation de l’air dans le moteur, et pourra en entraîner l’arrêt. « Une turbine à gaz ressemble beaucoup à un réchaud, déclare M. MacLeod. Une flamme brûle à l’intérieur. Si on la souffle, le moteur s’arrête. »
Le problème devient important en raison de la multiplication des vols avec passagers au-dessus du Pacifique et d’autres régions tropicales, où les orages avec cristaux de glace sont monnaie courante.
Renseignements : Relations avec les médias
Conseil national de recherches Canada
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