En 1983, un F-15 israélien a perdu presque toute son aile droite. Portance du fuselage, vitesse et CAS expliquent comment il a pu se poser.
En résumé
En mai 1983, un F-15D de l’Israeli Air Force est entré en collision avec un A-4 Skyhawk au-dessus du désert du Néguev. L’impact a arraché presque toute son aile droite. Malgré une fuite de carburant et une mise en vrille, le pilote Zivi Nedivi a récupéré l’appareil. Il s’est posé à environ 463 km/h (250 kt), soit presque deux fois la vitesse d’approche habituelle.
L’exploit ne repose pas sur la seule puissance des moteurs. Le fuselage très large du F-15 produit lui-même de la portance. Sa forme intégrée aux entrées d’air et aux emplantures d’ailes agit partiellement comme un corps portant. La vitesse élevée multipliait aussi l’efficacité des surfaces encore disponibles. Enfin, les commandes mécaniques, les actionneurs hydrauliques et le Control Augmentation System permettaient d’utiliser les stabilisateurs horizontaux différentiels, les gouvernes et l’aile restante pour contenir l’énorme asymétrie aérodynamique.
L’accident du Néguev a détruit une aile en quelques secondes
En mai 1983, plusieurs appareils de l’Israeli Air Force participent à un exercice de combat aérien simulé au-dessus du Néguev. Deux F-15D Baz affrontent des A-4N Skyhawk jouant le rôle d’avions adverses.
L’un des A-4 effectue une manœuvre ascendante. Son pilote ne voit pas le F-15 placé au-dessus de lui. Les deux appareils entrent en collision à environ 3 660 mètres d’altitude (12 000 ft). Le Skyhawk est détruit. Son pilote parvient à s’éjecter.
Le F-15D numéro 957, piloté par Zivi Nedivi avec l’instructeur Yehoar Gal en place arrière, perd l’essentiel de son aile droite. La rupture se situe à environ 0,6 mètre du fuselage (2 ft), selon les récits publiés sur l’incident. Une quantité importante de carburant s’échappe de la structure éventrée. Le nuage de carburant pulvérisé masque les dégâts depuis le cockpit.
L’équipage comprend qu’une aile est endommagée. Il ignore qu’elle a pratiquement disparu.
L’appareil part d’abord en roulis vers la droite à environ 648 km/h (350 kt), puis s’engage dans une descente en spirale. L’instructeur recommande l’éjection. Nedivi choisit de rester aux commandes. Il applique du palonnier à gauche, agit sur les commandes de vol et augmente brutalement la poussée.
Le F-15 retrouve une attitude contrôlable. Il se dirige vers la base aérienne de Ramon.
La situation se dégrade de nouveau lorsque le pilote réduit sa vitesse pour préparer l’atterrissage. Vers 482 km/h (260 kt), l’appareil recommence à partir en autorotation. Nedivi remet la postcombustion et récupère une seconde fois le contrôle.
Le message est clair. En dessous d’une certaine vitesse, l’avion ne vole plus.
La perte d’une aile crée un déséquilibre bien plus grave qu’une perte de portance
Une aile ne sert pas uniquement à soutenir le poids d’un avion. Elle produit aussi des moments aérodynamiques autour du centre de gravité.
Sur un appareil intact, les ailes gauche et droite génèrent des forces comparables. Leurs moments de roulis s’annulent. Lorsque l’aile droite disparaît, l’aile gauche continue à produire une force verticale située à plusieurs mètres de l’axe du fuselage.
Cette force soulève le côté gauche et fait basculer l’appareil vers la droite. Elle génère un moment de roulis gigantesque. La traînée devient également asymétrique. L’avion tend donc simultanément à rouler et à pivoter autour de son axe vertical.
Il ne suffit pas de produire assez de portance totale. Il faut aussi empêcher cette portance de retourner l’avion.
La rupture de l’aile droite prive en outre le F-15 de son aileron droit et de son volet droit. Elle modifie brutalement la position de son centre de pression. Elle perturbe l’écoulement autour de l’entrée d’air, de l’empennage et du fuselage arrière. Les caractéristiques aérodynamiques prévues par le constructeur ne sont plus valables.
