L’Institution of Mechanical Engineers se penche sur le cas Eyjafjallajoküll

Durant les mois d’avril et mai 2010, le trafic aérien européen a été fortement perturbé par l’éruption du volcan islandais Eyjafjallajoküll et le panache de cendres volcaniques que celle-ci a engendré. Au cours de cette période, ce sont 100.000 vols qui ont été immobilisés et 5 millions de passagers qui ont été bloqués. Le coût induit par cet évènement pour l’économie européenne a été estimé entre 1,5 et 2,5 Md euros. L’importance, notamment économique, des enjeux a amené l’Institution of Mechanical Engineers à publier un rapport dans lequel elle analyse d’un point de vue technique les éléments sous-jacents à la fermeture des espaces aériens, et formule un ensemble de suggestions destinées à minimiser les conséquences de futurs épisodes volcaniques.

Les perturbations du trafic aérien qui ont eu lieu au printemps découlent de la coïncidence de plusieurs éléments. Au moment où l’éruption s’est déclenchée, le Jet Stream, un rapide courant d’air chaud orienté de l’ouest vers l’est, se trouvait à la verticale du volcan, entraînant d’une manière exceptionnellement stable le panache de cendres vers le sud-est, donc vers l’ensemble des espaces aériens européens. Par ailleurs, la situation a été aggravée par la calotte glaciaire de 200 m d’épaisseur sous laquelle le phénomène volcanique a eu lieu. L’écoulement d’eau dans le volcan résultant de la fonte de la glace a augmenté la force de l’explosion, qui est devenue assez puissante pour projeter jusqu’à l’altitude du Jet Stream un panache de cendres hautement abrasives et riches en glace. Enfin, les organes de régulation des vols européens appliquant une politique de tolérance zéro vis-à-vis de la présence de cendres volcaniques dans l’air, les principaux aéroports européens ont été fermés dans les jours suivant l’éruption pour éviter tout risque d’accident.

Dans leur rapport, les membres de l’Institution of Mechanical Engineers dégagent quatre aspects essentiels sur lesquels ils fondent leur analyse d’évènements tels que l’éruption d’Eyjafjallajoküll.

L’émission des cendres et des gaz par le volcan

Les observations et les mesures sur les volcans en éruption sont de manière générale réalisées par des spécialistes du pays concerné. Elles permettent d’estimer les différents paramètres caractérisant le phénomène en cours : la hauteur du panache de cendres, la taille des particules émises, la masse de cendres projetées dans l’atmosphère par unité de temps, etc.

La dispersion des cendres

La prévision du parcours du nuage de gaz et de cendres relève de la responsabilité de l’un des neuf Volcanic Ash Advisory Centre (VAAC, centre d’observation des cendres volcaniques) répartis dans le monde entier. Ce travail est fait à l’aide de modèles qui fournissent, à partir des paramètres de l’éruption décrits précédemment et d’informations météorologiques (vents et précipitations), le parcours du nuage de cendres et l’évolution de la concentration des particules au cours de son déplacement.

Les risques pour l’avion

La traversée d’un nuage de cendres engendre de multiples risques pour un avion : la mauvaise visibilité (notamment due à l’endommagement des vitres par la cendre abrasive), la contamination des circuits d’eau et de carburant, l’infiltration de particules dans la cabine, les dégâts causés sur les systèmes électroniques, mais surtout ceux que risquent de subir les moteurs suite à l’ingestion des cendres et des gaz volcaniques.

En effet, les cendres volcaniques sont le plus souvent constituées de silicates qui peuvent causer l’usure des parties internes du réacteur. Le rapport de l’Institution of Mechanical Engineers met par ailleurs le doigt sur un problème plus grave : la température de la chambre de combustion des propulseurs aéronautiques actuels est comprise entre 1 400 et 1 800 °C, ce qui est plus chaud que la température de fusion des particules constituant le nuage de cendres. Une fois fondues, celles-ci peuvent venir se coller aux composants internes du moteur entraînant d’importants dégâts, voire une panne. Parmi les composants les plus exposés peuvent être citées les aubes de turbines : les matériaux qui les constituent ayant une température de fusion de l’ordre de 1 200 °C, ces pièces sont protégées par le biais de traitements de surface mais aussi par l’injection d’air "frais" à travers de nombreux orifices répartis sur leur surface, créant ainsi un film de fluide plus froid à leur surface. Les particules fondues, en obstruant ces orifices, peuvent entraîner des dommages irréversibles sur les aubes et entraîner l’arrêt du moteur.

