L’aérodynamique est une discipline fondamentale dans le développement de la grande vitesse ferroviaire. C’est pourquoi le constructeur Alstom a choisi de travailler, depuis une dizaine d’années, avec le CSTB (Centre scientifique et technique du bâtiment), qui dispose d’une soufflerie sur son site de Nantes. Annuellement, y sont organisées cinq à dix sessions d’essais sur maquettes à échelle réduite. « Lorsque nous devons faire la preuve que nos trains peuvent rouler en toute sécurité, et cela dans le monde entier, il est important d’avoir l’expertise d’un spécialiste indépendant du monde ferroviaire », insiste François Lacôte, directeur technique d’Alstom.
L’aérodynamique dite « instationnaire » s’intéresse aux phénomènes qui apparaissent lors des états transitoires. Il s’agit, par exemple, de l’effet des vents traversiers, de celui des ondes de pression générées par un train entrant dans un tunnel (avec leurs implications sur le confort des voyageurs ou la fatigue des structures), ou encore des envols de ballast, au demeurant inconnus des TGV, même à 574,8 km/h !
Avec 28 marches d’essais effectuées à plus de 500 km/h pour un parcours cumulé supérieur à 700 km, le dernier record du monde, le 3 avril 2007, a d’ailleurs permis d’engranger un nombre considérable d’informations liées à ces états transitoires, l’avant de la rame étant instrumenté en capteurs de pression, tout comme d’ailleurs les ponts franchis sur lesquels avaient aussi été montées des jauges d’effort…
Dans le domaine ferroviaire, l’aérodynamique dite « stationnaire » renvoie, quant à elle, à la résistance à l’avancement d’un train dans l’air, qui croît comme le carré de la vitesse. Et comme la puissance à installer à bord augmente avec le cube de cette même vitesse, l’on conçoit aisément que les concepteurs d’un train destiné à rouler très vite aient tout intérêt à diminuer la part aérodynamique de la résistance à l’avancement. Le choix par Alstom d’une architecture de train articulé pour ses trois générations de TGV et son AGV participe, bien évidemment, de cette démarche. En effet, on constate que l’impact des bogies sur la part aérodynamique de la résistance à l’avancement est extrêmement important, tandis que leur plus petit nombre influe directement sur la part de cette résistance liée au roulement. Enfin, la réduction des césures intercaisses liée à cette architecture (voire leur obturation par bavettes) améliore encore la traînée aérodynamique, s’opposant à la formation d’écoulements tourbillonnaires dans ces zones…
Lors de la conception d’un train à grande vitesse, cette autre discipline que l’on appelle « aéroacoustique » joue également un rôle considérable. Il faut savoir que si le bruit dû au roulement croît comme le cube de la vitesse, celui lié à l’aérodynamique varie avec sa puissance 6, voire sa puissance 8 ! A basse vitesse, le bruit de roulement prédomine très largement, mais pour des vitesses plus élevées, c’est le bruit aérodynamique qui devient prépondérant. Les courbes représentatives des niveaux de ces bruits en fonction de la vitesse de circulation se croisent généralement dans la plage des 250 à 300 km/h. Voilà pourquoi le train à sustentation magnétique, contrairement à ce que d’aucuns croient encore, ne présente strictement aucun avantage par rapport au rail traditionnel dès lors qu’il s’agit de nuisances sonores…
En l’espace de quelques années, la construction ferroviaire est devenue un secteur éminemment concurrentiel, si bien que les différents industriels se retrouvent condamnés à l’innovation perpétuelle. « Nous devons toujours avoir un temps d’avance », insiste François Lacôte. Le constructeur Alstom, qui consacre annuellement 4 % de son chiffre d’affaires à la recherche et au développement, entend donc s’ouvrir très largement à l’extérieur, en nouant de nombreux partenariats avec des universités et laboratoires du monde entier. Les travaux qu’il mène conjointement avec le CSTB n’en sont qu’un exemple dans ce domaine très particulier de l’aérodynamique, où la modélisation mathématique demande des puissances de calcul considérables, qui ne sont disponibles que depuis quelques années seulement. Cette modélisation ne sera d’ailleurs, en tout état de cause, jamais suffisante, car rien ne pourra sans doute remplacer la vérification expérimentale sur maquettes en soufflerie ou, mieux encore, l’essai en vraie grandeur sur le terrain.
Un certain jour de février 2007, lors de la campagne préludant au dernier record, le vent soufflait à plus de 70 km/h : une vitesse absolument considérable lorsqu’on vise les 500 km/h et au-delà. Après avoir longuement hésité, les responsables techniques prirent finalement le risque de rouler malgré tout, réalisant que c’était là une occasion unique de pouvoir vérifier si les résultats des modélisations mathématiques comme des essais de maquettes en soufflerie étaient bien corroborés par la réalité. Et c’est justement ce qui fut alors démontré…

Le vent du renversement
Avec la construction du TGV Méditerranée, s’était déjà posée, avec beaucoup d’acuité, la problématique des vents traversiers. Au niveau du tablier d’un pont, ou même du haut d’un remblai, la vitesse du vent est toujours plus importante qu’au ras du sol. Or la nouvelle infrastructure à grande vitesse comptait plusieurs ouvrages d’art implantés dans des zones très exposées, comme le couloir rhodanien, aussi importait-il de pouvoir garantir, là-aussi, la sécurité des circulations dans toutes les conditions. Aujourd’hui, de telles études sont désormais obligatoires, et il existe d’ailleurs des dispositions réglementaires particulières dans le cadre des STI (spécifications techniques d’interopérabilité), qui sont applicables dès lors que les vitesses maximales en service commercial dépassent les 190 km/h.
