Entretien avec l'industrie : Joost Hakkaart et Andreas Bergmann, allemand

German-Dutch Wind Tunnels (Deutsch-Niederländische Windkanäle/Duits-Nederlandse Windtunnels – DNW) est l'une des principales organisations européennes pour les essais en soufflerie. Fondée en 1976, DNW a joué un rôle important dans le développement du secteur de l'aviation. L'entreprise commune internationale est si respectée qu'il est peut-être plus juste de la décrire comme une institution européenne plutôt que comme une simple organisation.

Le site principal de DNW à Marknesse aux Pays-Bas héberge deux souffleries subsoniques d'un total de sept installations réparties sur quatre sites aux Pays-Bas et en Allemagne, allant du subsonique au supersonique. Il abrite également un groupe d'experts capables de fournir certaines des capacités de simulation aérodynamique expérimentale les plus avancées de l'industrie.

La pièce maîtresse de Marknesse est la plus grande soufflerie d'Europe, la grande installation à basse vitesse (LLF) de 9,5 m de large (31 pieds). Mise en service en 1981, les qualités acoustiques du LLF et la fidélité des tests aéroacoustiques qu'il peut fournir en ont fait un outil indispensable pour les ingénieurs sur de nombreux programmes de haut niveau au fil des décennies. Les souffleries de DNW ont été utilisées dans le développement de tous les avions d'Airbus. , de l'A300 à l'A380 et l'A400M, ainsi que de nombreux hélicoptères. Ils ont été utilisés pour des programmes en dehors de l'Europe, comme la famille Embraer E-jet. En outre, l'installation et ses experts ont joué un rôle déterminant dans le développement de plusieurs avions militaires, dont l'Eurofighter et la variante F-35 STOVL (Short Takeoff and Vertical Landing).

Aujourd'hui, cet exemple de coopération aéronautique européenne reste à la pointe des essais et de la validation aérospatiaux. En investissant des millions d'euros dans ses installations tout en restant en partenariat étroit avec l'industrie, les capacités de DNW ainsi que sa liste de clients à travers les types d'avions civils et militaires ne cessent de croître.

Des essais en soufflerie de nouveaux systèmes de propulsion utilisant des hélices sont nécessaires pour les futures configurations d'avions novateurs

Lors de la première rencontre avec la direction de DNW, vous devez vérifier que vous ne voyez pas double. Joost Hakkaart et Andreas Bergmann sont tous deux directeurs généraux de DNW. Hakkaart agit pour le compte du côté néerlandais et Bergmann pour le côté allemand. Bien qu'inhabituel, l'arrangement n'est pas unique dans l'histoire de DNW et semble assez harmonieux. Les directeurs ont des parcours similaires, tous deux issus de leurs agences de recherche aérospatiale néerlandaises et allemandes respectives.

Bergmann et Hakkaart ont chacun la responsabilité globale du bon fonctionnement, de la maintenance et du développement ultérieur des six autres installations du LLF et du DNW. DNW est structuré pour être aussi léger que possible, tout en permettant aux Pays-Bas et à l'Allemagne de conserver chacun des capacités qui servent le marché de l'aérospatiale. Les trois départements de DNW : aérodynamique, mesure et opérations sont présents dans les deux pays, desservant deux sites en Allemagne et deux sites aux Pays-Bas.

Les administrateurs de DNW sont joyeux et optimistes. Après une période au cours de la dernière décennie qui a vu la quantité de travail et le nombre d'employés chuter, chacune des souffleries de DNW est maintenant de retour à une utilisation de 80 à 100 %. D'un minimum de 76 employés en 2020, ils s'attendent à ce que le nombre d'employés passe à 120 l'année prochaine, un retour aux niveaux observés pour la dernière fois dans les années 2000.

"Nous avons besoin de plus de personnel pour pouvoir effectuer des doubles quarts de travail sur les tunnels. Nous sommes beaucoup plus occupés qu'avant Covid", explique Hakkaart. "Il y a une grande poussée sur l'aviation durable et les nouveaux systèmes de propulsion. De toutes nouvelles configurations d'ailes sont en cours de développement, allant de l'aile mixte à de longues ailes élancées, ainsi que des recherches en cours sur l'écoulement laminaire sur des pièces d'avion sous et à grande échelle.

"Les performances et le comportement de ces types de nouvelles configurations ne sont pas faciles à prédire avec CFD, ce qui signifie que la quantité de validation expérimentale nécessaire a augmenté."

Les souffleries de DNW testent davantage de systèmes de propulsion - hélices et rotors ainsi que des concepts de moteurs pour de nouveaux carburants tels que l'hydrogène et les systèmes électriques à batterie - pour les performances et le bruit. L'introduction des systèmes de propulsion électrique distribuée (DEP), où plusieurs hélices sont installées à différents endroits sur l'aile et le corps d'un avion, complique l'aérodynamique de manière nouvelle et difficile à prévoir.

