Ingénierie aérospatiale

L'ingénierie aérospatiale est le principal domaine d' ingénierie concerné par le développement des avions et des engins spatiaux . Elle comprend deux branches principales qui se chevauchent : l'ingénierie aéronautique et l'ingénierie astronautique . L'ingénierie avionique est similaire, mais traite du côté électronique de l'ingénierie aérospatiale.

Le terme « ingénierie aéronautique » était à l'origine utilisé pour désigner ce domaine. À mesure que la technologie des vols a évolué pour inclure des véhicules opérant dans l'espace , le terme plus large « ingénierie aérospatiale » a été utilisé. L'ingénierie aérospatiale, en particulier la branche astronautique, est souvent appelée familièrement « science des fusées ».

Les véhicules aériens sont soumis à des conditions exigeantes telles que celles causées par les changements de pression atmosphérique et de température , avec des charges structurelles appliquées sur les composants du véhicule. Par conséquent, ils sont généralement le produit de diverses disciplines technologiques et d'ingénierie, notamment l'aérodynamique , la propulsion aérienne , l'avionique , la science des matériaux , l'analyse structurelle et la fabrication . L'interaction entre ces technologies est connue sous le nom d'ingénierie aérospatiale. En raison de la complexité et du nombre de disciplines impliquées, l'ingénierie aérospatiale est réalisée par des équipes d'ingénieurs, chacun ayant son propre domaine d'expertise spécialisé.

L'origine de l'ingénierie aérospatiale remonte aux pionniers de l'aviation de la fin du XIXe siècle au début du XXe siècle, bien que les travaux de Sir George Cayley datent de la dernière décennie du XVIIIe siècle jusqu'au milieu du XIXe siècle. L'une des personnes les plus importantes de l'histoire de l'aéronautique et un pionnier de l'ingénierie aéronautique, Cayley est considéré comme le premier à avoir séparé les forces de portance et de traînée , qui affectent tout véhicule de vol atmosphérique.

Les premières connaissances en ingénierie aéronautique étaient en grande partie empiriques, avec certains concepts et compétences importés d'autres branches de l'ingénierie. Certains éléments clés, comme la dynamique des fluides , étaient compris par les scientifiques du XVIIIe siècle.

En décembre 1903, les frères Wright ont réalisé le premier vol contrôlé et soutenu d'un avion à moteur plus lourd que l'air, d'une durée de 12 secondes. Les années 1910 ont vu le développement de l'ingénierie aéronautique avec la conception d' avions militaires de la Première Guerre mondiale .

En 1914, Robert Goddard a obtenu deux brevets américains pour des fusées utilisant du carburant solide, du carburant liquide, des charges propulsives multiples et des conceptions à plusieurs étages. Cela ouvrirait la voie à de futures applications dans les systèmes de propulsion à plusieurs étages pour l'espace.

Le 3 mars 1915, le Congrès américain a créé la première administration de recherche aéronautique, connue alors sous le nom de National Advisory Committee for Aeronautics, ou NACA. Il s'agissait de la première organisation parrainée par le gouvernement à soutenir la recherche aéronautique. Bien qu'il ait été conçu comme un conseil consultatif dès sa création, le Langley Aeronautical Laboratory est devenu son premier centre de recherche et d'essais parrainé en 1920.

Entre la Première et la Seconde Guerre mondiale, de grands progrès ont été réalisés dans ce domaine, accélérés par l'avènement de l'aviation civile traditionnelle. Parmi les avions notables de cette époque, on trouve le Curtiss JN 4 , le Farman F.60 Goliath et le Fokker Trimotor . Parmi les avions militaires notables de cette période, on trouve le Mitsubishi A6M Zero , le Supermarine Spitfire et le Messerschmitt Bf 109 du Japon, du Royaume-Uni et d'Allemagne respectivement. Un développement important a eu lieu avec le premier avion à réaction opérationnel , le Messerschmitt Me 262, qui est entré en service en 1944 vers la fin de la Seconde Guerre mondiale.

La première définition de l'ingénierie aérospatiale est apparue en février 1958, considérant l'atmosphère terrestre et l'espace extra-atmosphérique comme un seul et même domaine, englobant ainsi à la fois les aéronefs ( aero ) et les engins spatiaux ( space ) sous le terme nouvellement inventé d'aérospatiale .