Malgré la réalité des risques encourus exposés plus haut, il convient de les relativiser. Une étude des incidents liés à des projections volcaniques montre que ceux-ci sont très peu nombreux (en moyenne trois par an depuis 1973). De plus, si dix d’entre eux ont causé des pannes de moteur temporaires entre 1980 et 2006, aucun avion ne s’est écrasé à cause de tels évènements.

La réglementation à mettre en oeuvre

La réglementation concernant la fermeture d’espaces aériens suite à des éruptions volcaniques est mise en oeuvre par des organismes comme l’UK Civil Aviation Association (CAA, association britannique pour l’aviation civile). Jusqu’à cette année et l’éruption d’Eyjafjallajoküll prévalait une approche de tolérance nulle : l’espace aérien était fermé dès que la présence de cendres volcaniques était enregistrée. Au mois d’avril, devant l’ampleur des perturbations du trafic aérien et leurs conséquences sur l’économie européenne, une tolérance à 2 mg/m3 a été mise en place puis rehaussée à 4 mg/m3 au mois de mai. A titre de comparaison, cette limite est 500 fois inférieure à la concentration ayant causé l’extinction des moteurs d’un Boeing 747-400 à la suite d’un passage près de l’éruption du Mont Redoubt en Alaska en 1989.

En s’appuyant sur cette analyse, les membres de l’Institution of Mechanical Engineers insistent sur la complexité de la gestion de ces évènements qui mettent en jeu à la fois l’observation et la modélisation de phénomènes naturels, la technologie aéronautique, la sécurité des passagers et le maintien de l’activité économique liée au transport aérien. Afin d’éviter la situation chaotique qu’a connue l’Europe en avril et mai 2010, ils proposent un ensemble de recommandations et d’orientations du travail à fournir :
- il faudrait tout d’abord être capable de modéliser plus précisément la dispersion des particules émises par le volcan en éruption et donc perfectionner à la fois les mesures in situ et les modèles numériques utilisés ;
- le volet crucial concerne est la multiplication des tests de vol à travers des nuages de cendres volcaniques. Conjugués à des examens approfondis des avions au sol à la suite de ces vols de tests, ceux-ci permettront de récolter des données fiables sur la quantité de particules ingérées par les réacteurs et sur les dommages réels causés aux moteurs en fonction de la concentration, de la taille et de la nature des particules présentes dans l’environnement de l’avion. A partir de ces résultats notamment, un travail de modélisation des écoulements fluides dans les différentes parties des réacteurs pourra être fait et permettra de mieux comprendre le rôle des différents paramètres. Des progrès sur les équipements de contrôle permettant de détecter les avaries des différents composants de l’avion (à la fois au sol et en vol) sont également prônés par les auteurs du rapport.
- de nouvelles réglementations devraient être définies pour améliorer la gestion des évènements tels que l’éruption d’Eyjafjallajoküll. En plus de clarifier les procédures et les responsabilités des différents organismes, il faudrait, entre autres, que les fermetures d’espaces aériens ne se fondent pas seulement sur la concentration des particules mais aussi sur d’autres critères comme leur taille.

Finalement, les membres de l’Institution of Mechanical Engineers font remarquer que devant la complexité du problème, sa résolution exhaustive demande un effort et des ressources qui pourraient se révéler très importants par rapport au risque. En effet, dans des conditions "normales" et sans le concours de circonstances exceptionnel observé lors de l’éruption du printemps dernier, le coût engendré par des rencontres entre avions et panaches de cendres volcaniques depuis 1982 est estimé à 250 M$. A partir de ce chiffre, les entreprises impliquées dans le secteur du transport aérien particulièrement touché par la crise économique jugeront s’il est approprié ou non d’investir selon les recommandations du rapport.

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Institution of Mechanical Engineers

Fondée en 1847, l’Institution of Mechanical Engineers est une association de professionnels britannique qui rassemble 80.000 membres. En travaillant avec des universités, des entreprises et des think tanks, elle vise à fournir des avis et des recommandations concernant le génie mécanique à la fois au gouvernement, aux entreprises et au public. L’association cherche également à faire connaître dans les média et les écoles les grandes réussites des sciences de l’ingénieur. Les sujets qu’elle traite relèvent pour la plupart de quatre thématiques : l’énergie, l’environnement, les transports et l’enseignement.


Sources :
- IMechE news, 03/11/2010 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/i6OKM
- IMechE report, Volcanic ash : to fly or not to fly - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/fplPJ


Auteur : Joël Constant

publié le 17/01/2011

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