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\dateposted{2025-11-05}
\begin{document}

\begin{noXML}

\CDRsetmeta{articletype}{review}

\title{Le foudroiement des avions : compr\'{e}hension, impacts et
protection}

\alttitle{Aircraft lightning strikes: understanding, impacts, and
protection}

\author{\firstname{Philippe} \lastname{Lalande}}
\address{DPHY, ONERA, Universit\'{e} Paris Saclay, F-91123 Palaiseau, France}
\email{philippe.lalande@onera.fr}

\keywords{\kwd{Foudroiement}
\kwd{\'Eclair}
\kwd{Protection}}

\altkeywords{\kwd{Lightning}
\kwd{Aircraft}
\kwd{Protection}}

\begin{abstract} 
Les campagnes en vol des ann\'{e}es 1980 ont montr\'{e} deux
m\'{e}canismes intervenant lors du foudroiement d'un avion. L'un
correspond \`{a} l'interception d'un \'{e}clair naturel par l'avion et
l'autre, au d\'{e}clenchement de l'\'{e}clair par l'avion lui-m\^{e}me.
Dans ce dernier cas, deux traceurs foudre se forment depuis les zones
de renforcement du champ \'{e}lectrique atmosph\'{e}rique sur l'avion.
Apr\`{e}s cette phase durant laquelle l'avion s'est peu
d\'{e}plac\'{e}, l'\'{e}clair poursuit son d\'{e}veloppement pendant
une dur\'{e}e d'environ 1 seconde. Les canaux de l'\'{e}clair restent
immobiles dans l'air, tandis que l'avion continue d'avancer. Le pied
d'arc se d\'{e}place alors \`{a} la surface de l'avion pour compenser
l'avanc\'{e}e de l'a\'{e}ronef.

Le retour d'exp\'{e}rience des avionneurs et des compagnies
a\'{e}riennes r\'{e}v\`{e}le que, dans la grande majorit\'{e} des cas,
le foudroiement se produit durant les phases d'approche, de descente ou
de d\'{e}collage. Seulement 8 \% des foudroiements entra\^{i}nent des
effets jug\'{e}s importants sur l'avion, car ils impactent des
\'{e}l\'{e}ments critiques. Le foudroiement d'un avion produit les
effets directs et indirects sur l'appareil. 

Pour garantir la s\'{e}curit\'{e} d'un avion, les autorit\'{e}s de
l'aviation civile exigent qu'un avion civil soit prot\'{e}g\'{e} \`{a}
la foudre pour \^{e}tre certifi\'{e} et r\'{e}sister \`{a} des courants
impulsionnels de 200 kA.

L'all\'{e}gement des avions par l'utilisation des mat\'{e}riaux
composites conduit \`{a} une meilleure compr\'{e}hension de
l'interaction de la foudre avec ces mat\'{e}riaux et avec les nouvelles
g\'{e}om\'{e}tries d'a\'{e}ronefs. Cela permettra d'\'{e}laborer des
solutions techniques optimis\'{e}es du point de vue de la masse, des
marges de conception, des d\'{e}lais et co\^{u}ts de d\'{e}veloppement
et de certification.
\end{abstract}

\begin{altabstract} 
In-flight campaigns in the 1980s revealed two mechanisms involved in
aircraft lightning strikes. One corresponds to the interception of
natural lightning by the aircraft, and the other to the triggering of
lightning by the aircraft itself. In the latter case, two lightning
leaders form from areas of atmospheric electric field enhancement on
the aircraft. After this phase, during which the aircraft has moved
little, the lightning continues to develop for approximately 1 second. The
lightning channels remain stationary in the air, while the aircraft
continues to advance. The arc foot then moves along the surface of the
aircraft to compensate for the aircraft's forward motion.

Feedback from aircraft manufacturers and airlines indicates that, in
the vast majority of cases, lightning strikes occur during the
approach, descent, or takeoff phases. Only 8\% of lightning strikes
cause effects deemed significant on the aircraft, as they impact
critical components. A lightning strike on an aircraft produces both
direct and indirect effects on the airframe.

To ensure aircraft safety, civil aviation authorities require civil
aircraft to be lightning-protected to be certified and to withstand
impulse currents of 200 kA.

The lightening of aircraft through the use of composite materials
necessitates a better understanding of lightning's interaction with
these materials
and with new aircraft geometries. This will allow for
the development of optimized technical solutions in terms of mass,
design margins, and development and certification timelines and costs.
\end{altabstract}


\maketitle

%\vspace*{-4pt}

\end{noXML}

\section{Introduction}\label{sec1}
Au niveau des civilisations et des croyances, l'orage et les
\'{e}clairs ont toujours suscit\'{e} un m\'{e}lange de fascination,
crainte et de v\'{e}n\'{e}ration. La nature soudaine de ces
ph\'{e}nom\`{e}nes, leur puissance destructrice et leur lien avec le
ciel les ont souvent associ\'{e}s, dans l'antiquit\'{e} et la
mythologie, \`{a} des manifestations directes de la volont\'{e} divine.

Il a fallu attendre le Si\`{e}cle des Lumi\`{e}res, caract\'{e}ris\'{e}
par une effervescence intellectuelle, pour que les croyances soient
remises en question au profit des observations et du raisonnement.
C'est au cours de cette p\'{e}riode, marqu\'{e}e par des avanc\'{e}es
scientifiques majeures, que les premi\`{e}res notions sur l'effet de
l'\'{e}lectricit\'{e} sur son environnement apparaissent, avec
notamment l'\'{e}lectroculture par l'abb\'{e} Bertholon~\cite{1}, 
l'\'{e}lectrophysiologie avec Luigi Galvani~\cite{2}, la pile
\'{e}lectrique avec Alessandro Volta~\cite{3} et la d\'{e}monstration
en 1752, par Benjamin Franklin, de la nature \'{e}lectrique du nuage
orageux gr\^{a}ce \`{a} son exp\'{e}rience du cerf-volant. A cette
\'{e}poque, la compr\'{e}hension des ph\'{e}nom\`{e}nes \'{e}lectriques
est encore sommaire et en perp\'{e}tuelle \'{e}volution comme le montre
le recueil de sa correspondance avec d'autres scientifiques~\cite{4}.
Dans sa correspondance du 29 avril 1749 avec Peter Collinson, un
marchand Londonien de la Royal Society, il \'{e}met l'id\'{e}e
d'attirer la foudre avec des tiges m\'{e}talliques pointues pour
prot\'{e}ger des b\^{a}timents~; la notion de paratonnerre est n\'{e}e.
Il remet en question le principe du fonctionnement du paratonnerre,
dans sa lettre du 27 juillet 1750, o\`{u} il explique \`{a} ce m\^{e}me
Peter Collinson, qu'une tige en fer pointue reli\'{e}e \`{a} la terre
par un fil conducteur, permettra de \guillemotleft{}~tirer
silencieusement~\guillemotright{} le feu \'{e}lectrique des nuages pour
pr\'{e}venir les \'{e}clairs et le bruit du tonnerre qui y est
associ\'{e}. 