Le pilote ne contrôle donc plus un F-15 dégradé. Il contrôle une nouvelle machine, dont personne n’a établi le domaine de vol.
Le fuselage du F-15 produit une véritable portance aérodynamique
Le F-15 n’est pas un corps portant pur, comme certains appareils expérimentaux de la NASA. Il possède de grandes ailes de 56,61 mètres carrés et une envergure de 13,05 mètres. Mais son architecture diffère nettement de celle d’un avion doté d’un fuselage cylindrique étroit.
Son corps central est large. Les deux réacteurs sont installés côte à côte. Les entrées d’air rectangulaires sont placées sur les côtés du fuselage. Les emplantures d’ailes se prolongent naturellement dans cette vaste surface centrale.
Vu de dessus, le nez, les entrées d’air, les épaules du fuselage et la partie située entre les moteurs forment une surface continue. Lorsque l’appareil vole avec une incidence positive, cette géométrie dévie l’écoulement vers le bas. Une pression plus forte apparaît sous le fuselage. Une pression plus faible se développe sur les surfaces supérieures.
Le résultat est une force verticale. Le fuselage porte.
Cette portance centrale présente un avantage essentiel dans une situation asymétrique. Elle agit près de l’axe longitudinal. Elle soutient donc une partie du poids sans créer le même bras de levier que l’aile gauche restante.
Il n’existe pas de chiffre public fiable donnant le pourcentage exact de portance produit par le fuselage du F-15D accidenté. Un tel pourcentage varierait d’ailleurs avec la vitesse, l’incidence, la configuration des entrées d’air et l’état des écoulements. Affirmer que le fuselage remplaçait entièrement l’aile perdue serait faux.
Il a cependant produit assez de force verticale pour réduire la charge supportée par l’aile gauche et par les empennages. Les essais réalisés ensuite par McDonnell Douglas ont confirmé que cette configuration possédait bien un point d’équilibre contrôlable.
La vitesse élevée a transformé le fuselage en surface portante efficace
La portance peut être décrite par une relation simple :
Portance = ½ × densité de l’air × vitesse² × surface × coefficient de portance.
Le point essentiel est que la portance varie avec le carré de la vitesse.
À proximité du sol, un F-15 approchant à 241 km/h (130 kt) rencontre une pression dynamique d’environ 2,7 kilopascals dans les conditions atmosphériques standard. À 463 km/h (250 kt), cette pression atteint environ 10,1 kilopascals.
Elle est donc 3,7 fois plus élevée.
Cette augmentation ne recrée pas l’aile arrachée. Elle augmente cependant les forces produites par chaque surface encore exposée à l’air. Le fuselage, l’aile gauche, les stabilisateurs horizontaux, les dérives et les gouvernes deviennent beaucoup plus efficaces.
Cette vitesse fournit également davantage d’autorité aux commandes. Une petite déflexion de gouverne produit une force aérodynamique plus importante. Le pilote dispose donc de moments de correction suffisants pour s’opposer au roulis et au lacet.
La contrepartie est brutale. La traînée augmente fortement. La distance d’atterrissage explose. Les pneus, les freins et le train sont sollicités au-delà d’une approche normale. Surtout, la moindre réduction de vitesse fait chuter rapidement la pression dynamique.
C’est exactement ce qui s’est produit vers 482 km/h (260 kt). Lorsque Nedivi a ralenti, les forces correctrices sont devenues insuffisantes. Le F-15 est reparti en rotation.
Les réacteurs n’ont pas porté l’avion mais ont protégé sa vitesse
La formule souvent répétée selon laquelle « un moteur assez puissant fait voler une brique » est spectaculaire. Elle est aussi incomplète.
Les deux Pratt & Whitney F100 ne remplaçaient pas directement l’aile droite. Leur poussée était orientée principalement vers l’avant. Elle ne produisait donc qu’une faible composante verticale aux incidences rencontrées.
Leur rôle était néanmoins vital. La postcombustion permettait de conserver la vitesse malgré l’énorme traînée du fuselage endommagé. Elle empêchait l’appareil de tomber sous le seuil où le fuselage et les gouvernes perdaient leur efficacité.
