Les experts en aviation estiment que chaque avion commercial dans le monde est frappé par la foudre au moins une fois par an. Environ 90 % de ces frappes sont probablement déclenchées par l'avion lui-même :dans les environnements orageux, l'extérieur électriquement conducteur d'un avion peut agir comme un paratonnerre, déclenchant une frappe qui pourrait potentiellement endommager les structures extérieures de l'avion et compromettre son électronique de bord.

Pour éviter les coups de foudre, les vols sont généralement détournés autour des régions orageuses du ciel. Maintenant, Les ingénieurs du MIT proposent une nouvelle façon de réduire le risque de foudre d'un avion, avec un système embarqué qui protégerait un avion en le chargeant électriquement. La proposition peut sembler contre-intuitive, mais l'équipe a découvert que si un avion était chargé juste au bon niveau, sa probabilité d'être frappé par la foudre serait considérablement réduite.

L'idée vient du fait que, lorsqu'un avion survole un champ électrique ambiant, son état électrique extérieur, normalement en équilibre, décalages. Comme un champ électrique externe polarise l'avion, une extrémité de l'avion devient plus chargée positivement, tandis que l'autre extrémité bascule vers une charge plus négative. Alors que l'avion devient de plus en plus polarisé, il peut déclencher un flux de plasma hautement conducteur, appelé un leader positif - l'étape précédant un coup de foudre.

Dans un scénario aussi précaire, les chercheurs proposent de charger temporairement un avion à un niveau négatif pour amortir l'extrémité positive la plus chargée, empêchant ainsi cette extrémité d'atteindre un niveau critique et de déclencher un coup de foudre.

Les chercheurs ont montré par modélisation qu'une telle méthode fonctionnerait, au moins conceptuellement. Ils rapportent leurs résultats dans le Journal de l'Institut américain d'aéronautique et d'astronautique .

L'équipe, qui comprend le professeur émérite Manuel Martinez-Sanchez et la professeure adjointe Carmen Guerra-Garcia, envisage d'équiper un avion d'un système de contrôle automatisé composé de capteurs et d'actionneurs équipés de petites alimentations. Les capteurs surveilleraient le champ électrique environnant à la recherche de signes d'une éventuelle formation de leader, en réponse à quoi les actionneurs émettraient un courant pour charger l'avion dans la direction appropriée. Les chercheurs affirment qu'une telle charge nécessiterait des niveaux de puissance inférieurs à ceux d'une ampoule standard.

"Nous essayons de rendre l'avion aussi invisible que possible à la foudre, " dit le co-auteur Jaime Peraire, chef du département d'aéronautique et d'astronautique du MIT et professeur d'aéronautique et d'astronautique H.N. Slater. « Au-delà de cette solution technologique, nous travaillons sur la modélisation de la physique derrière le processus. C'est un domaine où il y avait peu de compréhension, et c'est vraiment une tentative de créer une certaine compréhension des coups de foudre déclenchés par des avions, à partir du sol."

L'autre co-auteur de l'article est Ngoc Cuong Nguyen, chercheur au département d'aéronautique et d'astronautique.

La foudre s'épanouit

Pour être clair, la foudre elle-même présente très peu de danger pour les passagers à l'intérieur d'un avion, car la cabine d'un avion est bien isolée contre toute activité électrique extérieure. Dans la plupart des cas, les passagers peuvent seulement voir un flash lumineux ou entendre une forte détonation. Néanmoins, un avion qui a été touché par la foudre nécessite souvent des inspections de suivi et des contrôles de sécurité qui peuvent retarder son prochain vol. S'il y a des dommages physiques à l'avion, il peut être mis hors service, ce que les compagnies aériennes préfèrent éviter.

Quoi de plus, les avions plus récents fabriqués en partie à partir de structures composites non métalliques telles que la fibre de carbone peuvent être plus vulnérables aux dommages liés à la foudre, par rapport à leurs aînés, homologues tout en métal. C'est parce que la charge peut s'accumuler sur des panneaux mal conducteurs et créer des différences potentielles d'un panneau à l'autre, ce qui peut provoquer des étincelles dans certaines régions d'un panneau. Une mesure de protection standard consiste à recouvrir l'extérieur de l'avion d'un léger treillis métallique.

