Description

1    Contexte

Dans le cadre de ses réflexions sur l'impact de l'aviation sur le climat, le Réseau Thématique Aéronautique et Environnement (RTAE) du CORAC recommande la poursuite de recherches sur les traînées de condensation et les cirrus induits générés par le trafic aérien en altitude.

Les traînées de condensation, formées par le passage des avions lorsque l'atmosphère est suffisamment froide et humide, sont susceptibles de persister lorsque l'air est sursaturé en humidité et peuvent ainsi évoluer en voiles nuageux ou encore « cirrus induits ». Ces derniers peuvent également se former sous l'effet des émissions d'aérosols (les suies en particulier) qui servent de noyaux de condensation glaçogènes (ice condensation nuclei). Ces modifications de la couverture nuageuse constituent une perturbation potentielle significative au bilan radiatif terrestre.

Les processus de formation de ces phénomènes nuageux restent mal connus ainsi que l'ampleur de leur impact sur le climat. Le RTAE a donc proposé la construction d'un ensemble de six projets complémentaires afin d'améliorer la connaissance de ces phénomènes et d'amorcer la recherche de solutions d'atténuation ou de prévention

  • Projet 1, Caractérisation des émissions de particules des moteurs aéronautiques
  • Projet 2, Processus de formation et d'évolution des traînées de condensation; [http://www.cerfacs.fr/TC2/]
  • Projet 3, Modélisation de l'impact climatique des traînées de condensation et des cirrus induits
  • Projet 4, Etude et développement de capteurs d'humidité embarqués
  • Projet 5, Système de prévision des zones propices à la formation de traînées persistantes
  • Projet 6, Processus de décision

L'ONERA, différents laboratoires du CNRS, l'IRSN et SNECMA (groupe SAFRAN) se sont réunis pour établir le projet 1.

2    Objectifs

Le premier objectif du projet est de caractériser les émissions de particules des moteurs aéronautiques, particulièrement dans les conditions de vol en croisière, afin de fournir les entrées nécessaires pour l'étude de la formation des cirrus induits des traînées de condensation. La concentration des particules de suies émises et leur capacité de captation de la vapeur d'eau sont les paramètres primordiaux pour l'analyse des mécanismes de formation des cirrus. Le projet 1 contribuera donc à enrichir les bases de données existantes pour les travaux du projet 2, notamment en complétant les mesures de concentration et de granulométrie par des travaux de caractérisation des propriétés physico-chimiques des suies déterminant leur réactivité.

Au-delà des 6 projets proposés par le RTAE pour l'étude des traînées de condensation et des cirrus, les données acquises dans le cadre du Projet 1 seront également utiles pour les études sur la qualité de l'air dans les zones aéroportuaires. Elles apporteront en outre un support technique essentiel à la contribution française aux travaux du comité E31 de la SAE sur la mesure des émissions de particules des avions. Ces travaux s'inscrivent dans l'optique d'un futur standard que pourrait adopter l'OACI.

Pour répondre aux objectifs fixés, le projet est structuré en 2 lots :

  • Lot 1 : caractérisation des particules émises par les moteurs
  • Lot 2 : étude de l'impact des propriétés physico-chimiques des suies sur les mécanismes de formation de glace

Figure 1: structure du projet
 
Figure 1: structure du projet

Le lot 1 vise à acquérir des données les plus représentatives possibles des émissions de particules des moteurs en conditions réelles. Il est pour cela proposé de réaliser des cartographies en sortie d'un moteur réel, mis à disposition par SNECMA, lors d'un essai au sol (de type essai de certification). De telles mesures sont relativement lourdes et coûteuses; elles permettent de balayer le cycle LTO (Landing & Take-Off) mais ne permettent pas d'accéder aux conditions de vol en croisière. Il est donc proposé de les compléter par des essais de chambre de combustion sur le banc M1 de l'ONERA. Ces essais, réalisés avec un système d'injection identique à celui du moteur testé au sol, sur un foyer tubulaire représentatif, permettront tout d'abord de comparer les émissions en sortie de chambre et en sortie moteur (il existe en effet très peu d'informations relatives à l'évolution des suies en aval de la chambre) puis de reproduire le fonctionnement du moteur en croisière et d'explorer l'influence des conditions de fonctionnement.
Le moteur SaM 146, développé en coopération par SNECMA et Saturn (Russie), et récemment certifié, a été retenu pour ces essais car son système d'injection est disponible pour les essais au banc. Les émissions de particules sont évidemment susceptibles de varier d'un moteur à l'autre. Le SaM 146 est néanmoins représentatif des technologies modernes de chambre de combustion. Des recoupements seront par ailleurs possibles entre les mesures effectuées dans le cadre du projet et les rares données existantes ou celles qui pourraient être rendues disponibles par d'autres motoristes.

L'objectif du lot 2 est de réaliser différentes études expérimentales sur des suies issues du lot 1 (émises par le moteur SAM 146 et la chambre de combustion du banc M1) et sur des suies générées en laboratoire, dont les caractéristiques physiques et/ou chimiques peuvent être maîtrisées. L’ensemble des expériences vise d’une part à caractériser les propriétés physiques (morphologie, structure, texture, …) et chimiques (composition chimique élémentaire, identification de fonctions chimiques, …) des suies et d’autre part à étudier leur réactivité vis-à-vis de l’eau, et notamment les mécanismes, les conditions de formation et de croissance de glace. Ces études fourniront des informations d'entrée importantes pour la modélisation de la formation des cirrus induits à partir des caractéristiques des suies mesurées en sortie de moteur. Il est parallèlement proposé de concevoir un nouveau réacteur chimique spécifiquement adapté à l'étude de la dynamique de formation de cristaux de glace sur les suies, dans lequel l'analyse pourrait être réalisée sur des suies en suspension et non déposées sur un substrat. Un tel dispositif permettrait l'obtention de conditions plus représentatives et éviterait l'altération des suies lors du dépôt sur le substrat.