Nous étions 20 membres AAMA ce mardi 17 mars à nous retrouver sous un soleil printanier devant les locaux de l’Institut Aérotechnique de Saint-Cyr-l’Ecole, non sans quelque peine pour certains dont le GPS pointait obstinément vers un garage Renault à proximité.
Robert Clodoald, qui dirige l’institut depuis 2020, nous rejoint rapidement et décrit la visite que nous allons suivre après s’être présenté.
Ingénieur diplômé de l’Ecole centrale de Lyon et spécialiste des souffleries. Il est passé par l’ONERA à Modane entre 2001 et 2006, et a ensuite appliqué son expertise dans l’univers ultra-compétitif de la Formule 1, notamment chez BMW Sauber et Scuderia Toro Rosso, avant de rejoindre l’IAT.
L’Institut Aérotechnique de Saint-Cyr-l’Ecole, fondé en 1911 à l’initiative du mécène Henry Deutsch de la Meurthe, qui offrit 500 000 Francs pour sa réalisation, est un centre d’essais aérodynamiques historique rattaché au Conservatoire National des Arts et Métiers à partir de 1933. Il a pour mission de réaliser des essais industriels et des projets de recherche appliquée, en partenariat avec des entreprises et des laboratoires publics.
Le chariot sur le rail
L’histoire de l’IAT a donc démarré en 1911 avec une installation d’essai à l’air libre où l’objet à tester était installé sur un rail de 1400 m de long. Les instruments de mesure accompagnaient l’objet installé sur la plateforme mobile pouvant atteindre des vitesses de 30 m/s.
En 1912 fut construit le manège aérodynamique, qui deviendra, dans les années 20 hydrodynamique, dans lequel un bras de 15 m de long entraînait l’objet comme dans une centrifugeuse.
Le manège hydrodynamique
La première soufflerie aérodynamique, S1, fut installée dans le bâtiment principal en 1914.
C’est par celle-ci, qui n’est plus en activité, que nous débutons notre visite.
Auparavant dévolue à des essais de maquettes d’aéronefs et d’automobiles, elle fut conçue par Gustave Eiffel en personne, reprenant la formule de sa propre soufflerie de son laboratoire à Auteuil, que l’AAMA a visité en décembre 2023.
Sa mise ne service, retardée par la Grande Guerre, intervint en 1917. Elle fut également utilisée pour mesurer les effets des tempêtes sur des bâtiments comme en atteste une maquette que nous montre notre hôte. La soufflerie S2, qui se situe dans le prolongement de la précédente est désormais inutilisée également.
Les souffleries actuelles de l’IAT furent construites après la Seconde Guerre mondiale, chacune conçue pour répondre à des besoins spécifiques.
Notre groupe se rend vers la soufflerie S4 construite en 1976. Avant d’entrer dans la salle de commande, nos membres peuvent visualiser l’un des deux ventilateurs, d’un diamètre de 4,6 m, qui aspirent l’air de la veine d’essais, ainsi qu’un couloir adjacent à l’abri du vent.
Initialement conçue pour des essais automobiles, elle a été adaptée au fil des décennies pour répondre aux besoins du sport de haut niveau, notamment à simuler des conditions réelles de compétition jusqu’à 140 km/h. Elle est principalement utilisée aujourd’hui par des équipes de compétitions sportives, comme le cyclisme et la voile olympique.
Lors de notre visite, nous avons eu la chance d’assister, mais sans déranger, à l’installation d’un essai en cours, avec un mannequin positionné sur un vélo, placé sur un plateau équipé d’une balance ultraprécise mesurant les efforts aérodynamiques dans les trois dimensions.
Pour une véritable personne, une image vidéo peut être projetée devant l’athlète pour l’aider à ajuster sa posture et réduire sa traînée. A 80 km/h, on estime que 95 % de l’énergie d’un sprinteur est consacrée à contrer la résistance de l’air. La soufflerie S4 se distingue aussi par sa capacité à chauffer l’air, offrant un confort thermique aux sportifs en hiver, avec un gain pouvant atteindre 5 °C à 80 km/h.
En retournant dans la salle de commande pour observer les préparatifs de programmation de l’essai, nous avons également repéré ces panneaux verticaux dans les deux conduits, qui améliorent le guidage du flux d’air.
Poursuivant notre chemin, nous arrivons dans la soufflerie S6, qui est installée dans l’ancien manège circulaire de 1912, et entièrement dédiée aux essais thermiques et climatiques. Cette infrastructure historique a été réinvestie pour des essais sur de grands véhicules. Elle permet de simuler des conditions extrêmes, avec des températures pouvant atteindre 55 °C, afin de tester le refroidissement des moteurs, des freins ou les systèmes de climatisation des engins.
