Les avions et la foudre: une longue histoire d'amour

Le transport aérien est l'un des secteurs les plus sûrs au monde, où la sécurité prime sur toute autre décision. Pourtant, beaucoup ont toujours la peur au ventre lorsqu'ils embarquent dans un avion. Etonnamment, parmi les scénarios catastrophes auxquels les gens pensent, très peu imaginent un avion crasher à cause de la foudre. Pourtant le risque est bien réel, et il arrive très fréquemment, d'autant plus que les aéronefs eux-mêmes attirent la foudre.
Comment les avions arrivent ils à s'en sortir? Quelles sont les technologies utilisées par les ingénieurs aéronautiques pour venir à bout des impacts impardonnables de la foudre? C'est ce que nous allons explorer ensemble dans cet article. Mais avant d'y arriver, il faudra bien saisir les notions de base sur la formation de la foudre, ses dangers potentiels sur les avions et la navigation.

Quelques statistiques

Les avions sont contraints de voler à travers une atmosphère fortement ionisée, et constituent un chemin idéal de propagation pour la foudre. Un nuage orageux crée, en effet, un champ électrostatique qui s'étend sur plusieurs kilomètres à la ronde. Lorsqu'un avion passe dans un rayon inférieur à une vingtaine de kilomètres, les parties pointues de l'appareil amplifient ce champ et déclenchent une décharge de foudre. Elle frappe très souvent le bout des ailes ou le nez, traverse le fuselage, et ressort par l'autre bout ou la queue. On estime qu'en moyenne, un avion est frappé une fois par an (soit une fois toutes les 1000 à 1500 heures de vol). La plupart des impacts passent inaperçus en vol, et ne sont détectés qu'au sol par les services de maintenance. Heureusement.

C'est quoi la foudre?

La foudre est un phénomène électrique, causée par des décharges électriques soudaines et très importantes entre les nuages ou entre les nuages et la surface terrestre. Elle peut produire une impulsion électromagnétique d'une puissance instantanée d’un milliard de watts. Les orages se forment généralement dans les cumulonimbus, des nuages à grande convection verticale, où l'air chaud et humide monte pendant que l'air froid descend. A l'intérieur, des particules de glace ou gouttelettes d'eau s'entrechoquent, entrainant une séparation des charges suivant le processus de convection (les charges positives en haut). Un canal ionisé se forme lorsque la différence de charges devient très importante, et il se propage d'un nuage à l'autre ou du nuage vers le sol. L'éclair est dû au déplacement rapide du courant électrique le long du canal lorsque qu'il atteint le sol ou un autre nuage. Il se produit avec une augmentation excessive de la température (jusqu'à 30000 degrés Celsius) provoquant une expansion explosive de l'air, appelé tonnerre.

Credits: AFP (youtube)

Les dangers de la foudre

Accidents mortels

Les crash d'avions dus à la foudre sont rares, mais ils n'en manquent pas néanmoins. L'accident qui a le plus marqué et révolutionné le transport aérien, c'est le crash du vol 214 de Pan Am. Le 08 Décembre 1963, un Boeing 707 de Pan American World Airways, en provenance de Porto Rico et à destination de Baltimore est frappé par la foudre. Les vapeurs du réservoir s'enflamment et entrainent une explosion sur l'une des ailes. Les 81 personnes à bord ont péri.
Le 13 Octobre 1972, c'est au tour du vol PLUNA 571. Un Fairchild-227 de la compagnie uruguayenne PLUNA s'est écrasé sur les montagnes au dessus des Andes, après un impact de foudre qui a entrainé une défaillance des instruments de navigation. Seules 16 personnes ont survécu sur les 45 à bord.
Sept ans plus tard, le 30 Janvier 1979, le vol Varig 967, s'écrase dans la forêt amazonienne, tuant tous les 54 occupants du Boeing 707.

Un Boeing 707 de Pan Am

Ces accidents remontent aux débuts du transport aérien, et ils ont bien sensibilisé le monde de l'aéronautique sur les dangers de la foudre et la vulnérabilité des avions. En 1967, la FAA (Federal Aviation Administration) a fait une mise à jour des normes de sécurité des réservoirs de carburant afin de prévenir toute inflammation provoquée par un impact de foudre. En 1970, de nouvelles mesures de prévention sont imposées pour d’autres composants de l’avion. Dès lors, les différents organismes internationaux concernés par la sécurité aérienne n’ont cessé de revisiter constamment les mesures de protection et de prévention dans ce domaine.

Les effets sur les systèmes électriques, électroniques et de communication

Les impacts de la foudre sur les systèmes électriques sont très variés, et dépendent de l'énergie transportée. Ils peuvent aller de simples surcharges électriques, à une défaillance des systèmes électroniques, une perte de communication, des problèmes de navigation, voire la perturbation des systèmes de contrôle de l'avion. Les parties les plus en danger sont les composants sensibles à l'électricité statique et aux surtensions, telles que les CPU (Central Processing Unit), les systèmes de navigation inertielle (les gyroscopes, les accéléromètres), les interfaces de communication, les instruments de bord, et les dispositifs de divertissement à bord.

