Avion 0g & vol parabolique – WUS#27

Bonjour à tous ! Cette semaine, on va s’intéresser aux avions 0g. Ces avions permettent de reproduire une situation d’impesanteur, dans laquelle les astronautes sont naturellement dans l’espace. Comment arrive-t-on à reproduire l’impesanteur ? Et qu’est-ce que vraiment l’impesanteur ? Pour le savoir…  décollage immédiat !

a310-0g.png
L’A310 ZÉRO-G pendant la phase de ressource d’entrée (figure issue de [4])

Quelques définitions

Avant d’entrer dans le vif du sujet, définissons quelques notions qui nous seront utiles par la suite. On s’accroche, ce n’est pas forcément évident d’un premier abord !

La pesanteur, ou plutôt le champ de pesanteur. Le champ de pesanteur est un champ qui a tendance à attirer tout corps massif se déplaçant au voisinage de la Terre. La force gravitationnelle exercée par la Terre sur tout corps pesant peut se simplifier, au voisinage de la Terre, et s’écrire simplement comme le produit de la masse de l’objet et de l’accélération de la pesanteur, g, considérée comme constante (g_{0}=9,81\, m/s). C’est ce qu’on appelle le poids.
(Pour la définition de la notion de champ, je vous invite à lire le billet de Charlie sur l’introduction à quelques notions mathématiques utiles pour la physique.)

Le poids. Cette force résulte, on l’a dit, du champ de pesanteur. C’est la force qu’exerce sur nous la Terre et qui attire tout objet vers son centre. Il s’agit d’une force qui s’exerce à distance, sur chaque particule qui constitue notre corps. Il nous est donc impossible de la sentir directement. En effet, la sensation du poids nous vient principalement de l’action qu’exerce sur nous le sol (on appelle cette force la réaction du sol) et qui stoppe notre chute vers le centre de la Terre. Et cette force, on la sent bien ! Elle s’exerce sur toute la surface d’un objet en contact avec le sol : on dit que cette une force surfacique. En bref, sans l’action d’un obstacle qui compense l’effet du poids, on ne perçoit pas la sensation de poids. On en vient logiquement à la notion suivante.

L’apesanteur, ou l’impesanteur. Ces notions désignent un état où l’on ne sent plus l’accélération de la pesanteur, où l’on n’a plus cette sensation de poids. Attention, l’impesanteur est différente de l’absence de pesanteur : l’absence de pesanteur est une situation théorique, qu’on ne peut supposer que très loin de tout objet. Pour bien comprendre cette différence, intéressons-nous à l’exemple de la chute libre. La chute libre désigne le mouvement d’un corps uniquement soumis à la force de pesanteur. Il existe globalement deux types de chute libre : avec ou sans vitesse initiale.

chute_libre
Balle en chute libre sans vitesse initiale (à gauche) et avec vitesse initiale (à droite). Dans le premier cas, la trajectoire est droite et verticale tandis qu’en chute libre avec vitesse initiale, la trajectoire est une parabole.

La chute libre est un état d’impesanteur, car on tombe mais aucun obstacle ne retient notre chute, si bien qu’on ne sent pas le poids (on néglige ici les frottements, notamment ceux de l’air). Mais ce n’est pas une situation d’absence de pesanteur, car c’est justement l’attraction terrestre, et donc l’accélération du champ de pesanteur, qui entretient cette chute.

La microgravité ou micropesanteur. Ces notions désignent l’état dans lequel un corps est soumis à une résultante des forces gravitationnelles très faible par rapport à la pesanteur terrestre. Il ne faut donc pas les confondre avec l’état d’impesanteur, comme c’est souvent le cas. La confusion vient du fait qu’il reste très souvent des forces parasites qui empêchent un état d’impesanteur parfait. Pour illustrer cela, reprenons le cas de la chute libre sans vitesse initiale. Il ne faut pas négliger que cette chute se fait dans un milieu constitué d’air. L’air va créer une force « parasite » qui s’oppose à la pesanteur (la traînée) et au donc au mouvement de chute, si bien que l’accélération totale ressentie par l’objet sera inférieure à l’accélération de la pesanteur. Mais cela ne signifie pas pour autant que l’objet se situe en situation de microgravité, puisque l’action de la Terre sur cet objet reste la même.

L’avion 0g. Un avion 0g a pour fonction de recréer un état d’impesanteur. Pour ce faire, l’avion va recréer une situation de chute libre, et plus précisément une chute libre avec vitesse initiale, caractérisée par sa trajectoire parabolique. On dit qu’un avion 0g effectue un vol parabolique. C’est ce qu’on va étudier par la suite, mais avant ça, on va s’intéresser au vol de croisière horizontal.