Rare privilège, le groupe est invité à pénétrer dans cet antre impressionnant, dont les parois sont ajustables, se développant jusqu’à 6 m en largeur, 6 m en hauteur et 17 m en longueur, pouvant accueillir les plus gros véhicules civils ou militaires, comme le char Leclerc..
Nos membres y verront une autre particularité : la veine d’essais est équipée d’un banc à rouleaux permettant aux véhicules d’être testés avec le moteur à pleine charge, tout en mesurant les échanges thermiques et les performances des systèmes de refroidissement sous un Soleil artificiel composé de lampes infrarouges.
Autre détail historique, la soufflerie actuelle est installée sur un faux plancher recouvrant un bassin circulaire datant des années 1930, vestige de l’époque où l’IAT menait des essais pour les coques d’hydravions, jusqu’aux années 50. Le bras rotatif faisant tourner ces formes dans le bassin a depuis été démonté, mais le bâtiment a conservé son utilité et sa charpente métallique typique des ateliers Eiffel.
En sortant, certains apercevront une maquette d’éolienne, montrant la diversité des domaines dans lesquels l’institut apporte ses compétences. Ces adaptations reflètent la capacité de l’IAT à évoluer avec les besoins de ses partenaires, tout en préservant un héritage technique et scientifique remarquable.
Nous passons ensuite à l’extérieur devant la soufflerie supersonique à rafales, la Sigma 4 construite au début des années soixante et à l’arrêt depuis 2006, non visitable pour des raisons de sécurité. Cette soufflerie, reconnaissable avec ses quatre accumulateurs d’eau, de grande taille, de conception moderne, certainement unique, mais complexe à mettre en œuvre et gourmande en énergie, a été utilisée pour tester les missiles Matra, Aérospatiale et MBDA. Les avions Dassault Mirage 2000 et Rafale y ont également fait leurs preuves, 80% des essais en soufflerie du Rafale ayant été réalisés à l’IAT.
Pour finir le tour des souffleries, Robert Clodoald nous emmène dans la salle de contrôle de la S10. Elle dispose encore de son pupitre de commande d’époque, mais l’équipement a été modernisé au fil des décennies. La soufflerie S10 fut construite en 1984 grâce à un cofinancement de Renault avec le CNAM, et elle est l’une des premières en France à proposer des essais à échelle 1 pour l’automobile.
Elle permet de tester des véhicules, mais également des profils d’ailes, de voilures ou de maquettes d’avions, dans une veine d’essai de 5m x 3m et de 10 m de long, avec une vitesse maximale de 200 km/h.
Là aussi nous avons le privilège de pénétrer dans les entrailles de la bête, pour suivre le chemin emprunté par l’air jusqu’au module à tester. Nous passons d’abord à travers l’un des deux immenses ventilateurs avant de poursuivre dans le couloir d’air, aux couleurs très vintages, probablement des années 80, pour ensuite franchir les guides de flux d’air, beaucoup plus imposants que dans la S4.
Le groupe se retrouve alors au bord du gigantesque échangeur de chaleur, où notre guide nous apporte de nombreuses explications. L’excursion se termine dans la veine d’essais où trône, ce qu’on pourrait penser être un drone, mais qui est une maquette servant à étalonner la soufflerie préalablement à chaque essai.
Une balance intégrée, au plateau ou à la maquette, mesure les efforts aérodynamiques, tandis qu’un plateau tournant permet d’étudier l’effet du vent latéral sur la stabilité du véhicule.
Le fonctionnement d’une soufflerie aérodynamique, repose sur le passage d’un flux d’air dans un convergent, rendu uniforme et peu turbulent en passant dans une chambre de tranquillisation, avant d’entrer dans la veine d’essai. Cet air est accéléré par des ventilateurs ou de l’air comprimé après son passage dans un divergent. Le circuit est soit ouvert, l’air extérieur étant aspiré dans le convergent et rejeté à l’extérieur par le divergent, ou bien à retour lorsque l’air est ramené du divergent jusqu’au convergent.
Les mesures concernent les forces aérodynamiques (traînée, portance, dérapage) enregistrées par des balances intégrées, soit dans l’objet soit dans son support, les pressions le sont par des capteurs comme les tubes Pitot, ou des mesures plus avancées utilisant des systèmes optiques comme la vélocimétrie par images de particules (PIV). Cette technique, qui injecte des particules fines dans le flux d’air et utilise un laser pour visualiser les trajectoires, permet de cartographier les écoulements autour d’un objet.
Cependant, la réalisation d’essais aérodynamiques à échelle réduite ou pour simuler des conditions spécifiques pose des défis techniques majeurs, liés aux paramètres de similitude comme le nombre de Reynolds et le nombre de Mach.