C'est \'{e}galement \`{a} la fin de ce XVIII si\`{e}cle qu'en Europe,
l'homme se lance \`{a} la conqu\^{e}te du ciel en essayant de vaincre
la gravit\'{e} terrestre. Le 4 juin 1783 \`{a} Annonay, en France, les
fr\`{e}res Montgolfier font la d\'{e}monstration qu'un ballon non
habit\'{e} de 800~m$^{3}$ gonfl\'{e} \`{a} l'air chaud peut
s'\'{e}lever de 400~m et parcourir plusieurs kilom\`{e}tres
pendant une dizaine de minutes. Ils seront suivis le  27 ao\^{u}t 1783
par le physicien Jacques Charles et les fr\`{e}res Robert avec
l'exp\'{e}rimentation d'un ballon \`{a} hydrog\`{e}ne sur le
Champ-de-Mars. Une nouvelle \'{e}tape est franchie, le 19 septembre
1783 par le vol \`{a} Versailles d'un canard, d'un coq et d'un mouton
emport\'{e}s par un ballon. Une derni\`{e}re \'{e}tape est franchie, le
21 novembre 1783 par le vol sous un ballon, au ch\^{a}teau de la
Muette, du marquis d'Arlandes et de P\^{i}latre de Rozier. C'est le
d\'{e}but de l'a\'{e}rostation o\`{u} les a\'{e}ronefs cherchent
principalement \`{a} \^{e}tre plus l\'{e}gers que l'air. Il faudra
attendre les fr\`{e}res Wright, le 17 d\'{e}cembre 1903, pour avoir la
premi\`{e}re d\'{e}monstration du premier vol motoris\'{e} et soutenu
d'un a\'{e}ronef plus lourd que l'air.

La cohabitation de ces nouvelles technologies avec l'environnement
atmosph\'{e}rique dans lequel elles \'{e}voluent n'est pas neutre comme
le montre la mort du physicien Georg Wilhelm Richmann le 6 ao\^{u}t
1753 lors d'un orage au-dessus de Saint-P\'{e}tersbourg. Ce
jour-l\`{a}, ce passionn\'{e} des travaux de Franklin reproduisait
l'exp\'{e}rience du cerf-volant pour mesurer l'\'{e}lectricit\'{e} qui
circulait sur le fil. Un \'{e}clair frappa le cerf-volant ce qui
conduisit \`{a} l'\'{e}lectrocution de Georg Wilhelm Richmann. Il
s'agit du premier \'{e}v\`{e}nement recens\'{e} de la foudre frappant
un objet volant captif et de ses cons\'{e}quences mortelles.

D\`{e}s le d\'{e}but de l'aviation, des t\'{e}moignages oraux font
\'{e}tat du foudroiement d'a\'{e}ronefs m\^{e}me s'il est difficile
d'apporter des preuves concr\`{e}tes de leur existence car les
enqu\^{e}tes et enregistrements d'incidents \'{e}taient moins
syst\'{e}matiques qu'aujourd'hui. Le premier incident recens\'{e} est
le foudroiement du dirigeable allemand LZ40 le 3 septembre 1915, au
large de l'\^{i}le de Neuwerk, en Allemagne alors qu'il lib\'{e}rait de
l'hydrog\`{e}ne. Le dirigeable a \'{e}t\'{e} compl\'{e}tement
d\'{e}truit. Pour les avions, certains experts ont ni\'{e} la
possibilit\'{e} qu'un a\'{e}rodyne puisse \^{e}tre foudroy\'{e}.
L'\'{e}crasement d'un Ford Tri-Motor de la Transcontinental Air
Transport, surnomm\'{e}  ``City of San Francisco'', le 3 septembre
1929, est souvent cit\'{e} comme le premier cas d'un avion plus lourd
que l'air d\'{e}truit par la foudre. Au fil du temps, avec
l'augmentation du trafic a\'{e}rien apr\`{e}s la Seconde Guerre
mondiale, les observations de foudroiement d'avions se sont
multipli\'{e}es. Le dernier accident majeur impliquant un avion de
transport civil est recens\'{e} le 8 d\'{e}cembre 1963 avec
l'\'{e}crasement du vol Pan Am 214 (Boeing 707) reliant l'a\'{e}roport
de San Juan de Porto Rico aux a\'{e}roports de Baltimore et
Philadelphie, aux \'{E}tats-Unis. L'analyse des d\'{e}bris de
l'appareil retrouv\'{e}s pr\`{e}s d'Elkton dans le Maryland
(\'{E}tats-Unis) indique aux enqu\^{e}teurs que l'accident est
probablement d\^{u} \`{a} l'explosion de l'aile gauche \`{a} la suite
de l'inflammation des vapeurs de carburant d'un des r\'{e}servoirs lors
du foudroiement. Cet accident, qui a cout\'{e} la vie \`{a} 81
personnes (passagers et membres d'\'{e}quipage), a conduit \`{a} un
durcissement des r\`{e}gles de conception des avions afin d'\'{e}viter
que ce ph\'{e}nom\`{e}ne ne se reproduise.

L'objet de cet article est de vous d\'{e}crire le foudroiement des
avions en commen\c{c}ant par la physique de la foudre \`{a} travers la
formation des nuages orageux et de leur \'{e}lectrisation. Dans une
seconde partie, les m\'{e}canismes conduisant au foudroiement d'un
avion seront d\'{e}crits. Dans une troisi\`{e}me partie, l'impact du
foudroiement sur les avions et la certification \`{a} la foudre seront
pr\'{e}sent\'{e}s. Une derni\`{e}re partie pr\'{e}sentera les enjeux et
\'{e}volutions de la probl\'{e}matique foudre pour l'a\'{e}ronautique.