La poussée augmentait également la capacité du pilote à sortir de la spirale. En accélérant, le F-15 retrouvait davantage de pression dynamique. Les gouvernes pouvaient de nouveau générer des moments suffisants.
Il ne faut donc pas confondre poussée et portance. Les moteurs ont fourni l’énergie nécessaire. Les surfaces aérodynamiques restantes ont transformé cette vitesse en forces de sustentation et de contrôle.
Un éventuel emploi différentiel des deux réacteurs aurait aussi pu produire un moment de lacet. Mais les moteurs du F-15 sont très rapprochés. Leurs tuyères ne sont séparées que d’environ 1,30 mètre (4,25 ft). Leur capacité à corriger directement un violent déséquilibre latéral reste donc limitée. Les récits techniques disponibles insistent surtout sur l’utilisation de la postcombustion pour accélérer.
Le F-15D ne possédait pas de commandes de vol électriques intégrales
Le F-15A, le F-15B, le F-15C et le F-15D d’origine n’étaient pas équipés d’un système fly-by-wire numérique intégral comparable à celui des générations suivantes.
Le pilote agissait sur des commandes mécaniques assistées hydrauliquement. Les mouvements du manche et des palonniers étaient transmis à des mécanismes qui commandaient des actionneurs hydrauliques. Ces actionneurs déplaçaient les ailerons, les gouvernes de direction et les stabilisateurs horizontaux.
L’énergie hydraulique était indispensable. Sans pression hydraulique, les surfaces principales ne pouvaient plus fournir les efforts nécessaires à grande vitesse.
Cette architecture conservait une liaison mécanique entre le pilote et les commandes. Elle était toutefois complétée par un dispositif électronique analogique : le Control Augmentation System, ou CAS.
Le CAS n’était pas un pilote automatique capable d’inventer une nouvelle loi de commande après la disparition d’une aile. Il ne savait pas identifier les dégâts. Il ne recalculait pas le modèle aérodynamique de l’appareil.
Son rôle consistait à améliorer la stabilité et la réponse aux ordres. Des capteurs mesuraient notamment les mouvements de tangage, de roulis et de lacet. Le système ajoutait ensuite des corrections par l’intermédiaire de servocommandes placées dans la chaîne de contrôle.
Le CAS renforçait le contrôle en roulis par les empennages
Le F-15 dispose de deux grands stabilisateurs horizontaux entièrement mobiles. Leur surface totale atteint 11,15 mètres carrés. Ils peuvent se déplacer ensemble pour contrôler le tangage. Ils peuvent aussi se déplacer de manière opposée pour produire un moment de roulis.
Cette fonction est cruciale après la perte d’une aile. Les stabilisateurs restent placés de part et d’autre du fuselage. Ils offrent donc une capacité de contrôle latéral alors que l’un des ailerons a disparu.
Sur le F-15, l’augmentation de commande en roulis passe par les servos du CAS associés aux stabilisateurs. La documentation technique de la NASA indique un rapport de 0,3 degré de braquage différentiel des stabilisateurs par degré de braquage des ailerons, sous réserve des limites imposées par les actionneurs et par le domaine de vol.
Les stabilisateurs différentiels pouvaient ainsi compléter l’aileron gauche encore disponible. Ils produisaient un couple opposé à celui créé par l’aile survivante.
Le CAS de lacet ajoutait aussi de l’amortissement par les deux gouvernes de direction. Son autorité atteignait jusqu’à 5 degrés de braquage de gouverne. Une interconnexion entre ailerons et gouvernes, appelée aileron-rudder interconnect, contribuait à coordonner les mouvements latéraux.
Dans la situation de 1983, le pilote a utilisé un fort palonnier à gauche. Le système hydraulique et l’augmentation de stabilité ont rendu cet ordre exploitable à très grande vitesse.
Il serait toutefois excessif d’affirmer que le CAS a sauvé l’avion à lui seul. Les données détaillées des commandes du F-15 numéro 957 n’ont pas été publiées. Il est impossible de séparer précisément les contributions du pilote, du CAS, des stabilisateurs, des gouvernes et de l’aile restante.
Une certitude demeure. Sans surfaces arrière intactes, sans hydraulique et sans autorité de contrôle suffisante, le fuselage portant n’aurait pas suffi.
