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Il y a trente ans, les nuages nocifs de chlorofluorocarbures qui s'étaient accumulés dans la stratosphère terrestre pendant un demi-siècle creusaient un trou saisonnier dans la couche d'ozone protectrice au-dessus de l'Antarctique deux fois le diamètre de Pluton. Alors que la caractéristique antarctique était extrême, elle a souligné une catastrophe se déroulant dans l'atmosphère terrestre. Avec moins d'ozone dans la stratosphère pour protéger la flore et la faune des rayons ultraviolets du soleil, les cultures en souffriraient et le cancer de la peau monterait en flèche.
Au moment Popular Science a publié un article en juillet 1992 décrivant les efforts urgents des scientifiques du monde entier pour comprendre la dynamique de la destruction de l'ozone, nos perspectives étaient désastreuses. "Le bouclier d'ozone de la Terre semble défaillir", a écrit Steven Ashley, rédacteur en chef de Popular Science, "et les chercheurs doivent découvrir pourquoi, rapidement". Selon Ashley, la NASA a tout mis en œuvre en construisant un drone robotique de collecte de données pour sillonner le vortex polaire de la Terre, la partie supérieure de l'atmosphère au-dessus de l'Antarctique. L'engin, appelé Perseus, utilisait le GPS et une route programmée pour détecter l'ozone.
En 1987, tous les pays du monde (une première et unique) ont ratifié un traité pour réparer les dégâts. Le Protocole de Montréal a établi des lignes directrices pour éliminer rapidement une liste de 100 produits chimiques manufacturés appelés substances appauvrissant la couche d'ozone ou SAO. Depuis la diffusion de la fonctionnalité de Popular Science en 1992, les émissions de SAO ont été réduites de 98 %. Et bien que la taille et la gravité du trou dans la couche d'ozone de l'Antarctique fluctuent d'une année à l'autre, en raison d'une myriade de facteurs, notamment les températures saisonnières et l'humidité, une tendance à l'amélioration a été constante. Les experts prévoient un rétablissement complet d'ici 2070. En plus de représenter une rare réussite environnementale, il y a une leçon sur l'ozone :des choses étonnantes sont possibles, même à l'échelle planétaire, lorsque tout le monde s'y met.
Malheureusement, une telle unité s'est avérée insaisissable pour les gaz à effet de serre. Depuis 1992, les dirigeants mondiaux ont pris trois virages dans les traités visant à réduire les substances, le dernier en date étant l'Accord de Paris sur le climat. Aucun n'a atteint l'unanimité, bien que l'Accord de Paris soit proche maintenant que les États-Unis l'ont rejoint.
La rupture du bouclier d'ozone de la Terre est devenue une préoccupation mondiale. Mais comment les scientifiques peuvent-ils obtenir les données de haute altitude dont ils ont besoin pour trouver des solutions ? Ce planeur motorisé sans pilote pourrait être la solution.
Quatre-vingt mille pieds au-dessus de la vaste étendue gelée de l'Antarctique, un avion solitaire naviguera dans la stratosphère sur de longues ailes effilées. Le planeur motorisé sans pilote, appelé Perseus, devrait en 1994 voler plus haut que n'importe quel avion à hélices précédent pour découvrir ce qui ne va pas avec le bouclier d'ozone stratosphérique de la Terre. Il sera programmé pour rechercher dans l'air froid et mince au-dessus de l'Antarctique des produits chimiques destructeurs d'ozone et ramener des échantillons d'air cruciaux qui ont échappé aux scientifiques de l'atmosphère pendant des années.
L'hélice à pas variable de 14,4 pieds de l'avion - si longue qu'elle ne peut pas tourner jusqu'à ce que Perseus soit en l'air - nécessitera que le robot soit lancé dans les airs depuis sa base à la station McMurdo de l'Antarctique par un câble enroulé par treuil. Une fois en vol, son moteur sera engagé et le câble détaché.
Persée montera alors en spirale vers le centre du trou d'ozone à environ 40 nœuds, atteignant une vitesse de 200 nœuds en altitude. Bien qu'un technicien pilote l'avion à distance via des commandes radio en visibilité directe lorsqu'il est près du sol, Perseus se pilotera en grande partie lui-même. Son ordinateur de vol embarqué transportera des commandes de navigation préprogrammées basées sur les données transmises par les satellites de positionnement global.