\section{Rappels sur la physique de la foudre}\label{sec2}

\subsection{Rappels sur la formation des orages et de leur charge
\'{e}lectrique}\label{sec2.1}
Les conditions atmosph\'{e}riques propices aux orages n\'{e}cessitent
de l'air chaud et humide dans les basses couches de l'atmosph\`{e}re et
de l'air froid en altitude. Lorsque le gradient vertical thermique est
suffisant, la masse d'air devient instable. L'air chaud, moins dense,
s'\'{e}l\`{e}ve alors en altitude par la pouss\'{e}e d'Archim\`{e}de.
Au fur et \`{a} mesure de son \'{e}l\'{e}vation, cet air se refroidit,
ce qui provoque la condensation de la vapeur d'eau. Cette condensation
lib\`{e}re la chaleur latente qui r\'{e}chauffe l'air et entretient le
mouvement ascendant. Ainsi l'\'{e}nergie d'un nuage orageux est
principalement stock\'{e}e dans l'humidit\'{e} de l'air sous forme de
chaleur latente, qui se lib\`{e}re lors de la condensation de la vapeur
d'eau. Cette \'{e}nergie alimente les mouvements violents de l'air,
dont la vitesse ascendante peut d\'{e}passer les 40~m/s. 

La Figure~\ref{fig1}, extraite et traduite de l'article de Morrison 
et~al.~\cite{5}, illustre les processus microphysiques qui se
d\'{e}roulent au sein de cette masse d'air. L'air humide est aspir\'{e}
\`{a} la base du nuage par convection. En montant en altitude, la
vapeur d'eau se condense sur des noyaux de condensation, formant des
gouttelettes. Ces derni\`{e}res grossissent par coalescence et sont
transport\'{e}es \`{a} des altitudes o\`{u} la temp\'{e}rature est
inf\'{e}rieure \`{a} 0\textdegree, se transformant en une grande
vari\'{e}t\'{e} de particules glac\'{e}es. Lorsque la masse des
particules devient trop importante, le courant ascendant ne suffit plus
\`{a} les maintenir en l'air et elles pr\'{e}cipitent alors vers le
sol. Dans leur chute, elles entrent en collision avec les particules
ascendantes. Le nuage d'orage est donc le si\`{e}ge d'un important
brassage entre les diff\'{e}rentes esp\`{e}ces microphysiques. Le
r\'{e}sultat de ces collisions est l'apparition de charges
\'{e}lectriques sur les particules microphysiques, par effet
tribo\'{e}lectrique~\cite{6}. Les plus petites particules deviennent
charg\'{e}es positivement et sont transport\'{e}es vers le sommet du
nuage, tandis que les plus grosses, charg\'{e}es n\'{e}gativement,
pr\'{e}cipitent vers sa base. Ce m\'{e}canisme de s\'{e}paration de
charges~\cite{6} conduit \`{a} des r\'{e}partitions de charges
\'{e}lectriques complexes dans le nuage comme l'illustre l'article de
Stolzenburg et~al.~\cite{7}. La r\'{e}partition des charges est
g\'{e}n\'{e}ralement simplifi\'{e}e par une structure \'{e}lectrique
tripolaire comme illustr\'{e}e sur la Figure~\ref{fig2}. La petite
charge positive \`{a} la base du nuage est la r\'{e}sultante de la
convection jusqu'\`{a} la base du nuage, des charges positives
form\'{e}es au sol par l'effet du champ \'{e}lectrique produit par le
nuage.

\begin{figure}
\includegraphics{fig01}
\vspace*{4pt}
\caption{\label{fig1}Illustration sch\'{e}matique des processus
microphysiques \`{a} l'int\'{e}rieur d'un cumulonimbus extrait et
traduit de Morrison et~al.~\cite{5}. CCN : Cloud Condensation nuclei
(Noyaux de condensation). INP : Ice Nucleating Particule (Noyaux pour
la nucl\'{e}ation des particules glac\'{e}es).}
\vspace*{6pt}
\end{figure}

\begin{figure}
\includegraphics{fig02}
\vspace*{4pt}
\caption{\label{fig2}Illustration simplifi\'{e}e de la r\'{e}partition
des charges \'{e}lectriques dans un nuage d'orage avec la pr\'{e}sence
d'\'{e}clairs intra-nuage et nuage-sol.}
\end{figure}

Dans les zones de s\'{e}paration des charges, le champ \'{e}lectrique
est le plus intense. A partir de sondages atmosph\'{e}riques
effectu\'{e}s par ballons au sein des orages, Marshall  et~al.~\cite{8}
ont d\'{e}duit que les \'{e}clairs s'initient spontan\'{e}ment dans des
zones o\`{u} le champ \'{e}lectrique est d'environ
350${\delta}$~kV/m, o\`{u} ${\delta}$ est la densit\'{e} relative
de l'air par rapport au sol ($\delta
=\sofrac{P}{P_{o}}\sofrac{T_{o}}{T}$,  $P_{o}$, $T_{o}$ sont les valeurs
de la pression et de la temp\'{e}rature au niveau de la mer~et $P$, $T$
\`{a} l'altitude consid\'{e}r\'{e}e). Cela produit une majorit\'{e}
d'\'{e}clairs intra-nuage et dans 10 \% des cas, des \'{e}clairs se
forment entre le nuage et le sol, partie des \'{e}clairs observables
lors d'un orage.

