Bruit autour des aéroports, un sujet ONERA

Le confinement d’abord, le ralentissement forcé du transport aérien ensuite : les riverains sont beaucoup moins exposés au bruit aéronautique avec la crise du COVID 19. Mais avec le retour espéré à la vie normale, qu’en sera-t-il de notre perception du bruit des avions ? Sera-t-il synonyme de reprise positive de l’activité, ou au contraire, sera-t-il plus difficile à supporter ?
L’ONERA n’a pas attendu cette crise ni le plan de relance du gouvernement pour travailler sur le bruit des avions autour des aéroports.

Moyens d’essais expérimentaux

Une des forces de l’ONERA est de manier le dialogue permanent entre simulation expérimentale et numérique. Pour la partie expérimentale, l’ONERA dispose de la soufflerie anéchoïque Cepra 19, moyen unique en Europe pour étudier le bruit du moteur, et plus précisément le bruit de jet, puisque l’installation est équipée d’un simulateur de jet double flux (jets chaud et froid).

Essais de mesures de bruit de jet à Cepra 19 sur la zone tuyère-pylône-voilure

Il est également possible de mesurer les contributions des éléments au bruit rayonné par un avion, un hélicoptère ou un drone, en phase de décollage, d’approche ou de survol, en déployant des antennes de microphones, afin de repérer les sources, pour ensuite les analyser.
Aujourd’hui, des travaux sont également menés pour améliorer les mesures acoustiques dans des souffleries aérodynamiques « classiques » , bruyantes et réverbérantes. Ainsi, des techniques de mesures spécifiques sont utilisées dans la grande soufflerie S1 de Modane et dans la soufflerie F1 du Fauga-Mauzac, pour isoler le bruit d’intérêt (celui de la maquette), du bruit de l’installation en supprimant la contribution des réflexions.

Banc d’essai en soufflerie pour les moteurs du futur présenté sans le doublet d'hélices et équipé d'une perche de mesures acoustiques

La simulation numérique en renfort

Si l’expérimental est indispensable (ce dont la tutelle de l’ONERA, la Direction générale de l’armement est convaincue, comme le montre le financement exceptionnel du plan ATP), la simulation numérique peut apporter des réponses rapides à des problématiques complexes. En effet, en aéronautique, l’excellence passe par la recherche du meilleur compromis : ainsi, changer les dimensions, le design ou bien le positionnement d’un élément entraine des répercussions sur l’ensemble de l’aéronef, et le bruit généré s’en trouve automatiquement modifié. Le numérique palie donc parfois le manque d’installations de recherche expérimentale. Par exemple il permet de tester rapidement plusieurs implémentations de moteurs.

Des codes performants pour la simulation des sources de bruit

L’ONERA met en œuvre ses propres codes d’aérodynamique pour traiter des problèmes aéroacoustiques de plus en plus complexes et réalistes. Par exemple, les codes CFD (elsA, CEDRE, FASTs) sont capables de calculer des grandeurs physiques dites instationnaires (qui évoluent au fil du temps) , telles des fluctuations de pression acoustique.
 
Calcul CEDRE sur train d'atterrissage

Ces codes permettent un « maillage très fin » des écoulements turbulents qui, en interaction avec les parois solides, sont la source principale du bruit généré par les trains d’atterrissage (code CEDRE) et les dispositifs hypersustentateurs tels que les becs et les volets (code elsA).
Ces codes CFD « stars » de l’ONERA, épaulés par toute une panoplie d’utilitaires pour le pré et le post-traitement (Cassiopée par exemple) sont aussi utilisés pour les recherches contre les nuisances sonores via l’aide à la conception et l’évaluation de technologies et composants à moindre bruit.
 

Des codes adaptés à chaque problématique

D’autres outils ont été développés pour simuler la propagation des ondes acoustiques depuis l’aéronef jusqu’à un observateur au sol.
KIM permet de calculer le bruit rayonné à toutes les distances et dans toutes les directions dans une atmosphère homogène. BEMUSE permet de simuler les effets de réflexion et de diffraction sur des surfaces solides ou absorbantes quelconques. Quant à sAbrinA et SPACE, ces codes traitent les problèmes de propagation acoustique en atmosphère inhomogène : il sont utilisés pour les études d’effets d’installation.

Multidisciplinarité

Un autre atout de l’ONERA : sa multidisciplinarité, un argument maintes fois entendu, pourtant vrai et fort. En effet, quand les ingénieurs ONERA développent des codes de calcul, d’autres les appliquent, quand d’autres encore les vérifient grâce à l’expérimentation.

Participation active aux programmes européens

L’ONERA, en tant que centre national de recherche, est légitime pour faire porter la voix française dans les instances européennes. Exemple le plus récent, depuis mai 2020, l’ONERA, l’Institut von Karman, et CFD SOFTWARE MBH, coordonnent trois projets européens, respectivement INVENTOR, ENODISE et DJINN pour accroître l'efficacité et maximiser l’impact des recherches sur la réduction du bruit des aéronefs. Le point commun de ces 3 projets est le focus des travaux sur une partie précise de l’appareil (la cellule pour INVENTOR, la propulsion pour ENODISE et le jet pour DJINN) et du bruit qu’elle génère, une approche courante dans les années 2000, ayant plus récemment évolué vers des projets d’intégration qui analysent le gain global en termes de réduction de bruit des nouvelles configurations d’avion.
Retour sur l’analyse acoustique d’un élément : avec le projet INVENTOR qu’il coordonne, l’ONERA étudie la physique du bruit généré par les trains d’atterrissage et les dispositifs d’hypersustentation déployés à basse vitesse lors des phases d’atterrissage et d’approche. Rassemblant 16 partenaires de sept pays de l’UE, l’objectif principal d’INVENTOR est de mettre au point des technologies innovantes de réduction du bruit de des trains d’atterrissage, et des systèmes hypersutentateurs, afin de réduire le bruit extérieur généré par les avions d’affaires et les avions de transport court et moyen-courrier.

En savoir plus sur le projet INVENTOR

Les trois projets rassemblant 28 partenaires dans 9 pays de l’UE contribueront de manière significative au leadership européen en matière de réduction du bruit des avions. Ils sont financés par la Commission européenne dans le cadre de son programme-cadre H2020
Sur un autre levier dans la réduction du bruit qu’est l’utilisation de matériaux absorbants, l’ONERA participe au projet ARTEM coordonnée par le DLR.

Une feuille de route à l’échelle européenne

Dans le cadre du projet ANIMA, lancé en 2017 avec le soutien de la Commission européenne, l’ONERA aborde les problématiques sociétales et les sciences humaines, puisque la question du bruit des avions ne saurait être solutionnée par une approche uniquement technique. En tant que coordinateur de ce projet dense, l’ONERA fait la jonction entre les progrès technologiques et scientifiques émanant des projets, et les lignes à faire bouger au niveau psychologique, politique, ou économique.
Le positionnement neutre de l’ONERA et sa vision transverse des problématiques en font un chef d’orchestre idéal.