De fait, le risque est bien réel. En reproduisant des conditions de vent extrêmes, on a pu provoquer, en soufflerie, le renversement d’une maquette à échelle réduite de la motrice Duplex. Et dans la vie réelle, des wagons se sont déjà renversés, et même, il y a quelques années, un autorail à voie étroite sur une ligne secondaire d’Autriche, qui eut la mauvaise idée de croiser une minitornade…
Imaginons un train qui circule à une vitesse donnée. Dans son propre référentiel, il est soumis à un vent relatif de même direction, de même vitesse mais de sens contraire, ainsi qu’au vent naturel, qui a sa propre vitesse et qui peut former un angle plus ou moins fermé avec l’axe de la voie. En faisant la somme vectorielle de ces deux grandeurs, on détermine la direction et surtout l’intensité du vent relatif auquel va être soumis le train, qui peut se révéler très supérieure. Et c’est ce vent relatif qui, à partir d’une certaine valeur critique, risquerait de faire pivoter le train autour du rail si l’on ne prenait les mesures nécessaires comme la mise en place d’écrans brise-vent le long des voies exposées ou le déclenchement éventuel de limitations temporaires de vitesse par calcul en temps réel de la situation à partir d’une surveillance anémométrique…
Au-delà des études menées, de 2000 à 2002, pour la ligne à grande vitesse Méditerranée, avec la participation active du CSTB, la SNCF a également travaillé avec la Deutsche Bahn dans le cadre du programme de coopération « DeuFraKo », qui a posé les bases de la réglementation européenne reprises ensuite dans les STI. Les Allemands s’étaient d’abord intéressés à ces questions pour le développement de l’ICE 2, toute première rame à grande vitesse et motorisation concentrée ayant la particularité d’avoir une motrice à l’une de ses extrémités et une voiture pilote (donc très légère !) à l’autre. Après 2002, Alstom a décidé de conduire ses propres études d’aérodynamique avec le CSTB, dans la mouvance de la nouvelle répartition institutionnelle des compétences entre lui et l’opérateur. Aujourd’hui, Rémi Grégoire dirige le pôle aérodynamique du constructeur, après avoir été le spécialiste de cette discipline à la SNCF : « C’est dès le démarrage du projet d’un nouveau matériel roulant qu’il convient de mener, en liaison avec le designer, les études aérodynamiques préliminaires », insiste-t-il. « Et travailler avec le CSTB nous permet justement d’avoir la réactivité nécessaire afin de pouvoir proposer très en amont les éventuelles modifications. » La soufflerie Jules-Verne du site de Nantes est particulièrement bien adaptée à de telles études. Longue de 20 m, sa veine large de 6 m et haute de 5 m peut être parcourue par des vents jusqu’à 45 m/s. Actuellement, c’est la maquette du futur Regiolis (Coradia polyvalent) qui s’y trouve testée en configuration « remblai ». Cette configuration s’avère, on le sait, particulièrement défavorable, puisqu’elle conduit souvent à des vitesses en haut de plateforme qui sont deux fois plus élevées que dans le cas d’un sol plan, avec des phénomènes aggravants dus à la déflexion du vent. Comme à l’accoutumée, un maquettage au 1/15 a été préalablement confectionné, les aérodynamiciens simplifiant les parties trop détaillées pour ne garder que les éléments qui vont avoir un réel impact sur le comportement au vent de l’engin (pour la détermination de la traînée aérodynamique, les bogies, qui « pèsent » énormément, doivent être plus finement exécutés, surtout en architecture classique où se superpose le phénomène de répétitivité de part et d’autre des césures entre caisses). L’échelle choisie représente un bon compromis, puisqu’elle confère une excellente similitude des résultats avec le réel tout en conduisant à des maquettes susceptibles d’être vite construites, facilement manipulables, pas trop onéreuses, et surtout bien adaptées à l’encombrement des instruments de mesure utilisés au CSTB.
La soufflerie Jules-Verne aura coûté 15 millions d’euros, auxquels s’ajoutent deux millions pour l’adaptation aux simulations ferroviaires. Outre la détermination des courbes représentatives des vitesses critiques de vent (90 % de déchargement sur un bogie avec risque corrélatif de renversement) en fonction de la vitesse de circulation, cette installation a permis, par exemple, de vérifier que la motrice de tête prenait toujours l’essentiel de l’effort aérodynamique, avec pour conséquence que le Duplex n’est nullement handicapé par rapport au TGV à un seul niveau. Bonne nouvelle aussi pour l’AGV dont la motrice est justement « tenue » par la première articulation…
 

Philippe HÉRISSÉ