Un peu de dynamique du vol

On va tout d’abord s’intéresser au cas d’un avion en vol de croisière (vitesse constante) horizontale. Dans cette configuration, l’avion est principalement soumis à quatre forces :

  • Le poids, noté \vec{W} pour weight en anglais, dirigé selon la verticale locale.
  • La poussée, notée \vec{T} pour thrust en anglais. Elle est induite par les moteurs et elle permet à l’avion de se mouvoir. En vol de croisière, elle est dirigée dans la même direction que la vitesse \vec{V}.
  • La résultante aérodynamique, qui vient du mouvement de l’air autour de l’avion (et principalement de ses ailes) et qui peut se décomposer en deux forces :
    • La portance, notée \vec{L} pour lift en anglais, qui s’oppose ici au poids. Elle est par convention perpendiculaire à la vitesse de l’avion.
    • La traînée, notée \vec{D} pour drag en anglais, qui s’oppose au mouvement de l’avion. Elle est par convention dans la même direction que la vitesse, mais dans le sens opposé.

vol_1g

La principale charge appliquée à un avion est la portance. De fait, on introduit souvent le facteur de charge n défini par n=\frac{L}{m\,g_{0}}. Il s’agit d’un nombre adimensionnel que l’on peut interpréter comme la pesanteur apparente à bord de l’avion. En croisière stabilisée horizontale, la portance s’oppose parfaitement au poids, si bien que les deux forces ont la même intensité et que le facteur de charge vaut n=1 : on dit qu’on est en vol 1g. Lorsque le facteur de charge est par exemple de 2, autrement dit en vol 2g, la portance est égale au double du poids et on a alors l’impression de « peser deux fois son poids » (et pour l’avoir expérimenté, je confirme ! :)). En effet, la portance est en quelque sorte l’équivalent de la réaction du sol lorsqu’on est au sol : c’est la force qui stoppe notre chute et qui fait que l’on a cette sensation de pesanteur. Si cette force est deux fois plus importante que le poids, alors, inévitablement, on a cette sensation de peser deux fois plus lourd. Et en vol parabolique ? On est en situation d’impesanteur, si bien que la force qui nous empêche de tomber (la portance) est nulle : le facteur de charge est donc de 0, on dit qu’on est en vol 0g !

La dynamique du vol parabolique

Un vol parabolique se déroule en quatre étapes principales.

1. La ressource d’entrée. À la suite d’une phase de vol de croisière horizontal, le pilote cambre l’avion jusqu’à atteindre un angle de 47° par rapport à l’horizontal (on appelle cet angle l’assiette de l’avion). Cette manœuvre, qui dure environ 20s, est représentée schématiquement sur la figure suivante. Durant cette phase, l’avion est soumis à un facteur de charge allant de 1,5 à 1,8 (on pourrait montrer que, durant la ressource, le facteur de charge vaut n=1+\frac{V^{2}}{g_{0} \, R}, où R est le rayon de la ressource). La vitesse de l’avion diminue assez fortement.

ressource_entree
Ressource d’entrée du vol parabolique. L’avion est représenté comme un point matériel.

2. La phase d’injection. Il s’agit de la phase de transition entre la ressource d’entrée et le vol parabolique en lui-même. Le pilote réduit la poussée de l’avion à un niveau telle qu’elle compense la traînée uniquement et qu’elle annule ainsi les frottements de l’air sur l’avion. Le pilote diminue par ailleurs l’angle d’attaque de l’avion de sorte à ce que les ailes ne produisent plus de portance. Arrêtons-nous quelques instants là-dessus.

Dans le billet sur l’homogénéité en physique, on a que la portance est proportionnelle à un coefficient adimensionnel, le coefficient de portance C_{L}, qui évolue selon l’angle d’attaque de l’avion. Cet angle d’attaque correspond à l’angle entre l’axe longitudinal de l’avion et la direction de la vitesse de l’avion.

polaire
Polaire classique d’un avion.

Il existe un angle d’incidence de l’avion tel que la portance produite est nulle (cet angle est très souvent négatif). Ainsi, pour produire une portance, l’avion se retrouve dans la configuration suivante.

avion_alpha-neg
Situation d’un avion ne produisant pas de portance. \alpha désigne l’angle d’incidence de l’avion et \theta l’assiette de l’avion.

3. Le vol parabolique. L’avion suit une trajectoire parabolique et se retrouve dans une situation de chute libre, d’impesanteur. Cette phase dure une vingtaine de secondes. La vitesse de l’avion diminue jusqu’à ce qu’il atteigne le point culminant de sa trajectoire (environ 8500 m), puis augmente. L’assiette de l’avion varie d’environ 3°/s.

4. La ressource de sortie. Lorsque l’avion présente une assiette de 42°, le pilote sort l’avion de sa trajectoire parabolique. Pour ce faire, il redresse l’avion tout en ré-augmentant la poussée de sorte à ce que la vitesse de l’avion augmente. Durant cette phase d’environ 20s, le facteur de charge est à nouveau de 1,5 à 1,8.

ressource_sortie
Ressource de sortie du vol parabolique. L’avion est représenté comme un point matériel.

Ces quatre phases correspondent à un cycle qui donne accès à une vingtaine de secondes d’impesanteur. Généralement, ce cycle est répété plusieurs dizaines de fois par vol (entre 30 et 60) !

vol_parabolique.png
Schéma récapitulatif d’un vol parabolique (issu de [1]).