Un CPU SCISSION SOLEIL 541-1307-06

LE SECRET DES AVIONS

Des cages de Faraday

Les aéronefs se comportent en vol comme une cage de Faraday. Une cage de Faraday c'est en gros une enceinte destinée à protéger ce qui se trouve à l'intérieur, des champs électriques extérieurs et des interférences électromagnétiques. C'est une cage conductrice, utilisée comme bouclier pour assurer la sécurité et la fiabilité des dispositifs électroniques et électriques. Elle intervient dans plusieurs domaines d'application, notamment en industrie automobile et en aviation. Elle tient son nom du célèbre physicien britannique Michael Faraday.

Son fonctionnement repose sur la répartition uniforme des charges électriques à la surface d'un conducteur. Elle est en général faite d'un matériau conducteur comme le cuivre, ou l'aluminium. L'objectif est de garder l'intérieur électriquement imperméable. Lorsqu'un champ électromagnétique extérieur frappe la cage, les charges électriques libres se déplacent en réaction vers la surface extérieure de la cage, créant un champ opposé au champ externe.

Pourquoi ne pas utiliser un simple parafoudre?

D'abord il faut comprendre que le parafoudre n'est pas nécessairement destiné à éviter la foudre. En réalité, il renvoie tout simplement un dispositif permettant de protéger les installations électriques des surtensions. Juste qu'historiquement, la foudre était le principal facteur de surtension, donc le nom est resté. Il est plus juste de les appeler parasurtenseurs.
Le paratonnerre lui par contre est conçu expressément pour protéger de la foudre. Il fournit un point d'impact à la foudre ainsi qu'un chemin d'évacuation des charges électriques. On en installe des versions réduites sur les avions, notamment au niveau des extrémités. Cependant, un simple paratonnerre ne peut pas faire l'affaire dans le cas des avions. En fait, les paratonnerres conventionnels drainent lentement les charges accumulées dans l'atmosphère et épargnent les bâtiments et les installations. Mais pour un avion en mouvement à très haute altitude, la foudre arrive directement et rapidement, rendant difficile pour le paratonnerre d'évacuer les charges en un temps très court. Par ailleurs, l'installation d'un paratonnerre risque de créer des protubérances sur le fuselage, réduisant les performances aérodynamiques et augmenteraient la consommation de carburant.

Description d'un paratonnerre

Normes de sécurité et réglementations imposées

Aucun avion ne décolle sans remplir les contraintes de sécurité en ce qui concerne la protection des passagers. Les plus connues sont la norme RTCA DO-160 de la Radio Technical Commission for Aeronautics, et la norme EUROCAE ED-105 établie par l'organisation européenne pour l'équipement de l'aviation civile. Les aéronefs sont soumis à des tests rigoureux pouvant varier entre des tests d'impact direct, des CEM (Compatibilité Electromagnétique) pour s'assurer qu'ils sont bien capables de supporter les surcharges électriques. Des maintenances et inspections régulières sont également effectuées au sol pour garantir de bon fonctionnement des dispositifs.
Par ailleurs, les membres de l'équipage suivent des formations sur les procédures d'urgence à suivre en cas d'impact dangereux de foudre.

Le bémol des matériaux composites

Pour de meilleures performances aérodynamiques et par souci d'alléger leur poids, les avions modernes sont faits de matériaux composites tels que les CFRP (Fibres de carbone renforcées avec une matrice de résine), les GFRP (fibres de verre renforcées de plastiques), les thermoplastiques et les CFC. Le problème est qu'ils ne sont pas bons conducteurs comme les matériaux traditionnels (aluminium, titane, acier). Mais les normes l'exigent, il faut que l'avion puisse faire face à tout impact éventuel de foudre. Pour ce faire, les ingénieurs ont pensé à les recouvrir de légères couches de métal pour assurer la continuité électrique et retrouver les avantages des matériaux classiques.

Une fibre de carbone renforcée de graphène

Pourquoi chercher à contourner les orages si les avions sont des cages de Faraday?

Les avions sont certes conçus pour agir comme des cages à Faraday, mais ils ne sont pas totalement invulnérables face à la foudre, et c'est pourquoi les pilotes empruntent toujours des routes qui leur permettent d'éviter au maximum les zones orageuses. En fait, les orages peuvent augmenter les risques de givrage à cause des variations rapides de température. De plus, un impact direct, même s'il n'a pas eu d'effet majeur sur l'avion lors du vol, peut nécessiter des inspections ou maintenances couteuses à la compagnie. Une autre raison est que les orages perturbent les systèmes de communication et donc mitigent le maintien d'un contact constant avec les contrôleurs aériens.
Après tout, il ne sert à rien de titiller de près la foudre et mettre en danger la vie des passagers du moment où l'on peut l'éviter.

Mieux vaut rester toujours prudent.