En fin de compte, il est prévu que les capteurs montés dans le nez de l'engin répondront si la sonde de haut vol pénètre dans un assemblage vaporeux et rosé de minuscules cristaux de glace, un foyer présumé de destruction de l'ozone que les chercheurs appellent un nuage stratosphérique polaire. L'ordinateur de bord dirigera l'appareil d'échantillonnage d'air de l'engin pour s'engager. Lorsque ses capteurs ne détectent plus la glace, Perseus inversera sa trajectoire et continuera à voler en zigzag afin de cartographier les limites du nuage nocif.
La durée totale du vol sera d'environ six heures, avec une heure pour l'échantillonnage de l'air. Perseus ne peut transporter que suffisamment de carburant pour la montée, il glissera donc silencieusement, après l'arrêt du moteur, jusqu'à un atterrissage à sa base sur la banquise.
Un tel vol ne peut pas arriver trop tôt pour les scientifiques qui étudient l'appauvrissement de la couche d'ozone. Le bouclier d'ozone de la Terre semble défaillant et les chercheurs doivent découvrir pourquoi rapidement. En octobre dernier, le satellite Nimbus-7 de la NASA a mesuré la plus faible concentration d'ozone au-dessus de l'Antarctique en 13 ans. Cet énorme trou d'ozone a jusqu'à présent été limité à l'hémisphère sud, mais les avions de la NASA ont récemment trouvé une abondance de produits chimiques précurseurs de trou d'ozone dans l'air arctique, soulevant le spectre d'un trou d'ozone nord. Peut-être encore plus alarmante est la découverte de l'amincissement des niveaux d'ozone au-dessus des latitudes moyennes du nord, y compris les régions peuplées du Canada et de la Nouvelle-Angleterre, de la Grande-Bretagne, de la France et de la Scandinavie. (Les conditions de l'année dernière étaient inhabituellement chaudes, disent les scientifiques, donc aucun trou dans la couche d'ozone ne s'est matérialisé.)
Depuis 1988, les pilotes des avions de reconnaissance NASN ER-2 - des avions espions U-2 convertis - ont grimpé à 13 milles au-dessus des régions polaires éloignées et désolées pour recueillir des échantillons d'air pour les scientifiques. Ces missions sont tout sauf routinières. Si l'un des avions monomoteurs rencontrait des problèmes au cours de ces nuits ardues de huit heures et de 1 500 milles, le pilote solo mourrait presque sûrement.
Jusqu'à présent, les retours ont valu les risques, cependant, car les collecteurs de haut vol ont fourni aux scientifiques les preuves dont ils avaient besoin pour impliquer les composés chlorés artificiels appelés chlorofluorocarbures (CFC) dans la destruction de l'ozone et demander leur interdiction. Néanmoins, la capacité des chercheurs à modéliser et à prédire davantage les changements dans la couche d'ozone est actuellement limitée par une pénurie d'échantillons d'air cruciaux du cœur du trou, qui se trouve à des altitudes au-delà du plafond de tout avion piloté, déclare Jim Anderson, chimiste atmosphérique à Harvard. Université. Anderson, également scientifique de mission pour l'Airborne Arctic Stratospheric Experiment-2 de la NASA, d'une durée de six mois, affirme que les modèles atmosphériques actuels (utilisés pour guider les décisions de politique environnementale du gouvernement) manquent d'informations sur la chimie et le mouvement à des altitudes proches de 15 miles, ou 82 000 pieds- un domaine crucial dans la formation et la destruction de l'ozone. "Les satellites sont bons pour les cartes à larges pinceaux de mesures simples", dit Anderson, "mais pour comprendre le mécanisme d'appauvrissement de la couche d'ozone, vous avez besoin des deux satellites pour la vue climatologique et des mesures directes par des véhicules aériens pour comprendre le mécanisme."
Des ballons de recherche géants remplis d'hélium sont utilisés depuis des décennies pour transporter des instruments à des altitudes extrêmes, mais ces engins peu maniables sont soumis aux caprices de la météo, entraînant des retards de lancement et des pertes de charges utiles occasionnelles. Et le seul avion disponible qui peut voler assez haut est le SR-71 Blackbird de Lockheed, mais la vitesse supersonique de l'avion noir rendrait l'échantillonnage impossible. Persée semble donc être sur le point de fournir de nombreuses réponses.
