Comment les avions sont devenus furtifs

Ci-dessous un long mais très intéressant article paru dans "La Recherche" de mai 2004 (ça date un peu mais c'est pas démodé) :

Rapetisser, changer de forme ou disparaître totalement pendant quelques secondes: les avions furtifs sont à la pointe des techniques de camouflage électronique. Conçus dans les années soixante-dix dans le plus grand secret, ces engins se jouent des ondes radar et sont aujourd'hui le cauchemar des défenses adverses.

Salon du Bourget, 1995. Pour la première fois, la furtivité se dévoile au grand public sous les traits du F-117, un avion de chasse inhabituel, aux facettes acérées et recouvert d'un matériau secret. Suit, toujours au Bourget, le bombardier B2, en 2001. Plus récemment, et sur Internet, les amateurs ont pu visionner les images du Petit Duc, un drone de Dassault Aviation, et celles du X47 Pegasus, de l'américain Northrop Grumman. Autant d'avions furtifs, c'est-à-dire moins repérables _et non pas invisibles_ pour les moyens de détection ennemis. C'est-à-dire, en premier lieu, les radars.

Ces dispositifs sont, depuis la Seconde Guerre mondiale, utilisés pour se protéger des attaques aériennes. En 1940, par exemple, pendant la bataille d'Angleterre, le radar permet à la défense britannique d'engager efficacement ses moyens antiaériens. Il contribue ainsi à l'échec relatif de l'attaque massive dirigée contre la Grande-Bretagne. Principe de fonctionnement: l'émission, au moyen d'une antenne, d'un faisceau d'ondes électromagnétiques dans la direction souhaitée. Lorsque ces ondes rencontrent un obstacle, une partie de l'énergie qu'elles transportent est renvoyée dans toutes les directions de l'espace, notamment celle du radar. C'est cette fraction d'énergie renvoyée vers l'antenne qui constitue l'écho radar. Grâce à lui, la détection d'une cible, voire son identification, devient possible.

Dès lors, l'ingénierie militaire n'aura de cesse d'échapper à la détection radar. Au début des années cinquante, dans l'ambiance de la Guerre froide, les avionneurs américains se penchent sur le problème de la signature radar de leurs appareils. Des programmes de recherche sont établis pour explorer les moyens de rendre les avions plus «furtifs». Premier d'entre eux, le Blackbird SR-71. Conçu au début des années soixante spécialement pour la CIA, cet appareil de reconnaissance stratégique est utilisé pour espionner l'Union soviétique, la Chine, la Libye ou la Corée du Nord. Missions accomplies: aucun avion de ce type ne sera jamais abattu. Très véloce, évoluant à une altitude stratosphérique, le Blackbird est recouvert d'un matériau spécifique qui, au lieu de réfléchir les ondes, les absorbe partiellement et les convertit en chaleur.

Guerre des ondes

Il faudra pourtant attendre les années quatre-vingt pour voir apparaître un avion opérationnel véritablement furtif. Car, au cours de la décennie précédente, deux guerres font prendre conscience aux politiques et aux militaires de l'importance de la furtivité. Le Vietnam, tout d'abord, puis la guerre israélo-arabe de 1973. Dans ces deux conflits, les missiles à guidage radar de conception soviétique sont utilisés après avoir été testés par des pays alliés de l'URSS. Lors de la guerre du Kippour, ces armes provoquent d'importants dégâts: 50 avions de combat israéliens, de facture américaine, sont détruits dans les premiers jours. Pour Washington, la réduction de la «visibilité» des avions de combat devient alors une priorité. À cet effet, recouvrir les appareils de matériaux absorbants ne permet pas d'obtenir des gains suffisants. Le Pentagone met en place le programme LOT (pour Low Observable Technologies) et lance des appels d'offres. Les constructeurs Lockheed Martin et Northrop Grumman sont les principaux bénéficiaires.

