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Au coeur de la plus grande soufflerie du monde

Ses dimensions exceptionnelles, sa productivité, sa disponibilité et la qualité des mesures qui y sont effectuées font le la grande soufflerie S1MA de l'ONERA à Modane (Savoie), un outil industriel unique au monde. @ ONERA ActivCompany

Cet équipement unique au monde est implanté à Modane, en Savoie. C’est S1MA, la plus grande soufflerie sonique au monde. Elle est exploitée par l’ONERA au cœur des Alpes. Elle confère à la France une expertise en matière d’essais, dans les domaines de l’aéronautique, la défense et du spatial. Les Chinois et les Américains en rêvent ! L'AJPAE lui a décerné son Prix Icare 2022.

Vue de l’extérieur, la grande soufflerie de Modane est plus intrigante qu’impressionnante. Elle se présente sous la forme d’une construction métallique, une sorte de tuyau de 400 m de long posé sur le sol, et qui tourne sur lui-même. Un circuit fermé de 155 m sur sa plus grande longueur avec un retour de 40 m. C’est lorsqu’on a la chance de pouvoir pénétrer à l’intérieur de la veine, que le gigantisme de S1MA vous écrase. Les 24 mètres de diamètre de la chambre de tranquillisation aux parois lisses donnent l’échelle. Tout autant que les deux ventilateurs de 15 mètres de diamètre. Le silence s’impose.

Le parc des souffleries de l’ONERA à Modane. Au premier plan, la plus grande soufflerie au monde, S1MA dont le revêtement extérieur est en cours de rénovation. © ONERA / ActivCompany

L’ONERA n’a pas peur d’affirmer que « si les souffleries françaises n’avaient pas existé les groups Airbus et Dassault n’auraient pas les produits qu’ils ont aujourd’hui ». Au cours des soixante-dix dernières années, tous les modèles Airbus et Dassault ont été testés dans S1MA, mais aussi des moteurs, des pales d’hélices ou encore des missiles, et même Ariane 6. Les Français et les européens n’ont pas l’exclusivité. Des avionneurs Américains ont aussi leurs habitudes à Modane.

Tout a commencé à la fin de la deuxième guerre mondiale, quand le Groupe de recherches aéronautiques décide d’envoyer trois ingénieurs dans le Tyrol, où les Allemands avaient commencé en 1942 les travaux de construction d’une soufflerie. Ils arrivent sur le chantier fin juillet 1945. Le 10 aout, ils adressent une note au ministre. Le 25 septembre, il est décidé de transférer la soufflerie. Malgré l’investissement important que représente le chantier dans cette période difficile, la décision est prise sans délai.

Le schéma du circuit d’air de la grande soufflerie S1MA de l’ONERA. © ONERA

Le Groupe de recherches aéronautiques a tout de suite compris que cet équipement était indispensable à la France pour refaire son retard et pour reconstruire son industrie aéronautique. Au cours des dernières années, lorsque de nouveaux investissements ont dus être décidés, la direction de l’ONERA a eu beaucoup plus de difficultés à convaincre les politiques français de débloquer les fonds. Et pourtant, les enjeux sont toujours les mêmes. Il s’agit toujours de permettre à la France de rester dans la cour des grands de l’aéronautique et du spatial.

S1MA est aussi un atout pour l’industrie européenne de l’aéronautique, du spatial et de la défense. La banque européenne d’investissement a accordé un prêt de 47 M€ de l’ONERA pour lui permettre d’investir dans la modernisation des souffleries.

La grande soufflerie de Modane-Avrieu, S1MA, fait en fait partie d’un parc de 12 souffleries aéronautiques industrielles (par opposition aux souffleries de recherche). Il couvre une gamme de vitesse de Mach 0,1 à Mach 20.