L'ingénieur aéronautique formé au Massachusetts Institute of Technology John Langford, président d'Aurora Flight Sciences Corp. à Manassas, en Virginie, travaille à la conception de Perseus pour offrir une capacité d'altitude extrême, un fonctionnement sans pilote et la capacité de transporter des instruments scientifiques en altitude à un coût relativement faible . Le noyau du personnel d'Aurora est composé de vétérans du projet MIT Daedalus, qui a développé l'avion léger à propulsion humaine qui a pédalé sur 69 miles entre les îles grecques de Crète et Santorin [« 88-pound Pedal Plane », février 1987]. Le développement de Perseus doit beaucoup à son précurseur apparemment simple.
Les ailes à haut rendement de Daedalus, conçues par Mark Drela, professeur agrégé d'aéronautique et d'astronautique au MIT, ont permis à l'engin composite d'apparence fragile de voler malgré le fait qu'il n'était entraîné que par son moteur humain. Langford et Drela savaient que sa forme d'aile longue et mince fonctionnerait dans l'air raréfié et à des altitudes extrêmes pertinentes pour l'échantillonnage de l'ozone. "Il était évident qu'une grande partie de la technologie des profils aérodynamiques et des structures serait applicable aux avions volant à haute altitude", se souvient Drela.
La nécessité d'une plate-forme peu coûteuse, à haute altitude et sans pilote pour la recherche atmosphérique in situ a été établie il y a quelques années par un groupe d'experts de la NASA, de la National Oceanic and Atmospheric Administration et de la National Science Foundation. Outre la chimie de l'ozone, le panel voulait un véhicule qui pourrait aider à déterminer le rôle des nuages dans le réchauffement climatique, étudier un phénomène de mélange stratosphère/troposphère pour une nouvelle étude du Département de l'énergie sur le changement climatique, trouver les causes des violentes tempêtes et évaluer l'impact. des émissions d'échappement des futurs avions de ligne supersoniques [« The Next SST », février 1991].
"Le point clé était que le véhicule soit disponible dans la période 1993-1994", se souvient Jennifer Baer-Riedhart, chef de projet du programme Small High-Altitude Science Aircraft qui en a résulté au Ames-Dryden Flight Research Facility de la NASA à Edwards, en Californie. . Aurora, déjà bien parti pour développer un tel engin, a obtenu un contrat de 2,25 millions de dollars sur deux ans avec la NASA pour livrer deux avions Perseus.
Pour réduire les coûts, Langford note que la stratégie a été de modifier les composants prêts à l'emploi et les conceptions existantes, plutôt que de développer une technologie personnalisée.
Le résultat est un poids léger de 1 320 livres), "version sans pilote d'un planeur", explique Langford, avec une envergure de 59 pieds et une conception aérodynamique à faible traînée. Les ailes, l'hélice, les surfaces de la queue et la poutre de queue sont moulées à partir de tissu aramide Kevlar imprégné de résine, de noyaux en nid d'abeille Nomex et de tissu graphite.
"La structure composite de Perseus ressemble à celle d'un planeur de sport poussé à l'extrême", explique Siegfried Zerweckh, qui a travaillé comme chef du groupe d'aérostructures d'Aurora. "Le fait que l'avion soit sans pilote et que ses structures n'aient pas à fonctionner indéfiniment comme celles d'un avion commercial [c'est-à-dire sans inspection après chaque vol] signifie que nous pouvons pousser les matériaux à la limite.
"Nous utilisons une construction en sandwich pour la rigidité de presque toutes les pièces, y compris les ailes, les surfaces de la queue et la poutre de queue", poursuit Zerweckh. Les ailes en trois parties de 30 pieds, par exemple, n'ont que quatre nervures les supportant dans le sens de l'envergure, 80 les panneaux sandwich structuraux doivent être largement autoportants. Un panneau d'aile de 19,7 pieds de long, par exemple, pèse 170 livres. Le résultat est une structure relativement légère.