Ces avionneurs doivent faire face à une difficulté majeure: comment définir avec précision la manière dont les ondes électromagnétiques sont réfléchies à la surface des avions? En optique géométrique, les ondes sont assimilables à des rayons qui se propagent en ligne droite dans le milieu ambiant, et qui sont réfléchis lorsqu'ils rencontrent un obstacle. Toute la question est de savoir dans quelle direction et avec quelle intensité. Certes, les lois de propagation des ondes électromagnétiques ont été décrites vers le milieu du XIXe siècle par le physicien écossais James Maxwell. Mais il ne suffit pas de connaître ces lois pour savoir comment l'onde interagira avec un obstacle et se réfléchira vers le radar. C'est là tout le problème de la diffraction, identifié par le physicien russe Lev Landau comme l'un des plus difficiles de la physique mathématique. Pour le traiter, il faut résoudre les équations de Maxwell autour de l'objet, ce qui, pour un avion, ne peut se faire qu'au prix de calculs numériques totalement hors de portée des ordinateurs de l'époque.

Au début des années soixante, le mathématicien Pyotr Ufimtsev publie à Moscou une série de travaux remarquables: sa théorie physique de la diffraction permet de ramener la solution du problème à des calculs numériques relativement simples. De quoi titiller l'intérêt de l'armée américaine: les travaux d'Ufimtsev seront progressivement collectés et traduits par la division de la technologie étrangère de l'US Air Force. À leur lecture, les ingénieurs des bureaux secrets de Lockheed réalisent alors qu'un avion entièrement composé de facettes devrait présenter une signature radar singulièrement faible. Car, par le jeu des réflexions géométriques, les ondes électromagnétiques doivent théoriquement être réfléchies dans des directions spécifiques, autres que celles de l'antenne radar.

Surface Equivalente Radar

Le mathématicien américain Denys Overholser et son équipe établissent alors en 1975 les premiers calculs de l'écho radar d'un avion. Ce dernier est défini à partir de sous-ensembles qui sont par la suite additionnés: voilure, fuselage, moteur, habitacle, etc. Cette grandeur naturelle de l'intensité d'un écho radar d'un avion est baptisée Surface Equivalente Radar (SER). Elle est proportionnelle au rapport entre l'énergie réfléchie, celle qui retourne au radar, et l'énergie incidente, qui est reçue par l'avion. Plus la SER est petite et plus l'avion est discret. Cela dit, la SER ne doit pas être assimilée à la surface réelle de la cible. Cette grandeur varie fortement selon les angles envisagés, la longueur d'onde du faisceau radar et la distance qui sépare la source de sa cible.

Des simulations permettent d'identifier les structures géométriques qui renvoient les échos radar les plus intenses. Sur un avion furtif, il faut supprimer les coins rentrants, les raccords à angle droit et, autant que possible, les facettes perpendiculaires, qui constituent autant de réflecteurs en puissance (voir pages 60-61). Une fois supprimé l'essentiel de ces «contri-buteurs» de réflexion, les avionneurs doivent également prendre en compte des contributions radar plus faibles. Au premier rang de celles-ci figurent les phénomènes de diffraction, ignorés par l'optique géométrique.

Ces observations donnent naissance à deux stratégies différentes pour la conception des avions furtifs: renvoyer peu d'ondes en éliminant autant que possible les réflexions et diffractions, ou en renvoyer une quantité «normale» mais les rediriger dans des directions autres que celle de l'antenne radar. L'avionneur Northrop Grumman a fait sienne la première approche en imaginant un avion dont les formes se rapprochent le plus possible de la ligne droite, vue sous un plan horizontal. Lockheed Martin, quant à lui, a adopté l'autre stratégie, en misant sur le concept d'avion à facettes.

Plusieurs prototypes sont ainsi fabriqués vers le milieu des années soixante-dix, dans le plus grand secret. L'avion de Lockheed est baptisé avec humour Diamant désespérant. Les facettes de l'appareil rappellent celles de la pierre précieuse, et son aspect est si étrange que l'on se demande s'il pourra voler un jour! C'est pourtant ce prototype qui a obtenu le premier les faveurs du Pentagone, car l'engin présente une signature radar plus faible que son concurrent de Northrop. En mars 1976, les militaires passent ainsi commande du NightHawk F-117, premier avion furtif de l'histoire. Le vol d'essai inaugural est effectué en juin 1981. Une cinquantaine de F-117 sont construits et intégrés à la flotte américaine.

