Le biomimétisme : s’inspirer du vivant – WUS#19

C’est (enfin) le retour des beaux jours ! Le moment de profiter des joies de la nature, Soleil, plage, randonnées, les oreilles bercées par le chant des cigales. La nature est bien faite, non ? Et elle est tellement bien faite qu’on s’en inspire pour innover et développer de nouveaux concepts et de nouvelles technologies. C’est le biomimétisme, et c’est le sujet du billet d’aujourd’hui !

Le biomimétisme

Le biomimétisme est un terme à racine grecque qui signifie littéralement « imitation de la vie ». Le principe du biomimétisme est de s’inspirer de la nature, du vivant dans le but d’innover, de développer de nouvelles technologies. Et pour s’inspirer de la nature, il faut l’observer, l’étudier, la comprendre… faire des sciences quoi ! Rappelons par exemple que le terme « physique » vient du mot grec « physis » qui signifie « nature ». Cette démarche de biomimétisme a été définie par Janice Benyus, une naturaliste américaine, en 1997.

Le biomimétisme touche des domaines très variés et peut s’appliquer à des échelles allant du microscopique au macroscopique. Vous pouvez trouver toute une panoplie d’exemples sur le site du Ceebios (Centre Européen d’Excellence en Biomimétisme). Mais citons par exemple l’utilisation de l’effet lotus pour les parois de douches ou encore les nombreux robots bio-inspirés (fourmi, poissons, méduses…).

robojelly
Robojelly, le robot méduse qui servira peut-être un jour à étudier les fonds marins.

Dans ce billet, on va s’intéresser à un domaine inspiré d’une envie d’imiter la nature : l’aéronautique. Mais avant cela, procédons à quelques petits rappels !

Quelques notions d’aérodynamique : rappels et nouveautés

Avant d’entrer dans le vif du sujet, faisons un petit rappel des notions d’aérodynamique que l’on a déjà vues à travers différents billets.

Dans le billet sur le paradoxe de d’Alembert  que je vous invite à relire, on avait introduit la notion de résultante aérodynamique. Il s’agit de la résultante des forces de pression et de frottements de l’air s’écoulant autour d’un objet, en l’occurrence une aile. On a aussi vu que cette résultante peut se décomposer en deux composantes. La première, orthogonale à la vitesse de l’objet s’écoulant dans l’air et appelée portance, est la force qui permet à l’objet de voler. La deuxième, la traînée, possède la même direction que la vitesse, mais un sens opposée, et s’oppose donc au mouvement de l’objet considéré dans l’air. Dans le billet sur l’homogénéité en physique, on avait exprimé la portance en fonction d’un coefficient adimensionné, le coefficient de portance c_{L} (la formule obtenue était L=c_{L} \times \frac{1}{2} \rho V c^{2}) et on avait dit qu’on pouvait exprimer la traînée de la même façon, soit en fonction d’un coefficient qu’on appelle coefficient de traînée et que l’on note c_{D}. Ces deux coefficients sont appelés coefficients aérodynamiques. On avait enfin regardé l’évolution du coefficient de portance en fonction de l’incidence de l’aile.

NACA 0012 portance traînée 2
Portance et traînée appliquées à un profil d’aile

C’en est fini des rappels, place aux nouveautés ! Reprenons la courbe dont nous venons de parler. Cette courbe a un joli nom : on l’appelle la polaire d’un profil d’aile. Le terme polaire est aussi utilisé pour la courbe représentant l’évolution du coefficient de portance en fonction du coefficient de traînée. Ces deux courbes sont très intéressantes à étudier lorsqu’on s’intéresse aux caractéristiques aérodynamiques d’une aile.

polaire2
Allures typiques des polaires d’une aile

On peut voir sur la polaire de gauche qu’il existe une incidence \alpha_{crit} à partir de laquelle le coefficient de portance diminue : c’est l’incidence à partir de laquelle l’écoulement autour de l’aile décroche. Il faut savoir que, globalement, la valeur de cette incidence est de l’ordre de 15°. Retenez bien cette valeur, elle nous servira par la suite !

Sur la figure de droite, on voit que le coefficient de traînée est globalement d’autant plus important que le coefficient de portance est grand, et qu’il augmente d’autant plus vite que ce dernier augmente. Ce n’est pas tant l’explication de cette évolution qui va nous intéresser que l’évolution elle-même. Mais, pour information, elle est notamment due au comportement de la couche limite autour du profil d’aile : nous aurons l’occasion de le voir dans un autre billet plus en détail !