Le nombre de Reynolds, valeur sans dimension, détermine la transition entre un écoulement laminaire et turbulent. Pour maintenir ce nombre constant lors de la réduction d’échelle d’une maquette, il est nécessaire d’augmenter la vitesse de l’air, mais cette augmentation est limitée par les capacités des souffleries et par les phénomènes de compressibilité.
Le nombre de Mach, quant à lui, quantifie l’effet de la compressibilité de l’air en fonction de la vitesse de l’écoulement. À basse vitesse, les effets de compressibilité sont négligeables, mais dès que l’on s’approche de la vitesse du son, les phénomènes deviennent complexes et nécessitent des installations spécialisées.
Pour contourner ces limites, certaines souffleries utilisent des artifices comme l’injection d’azote liquide pour modifier la densité de l’air ou des systèmes en rafale, lorsque l’air est d’abord emmagasiné sous pression dans des réservoirs avant d’être injecté par une vanne rapide dans la veine d’essai.
Malgré ces contraintes, les souffleries restent des outils indispensables, car elles offrent une précision inégalée dans la mesure des forces et des pressions, là où les simulations numériques peinent à reproduire fidèlement la réalité physique.
Les balances utilisées dans les souffleries pour mesurer les efforts aérodynamiques reposent sur des principes physiques simples mais ingénieux.
Elles sont généralement composées de lames métalliques déformables, équipées de jauges de contrainte qui transforment la déformation mécanique en une variation de résistance électrique. Ces jauges sont disposées en pont de Wheatstone, un circuit électrique équilibré qui amplifie la variation de résistance et permet de mesurer avec une grande précision les forces appliquées sur l’objet testé. La balance est souvent intégrée directement à la maquette ou placée sous le plancher pour éviter les perturbations dues au vent. Les lames sont conçues avec des précoupes spécifiques, orientées pour mesurer les efforts dans des directions précises tout en ignorant les autres composantes. Cette technologie, bien que simple dans son principe, reste au cœur des mesures aérodynamiques, avec une précision pouvant atteindre plusieurs millinewtons. Certaines balances, comme celle utilisée dans la soufflerie S10, ont une durée de vie de plusieurs décennies, témoignant de la robustesse et de la fiabilité de ces systèmes.
Pour conclure la visite, notre hôte revient sur l’organisation de L’IAT qui collabore avec un large éventail de partenaires, allant des grands groupes industriels aux fédérations sportives.
Parmi ses clients figurent Dassault Aviation, qui teste régulièrement des maquettes de ses avions comme le Rafale, Renault et Alstom pour les secteurs automobile et ferroviaire ou encore Nexter pour les véhicules militaires. Les fédérations sportives, telles que les fédérations françaises de cyclisme ou de voile, font également appel à l’IAT pour optimiser les performances de leurs athlètes.
Chaque soufflerie a ses spécificités : la S4 est bien adaptée au sport, la S6 aux essais climatiques et la S10 à l’automobile et à l’aéronautique. Les campagnes d’essais varient en durée, allant de quelques heures pour des tests ponctuels à plusieurs semaines pour des projets industriels complexes. Le coût d’un essai dépend de la durée, de la complexité des mesures et des équipements nécessaires, avec des tarifs horaires incluant l’occupation de la soufflerie, la consommation d’énergie et l’intervention du personnel technique.
Le personnel de l’IAT est composé de trois équipes d’essais composées d’ingénieurs aérodynamiciens et de techniciens concepteurs de maquettes, installateurs de capteurs ou opérateurs de la soufflerie. Les équipes sont accompagnées par du personnel de support tels que les informaticiens qui développent des logiciels sur mesure pour l’acquisition et l’analyse des données, ainsi que pour le pilotage des automates qui animent les maquettes articulées.
Les ateliers de fabrication mécanique et de menuiserie permettent de concevoir et de réaliser des maquettes et des supports adaptés aux besoins des clients, parfois en impression 3D.
L’IAT attire des profils variés, notamment des doctorants étrangers, pour qui l’expérience au sein du centre représente une opportunité unique de se former dans un environnement alliant recherche appliquée et innovation industrielle.
L’IAT parvient à recruter des ingénieurs et des doctorants ou post-doctorants ayant travaillé dans la recherche universitaire.
L’après-midi se termine et nous voici de retour à notre point de départ sur le parking de l’IAT. Nous remercions chaleureusement Robert Clodoald pour sa disponibilité et la grande clarté de ses explications sans oublier la traditionnelle photo de groupe avant de nous séparer.
Alexandre Laborie et Jean-François Louis (AAMA)
Remerciement à nos membres Charles Pigaillem et Domenico Rutigliano pour les photos