Pour autant, Northrop Grumman ne perd pas espoir. Les années quatre-vingt marquent à leur début le retour du constructeur et de son concept d'aile volante furtive. Les prototypes sont améliorés et de nouveaux crédits sont consentis par le Pentagone. L'aile volante de Northrop voit finalement le jour en 1988. Nom de code: B2. Vue de dessus, la silhouette de l'avion est en ligne brisée dont chaque segment est à environ 45 degrés des axes principaux. Pas un, même partiellement, ne se présente perpendiculairement à l'objectif, et donc au radar qui le défend.

Le glaive et le bouclier

Si Northrop a pu ainsi prendre sa revanche, c'est qu'il a réduit de façon importante la SER des prototypes: le B2 est un avion «lisse» renvoyant peu de rayons diffractés vers le radar. Mais les aptitudes aérodynamiques et la man_uvrabilité de l'aile volante ont aussi été décisives: l'élimination des rayons réfléchis impose des contraintes considérables à la forme de l'avion; les modifications sur les gouvernes amoindrissent la man_uvrabilité. D'un point de vue aérodynamique, le prix à payer est lourd: un avion à facettes comme le F-117 présente une résistance à l'avancement supérieure à celle d'un avion conventionnel, ce qui réduit le rayon d'action. Paradoxalement, c'est aussi aux aérodynamiciens de relever les défis à venir de la furtivité.

La première apparition médiatisée du F-117 date de la première guerre du Golfe, en 1991. Les chasseurs bombardiers furtifs participent aux opérations en détruisant l'essentiel des moyens de communication de l'armée irakienne. Ils seront régulièrement engagés dans les conflits suivants, comme au Kosovo ou, plus récemment, en Irak.

Mais, comme toujours dans l'éternel combat du glaive et du bouclier, un progrès des performances de discrétion appelle l'adaptation de la menace. Depuis le début des années quatre-vingt-dix, des techniques nouvelles en matière de télédétection sont effectivement à l'étude. Le «bistatisme», par exemple, pourrait constituer une parade prometteuse à la furtivité. Pour ce type de radars, et à la différence des dispositifs classiques, émetteur et récepteur sont séparés et distants l'un de l'autre. Les formes des avions furtifs sont en effet conçues pour rediriger les ondes radar dans d'autres directions que celle du récepteur. Le but du radar bistatique, qui peut comporter plusieurs récepteurs, est précisément de récupérer les ondes déviées.

Les radars dits «passifs» sont une autre piste [fig. 1]. Le principe est d'exploiter les signaux des antennes de diffusion radiophonique, télévisuelle et téléphonique. Depuis quelques années, Lockheed Martin travaille sur un engin utilisant les signaux des radios FM basse fréquence pour localiser des objets volant à basse altitude. La firme britannique Roke Manor Research, avec l'équipementier militaire BAE Systems, développe un système de télédétection fondé sur l'utilisation des antennes-relais de téléphonie portable. Nul doute que l'un ou l'autre de ces dispositifs renverra tôt ou tard les concepteurs en furtivité à leur table de travail.

Le contexte :

Le besoin d'échapper aux radars existe depuis l'apparition de ce moyen de détection. Au sortir de la Seconde Guerre mondiale, les premières recherches en termes de «furtivité» des avions de combat sont mises en place. Les avions sont d'abord recouverts d'un matériau absorbant les ondes électromagnétiques. Les développements de l'optique géométrique et des théories de la diffraction permettront par la suite de réduire significativement la signature radar des appareils. Opérationnels depuis quelques années, les avions furtifs trouveront leurs limites: il n'existe aucun avantage militaire permanent. Déjà, leur suprématie est contestée par l'apparition de nouveaux types de radars.

Daniel Bouche, Olivier Vacus et Sébastien Vermersch