La veine d’essais de S1MA avec ses 8 mètres de diamètre permet d’accueillir des maquettes de grandes dimensions. A Modane, l’ONERA dispose de trois veines d’essais (550 tonnes chacune) interchangeables, ce qui permet de préparer des essais tout en parallèle des essais en cours. © ONERA

Réaliser un essai en soufflerie consiste à mettre une maquette d’aéronef dans une veine d’essai où elle est soumise à un écoulement d’air à différentes vitesses. La maquette doit être représentative de l’aéronef réel et l’écoulement d’air représentatif de l’action de l’air lors du vol réel. La maquette est immobile et l’air avance vers elle.

Les phénomènes aérodynamiques, les forces qui s’exercent sur cette maquette, sont de mêmes natures que celles qui s’exercent sur l’aéronef. Les efforts mesurés en soufflerie sur une maquette à échelle sont donc transposables aux efforts sur l’aéronef. L’atout de S1MA est de pouvoir tester des maquettes à grande échelle. A Modane tout est hors de proportion…

Les deux ventilateurs de S1MA sont activés uniquement par la puissance hydraulique. © ONERA / ActivCompany

S1MA peut passer de 0 à Mach 0,8 en seulement 3 minutes. Sa vitesse maximale est Mach 1, soit 1.200 km/h. Elle peut maintenir une vitesse sur une longue durée. Aucune autre soufflerie au monde ne peut le faire dans les dimensions aussi importantes que celles de sa veine d’essais, soit 8 m de diamètre et 14 m de long. Plus la maquette est éloignée des parois, plus les mesures sont précises. D’où l’importance d’une grande veine.

La taille de la veine permet aussi de reproduire plus fidèlement les détails, d’y implanter des dispositifs motorisés pour reproduire des mouvements de gouvernes, de réaliser les essais dans les conditions les plus proches possibles de la réalité.

S1MA, comme l’ensemble des souffleries de Modane Avrieux, utilise l’énergie hydraulique comme source directe d’énergie. A l’époque de sa conception, les turbines hydrauliques se sont imposées faute d’autres solutions et en particulier le fait que les moteurs électriques n’avaient pas la possibilité de développer autant de puissance que des turbines hydrauliques avec une aussi grande flexibilité de régime et de vitesse.

L’énergie hydraulique qui alimente S1MA provient d’un système de barrages (330 millions de m3). Cette eau motrice est acheminée jusqu’à la soufflerie par une conduite forcée de 800 m de dénivelé, capable de débiter jusqu’à 15 m3 par seconde. © ONERA / ActivCompany

La génération de puissance par les turbines hydrauliques est à elle seule impressionnante. La puissance développée par S1MA représente 1.5/1000 de la puissance nucléaire installée en France. Le robinet permettant d’ouvrir l’arrivée d’eau vers S1MA pèse à lui seul 27 tonnes. Les turbines sont alimentées par les barrages construits dans la montagne, au-dessus d’Aussois. L’eau, amenée par une conduite forcée de plus de 840 mètres, met en action deux turbines Pelton de 5,5 m de diamètre qui entraînent deux énormes ventilateurs contrarotatifs d’une puissance totale de 90 MW.  

Ces ventilateurs de 15 m de diamètre possèdent 12 pales pour l’un et 10 pour l’autre. Chaque pale pèse une tonne. Ils génèrent le flux d’air dans le circuit fermé. A Mach 1, ces deux ventilateurs tournent à 230 tours par minutes et le débit d’air circulant dans le circuit aérodynamique est alors de 10 tonnes seconde.

Pendant la réalisation des essais, l’écoulement d’air, qui tourne en boucle, échauffe les parois de la soufflerie. Pour limiter les dilatations thermiques du circuit il est nécessaire de maintenir la température en deçà de 60°C. D’énormes entrées d’air permettent de renouveler jusqu’à 20 % de l’air mis en mouvement.

Vue de la veine d’essais de S1MA depuis la chambre de tranquillisation. © Gil Roy / Aerobuzz.fr

En aval de ces entrées d’air, l’air pénètre dans la chambre de tranquillisation qui permet d’homogénéiser l’écoulement d’air. C’est la partie colossale du circuit. Elle mesure 24 m de diamètre. Elle mène directement dans le convergent, qui permet d’accélérer l’air vers la veine d’essai.