Un ordinateur de contrôle de vol/navigation embarqué, un système de commande électronique de vol électrique et un système de propulsion à cycle fermé inhabituel complètent une grande partie de la masse de l'avion. La NASA pensait que le système de propulsion de Perseus était suffisamment important pour le succès du projet pour le financer dans un effort séparé d'un demi-million de dollars.
Conformément au penchant d'Aurora pour les surnoms classiques, le système de propulsion de Perseus a été surnommé Arion. Il s'agit d'un système à cycle fermé inhabituel qui comprend un Norton rotatif refroidi par liquide de 65 chevaux, une boîte de réduction à deux vitesses avec des dispositions pour embrayage et verrouillage de l'hélice, un arbre d'entraînement rigide en fibre de carbone, le grand pas variable hélice, des réservoirs de stockage d'essence et d'oxygène liquide et un grand condenseur pour refroidir les gaz d'échappement.
Une grande partie de cela est le travail de Martin Waide, ancien ingénieur en chef d'Aurora, qui a été ingénieur pour le groupe Lotus en Grande-Bretagne et divers fabricants américains de véhicules militaires télépilotés.
Un système de moteur à combustion à cycle fermé, qui a été choisi pour Perseus parce qu'il était le moins cher et le plus rapide à développer, découle des travaux effectués pour les torpilles et les sous-marins. Au lieu de comprimer l'air extérieur dans un turbocompresseur lourd et coûteux pour maintenir la puissance, les gaz d'échappement du moteur sont réinjectés dans l'admission avec du carburant et de l'oxygène. L'ingénieur principal en propulsion Stephen Hendrickson rapporte que l'ensemble du moteur a été testé au sol en mai, avec succès.
La combustion du mélange carburant-air produit des températures d'échappement de près de 2 000 ° Fahrenheit, qui seraient normalement rejetées par-dessus bord. Mais parce que l'échappement de Perseus sera recyclé, de grands radiateurs au-dessus de l'aile doivent évacuer sa chaleur. L'équipe Aurora développe de grands échangeurs de chaleur à ailettes et tubes en acier inoxydable et en aluminium qui fonctionneront à basse pression atmosphérique, où le transfert de chaleur est lent.
En novembre dernier, le prototype Perseus A n'a pas atteint ses objectifs d'altitude extrême lors de ses vols inauguraux au-dessus du lit du lac asséché d'El Mirage dans le désert de Mojave en Californie, limité à un plafond de sécurité de 3 000 pieds. Mais les trois courts vols d'essai ont fourni des données qui ouvriront la voie à des missions de haut vol dans deux ans, lorsque Perseus A sera transporté par avion en morceaux vers la station McMurdo. Là, une équipe au sol de sept personnes assemblera et préparera rapidement l'avion pour le lancement.
Anderson de Harvard a conçu l'ensemble d'instruments légers montés sur le nez que Perseus transportera. Son système d'échantillonnage/analyse de l'air de 110 livres utilise une technique d'absorption ultraviolette optique pour mesurer la concentration d'ozone et un appareil de diffusion de photons plus sophistiqué qui mesure les niveaux de composés précurseurs destructeurs d'ozone en parties par billion. En mars, les spécialistes des ballons de la NASA ont effectué une série de vols d'essai difficiles au cours desquels le capteur miniaturisé et son électronique ont survécu à des températures de -80 °C lorsqu'ils ont été projetés depuis la côte ouest du Groenland.
Une théorie largement répandue rapportée récemment par Anderson et deux collègues explique pourquoi le suivi de ces composés précurseurs est si vital.
On sait que le rayonnement ultraviolet (UV) sans entrave peut provoquer des cancers de la peau, des cataractes, des déficiences du système immunitaire, ainsi que des perturbations des écosystèmes naturels et de l'agriculture.
En hiver, lorsque le soleil quitte les pôles, l'air stratosphérique devient rapidement si froid que l'acide nitrique trihydraté (NAT) dans l'air gèle. Ces minuscules cristaux d'acide nitrique amorcent la formation de particules de glace d'eau, qui se rassemblent en nuages vaporeux et rosés (les nuages mêmes sur lesquels les détecteurs de Perseus seront entraînés).