L’intérêt des avions 0g

En Europe, le principal avion 0g est l’Airbus A310 ZÉRO-G (photo ci-dessus), qui a remplacé en 2014 l’A300 ZÉRO-G. Basé près de Bordeaux, il est utilisé par le CNES, l’ESA et le DLR (agence aérospatiale allemande) et est exploité par Novespace, filiale du CNES. C’est le plus grand avion 0g au monde : il peut emporter à son bord plusieurs dizaines d’expériences !

Les avions 0g présentent plusieurs intérêts :

  • Ils permettent de réaliser des expériences en impesanteur de manière répétée et à moindre coût (pas besoin d’aller dans l’espace !). Par ailleurs, « le niveau d’impesanteur » peut être ajusté par les pilotes : par exemple, il est possible de réaliser des expériences à 0,16g (ce qui correspond à la gravité lunaire) ou à 0,33g (ce qui correspond à la gravité martienne).
  • Les expériences sont menées par les scientifiques eux-mêmes, ce qui leur permet d’intervenir directement sur leurs expériences.
  • Les vols 0g permettent de s’habituer à l’impesanteur en préparation d’une mission vers l’ISS.
  • Ils permettent aussi de vérifier le protocole expérimental d’une expérience avant que celle-ci soit réalisée au sein de la Station Spatiale Internationale (ISS).

Les vols 0g sont utilisés dans de nombreux domaines de la science, comme la mécanique des fluides, la science des matériaux, la physique fondamentale (physique des plasmas, etc.), en biologie, en physiologie et j’en passe !

Conclusion

C’est tout pour ce billet sur l’avion 0g… enfin presque ! Un « Pour aller plus loin » vous attend juste après. J’espère en tout cas que ce billet vous a plu et n’hésitez à poster vos remarques/questions en commentaire !

Sources

[1] V. Pletser (2013). Are aircraft parabolic flights really parabolic? Elsevier, Astra Astronautica 89.
[2] Y. Gourinat (2015). Charges structurales en vol – Domaine de vol avion. Techniques de l’ingénieur.
[3] F. Karmali et al. (2008). The dynamics of parabolic flight: Flight characteristics and passenger percepts. Elsevier, Astra Astronautica 63.
[4] V. Pletser (2016). European aircraft parabolic flights for microgravity research, applications and exploration: a review. Elsevier, Reviews in Human Space Exploration.

Pour aller plus loin

1. Les vols paraboliques sont-ils vraiment… paraboliques ?

Si on suppose que, lors du vol, la direction de la pesanteur est constante, alors oui, on peut montrer que la trajectoire de l’avion 0g est bien une parabole : c’est le cas du modèle d’une chute libre classique. Mais cette hypothèse est-elle vraiment valide ?

Supposons maintenant que la direction de la pesanteur n’est pas constante lors du vol, c’est-à-dire que l’on prend ici en compte les variations de la direction de la pesanteur en fonction de la position à laquelle on se trouve. Dans ce cas, le problème se ramène à celui de deux corps, l’un (la Terre) étant beaucoup plus massif que l’autre (l’avion), et où chacun des corps est soumis à l’attraction gravitationnelle qu’exerce l’autre sur lui. C’est un peu la même situation qu’un satellite en orbite autour de la Terre (que l’on a traité ici). On peut alors montrer que la trajectoire de l’avion se rapproche d’une ellipse, proche de son apogée, dont un des foyers est le centre de la Terre. L’excentricité de cette ellipse peut être calculée, et elle vaut e=0,9998. Si on compare cette valeur avec l’excentricité d’une parabole (e=1), on trouve une erreur \epsilon = 2.10^{-4}.

En conclusion, la trajectoire de l’avion 0g n’est pas exactement une parabole, mais l’approximation est quand même très acceptable.

Pour plus de détails, je vous invite à jeter à un coup d’œil à l’article en référence [1].

2. Tous les avions peuvent-ils faire des vols 0g ?

Tout est une question de charges ! Tous les avions disposent d’un domaine de vol, représenté graphiquement par la courbe du facteur de charge en fonction de la vitesse.

domaine_vol
Domaine de vol typique d’un avion.

Un avion se doit de rester à l’intérieur de son domaine de vol, et notamment ne pas dépasser, pour chaque vitesse, la charge limite. (Petite remarque au passage : si l’avion dépasse sa charge limite, il n’y a vraiment de risque pour l’avion ! Mais il faudra procéder avant un prochain vol à vérification de l’avion, afin de voir si des dommages, tels que des fissures, ne sont pas apparus.)

Ainsi, si les charges appliquées à l’avion pendant les ressources (d’entrée de sortie) sont inférieures à la charge limite correspondant à la vitesse de la manœuvre, alors l’avion peut effectuer des vols 0g.

D’ailleurs, souvent, la charge limite d’un avion n_{max} est de l’ordre 2,5 à 3. Et on a vu que le facteur de charge lors des ressources est de 1,5 à 1,8. On a donc une marge et on pourrait envisager d’augmenter le facteur de charge durant la ressource pour obtenir une phase d’impesanteur plus longue. Mais cela demanderait notamment des mesures de sécurité plus importantes, et cela serait surtout moins agréable pour les passagers :).

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