La soufflerie dispose de 3 veines d’essais mobiles qui viennent s’insérer dans le circuit de la soufflerie, ce qui permet de préparer deux essais pendant qu’un troisième est en cours de soufflage. Pour passer d’un essai à l’autre, les veines d’essai qui pèsent en moyenne 550 tonnes, se déplacent sur des rails à l’intérieur du hall de la soufflerie.

La taille de S1MA permet de disposer de grandes maquettes représentatives intégrant des simulateurs de moteurs, l’ONERA a pu le faire par le passé pour l’A400M. © ONERA

La taille n’est pas le seul atout qui distingue la grande soufflerie de Modane d’autres souffleries comparables à travers le monde. S1MA, et plus généralement les souffleries de l’ONERA, se distinguent par la qualité des mesures qu’elles permettent. Les niveaux de précisions demandés par les industriels sont de plus en plus exigeants et le nombre de paramètres à explorer ne cesses de croître. Cela a conduit l’ONERA à développer des outils métrologiques toujours plus performants.

Dans le même temps, l’ONERA a travaillé à toujours réduire les temps d’immobilisation de l’installation pour des essais ou, à durée égale, augmenter le nombre d’essais proposés. Le programme d’investissement Aero Testing Programme (ATP France), fin 2012, a aussi permis de réduire les périodes d’indisponibilité, ou d’assurer des opérations de rénovation ou maintenance (comme la peinture) permettant d’assurer la pérennité de l’installation et de réduire les phases de maintenance : c’est le cas, par exemple avec le remplacement des pales des grands ventilateurs de S1MA. Les soudures travaillantes des anciennes pales nécessitant de lourdes maintenances ont disparu grâce à des pales désormais usinées dans la masse.

Le plan ATP France a permis de débloquer 218 M€ sur 11 ans. Il a porté sur 51 projets touchant aux infrastructures comme au développement de techniques d’essai et d’expertise. Très clairement, ce plan devait permettre à l’ONERA de conserver, face à la concurrence de plus en plus accrue, son avance pour assurer sa position de leadership dans le domaine des essais en soufflerie, et par voie de conséquence le leadership dans la conception et la production des aéronefs par l’industrie française et européenne de façon plus générale.

Un peu plus tôt, au tournant du 21 siècle, il est apparu que S1MA était en grand danger. La grande soufflerie était en train de s’enfoncer. L’érosion naturelle sapait ses fondations. Il a fallu injecter 4.000 m3 de mortier jusqu’à 50 m de profondeur afin de combler des vides. Plus de 150 colonnes de béton de 1,20 m de diamètre ancrées à 28 m de profondeur et remontant à la surface ont été coulées (6.000 tonnes de béton). La configuration du site, dans une vallée alpine a évidemment rendu ces travaux particulièrement compliqués. Le coût du sauvetage s’est élevé à 20 M€.

Le chantier de consolidation a duré deux ans, de fin 2016 à fin 2018. Il a été réalisé en journées double. Depuis 2018, les travaux de renforcement se poursuivent sur le bâtiment proprement dit. Depuis cette date aussi, S1MA fait l’objet d’une surveillance permanente. 200 capteurs mesurent toutes les heures, 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, les éventuels affaissements et élargissements de fissures. « Depuis trois ans, aucun mouvement de sol n’a été détecté« , affirme Pascal Crozier, directeur des souffleries de Modane. Mais compte tenu de la géologie des sols, un nouvel affaissement n’est pas exclu dans les décennies à venir. D’où cette surveillance pour anticiper tout risque.