\subsection{Rappels sur le d\'{e}veloppement des
\'{e}clairs}\label{sec2.2}
L'\'{e}clair, lorsqu'il touche le sol, est un ph\'{e}nom\`{e}ne
facilement observable par tout le monde que notre perception r\'{e}sume
\`{a} un \'{e}v\`{e}nement lumineux bref, suivi par le bruit du
tonnerre. L'\'{e}clair \'{e}tant tr\`{e}s bref et \'{e}loign\'{e}, nous
ne percevons qu'une infime partie des ph\'{e}nom\`{e}nes qui s'y
d\'{e}roulent. Avec des cam\'{e}ras rapides et mieux r\'{e}solues
spatialement, la partie visible de l'\'{e}clair nuage-sol
r\'{e}v\`{e}le un processus complexe qui est compos\'{e} de plusieurs
\'{e}tapes~:
\begin{itemize}
\item 
Traceur ou pr\'{e}curseur de la foudre : C'est une d\'{e}charge
\'{e}lectrique constitu\'{e}e d'un canal ionis\'{e} conducteur qui se
propage dans la majorit\'{e} des cas vers le sol. Le traceur peut
\^{e}tre positif, s'il se propage dans la direction du champ
\'{e}lectrique produit par le nuage d'orage, ou n\'{e}gatif si sa
propagation va en direction inverse de ce champ \'{e}lectrique. Les
vitesses caract\'{e}ristiques des traceurs se situent entre 10$^{4}$ et
10$^{5}$~m/s~\cite{9,10}.  Ces traceurs sont similaires aux grandes
\'{e}tincelles de plusieurs m\`{e}tres produites en laboratoire par des
impulsions de tension de plusieurs millions de volts. L'\'{e}tude de
ces d\'{e}charges, \'{e}tudi\'{e}es intensivement en 
laboratoire~\cite{11,12,13,14} pour le dimensionnement des lignes \`{a}
haute tension de transport \'{e}lectrique, a montr\'{e} l'importante
diff\'{e}rence de propagation entre les d\'{e}charges positive (traceur
positif) et n\'{e}gative (traceur n\'{e}gatif). Cette derni\`{e}re se
d\'{e}place par bonds de quelques m\`{e}tres en laboratoire et de
quelques dizaines de m\`{e}tres lors d'un \'{e}clair, se produisant de
fa\c{c}on al\'{e}atoire toutes les 10 \`{a} 100~$\upmu$m. La
\mbox{Figure~\ref{fig3}} montre quatre images en n\'{e}gatif prises lors de la
propagation du pr\'{e}curseur n\'{e}gatif du coup de foudre du 27
juillet 2013 au-dessus de Paris. L'origine des temps est impos\'{e}e au
moment de la connexion (Figure~\ref{fig3}d). Ce traceur est
constitu\'{e} d'une multitude de branches \`{a} l'extr\'{e}mit\'{e}
desquelles les processus d'ionisation se forment (Figure~\ref{fig3}a,
b, c). On constate que l'intensit\'{e} des canaux varie au cours de son
d\'{e}veloppement. A chaque avanc\'{e}e par bond d'une des branches,
une impulsion de courant de quelques centaines (laboratoire) \`{a}
quelques milliers (\'{e}clair) d'amp\`{e}res est mesur\'{e}e. Par
opposition, la d\'{e}charge positive, quant \`{a} elle, se propage de
fa\c{c}on continue comme le montre la Figure~\ref{fig4} sur
l'\'{e}clair positif du 23 juillet 2013 au-dessus de Paris.
Contrairement \`{a} la polarit\'{e} n\'{e}gative, ce traceur est
tr\`{e}s peu branch\'{e} et son canal est illumin\'{e} en continu tout
au long de sa propagation. Un point important \`{a} noter est qu'en
laboratoire, les mesures ont montr\'{e} qu'il fallait appliquer une
tension deux fois plus grande pour faire propager la d\'{e}charge
n\'{e}gative sur la m\^{e}me distance que pour la d\'{e}charge 
positive~\cite{11,12}. 
\item 
Eclair~: Une fois que le traceur atteint le sol, il \'{e}tablit un
court-circuit entre le nuage et le sol qui permet le passage
d'impulsions de courant de plusieurs dizaines de kiloamp\`{e}re et
d'une dur\'{e}e de quelques dizaines de microseconde dont les
caract\'{e}ristiques sont r\'{e}sum\'{e}es entres autres dans les
articles et livres~\cite{9,10,15}. Ce courant tr\`{e}s intense et
tr\`{e}s bref provoque par chauffage de l'air le flash lumineux et
l'onde de choc acoustique appel\'{e}e  tonnerre~\cite{9,10}. 
\end{itemize}
Une des \'{e}nigmes sur le d\'{e}veloppement des \'{e}clairs \'{e}tait
de savoir comment ce traceur descendant, issu du nuage, pouvait se
propager et quel ph\'{e}nom\`{e}ne, cach\'{e} \`{a} notre vue, se
produisait au sein du nuage pour alimenter cette d\'{e}charge
\'{e}lectrique. Au niveau mythologique, l'image de Zeus lan\c{c}ant les
\'{e}clairs depuis les nuages apportait une r\'{e}ponse simple. A notre
\'{e}poque, on comprenait qu'une d\'{e}charge puisse se d\'{e}velopper
depuis l'\'{e}lectrode d'un g\'{e}n\'{e}rateur haute tension.
Malheureusement, dans le nuage d'orage, il n'y a pas de
g\'{e}n\'{e}rateur \'{e}lectrique \`{a} proprement parler, mais
uniquement de l'air et des charges \'{e}lectriques sur des
hydrom\'{e}t\'{e}ores tr\`{e}s 
\mbox{faiblement} mobiles. Cela ne suffit pas
\`{a} entretenir le d\'{e}veloppement d'une d\'{e}charge seule. 
Kasemir~\cite{16}  a \'{e}t\'{e} le premier \`{a} imaginer, \`{a}
partir d'une description \'{e}lectrostatique, comment des d\'{e}charges
peuvent se propager dans un nuage. Il a propos\'{e} le concept de
doubles d\'{e}charges \'{e}lectriques de polarit\'{e} oppos\'{e}e qui
s'auto-alimentent (Figure~\ref{fig5}a). Avec l'av\`{e}nement des
imageurs VHF 
d'\'{e}clair~\cite{17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30},  il a
\'{e}t\'{e} possible de visualiser la propagation du traceur
n\'{e}gatif et de d\'{e}duire la position des canaux associ\'{e}s au
traceur positif. Le coup au sol n'est finalement que le r\'{e}sultat
minoritaire (10 \`{a} 20 \% des cas) de la propagation  jusqu'au sol
d'un des deux traceurs (Figure~\ref{fig5}b).