Un exemple marquant de biomimétisme : les avions

Vous le savez sans doute, les premiers aviateurs se sont beaucoup inspirés de la nature, et notamment des oiseaux, pour concevoir les premiers engins volants. Citons par exemple l’Eole (1890) et l’Avion III (1897), inspirés par la morphologie des chauves-souris, de Clément Ader, les planeurs à ailes battantes d’Otto Lilienthal (1848-1896) inspirés par le vol des cigognes ou encore la « barque ailée » inspirée de l’albatros de Jean-Marie Le Bris. On retrouve même des dessins de Léonard de Vinci représentant une machine aux ailes battantes actionnées par un homme.

ader_le-bris
L’Eole de Clément Ader et la « barque ailée » de Jean-Marie Le Bris

Et pourtant, les avions sont bien loin de ressembler à ces machines qui imitent quasiment littéralement la nature. Pourquoi cela ? Une des raisons est que les domaines de vol des avions et des oiseaux sont très différents : il vaut donc plutôt chercher à s’inspirer de la nature plutôt que de l’imiter. On pourrait par ailleurs montrer assez facilement que les ailes d’un oiseau en vol de croisière peuvent atteindre des incidences allant de -20° à 20°. Or, dans le paragraphe précédent, on a vu qu’au dessus de 15°, les ailes (produites par l’homme) avaient tendance à décrocher. De plus, on aurait périodiquement des portances positives et négatives… pas facile à gérer tout ça !

Alors plutôt que de l’imiter, on s’inspire de la nature. Par exemple, dans les phases d’atterrissage, on augmente au maximum la surface des ailes d’avion pour obtenir le maximum de portance avec une vitesse moindre… tout comme les oiseaux ! Et ce n’est pas le seul exemple !

Un avion et des libellules

En effet, au début des années 2000, des études ont été menées sur la diminution de la traînée d’un profil d’aile par un dispositif inspiré… des libellules ! Elles présentent en effet des petits appendices au bout de leurs ailes, qui leur permettent d’augmenter leur portance. Sans ces appendices, le coefficient de portance des ailes des libellules seraient bien trop faibles pour leur permettre de voler !

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Cette libellule, guettant d’éventuelles proies, se doute-t-elle de l’existence des appendices que l’on peut voir sur la photo prise au microscope ?

Des scientifiques ont eu l’idée de rajouter au bord de fuite d’une aile des appendices, que l’on appellera mini-volets, et d’étudier le comportement de cette aile dans une soufflerie. Vous pouvez retrouver l’article qui décrit les différents essais réalisés ici ou dans les références. Différents appendices de formes différentes ont été étudiés, mais nous allons nous intéresser à l’appendice le plus simple : le mini-volet Gurney. Il s’agit d’un appendice qui est quasiment perpendiculaire à l’aile, comme représenté ci-dessous.

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Aile présentant un mini-volet Gurnet dans un écoulement d’air

On étudie l’évolution du coefficient de portance et du coefficient de traînée en fonction de l’incidence \alpha d’une aile avec le mini-volet Gurney avec l’évolution de ces mêmes coefficients de mêmes caractéristiques (de surface identique notamment), dans un écoulement d’air possédant les mêmes propriétés (masse volumique, vitesse).

On obtient les courbes suivantes :

polaire_Gurney

On peut constater que, pour une incidence donnée, la portance est plus élevée avec l’aile avec le mini-volet qu’avec l’aile sans le mini-volet. Ainsi, on obtient une portance plus élevée avec une incidence plus faible, ce qui diminue les chances de décrochage. On constate aussi que, globalement, la traînée est aussi diminuée par rapport à l’aile sans mini-volets. Il faut néanmoins faire attention à la taille de ce volet : plus il est grand, moins le gain en traînée sera important car des tourbillons vont se produire en aval du mini-volet, dans le sillage de l’aile.

Le simple ajout d’un petit appendice sur le bord de fuite d’une aile peut permettre d’augmenter la portance de l’aile de 6 à 25 % ! Est-ce là l’avenir des ailes d’avion ? Ce n’est pas forcément ce que les projets de l’aviation future (Clip-Air, aile volante, Open Rotor…) suggèrent, mais certains avions (MacDonnell Douglas) en sont déjà équipés. Et dans un tout autre domaine, des voitures de courses ! Sur ces voitures, les mini-volets Gurney sont placés « à l’envers », ce qui produit une portance négative et ce qui permet à la voiture dès le plus proche du sol possible !

 

Ce qui est intéressant avec le biomimétisme, c’est que toutes les sciences sont concernées et se doivent de travailler ensemble ! Sans l’aide du travail de biologistes, il n’est pas sûr qu’un physicien ou qu’un ingénieur aurait eu l’idée d’étudier au microscope les ailes d’une libellule. Et c’est sur cette jolie remarque que s’achève ce billet !

Sources

Drag reduction of airfoils with miniflaps. Can we learn from dragonflies? D.W. Bechert, R. Meyer, W. Hage. American Institute of Aeronautics and Astronautics (2000).
http://www.emdl.mse.vt.edu/projects/alex.html
Image Cessna 206
Image de l’Eole
Image de la barque ailée
Image de la libellule

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