Actuellement deux développements d’envergure sont en cours sur S1MA. L’objectif est de fournir à l’horizon des deux à trois prochaines années des mesures optiques dites PIV qui permettent de caractériser finement l’écoulement, ce qui est une grande prouesse dans une installation de la taille de S1MA. Dès lors, il sera possible de réaliser simultanément des essais aérodynamiques et acoustiques ce qui serait une première dans le domaine des grandes vitesses. Pour cela, les 600 m2 des aubes du coude situé juste en amont des ventilateurs, vont recevoir un revêtement acoustique, avec l’appui des départements scientifiques de l’ONERA.

« Développer de nouvelles capacités d’essais, proposer des concepts novateurs, avec les départements scientifiques de l’ONERA est notre philosophie, afin de garder toujours une longueur d’avance pour les besoins de la recherche et des partenaires industriels. »

Marie-José Martinez, directrice des souffleries, ONERA

A court et moyen terme, les grandes souffleries de l’ONERA seront mobilisées à la fois pour des programmes de défense, qu’il s’agisse de dissuasion ou d’aviation de combat, mais aussi sur les projets liés aux nouvelles motorisations et aux nouvelles intégrations motrices. Il s’agit aussi d’anticiper les besoins des clients pour être au rendez-vous des défis futurs. On pense évidemment à la transition énergétique dans laquelle est engagé le transport aérien.

Reste la question que se posent ceux qui n’ont jamais eu la chance de visiter S1MA, ni de rencontrer les techniciens, ingénieurs et chercheurs qui travaillent à Modane, mais aussi en région Toulousaine ou sur le plateau de Saclay où sont implantées les différentes unités qui composent le parc des douze souffleries de l’ONERA : « A l’heure de l’ordinateur qui sera bientôt quantique et des puissances de calculs et de simulations, quel est l’intérêt d’une soufflerie aujourd’hui ? »

La réponse qui est faite, est unanime. Le calcul numérique et les essais en soufflerie doivent être regardés comme des outils complémentaires dans les développements aéronautiques. Malgré les avancées du calcul numérique, tout ne peut encore être parfaitement simulé, en particulier, les interactions entre le moteur et l’avion, le comportement de l’aéronef en conditions sévères (limites du domaine de vol, cas de pannes, phénomène de tremblement, le fameux buffeting – susceptible d’apparaître lors de manœuvres en croisière…). Dans le domaine militaire, les phénomènes instationnaires lors de la séparation armement/aéronef sont extrêmement complexes à simuler.

Une autre réponse, moins scientifique, mais plus stratégique, vient des USA et de la Chine. Si les grandes souffleries du type S1MA appartenaient au passé, ces deux puissances n’investiraient pas des centaines de millions de dollars pour s’en doter. Une chose est certaine, si S1MA n’existait pas en 2022, la France n’aurait pas les moyens de se l’offrir, et ni Airbus, ni Dassault ne seraient des acteurs de premier rang dans l’industrie aéronautique mondiale.

Encore une fois, il n’est pas inutile de rappeler le rôle déterminant des visionnaires qui, à la Libération, ont non seulement remis le pays sur les rails, mais ont décidé de faire de la France une puissance de premier plan.

Gil Roy

JumpSeat #9 / Mardi 20 septembre 2022 à partir de 12h00

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Gil Roy

Gil Roy a fondé Aerobuzz.fr en 2009. Journaliste professionnel depuis 1981, son expertise dans les domaines de l’aviation générale, du transport aérien et des problématiques du développement durable est reconnue. Il est le rédacteur en chef d’Aerobuzz et l’auteur de 7 livres. Gil Roy a reçu le Prix littéraire de l'Aéro-Club de France. Il est titulaire de la Médaille de l'Aéronautique.

Un commentaire

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  • J’ai eu beaucoup de plaisir à lire cet article. Merci M. ROY et Aerobuzz pour la production de pépites comme celle-ci!
    Même de nos jours, l’empirisme est absolument priomordial en science, cet article et cette soufflerie nous le rappellent.
    Et si le jour arrivait où des modèles de simulations rendraient effectivement S1MA obsolètes, c’est qu’il aura bien fallu passer par l’observation meticuleuse de tout ces phénomènes dans le réel pour les créer ces modèles.

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