"Les équipementiers passent à peu près le même temps à utiliser les souffleries par programme, mais en raison de l'augmentation de l'instrumentation et des techniques de mesure parallèles, la quantité de données recueillies a considérablement augmenté.

"Avec l'électrification et la mobilité aérienne urbaine à venir, nous constatons également que le nombre de clients différents et nouveaux augmente", déclare Hakkaart.

La grande soufflerie transsonique de DNW a été mise à niveau pour améliorer la qualité du flux et la productivité des tests

Dans les installations à basse vitesse, des investissements ont été réalisés dans les infrastructures à haute tension ainsi que dans les moteurs électriques à haute puissance pour soutenir les essais des groupes motopropulseurs électriques des nouveaux avions. Par exemple, les travaux en cours consistent à installer un banc d'essai pour la propulsion électrique d'une puissance de 320 kW dans l'espace limité de 110 mm de diamètre et de 280 mm de longueur, à utiliser à la place des simulateurs de propulsion à turboréacteur. De plus, une partie croissante du travail de DNW consiste à tester de nouvelles conceptions et modifications d'avions opérationnels pour le secteur de la défense. Pour mieux servir ce marché, la soufflerie à grande vitesse (HST) de DNW a fait l'objet de son plus important programme de mise à niveau depuis 25 ans.

"Nous nous sommes tournés vers les marchés militaires et le développement de chasseurs car il s'agit d'un marché plus important pour les souffleries transsoniques", explique Hakkaart. "Avec les attitudes qu'ils volent, les types de configurations et toutes les choses qu'ils suspendent sous les ailes, les avions militaires ont souvent besoin de travaux expérimentaux." Des parois supérieures et inférieures perforées ont été installées pour réduire les effets d'interférence des ondes de choc pour les conditions de test près de Mach 1 dans le HST. Les mises à niveau de contrôle pour augmenter la vitesse de contrôle du modèle et la vitesse de contrôle de Mach ont doublé la productivité du tunnel. "Au moment où nous parlons, nous augmentons la capacité du compresseur avec l'installation d'un étage supplémentaire d'aubes de compresseur, pour améliorer les performances dans des conditions supersoniques", ajoute Hakkaart.

"La plupart des souffleries transsoniques datent des années 1950 et 1960 et pour les améliorer, il faut une compréhension approfondie de leur fonctionnement", explique Bergmann. "Comme la plupart des autres installations, nous avons perdu beaucoup de connaissances sur nos souffleries transsoniques au fil des décennies à mesure que les générations d'ingénieurs ont changé.

"Pour améliorer le HST, les experts CFD du DLR et du NLR ont soutenu les améliorations avec des informations sur la physique de l'écoulement dans le régime macro transsonique en très peu de temps. Cela nous a permis d'apporter les améliorations avec une grande confiance qu'elles fonctionneraient. Une grande partie de ce travail a été fait pendant la pandémie de Covid-19."

Un autre impact de la pandémie a été le développement des tests à distance. DNW continue d'offrir ce service pour aider à améliorer la productivité des clients. Bergmann déclare : "La fourniture de données à distance signifie que le client n'a pas à se déplacer. Cela nous aide également à être plus agiles, notre calendrier n'a pas à être aussi fixe."

Un défi constant du secteur aérospatial est sa nature cyclique - un résultat malheureux des programmes d'essais et de développement d'avions nécessairement longs et importants. Bien que le secteur connaisse actuellement une explosion d'activités de développement, les administrateurs de DNW savent que cela ne durera pas éternellement. Bien que desservant les marchés militaires ainsi que les aides commerciales, l'organisation s'est également diversifiée pour répondre aux besoins du secteur automobile.

Construite en 2022 et mise en service en 2023, la section de test automobile (ATS) du LLF est une section de test ouverte aux trois quarts avec un système de courroie mobile développé pour tester les voitures plus grandes et les petits camions jusqu'à 3,5 tonnes. Il comprend également un banc d'essai sur piste plate pour fournir les coefficients nécessaires à la détermination non seulement de la traînée aérodynamique mais également de la résistance interne du groupe motopropulseur selon la WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Procedure).

L'ATS peut être utilisé pour la certification WLTP sur le marché automobile ainsi que pour des concepts aéronautiques innovants.

"La section d'essais automobiles s'avère utile pour le développement des avions eVTOL. Nous n'avons pas besoin des systèmes de courroies mobiles pour recréer le mouvement au sol", déclare Bergmann.