L’atterrissage à 463 km/h était la seule option réaliste
Une approche normale de F-15 s’effectuait autour de 241 km/h (130 kt), selon la masse et la configuration. Nedivi savait désormais que son appareil devenait incontrôlable vers 482 km/h (260 kt).
Il décide donc de toucher la piste à environ 463 km/h (250 kt).
À cette vitesse, l’énergie cinétique est considérable. Comme elle varie elle aussi avec le carré de la vitesse, un avion se présentant à 250 nœuds possède environ 3,7 fois plus d’énergie cinétique qu’à 130 nœuds, à masse identique.
La base de Ramon dispose d’un dispositif d’arrêt d’urgence. Le pilote abaisse la crosse du F-15 afin d’accrocher un câble transversal. La crosse saisit le câble, mais la charge est trop forte. Elle est arrachée de l’avion.
L’appareil a néanmoins ralenti jusqu’à environ 278 km/h (150 kt). Nedivi utilise alors les freins. Le F-15 s’immobilise à une dizaine de mètres du filet de sécurité installé à l’extrémité de la piste.
Moins de cinq minutes se sont écoulées entre la collision et le toucher des roues.
Ce n’est qu’après l’arrêt que l’équipage découvre l’étendue réelle des dégâts. Le F-15D a ensuite été réparé et remis en service.
Les essais ont démontré que l’exploit reposait sur une marge minuscule
Après l’accident, les ingénieurs de McDonnell Douglas ne disposent d’aucune donnée correspondant à une perte structurelle aussi importante.
Ils utilisent un modèle de F-15 en soufflerie. Ils retirent progressivement différentes parties de l’aile droite afin d’étudier les caractéristiques de la configuration accidentée.
Les calculs montrent qu’un état de vol contrôlable existait réellement. Mais il se situait dans une fenêtre de contrôle extrêmement étroite. Selon l’étude historique publiée par la NASA, la marge n’était que d’environ 37 km/h autour de la vitesse d’équilibre, soit plus ou moins 20 nœuds. La variation admissible de l’angle d’attaque était également limitée à environ plus ou moins 20 degrés autour du point de compensation.
Ces chiffres ne signifient pas que le pilote pouvait librement modifier son incidence de 40 degrés. Ils indiquent que le nouvel équilibre aérodynamique n’existait que dans un espace réduit. Une variation de vitesse, une commande trop forte ou une perturbation pouvait faire sortir l’avion de ce domaine.
Nedivi a trouvé cette zone sans modèle mathématique, sans simulation et sans indication spécifique sur son affichage. Il l’a trouvée par réaction, en observant que l’accélération rendait les commandes efficaces et que le ralentissement déclenchait la rotation.
L’exploit révèle les limites du récit du F-15 indestructible
L’atterrissage du F-15 israélien avec une seule aile est authentique. Son explication n’a pourtant rien de surnaturel.
Le fuselage large produisait une portance centrale. La vitesse élevée multipliait les forces aérodynamiques disponibles. Les stabilisateurs horizontaux pouvaient générer du roulis. Les gouvernes corrigeaient le lacet. Le CAS améliorait l’amortissement et ajoutait des commandes aux surfaces. Les réacteurs maintenaient l’appareil au-dessus de sa vitesse critique.
Toutes ces conditions devaient être réunies.
L’incident ne prouve pas qu’un F-15 peut normalement voler sans aile. Il prouve qu’un F-15 précis, avec une rupture précise, des circuits hydrauliques encore fonctionnels et un empennage intact, possédait un point de vol dégradé extrêmement difficile à maintenir.
Une rupture légèrement différente aurait pu couper les commandes, provoquer un incendie, endommager un moteur ou déplacer davantage le centre de pression. Quelques dizaines de kilomètres par heure en moins auraient suffi à rendre la récupération impossible.
La véritable leçon ne réside donc pas dans une supposée invulnérabilité. Elle tient à la combinaison rare d’une architecture aérodynamique tolérante, d’une forte autorité de contrôle et d’une décision humaine prise en quelques secondes. L’avion n’a pas ignoré les lois de la physique. Le pilote a réussi à exploiter leur dernière issue disponible.