En réponse au lancement par l'URSS du premier satellite, Spoutnik , dans l'espace le 4 octobre 1957, les ingénieurs aérospatiaux américains lancèrent le premier satellite américain le 31 janvier 1958. La National Aeronautics and Space Administration fut fondée en 1958 après la crise de Spoutnik . En 1969, Apollo 11 , la première mission spatiale habitée vers la Lune , eut lieu. Elle vit trois astronautes entrer en orbite autour de la Lune, dont deux, Neil Armstrong et Buzz Aldrin , visiter la surface lunaire. Le troisième astronaute, Michael Collins , resta en orbite pour rejoindre Armstrong et Aldrin après leur visite.

Une innovation importante a eu lieu le 30 janvier 1970, lorsque le Boeing 747 a effectué son premier vol commercial de New York à Londres. Cet avion est entré dans l'histoire et est devenu connu sous le nom de « Jumbo Jet » ou « Whale » en raison de sa capacité à accueillir jusqu'à 480 passagers.

Un autre développement important a eu lieu en 1976, avec le développement du premier avion supersonique de transport de passagers , le Concorde . Le développement de cet avion a été convenu par les Français et les Britanniques le 29 novembre 1962.

Le 21 décembre 1988, l' avion cargo Antonov An-225 Mriya a effectué son premier vol. Il détient les records de l'avion le plus lourd du monde, du fret le plus lourd transporté par avion et du fret le plus long transporté par avion de tous les avions en service opérationnel.

Le 25 octobre 2007, l' Airbus A380 a effectué son premier vol commercial de Singapour à Sydney, en Australie. Cet avion a été le premier avion de ligne à surpasser le Boeing 747 en termes de capacité de transport de passagers, avec un maximum de 853 passagers. Bien que le développement de cet avion ait commencé en 1988 en tant que concurrent du 747, l'A380 a effectué son premier vol d'essai en avril 2005.

Certains éléments de l’ingénierie aérospatiale sont :

• Coupe radar – étude de la signature d’un véhicule apparente à la télédétection par radar .
• Mécanique des fluides – étude de l'écoulement des fluides autour des objets. Plus précisément, l'aérodynamique concerne l'écoulement de l'air sur des corps tels que des ailes ou à travers des objets tels que des souffleries (voir aussi portance et aéronautique ).
• Astrodynamique – l’étude de la mécanique orbitale , notamment la prédiction des éléments orbitaux à partir de quelques variables sélectionnées. Bien que peu d’établissements aux États-Unis enseignent cette discipline au niveau du premier cycle, plusieurs proposent des programmes d’études supérieures couvrant ce sujet (généralement en collaboration avec le département de physique de l’établissement ou de l’université en question).
• Statique et dynamique (mécanique technique) – l’étude du mouvement, des forces et des moments dans les systèmes mécaniques.
• Mathématiques – en particulier, calcul , équations différentielles et algèbre linéaire .
• Électrotechnologie – l’étude de l’électronique au sein de l’ingénierie.
• Propulsion – l'énergie nécessaire pour déplacer un véhicule dans l'air (ou dans l'espace) est fournie par des moteurs à combustion interne , des moteurs à réaction et des turbomachines , ou des fusées (voir également propulsion par hélice et propulsion spatiale ). Un ajout plus récent à ce module est la propulsion électrique et la propulsion ionique .
• Ingénierie de contrôle – étude de la modélisation mathématique du comportement dynamique des systèmes et de leur conception, généralement à l’aide de signaux de rétroaction, de manière à ce que leur comportement dynamique soit souhaitable (stable, sans grandes excursions, avec un minimum d’erreurs). Cela s’applique au comportement dynamique des avions, des engins spatiaux, des systèmes de propulsion et des sous-systèmes qui existent sur les véhicules aérospatiaux.
• Structures d'aéronefs – conception de la configuration physique de l'appareil pour résister aux forces rencontrées pendant le vol. L'ingénierie aérospatiale vise à maintenir les structures légères et peu coûteuses tout en préservant l'intégrité structurelle.
• Science des matériaux – liée aux structures, l’ingénierie aérospatiale étudie également les matériaux à partir desquels les structures aérospatiales doivent être construites. De nouveaux matériaux aux propriétés très spécifiques sont inventés ou des matériaux existants sont modifiés pour améliorer leurs performances.
• Mécanique des solides – Étroitement liée à la science des matériaux, la mécanique des solides traite de l’analyse des contraintes et des déformations des composants du véhicule. Il existe aujourd’hui plusieurs programmes d’éléments finis tels que MSC Patran/Nastran qui aident les ingénieurs dans le processus d’analyse.
• Aéroélasticité – l’interaction des forces aérodynamiques et de la flexibilité structurelle, pouvant provoquer des flottements , des divergences, etc.
• Avionique – la conception et la programmation de systèmes informatiques à bord d’un avion ou d’un vaisseau spatial et la simulation de systèmes.
• Logiciel – la spécification, la conception, le développement, le test et la mise en œuvre de logiciels informatiques pour des applications aérospatiales, y compris les logiciels de vol , les logiciels de contrôle au sol , les logiciels de test et d’évaluation, etc.
• Risque et fiabilité – l’étude des techniques d’évaluation du risque et de la fiabilité et des mathématiques impliquées dans les méthodes quantitatives.
• Contrôle du bruit – étude de la mécanique du transfert du son.
• Aéroacoustique – étude de la génération de bruit via le mouvement turbulent d’un fluide ou via des forces aérodynamiques interagissant avec des surfaces.
• Essais en vol – conception et exécution de programmes d’essais en vol afin de recueillir et d’analyser les données sur les performances et les qualités de maniabilité afin de déterminer si un aéronef répond à ses objectifs de conception et de performance et aux exigences de certification.

