Comment les avions contrecarrent le feu de Saint-Elme pendant les orages

Au plus fort d’un orage, les extrémités des tours cellulaires, des poteaux téléphoniques et d’autres hautes structures électriquement conductrices peuvent émettre spontanément un flash de lumière bleue. Cette lueur électrique, connue sous le nom de décharge corona, est produite lorsque l’air entourant un objet conducteur est brièvement ionisé par un environnement chargé électriquement.

Pendant des siècles, les marins ont observé des décharges corona à l’extrémité des mâts des navires pendant les orages en mer. Ils ont baptisé le phénomène le feu de Saint-Elme, du nom du saint patron des marins.

Les scientifiques ont constaté qu’une décharge corona peut se renforcer dans des conditions venteuses, brillant davantage lorsque le vent électrise davantage l’air. Cette intensification induite par le vent a été observée principalement dans les structures électriquement mises à la terre, comme les arbres et les tours. Désormais, des ingénieurs aérospatiaux du MIT ont découvert que le vent a un effet inverse sur les objets non mis à la terre, comme les avions et certaines pales d’éoliennes.

Dans certaines des dernières expériences réalisées dans la soufflerie Wright Brothers du MIT avant son démantèlement en 2019, les chercheurs ont exposé un modèle d’aile d’avion non mis à la terre électriquement à des rafales de vent de plus en plus fortes. Ils ont constaté que plus le vent était fort, plus la décharge corona était faible, et plus la lueur produite était faible.

Les résultats de l’équipe apparaissent dans le Journal of Geophysical Research : Atmospheres. L’auteur principal de l’étude est Carmen Guerra-Garcia, professeur adjoint d’aéronautique et d’astronautique au MIT. Ses coauteurs au MIT sont Ngoc Cuong Nguyen, un chercheur principal, Theodore Mouratidis, un étudiant diplômé, et Manuel Martinez-Sanchez, un professeur post-titulaire d’aéronautique et d’astronautique.

Frottement électrique

Au sein d’un nuage d’orage, la friction peut s’accumuler pour produire des électrons supplémentaires, créant un champ électrique qui peut atteindre le sol. Si ce champ est suffisamment fort, il peut briser les molécules d’air environnantes, transformant l’air neutre en un gaz chargé, ou plasma. Ce processus se produit le plus souvent autour d’objets pointus et conducteurs tels que les tours de téléphonie cellulaire et les extrémités d’ailes, car ces structures pointues ont tendance à concentrer le champ électrique de telle sorte que les électrons sont tirés des molécules d’air environnantes vers les structures pointues, laissant derrière eux un voile de plasma chargé positivement immédiatement autour de l’objet pointu.

Une fois qu’un plasma s’est formé, les molécules qu’il contient peuvent commencer à briller via le processus de décharge corona, où les électrons en excès dans le champ électrique font du ping-pong contre les molécules, les faisant tomber dans des états excités. Pour redescendre de ces états excités, les molécules émettent un photon d’énergie, à une longueur d’onde qui, pour l’oxygène et l’azote, correspond à la lueur bleutée caractéristique du feu de Saint-Elme.

Dans de précédentes expériences en laboratoire, les scientifiques ont constaté que cette lueur, et l’énergie d’une décharge corona, peuvent se renforcer en présence de vent. Une forte rafale peut essentiellement souffler les ions chargés positivement, qui faisaient localement écran au champ électrique et réduisaient son effet – ce qui permet aux électrons de déclencher plus facilement une lueur plus forte et plus brillante.

Ces expériences ont surtout été réalisées avec des structures électriquement mises à la terre, et l’équipe du MIT s’est demandé si le vent aurait le même effet de renforcement sur une décharge corona produite autour d’un objet pointu et non mis à la terre, comme une aile d’avion.

Pour tester cette idée, ils ont fabriqué une structure d’aile simple en bois et enveloppé l’aile dans du papier d’aluminium pour la rendre électriquement conductrice. Plutôt que d’essayer de produire un champ électrique ambiant similaire à celui qui serait généré dans un orage, l’équipe a étudié une configuration alternative dans laquelle la décharge corona était générée dans un fil métallique parallèle à la longueur de l’aile, et en connectant une petite source d’alimentation haute tension entre le fil et l’aile. Ils ont fixé l’aile à un piédestal fait d’un matériau isolant qui, en raison de sa nature non conductrice, rendait essentiellement l’aile elle-même suspendue électriquement, ou non mise à la terre.

L’équipe a placé l’ensemble de l’installation dans la soufflerie Wright Brothers du MIT, et l’a soumise à des vitesses de vent de plus en plus élevées, jusqu’à 50 mètres par seconde, alors qu’ils variaient également la quantité de tension qu’ils appliquaient au fil. Au cours de ces tests, ils ont mesuré la quantité de charge électrique qui s’accumulait dans l’aile, le courant de la couronne et ont également utilisé une caméra sensible aux ultraviolets pour observer la luminosité de la décharge corona sur le fil.

Au final, ils ont constaté que la force de la décharge corona et la luminosité qui en résulte diminuaient à mesure que le vent augmentait – un effet surprenant et opposé à celui que les scientifiques ont observé pour le vent agissant sur des structures mises à la terre.

Tiré contre le vent

L’équipe a développé des simulations numériques pour tenter d’expliquer cet effet, et a constaté que, pour les structures non mises à la terre, le processus est largement similaire à ce qui se passe avec les objets mis à la terre – mais avec quelque chose en plus.

Dans les deux cas, le vent emporte les ions positifs générés par la couronne, laissant derrière lui un champ plus fort dans l’air environnant. Pour les structures non mises à la terre, cependant, comme elles sont isolées électriquement, elles se chargent plus négativement. Il en résulte un affaiblissement de la décharge corona positive. La quantité de charge négative que l’aile conserve est déterminée par les effets concurrents des ions positifs soufflés par le vent et de ceux attirés et ramenés par l’excursion négative. Cet effet secondaire, ont constaté les chercheurs, agit pour affaiblir le champ électrique local, ainsi que la lueur électrique de la décharge corona.

« La décharge corona est le premier stade de la foudre en général », explique Guerra-Garcia. « La façon dont la décharge corona se comporte est importante et prépare en quelque sorte le terrain pour ce qui pourrait se passer ensuite en termes d’électrification. »

En vol, les aéronefs tels que les avions et les hélicoptères produisent intrinsèquement du vent, et un système de couronne lumineuse comme celui testé dans la soufflerie pourrait en fait être utilisé pour contrôler la charge électrique du véhicule. Se référant à des travaux antérieurs de l’équipe, elle et ses collègues ont précédemment montré que si un avion pouvait être chargé négativement, de manière contrôlée, le risque de l’avion d’être frappé par la foudre pourrait être réduit. Les nouveaux résultats montrent que la charge d’un avion en vol à des valeurs négatives peut être obtenue en utilisant une décharge corona positive contrôlée.

 »Ce qui est passionnant dans cette étude, c’est que, tout en essayant de démontrer que la charge électrique d’un avion peut être contrôlée à l’aide d’une décharge corona, nous avons en fait découvert que les théories classiques de la décharge corona dans le vent ne s’appliquent pas aux plateformes aéroportées, qui sont électriquement isolées de leur environnement », explique Guerra-Garcia. « Les claquages électriques qui se produisent dans les avions présentent vraiment des caractéristiques uniques qui ne permettent pas l’extrapolation directe à partir des études au sol. »

Cette recherche a été financée, en partie, par la société Boeing, par le biais du programme Strategic Universities for Boeing Research and Technology.

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