Dès que les particules de glace et d'acide nitrique se forment, des réactions rapides impliquant de l'acide chlorhydrique et du nitrate de chlore se produisent à la surface de la glace, qui agit comme un catalyseur (voir The Chlorine Connection). Le premier s'adsorbe sur les bords des cristaux, tandis que les collisions des particules de glace avec les seconds libèrent du chlore moléculaire (C12). "Personne ne s'attendait à ce que les surfaces de glace agissent comme des catalyseurs pour la libération de chlore moléculaire", déclare Anderson.
Pendant que les masses d'air polaire se refroidissent, elles coulent. Alors que l'air ambiant s'écoule pour prendre la place de l'air froid, la force de Coriolis, causée par la rotation de la Terre, dirige l'air entrant dans des jets rotatifs de la taille d'un continent. Ces tourbillons polaires agissent comme des parois semi-imperméables, isolant l'air à l'intérieur. Malgré l'affaissement polaire, le chlore moléculaire libre reste élevé.
Avec le retour du soleil printanier, pratiquement toutes les molécules de chlore se sont scindées en radicaux de chlore libres, des atomes de chlore avides de se recombiner. Ce chlore alimente une série de réactions catalytiques qui, ensemble, détruisent l'ozone.
"Le monoxyde de chlore libre mâche l'ozone comme Pac-Man", note Anderson. "Aux concentrations que nous avons observées - plus d'une partie par milliard en volume, nous estimons que 1 % de l'ozone est perdu chaque jour."
Plus tard dans la saison, des ondes atmosphériques à l'échelle planétaire frappent les vortex polaires, les brisent et reconstituent l'ozone polaire. On pense que le trou d'ozone arctique ne s'est pas encore formé car les tourbillons du nord sont instables en raison des chaînes de montagnes voisines.
Un certain nombre de scientifiques sont conscients que l'échantillonnage de la stratosphère est essentiel pour trouver une solution à nos problèmes d'appauvrissement de la couche d'ozone. Plusieurs autres avions de haut vol sont prévus. Déjà développé, mais encore inutilisé, est l'avion sans pilote géant Condor, qui a été développé par Boeing Co. de Seattle dans le cadre d'un projet secret du Département de la Défense. Le Condor de 20 000 livres est propulsé par 8 paires de moteurs Teledyne Continental de 175 ch refroidis par liquide avec turbocompresseur à deux étages et refroidissement intermédiaire entraînant des hélices tripales de 16 pieds de long. Bien que l'engin d'une valeur de 20 millions de dollars ait effectué huit vols d'essai en 1989, le gouvernement n'a pas les fonds nécessaires pour l'exploiter. Dans l'un de ces vols, le Condor de Boeing a établi le record mondial d'altitude pour les avions à hélices à 67 028 pieds. Dans un autre, le drone classifié est resté en l'air pendant deux jours et demi, parcourant environ 20 000 milles.
D'autres développeurs d'avions empruntent la voie habitée. Un groupe allemand de la Deutsche Forschungsanstalt fiir Luft and Rahrfahrt (DLR) à Oberpfaffenhafen a proposé le développement d'un avion biplace appelé Strato·2C qui doit être capable d'atteindre 85 000 pieds ou de voler sur 10 000 milles. L'avion composite doit être propulsé par deux moteurs Teledyne Continental de 402 ch avec turbocompresseurs.
Les ingénieurs d'Aurora prévoient plusieurs versions dérivées de la "jeep" Perseus (comme la NASA appelle le prochain véhicule de plus grande taille). Équipé d'un moteur turbocompressé efficace, Perseus B pouvait naviguer pendant plusieurs jours à des altitudes un peu plus basses que le modèle A pour tourner au-dessus des ouragans, par exemple. Avec une envergure de 188 pieds et deux centrales électriques à propulsion, Theseus - un engin de la taille d'un "van" - pouvait voler une charge utile de 440 livres à environ 100 000 pieds pendant environ un mois. Plus loin sur la route, le "camion" solaire Odysseus pourrait parcourir la stratosphère pendant un an avec une charge utile de 110 livres à bord.
En s'efforçant de prolonger la durée de vol et l'élévation, ces croiseurs stratosphériques à hélices pourraient bien en venir à agir presque comme des "satellites du pauvre".
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