\begin{figure}
\includegraphics{fig03}
\caption{\label{fig3}Images en n\'{e}gatif extraites d'une vid\'{e}o
rapide \`{a} 14~000 i/s montrant la descente du pr\'{e}curseur
n\'{e}gatif. L'origine des temps pour les images est prise par rapport
\`{a} l'instant de connexion. Eclair du 27 juillet 2013 \`{a} 04h01 UTC
au-dessus de Paris (a)~${-}1428~\upmu$s  (b)~${-}928~\upmu$s 
(c)~${-}214~\upmu$s (d)~$0~\upmu$s.}
\end{figure}

\begin{figure}
\vspace*{2pt}
\includegraphics{fig04}
\vspace*{4pt}
\caption{\label{fig4}Images extraites d'une vid\'{e}o rapide \`{a}
14~000 i/s montrant la descente du pr\'{e}curseur positif. L'origine
des temps pour les images est prise par rapport \`{a} l'instant de
connexion. Eclair du 23 juillet 2013 \`{a} 13h31 UTC au-dessus de Paris
(a)~${-}1286~\upmu$s  (b)~${-}714~\upmu$s (c)~${-}143~\upmu$s
(d)~$0~\upmu$s.}
\vspace*{6pt}
\end{figure}

\begin{figure}
\includegraphics{fig05}
\caption{\label{fig5}Illustration sch\'{e}matique du d\'{e}veloppement
d'un \'{e}clair \`{a} partir de deux traceurs de polarit\'{e}
diff\'{e}rente. En noir sont indiqu\'{e}s les canaux du traceur
n\'{e}gatif et en rouge ceux du positif. (a)~double traceurs se
d\'{e}veloppant au sein du nuage entre les deux poches de charge. 
(b)~Double traceurs dont le traceur n\'{e}gatif dans cet exemple se
connecte au sol.}
\end{figure}

\section{Le M\'{e}canisme de Foudroiement d'un Avion}\label{sec3}

\subsection{Les campagnes en vol pour l'\'{e}tude du
foudroiement}\label{sec3.1}
La fin des ann\'{e}es 60 marquent l'essor de l'aviation commerciale
avec l'arriv\'{e}e des familles B737 et B747. Les avions, construits en
m\'{e}tal, deviennent \'{e}galement de plus en plus complexes. 
C'est~aussi durant cette d\'{e}cennie qu'un B707 connait une explosion
catastrophique en vol lors d'un foudroiement, rappelant ainsi le danger
li\'{e} \`{a} ce ph\'{e}nom\`{e}ne. 

Les ann\'{e}es 80 sont marqu\'{e}es par plusieurs avanc\'{e}es
technologiques majeures dans l'aviation civile. Alors que l'utilisation
de mat\'{e}riaux composites, comme la fibre de carbone, \'{e}tait
limit\'{e}e jusqu'aux ann\'{e}es 70, \`{a} des composants secondaires
non structuraux (car\'{e}nages, ailerons) en raison de leur
l\'{e}g\`{e}ret\'{e}, ces mat\'{e}riaux commencent \`{a} \^{e}tre
int\'{e}gr\'{e}s, bien que de fa\c{c}on limit\'{e}e, aux structures
primaires, notamment dans certaines parties de la voilure et du
fuselage. C'est \'{e}galement \`{a} cette p\'{e}riode que les commandes
de vol \'{e}lectriques sont utilis\'{e}es pour la premi\`{e}re fois sur
le programme de l'AIRBUS A320.

En parall\`{e}le, les premi\`{e}res normes et r\'{e}glementations
sp\'{e}cifiques \`{a} la protection contre la foudre se d\'{e}veloppent
progressivement, au fur et \`{a} mesure des avanc\'{e}es technologiques
et d'une meilleure compr\'{e}hension des ph\'{e}nom\`{e}nes physiques.
Cette derni\`{e}re reste cependant tr\`{e}s limit\'{e}e et s'appuie
exclusivement sur les observations faites sur les \'{e}clairs
nuage-sol. 

Pour franchir un cap, la NASA met en place le programme NASA NF-106B
N816NA~\cite{31}. Il consiste, de 1980 \`{a} 1984, \`{a} r\'{e}aliser
des campagnes en vol d\'{e}di\'{e}es pour \'{e}tudier le foudroiement
des a\'{e}ronefs. L'avion utilis\'{e} est un F106B instrument\'{e}
(Figure~\ref{fig6}a). Durant cette p\'{e}riode, le F106B a vol\'{e}
\`{a} travers 1496 nuages d'orage au cours de 195 vols. Il a
\'{e}t\'{e} foudroy\'{e} 714 fois. Il d\'{e}tient le record de 72
foudroiements en un vol \`{a} 11~km d'altitude au-dessus de la Caroline
du Nord aux \'{E}tats-Unis en juillet 1982. La Figure~\ref{fig6}b
montre l'alt\'{e}ration de la peinture au d\'{e}but des campagnes
apr\`{e}s des foudroiements. Les chercheurs notent que la pr\'{e}sence
de peinture conduit \`{a} augmenter les dommages en produisant des
points brul\'{e}s et fondus sur le fuselage, non observ\'{e}s sur des
parties non peintes. Aussi, la peinture de l'avion est enlev\'{e}e pour
le reste des campagnes. Lors de ces campagnes, il a \'{e}t\'{e}
observ\'{e} que, sur cet avion, les foudroiements \'{e}taient dix fois
plus fr\'{e}quents au-dessus de 6~km qu'en dessous. Au cours de ces
vols, des photographies \'{e}taient r\'{e}alis\'{e}es comme le montre
la  Figure~\ref{fig7} o\`{u}  l'on voit une partie de l'\'{e}clair
attach\'{e}e \`{a}  l'arri\`{e}re de l'avion. Lors de chaque
foudroiement, des mesures \'{e}taient \'{e}galement r\'{e}alis\'{e}es
pour analyser les effets de la foudre sur les commandes
\'{e}lectroniques. L'acquisition se faisait sur des fen\^{e}tres de
quelques centaines de microsecondes \`{a} comparer \`{a} une dur\'{e}e
d'\'{e}clair pouvant atteindre une seconde. Ces mesures ont apport\'{e}
des \'{e}l\'{e}ments pour \'{e}valuer les niveaux de contraintes
\'{e}lectriques au niveau des syst\`{e}mes \'{e}lectriques mais ne
permettaient pas de comprendre les ph\'{e}nom\`{e}nes qui conduisaient
\`{a} un foudroiement.

\begin{figure}
\includegraphics{fig06}
\vspace*{4pt}
\caption{\label{fig6}Images du F106B utilis\'{e}e par la NASA pour les
campagnes en vol sur l'\'{e}tude du foudroiement de 1980 \`{a} 1984.
(a)~Image avant les campagnes en vol (Source NASA).  (b)~Image
apr\`{e}s un certain nombre de foudroiements (Source NASA). (c)~Image
du F106B apr\`{e}s le retrait de sa peinture (Source NASA).}
\vspace*{6pt}
\end{figure}

\begin{figure}
\includegraphics{fig07}
\vspace*{4pt}
\caption{\label{fig7}Photographie vue du cockpit de l'\'{e}clair
foudroyant le F106B (Source NASA).}
\end{figure}