La plupart de ces éléments reposent sur la physique théorique , comme la dynamique des fluides pour l'aérodynamique ou les équations du mouvement pour la dynamique du vol . Il existe également une importante composante empirique . Historiquement, cette composante empirique était dérivée des tests de modèles réduits et de prototypes, soit dans des souffleries , soit dans l'atmosphère libre. Plus récemment, les progrès de l'informatique ont permis d'utiliser la dynamique des fluides numérique pour simuler le comportement du fluide, réduisant ainsi le temps et les dépenses consacrés aux tests en soufflerie. Les personnes qui étudient l'hydrodynamique ou l'hydroacoustique obtiennent souvent des diplômes d'ingénieur aérospatial.

De plus, l'ingénierie aérospatiale aborde l'intégration de tous les composants qui constituent un véhicule aérospatial (sous-systèmes comprenant l'alimentation électrique, les roulements aérospatiaux , les communications, le contrôle thermique , le système de survie , etc.) et son cycle de vie (conception, température, pression, rayonnement , vitesse , durée de vie ).

L'ingénierie aérospatiale peut être étudiée aux niveaux du diplôme avancé , du baccalauréat , de la maîtrise et du doctorat dans les départements d'ingénierie aérospatiale de nombreuses universités et dans les départements de génie mécanique d'autres. Quelques départements proposent des diplômes en ingénierie astronautique axée sur l'espace. Certaines institutions font la distinction entre l'ingénierie aéronautique et l'ingénierie astronautique. Des diplômes d'études supérieures sont proposés dans des domaines avancés ou spécialisés pour l'industrie aérospatiale.

Une formation en chimie, physique, informatique et mathématiques est importante pour les étudiants qui poursuivent des études en génie aérospatial.

Le terme « ingénieur en fusées » est parfois utilisé pour décrire une personne dotée d'une grande intelligence , car la science des fusées est considérée comme une pratique exigeant de grandes capacités mentales, notamment techniques et mathématiques. Le terme est utilisé ironiquement dans l'expression « Ce n'est pas de la science des fusées » pour indiquer qu'une tâche est simple. À proprement parler, l'utilisation de « science » dans « science des fusées » est une appellation impropre, car la science consiste à comprendre les origines, la nature et le comportement de l'univers ; l'ingénierie consiste à utiliser des principes scientifiques et d'ingénierie pour résoudre des problèmes et développer de nouvelles technologies. La version étymologiquement la plus correcte de cette expression serait « ingénieur en fusées ». Cependant, « science » et « ingénierie » sont souvent utilisés à tort comme synonymes.