« Les avions modernes sont composés à environ 50 % de composites, ce qui change très sensiblement le tableau, " dit Guerra-Garcia. " Les dommages liés à la foudre sont très différents, et les réparations sont beaucoup plus coûteuses pour les avions composites que pour les avions métalliques. C'est pourquoi la recherche sur les coups de foudre est florissante aujourd'hui."

À la suite du chef

Guerra-Garcia et ses collègues ont examiné si la recharge électrique d'un avion réduirait son risque de foudre - une idée qui leur a été suggérée initialement par des collaborateurs de Boeing, le commanditaire de la recherche.

"Ils sont très désireux de réduire l'incidence de ces choses, en partie parce qu'il y a des dépenses importantes liées à la protection contre la foudre, ", dit Martinez-Sanchez.

Pour voir si l'idée de charge a tenu le coup, l'équipe du MIT a d'abord développé un modèle simple d'un coup de foudre déclenché par un avion. Lorsqu'un avion survole un orage ou un autre environnement chargé électriquement, l'extérieur de l'avion commence à se polariser, former des "chefs", " ou des canaux de plasma hautement conducteur, s'écoulant des extrémités opposées de l'avion et finalement vers des régions de l'atmosphère chargées de manière opposée.

"Imaginez deux canaux de plasma se propageant très rapidement, et quand ils atteignent le nuage et le sol, ils forment un circuit, et le courant passe, " dit Guerra-Garcia.

"Ces dirigeants portent du courant, mais pas beaucoup, " ajoute Martinez-Sanchez. " Mais dans le pire des cas, une fois qu'ils ont établi un circuit, vous pouvez obtenir 100, 000 ampères, et c'est à ce moment-là que les dommages se produisent."

Les chercheurs ont développé un modèle mathématique pour décrire les conditions de champ électrique dans lesquelles les leaders se développeraient, et comment ils évolueraient pour déclencher un coup de foudre. Ils ont appliqué ce modèle à une géométrie d'avion représentative et ont cherché à voir si changer le potentiel de l'avion (le charger négativement) empêcherait les leaders de se former et de déclencher un coup de foudre.

Leurs résultats montrent que, faire la moyenne sur les directions et les intensités de champ, le scénario chargé nécessitait un champ électrique ambiant 50 % plus élevé pour initier un leader, par rapport à un scénario non chargé. En d'autres termes, en chargeant un avion à un niveau optimal, son risque d'être frappé par la foudre serait considérablement réduit.

"Numériquement, on peut voir que si vous pouviez mettre en œuvre cette stratégie de charge, vous auriez une réduction significative des incidents de coups de foudre, " dit Martinez-Sanchez. " Il y a un grand si :pouvez-vous le mettre en œuvre ? Et c'est là que nous travaillons maintenant."

L'étudiant diplômé Theodore Mouratidis effectue des expériences préliminaires dans la soufflerie Wright Brothers du MIT, tester la faisabilité de la recharge sur un simple, sphère métallique. Les chercheurs espèrent également réaliser des expériences dans des environnements plus réalistes, par exemple en faisant voler des drones à travers un orage.

Pour rendre le système de charge pratique, Martinez-Sanchez dit que les chercheurs devront travailler pour accélérer son temps de réponse. Sur la base de leur modélisation, lui et ses collègues ont découvert qu'un tel système pouvait charger et protéger un avion en quelques fractions de seconde, mais cela ne suffira pas à se protéger contre certaines formes de foudre déclenchée.

"Le scénario dont nous pouvons nous occuper est de voler dans une zone où il y a des nuages ​​d'orage, et les nuages ​​orageux produisent une intensification du champ électrique dans l'atmosphère, " dit Martinez-Sanchez. " Cela se sent et se mesure à bord, et nous pouvons affirmer que pour de tels événements relativement lents, vous pouvez recharger un avion et vous adapter en temps réel. C'est tout à fait faisable."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.