Face \`{a} cette limite, deux autres programmes de campagnes en vol sur
le foudroiement ont \'{e}t\'{e} mis en place \`{a} la suite de celui de
la NASA. Le premier, men\'{e} par l'US Air Force \`{a} partir d'un
avion CONVAIR CV580, s'est d\'{e}roul\'{e} de 1984 \`{a} 1985 et le
second, men\'{e} en France par la Direction G\'{e}n\'{e}rale de
l'Armement (DGA) avec l'ONERA, DGA Essais en vol et DGA Techniques
A\'{e}ronautiques, a utilis\'{e} un avion TRANSALL C160 de 1984 \`{a}
1988. Ces avions de transport avaient la capacit\'{e} d'embarquer une
instrumentation plus grande que celle du F106B en raison de leur
taille, par contre leur domaine de vol \'{e}tait plus restreint
(altitude de vol maximale inf\'{e}rieure \`{a} 5000 m, vitesses
inf\'{e}rieures \`{a} 100~m/s) en comparaison de celui du F106B. 

Le TRANSALL, comme l'illustre la  Figure~\ref{fig8}, \'{e}tait
\'{e}quip\'{e} en 1988 de l'instrumentation suivante~:
\begin{itemize}
\item 
quatre perches pour mesurer le courant de l'\'{e}clair, lorsqu'au moins
un pied d'arc d'\'{e}clair \'{e}tait attach\'{e} \`{a} l'une des
perches~;
\item 
de moulins \`{a} champ \'{e}lectrostatique (FM) avec une largeur de
bande du DC \`{a} 40~Hz pour mesurer le champ \'{e}lectrostatique
produit par le nuage d'orage au moment du foudroiement. 
\item 
de capteurs \'{e}lectromagn\'{e}tiques (E,H) positionn\'{e}s de
fa\c{c}on sym\'{e}trique sur l'avion et ayant respectivement des bandes
passantes de 5~Hz \`{a} 5~MHz et de 300~Hz \`{a} 5~MHz. Ils ne mesurent
que le champ \'{e}lectromagn\'{e}tique \`{a} l'emplacement du capteur.
Il est \'{e}galement important de noter qu'ils ne mesurent que les
variations du champ \'{e}lectromagn\'{e}tique (Voir fr\'{e}quence de
coupure basse). Par convention, le champ \'{e}lectrique varie
positivement lorsque la variation de charge \'{e}lectrique n\'{e}gative
augmente.
\item 
de cam\'{e}ras (C) dont l'une sous l'aile pour filmer l'interaction de
l'\'{e}clair sur l'avion~;
\end{itemize}
Pour le courant et les mesures \'{e}lectromagn\'{e}tiques, les
dur\'{e}es d'acquisition se faisaient sur plusieurs centaines de
millisecondes, permettant ainsi de capter tous les signaux intervenant
lors d'un foudroiement. Les cam\'{e}ras et les moulins \`{a} champ
fonctionnaient en continu. Le bilan de ces campagnes est de 31
foudroiements enregistr\'{e}s sur CONVAIR en 1985 et de 11
foudroiements sur TRANSALL en 1988.

\begin{figure}
\includegraphics{fig08}
\caption{\label{fig8}Illustration des capteurs embarqu\'{e}s sur le
TRANSALL. $E_X$, $H_X$~:  $E$ capteur de champ \'{e}lectrique rapide 
$N\text{\textdegree}X$,  $H$ capteur de champ magn\'{e}tique rapide 
$N\text{\textdegree}X$.  $I_{\mathrm{AV}}$,  $I_{\mathrm{AR}}$,
$I_{\mathrm{AID}}$,  $I_{\mathrm{AIG}}$ perches pour la mesure du
courant foudre et de sa d\'{e}riv\'{e}e.  $FM_{X}$~: moulin \`{a} champ
\'{e}lectrostatique  $N\text{\textdegree}X$. $C\text{\textdegree}X$ est
la cam\'{e}ra  $N\text{\textdegree}X$.  C$_1$ est la cam\'{e}ra au
niveau du cockpit et  C$_2$ la cam\'{e}ra sous l'aile gauche. Les
lignes en pointill\'{e} montrent l'angle de vue des cam\'{e}ras.}
\end{figure}

\subsection{L'initiation du foudroiement sur avion}\label{sec3.2}
L'analyse des mesures \'{e}lectriques montre qu'il y a deux types de
signature conduisant \`{a} un foudroiement dont l'interpr\'{e}tation a
\'{e}t\'{e} faite par Mazur~\cite{32} \`{a} partir d'une approche
\'{e}lectrostatique. Le premier sc\'{e}nario, associ\'{e} \`{a} 90 \%
des foudroiements~\cite{33}, est illustr\'{e} \`{a} la
Figure~\ref{fig9}. Il se produit quand le champ \'{e}lectrostatique,
g\'{e}n\'{e}r\'{e} par le nuage d'orage et mesur\'{e} par les moulins
\`{a} champ~\cite{34}, atteint une valeur autour de
100${\delta}$~kV/m (${\delta}$ densit\'{e} relative de l'air par
rapport au niveau de la mer). On mesure alors sur tous les capteurs
\'{e}lectriques  $E_1$ \`{a}  $E_7$, la m\^{e}me
variation du champ \'{e}lectrique avec des niveaux d\'{e}pendant de la
position du capteur sur l'avion (facteur g\'{e}om\'{e}trique). 

\begin{figure}
\includegraphics{fig09}
\caption{\label{fig9}Evolution typique du champ \'{e}lectrique et du
courant mesur\'{e}s sur l'avion pour le sc\'{e}nario majoritaire de
foudroiement~\cite{33}. Cela correspond au d\'{e}clenchement de
l'\'{e}clair \`{a} partir de l'avion. Par convention, une variation
n\'{e}gative de la charge conduit \`{a} une variation positive du champ
\'{e}lectrique. Les parties bleu clair illustrent le ou les traceurs
entour\'{e}s de la charge \'{e}lectrique qu'ils d\'{e}posent d'ans
l'air.}
\end{figure}

