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  • Véronique

Pour détecter les turbulences néfastes aux vols des drones la nasa développe un microphone spécial




Que ce soit dans le tourbillon de sillage des avions au décollage ou dans un air apparemment calme, il existe peu de problèmes plus gênants pour le vol que les turbulences. Non seulement ces "tornades horizontales" peuvent rendre les voyages aériens inconfortables et éventuellement dangereux, mais les tentatives pour les éviter peuvent consommer de grandes quantités de carburant. Des chercheurs de la NASA ont mis au point une technologie permettant de repérer ces zones. Avec un peu d'ingéniosité, cette technologie pourrait révolutionner à la fois la planification des vols et la recherche aéronautique.


Un microphone pas comme les autres


Tout ce qui se trouve dans l'atmosphère peut émettre un son. Les volcans grondent, les chutes d'eau s'écrasent et l'air s'engouffre, mais ce son est plus que ce que nos oreilles perçoivent. Tout comme la lumière infrarouge est constituée de fréquences qui ne sont pas visibles à l'œil nu, il existe un équivalent audio appelé infrason. Les infrasons sont des sons trop faibles pour être entendus par l'oreille humaine, entre 0,001 et 20 hertz.


Les turbulences soudaines que l'on rencontre parfois en avion sont appelées turbulences d'air libre, car il n'y a pas de nuages ou de caractéristiques atmosphériques visibles pour signaler la perturbation. L'air invisible turbulent peut surgir de nulle part et causer des ravages dans les avions. Bien qu'elles ne soient pas facilement détectables visuellement, les turbulences à l'air libre ont une signature infrasonore bien définie. Les chercheurs Qamar Shams et Allan Zuckerwar, du centre de recherche Langley de la NASA à Hampton, en Virginie, ont réalisé que si les contrôleurs du trafic aérien ou les pilotes pouvaient écouter ces tourbillons avant que les avions ne les rencontrent, une route alternative pourrait être tracée.



Leurs expériences ont commencé en 2007, mais, sans surprise, les premiers tests ont montré qu'ils ne pouvaient pas prendre n'importe quel microphone du commerce et espérer qu'il fonctionne avec les infrasons. Les fréquences des ondes longues ont tendance à être écrasées par les sons de plus haute fréquence, ce qui entraîne des interférences.


"Nous avons constaté que les capteurs étaient saturés et qu'ils ne fonctionnaient pas bien", a déclaré M. Shams. Nous avons pensé : "Nous avons une expertise combinée en instrumentation, alors pourquoi ne pas concevoir un microphone nous-mêmes ?"


Shams et Zuckerwar ont commencé à développer quelque chose qui pourrait écouter ces basses fréquences en haute fidélité. Les microphones utilisent un diaphragme mobile pour capter le son, là où les ondes sonores font vibrer la surface. Les chercheurs ont utilisé un diaphragme à faible tension et à large rayon, associé à une grande chambre à air scellée derrière lui, pour permettre au microphone d'entendre ces ondes sonores ultra-basses qui parcourent de grandes distances. Les microphones infrasoniques sont fabriqués par PCB Piezotronics de Depew, New York, sous contrat avec Langley. Une fois le capteur terminé, les tests ont commencé. Lorsque les microphones ont été placés en triangle équidistant autour de la piste de Langley, ils ont pu capter et localiser des turbulences atmosphériques à plus de 300 miles de distance, dans le ciel de Pennsylvanie.


Vers le ciel bleu


En 2017, la technologie de Shams et Zuckerwar avait remporté le prix de l'invention commerciale de l'année de la NASA, avait été testée au sol pour le ministère de la Défense et avait fait l'objet de recherches aux Sandia National Laboratories pour valider ses performances, mais elle n'avait pas volé à bord d'un avion. L'intérêt pour la détection des turbulences de Stratodynamics Inc. de Lewes, dans le Delaware, allait bientôt changer cela.


Les fondateurs de l'entreprise ont participé à un défi Space Race 2016 mené par le Center for Advancing Innovation en coopération avec la NASA. Space Race était une compétition mondiale offrant des licences aux groupes qui pouvaient démontrer des applications et des analyses de rentabilité pour diverses technologies. Stratodynamics a participé à plusieurs catégories, notamment un système de contrôle de véhicule aérien sans pilote (UAV). Après avoir remporté le premier prix du concours de drones, l'équipe a été invitée à visiter Langley et à rencontrer les chercheurs à l'origine des brevets.



"Pendant que nous étions là, Shams s'est fait le champion de la technologie des infrasons", a déclaré Nick Craine, responsable du développement commercial chez Stratodynamics.


Stratodynamics a réalisé que le système de microphones avait un potentiel important en tant que capteur de détection des turbulences en vol et a cherché des occasions de tester la technologie. Après avoir obtenu les brevets de la NASA et avec l'aide de Shams, la société a commencé à mettre en œuvre le capteur sur un planeur stratosphérique sans équipage appelé HiDRON, conçu par sa filiale canadienne, Stratodynamics Aviation Inc.


Stratodynamics a fait décoller son planeur HiDRON lancé par ballon à des hauteurs de plus de 100 000 pieds, d'où il redescend lentement vers la Terre. Avec l'aide du microphone infrasonore et de la sonde à vent, le drone mesure à distance l'intensité des turbulences sur sa trajectoire, et peut éventuellement détecter des colonnes thermiques pour maintenir l'avion en vol plus longtemps. Des travaux supplémentaires sont en cours pour concevoir les algorithmes nécessaires à la compréhension de l'intensité et de la portée de la signature turbulente.




Récemment, les premiers tests ont montré que le microphone fonctionnait bien. Même avec un vent impétueux fouettant le drone, l'équipe a pu isoler les basses fréquences des conditions ambiantes. Stratodynamics effectuera d'autres essais en vol pour faire progresser la technologie. La société évaluera non seulement le microphone mis au point par la NASA, mais servira également de fournisseur de vol pour une technologie complémentaire de détection des turbulences de l'Université du Kentucky, qui a reçu le soutien du programme Flight Opportunities de la NASA. En attendant les résultats de ces tests, le microphone infrasonore deviendra une option technologique standard pour les clients de Stratodynamics.


Stratodynamics Aviation travaille actuellement sur une nouvelle version du planeur en collaboration avec l'Agence spatiale canadienne et l'Université de Waterloo en Ontario. L'avion spatial suborbital HiDRON aura une plus grande capacité de charge utile et sera conçu spécifiquement pour une performance optimale dans la stratosphère.


L'équipe espère que les données fournies par le microphone infrasonique deviendront omniprésentes dans la détection et la prévision des turbulences, la prise de décision du contrôle du trafic aérien et la planification des itinéraires aériens. En permettant d'éviter plus facilement les turbulences à tous les stades du vol, on gaspille moins de carburant en naviguant autour de l'air turbulent et on libère moins de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.



"La détection infrasonique continue de prouver sa valeur en tant que technologie d'atténuation des turbulences, et son potentiel pour modifier à jamais le paysage de l'aviation se renforce à chaque vol", a déclaré M. Craine.


La NASA a une longue histoire de transfert de technologies vers le secteur privé. La publication Spinoff de l'agence présente les technologies de la NASA qui se sont transformées en produits et services commerciaux, démontrant les avantages plus larges de l'investissement de l'Amérique dans son programme spatial. Spinoff est une publication du programme de transfert de technologie du Space Technology Mission Directorate de la NASA.


Pour plus d'informations sur la manière dont la NASA fait redescendre la technologie spatiale sur terre, visitez le site suivant


spinoff.nasa.gov

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