"Nous soutenons donc le développement principalement dans les conditions de décollage et de traversée jusqu'au vol vers l'avant." À l'origine, nous avions un étage séparé qui devait être construit, mais avec l'ATS, nous pouvons le déplacer dans et hors du circuit sur coussins d'air et le changer en un jour."

Le nouveau système de contrôle de modèle du grand tunnel de victoire transsonique permet un balayage d'angle d'attaque jusqu'à 1°/s

Les efforts pour augmenter l'efficacité se traduisent par une productivité accrue sur les souffleries et une plus grande disponibilité pour les clients externes. La disponibilité des installations de DNW peut varier considérablement. Les souffleries, en particulier la LLF, doivent généralement être réservées environ 12 mois à l'avance si des semaines d'essais sont nécessaires. Cependant, de courtes campagnes d'essais de deux ou trois jours peuvent normalement être organisées avec un préavis de quelques semaines. L'avenir de DNW repose sur un noyau de travaux civils militaires et avancés dans de nouveaux domaines. "Notre stratégie pour les cinq prochaines années se concentre sur l'électrification, la durabilité et les eVTOL et la restauration non seulement pour les cellules mais aussi pour la propulsion", déclare Hakkaart.

"Ce qui est unique ici, c'est que nous avons une suite de souffleries plus petites qui complètent le LFF et le CFD. Nous offrons un ensemble complet."

"Nous devons relever le défi d'être une entité en pleine croissance tout en répondant aux exigences de tests très complexes et en augmentant l'efficacité", déclare Bergmann.

DNW parvient à être un pilier des tests aérospatiaux et a une histoire illustre. Mais son rôle ne se termine pas. Grâce à des investissements continus dans des installations et à son expertise, il peut répondre aux besoins évolutifs de l'aviation, il garantit sa pertinence future et il reste à la pointe des tests et de la validation aérospatiaux.

DNW exploite plusieurs souffleries complémentaires et les projets démarrent souvent dans le plus petit LST ou NWB pour des pré-tests isolés, avant que le modèle complet intégré ne soit testé au grand LLF.

Un exemple récent est également le projet Clean Sky 2 IRON (Innovative turbopROp configuration), qui vise une réduction du bruit de cabine de 6 dB sans compromettre le niveau de performance de la ligne de base.

Après des pré-tests dans la soufflerie à basse vitesse LST, la validation aérodynamique et aéro-acoustique des hélices à faible bruit développées dans le cadre du projet IRON a été réalisée avec succès au DNW-HST et au LLF à vitesse de croisière et à basse vitesse respectivement. Pour la première fois, à cette échelle, l'hélice était entraînée électriquement à la fois en HST et en LLF. Les résultats des tests préliminaires confirment le potentiel de l'hélice optimisée pour fonctionner à des vitesses de croisière élevées tout en réduisant considérablement le bruit de la cabine, comme prédit par les modèles numériques.

Joost Hakkaart est administrateur de DNW (Souffleries germano-néerlandaises) pour le compte de NLR – Royal Netherlands Aerospace Center depuis 2021.

Hakkaart a commencé sa carrière en 1990 en tant que stagiaire chez DNW et jusqu'en 2004 a travaillé comme chef de projet et comme chef du groupe de projet de soufflerie à Amsterdam. Jusqu'en 2012, il était responsable R&D principal de la technologie de vol vertical chez NLR. Au cours des neuf années qui ont précédé sa nomination au poste de directeur du DNW, il a dirigé le département Vol vertical et aéroacoustique du NLR.

Hakkaart représente DNW et NLR au sein du groupe EREA Technology and Research Infrastructures (TRIG) pour initier, coordonner, mettre en œuvre et surveiller les initiatives conjointes liées aux infrastructures de recherche au sein d'EREA. Au nom de DNW, Hakkaart est membre de la commission consultative de la division NLR Aerospace.

Andreas Bergmann est directeur de DNW (Souffleries germano-néerlandaises) pour le compte du DLR (Centre aérospatial allemand) depuis avril 2018.

Après avoir travaillé à l'Université technique de Braunschweig sur le thème de l'aérodynamique sur les ailes élancées et les configurations canard, il a travaillé comme assistant scientifique et chef de projet pour les essais en soufflerie à l'Institut d'aérodynamique et de physique des flux du DLR. En 1998, il est passé à DNW en tant que responsable de l'installation à bas débit DNW-NWB. De 2012 à 2015, il a agi pour le compte de DNW en tant que consultant pour la conception et l'ingénierie de grandes installations pour l'industrie automobile. En 2015, il a pris le poste de Business-Unit Manager pour toutes les souffleries DNW situées en Allemagne.

Outre son expérience de gestion, Bergmann connaît bien le développement de systèmes et a conceptualisé et réalisé plusieurs installations de soufflerie de premier plan et développé des systèmes pour les environnements de soufflerie.