Juste avant le d\'{e}but du foudroiement au temps  $t_{a}$, l'avion est
polaris\'{e} \'{e}lectriquement par le champ \'{e}lectrostatique du
nuage  $E_{o}$, comme illustr\'{e} \`{a} la  Figure~\ref{fig9}. La
ligne pointill\'{e}e L$_{1}$ sch\'{e}matise la ligne de s\'{e}paration
entre les charges \'{e}lectriques positives et n\'{e}gatives sur la
surface de l'avion. Comme la d\'{e}charge positive s'amorce plus
facilement que la d\'{e}charge n\'{e}gative, la variation du champ
\'{e}lectrique sur la surface entre les temps  $t_{a}$ et  $t_{b}$ est
associ\'{e}e au d\'{e}marrage et au d\'{e}veloppement du traceur
positif. Il se propage \`{a} une vitesse comprise entre 10$^{4}$~m/s et
10$^{5}$~m/s dans la direction du champ \'{e}lectrostatique du nuage Eo
pendant une dur\'{e}e d'environ 4 ms. Pendant cette propagation, ce
traceur injecte de la charge n\'{e}gative dans l'avion ce qui conduit
par convention sur les capteurs \`{a} avoir une variation positive du
champ \'{e}lectrique. Cette charge n\'{e}gative conduit \`{a} faire
bouger la ligne de s\'{e}paration des charges de  L$_{1}$ \`{a} L$_{2}$
et \`{a} augmenter, dans cet exemple, les charges \'{e}lectriques
n\'{e}gatives sur la partie arri\`{e}re de l'a\'{e}ronef. Le courant
inject\'{e} par ce traceur dans l'avion est continu et sa faible valeur
de quelques dizaines d'amp\`{e}re, se situait dans le bruit de la
mesure des capteurs de courant. 

A partir de $t_{b}$, on observe une variation descendante par bonds
pendant environ 2~ms jusqu'au temps  $t_{c}$. Cela correspond au
d\'{e}marrage et \`{a} la propagation du traceur n\'{e}gatif \`{a}
partir de la queue de l'appareil. A chaque bond, une impulsion de
courant, mesur\'{e}e entre 0.1 et 5~kA, est inject\'{e}e \`{a} travers
le canal du traceur dans l'avion. Comme l'illustre la
Figure~\ref{fig9}, les impulsions de courant du traceur n\'{e}gatif,
qu'il produit \`{a} sa t\^{e}te, s'att\'{e}nuent au cours du temps.
C'est li\'{e} au filtrage des impulsions de courant par le canal du
traceur qui se comporte comme un filtre passe bas. Plus la longueur de
celui-ci est grande plus sa fr\'{e}quence de coupure haute est faible,
transformant les impulsions de courant \`{a} sa t\^{e}te en un courant
continu au niveau de l'avion. 

Au-del\`{a} du temps  $t_c$, la variation du champ \'{e}lectrique
redevient positive. Elle correspond \`{a} une augmentation de la charge
produite par le traceur positif favoris\'{e}e par le d\'{e}veloppement
du traceur n\'{e}gatif. On retrouve la double d\'{e}charge
\'{e}lectrique, d\'{e}crite par Kasemir~\cite{16}, pour expliquer le
d\'{e}veloppement d'un \'{e}clair naturel dans un nuage d'orage. 

Il est important de noter que dans ce sc\'{e}nario, l'avion
d\'{e}clenche son propre foudroiement. Une fois d\'{e}clench\'{e},
l'\'{e}clair produit est tr\`{e}s similaire \`{a} un \'{e}clair naturel
mais amorc\'{e} \`{a} un seuil plus faible que celui observ\'{e}
naturellement \cite{8}.

Le deuxi\`{e}me sc\'{e}nario, conduisant \`{a} un foudroiement d'avion,
est le moins fr\'{e}quent (10 \% des cas~\cite{33}) mais paradoxalement
assez similaire aux m\'{e}canismes d'un \'{e}clair naturel descendant
foudroyant une structure au sol. 

Comme l'illustre la  Figure~\ref{fig10}, avant $t_{1}$, le champ
\'{e}lectrique atmosph\'{e}rique est faible autour de quelques
kilovolts par m\`{e}tre. Il est insuffisant pour d\'{e}clencher le
foudroiement depuis l'avion.

\begin{figure}
\includegraphics{fig10}
\vspace*{4pt}
\caption{\label{fig10}Evolution typique du champ \'{e}lectrique $E$ sur
l'avion dans 10 \% des cas de foudroiement d'apr\`{e}s~\cite{33}. Eo
champ \'{e}lectrique produit par le nuage d'orage (Champ
\'{e}lectrostatique atmosph\'{e}rique). $E_{\mathrm{ext}}(t)$ champ
\'{e}lectrique variable produit par le d\'{e}veloppement d'un traceur
positif naturel.}
\vspace*{6pt}
\end{figure}

Entre les temps $t_{1}$ et  $t_{2}$, l'\'{e}volution du champ
\'{e}lectrique montre une polarisation \'{e}lectrique de l'avion.
L'origine de cette \'{e}volution est suppos\'{e}e \^{e}tre  l'approche
d'une branche d'un traceur positif naturel qui g\'{e}n\`{e}re un champ
\'{e}lectrique $E_{\mathrm{ext}}(t)$, augmentant avec le temps. Dans
cette illustration, les capteurs  $E_{1}$ \`{a} $E_{3}$ voient une
augmentation du champ \'{e}lectrique alors que les capteurs $E_{7}$ et 
$E_{8}$ mesurent une variation n\'{e}gative. Pour les capteurs  $E_{4}$
et $E_{5}$, positionn\'{e}s sur les ailes et proches de la ligne de
neutralit\'{e} \'{e}lectrique  L$_{1}$, la variation du champ
\'{e}lectrique est quasi-nulle.

Entre  $t_{2}$ et  $t_{3}$, toutes les mesures de champ \'{e}lectrique
varient vers les valeurs n\'{e}gatives. Cela correspond \`{a} la phase
de connexion de la branche du traceur positif \`{a} l'avion, comme
illustr\'{e} par la partie orange sur la Figure~\ref{fig10}. Lors de
cette connexion, l'avion se met au potentiel \'{e}lectrique du traceur
en acqu\'{e}rant une charge positive, ce qui provoque les variations
n\'{e}gatives du champ \'{e}lectrique sur tous les capteurs.

A partir de  $t_{3}$, le champ \'{e}lectrique varie positivement sur
tous les capteurs \'{e}lectriques. Cela correspond \`{a} la poursuite
du d\'{e}veloppement de la branche du traceur positif depuis la partie
arri\`{e}re de l'appareil. Il est important de noter qu'\`{a} priori,
d'autres branches du traceur se d\'{e}veloppent en parall\`{e}le. La
pr\'{e}sence de l'avion dans le canal de l'\'{e}clair ne modifie pas la
nature de l'\'{e}clair.

Dans ce sc\'{e}nario, on remarque que, sur les quelques mesures
obtenues, l'avion intercepte toujours une branche d'un traceur positif
de l'\'{e}clair.  D'un point de vue th\'{e}orique, il n'y a pas de
raison pour qu'un traceur n\'{e}gatif ne soit pas \'{e}galement
intercept\'{e} par l'avion. Dans ce cas, la variation du champ
\'{e}lectrique devrait \^{e}tre assez similaire \`{a} la
Figure~\ref{fig9} avec, avant  $t_{a}$, une polarisation de l'avion
comparable \`{a} celle observ\'{e}e sur la Figure~\ref{fig10} entre les
temps  $t_{1}$ et $t_{2}$.

\subsection{La phase d'arc de la foudre sur avion}\label{sec3.3}
Apr\`{e}s la phase d'initiation, qui ne dure que quelques
millisecondes, la phase d'arc d\'{e}bute \`{a} partir du temps
$t_{{rs1}}$  (Figures~\ref{fig9},~\ref{fig10}). Durant cette phase,
des impulsions de courant de plusieurs dizaines de kiloamp\`{e}res se
produisent lorsqu'un des traceurs atteint le sol ou si l'\'{e}clair
reste confin\'{e} \`{a} l'int\'{e}rieur du nuage. 

La pr\'{e}sence de l'avion a un faible impact sur la dynamique de
l'\'{e}clair. En effet, l'avion n'est qu'un tout petit \'{e}l\'{e}ment
conducteur (environ 40~m) int\'{e}gr\'{e} dans des canaux de
l'\'{e}clair qui peuvent atteindre une dizaine de kilom\`{e}tres de
long. Les fortes impulsions de courant se d\'{e}clenchent loin de
l'avion et remontent ces canaux avant de traverser finalement l'avion.
La dur\'{e}e des \'{e}clairs d\'{e}clench\'{e}s par un avion est
similaire \`{a} celle des \'{e}clairs naturels, de l'ordre de
plusieurs centaines de millisecondes.

Sur ces longues dur\'{e}es, contrairement \`{a} la phase d'initiation,
l'avion s'est d\'{e}plac\'{e}, dans l'air, de plusieurs dizaines de
m\`{e}tres, tandis que les canaux de l'\'{e}clair restent fixes dans la
masse d'air. Comme le montrent les images de la Figure~\ref{fig11}
prises dans le r\'{e}f\'{e}rentiel avion, le pied de  l'arc foudre se
d\'{e}place sur la surface de l'avion au niveau du nez, tandis que le
canal accroch\'{e} \`{a} l'arri\`{e}re  s'\'{e}tire pour compenser
l'avanc\'{e}e de l'avion. 

\begin{figure}
\vspace*{2pt}
\includegraphics{fig11}
\caption{\label{fig11}S\'{e}rie d'images prise lors du foudroiement du
TRANSALL lors de l'\'{e}v\`{e}nement 1988\_J223\_16\_44\_45 dans le
r\'{e}f\'{e}rentiel avion. La prise d'images est faite via la
cam\'{e}ra C2 sous l'aile et regardant le fuselage qui filmait \`{a}
200 images par seconde. La dur\'{e}e T$_{10}$--T$_{1}$ est entre 300 et
400~ms.}
\vspace*{2pt}
\end{figure}

Si l'\'{e}clair dure suffisamment longtemps, les deux canaux se
rejoignent \`{a} l'arri\`{e}re et le foudroiement s'arr\^{e}te, le
courant ne traversant plus l'avion. Ce ph\'{e}nom\`{e}ne est
appel\'{e} ph\'{e}nom\`{e}ne de balayage du pied d'arc. Il a pour
cons\'{e}quence de limiter la dur\'{e}e de pr\'{e}sence du pied d'arc
en un point donn\'{e} du fuselage, \`{a} l'exception des parties
arri\`{e}re o\`{u} il peut persister pendant toute la dur\'{e}e du
foudroiement. Ce m\'{e}canisme explique pourquoi la plupart des parties
du fuselage peuvent \^{e}tre impact\'{e}es par la foudre.

\section{Impacts du Foudroiement sur les A\'{e}ronefs}\label{sec4}

\subsection{Le retour d'exp\'{e}rience}\label{sec4.1}
Les campagnes en vol d\'{e}di\'{e}es ont consid\'{e}rablement
am\'{e}lior\'{e} notre compr\'{e}hension des m\'{e}canismes de
foudroiement malgr\'{e} le faible nombre d'\'{e}v\`{e}nements
enregistr\'{e}s. De nos jours, les r\'{e}seaux sociaux sont devenus une
pr\'{e}cieuse source d'information, le public partageant
fr\'{e}quemment des vid\'{e}os de foudroiement dont il a \'{e}t\'{e} le
t\'{e}moin. 

La  Figure~\ref{fig12} montre deux \'{e}v\`{e}nements o\`{u} les
directions de d\'{e}veloppement des traceurs de la foudre depuis
l'avion sont clairement visibles~:
\begin{itemize}
\item 
Figure~\ref{fig12}a~: Cette image montre le foudroiement d'un B747 en
2010, lors de son d\'{e}collage \`{a} l'a\'{e}roport d'Osaka.
L'\'{e}v\`{e}nement s'est produit \`{a} basse altitude, sous un orage
de gr\^{e}le. On observe que le traceur montant vers le nuage a la
structure d'un traceur positif tandis que celui qui descend est
n\'{e}gatif. 
\item 
Figure~\ref{fig12}b~: Cette image repr\'{e}sente le foudroiement d'un
B777 en 2017, au d\'{e}collage d'Amsterdam. Bien qu'il soit plus
difficile de d\'{e}duire la polarit\'{e} des traceurs dans ce cas,
l'image montre clairement qu'un traceur se propage vers le nuage et
l'autre vers le sol. 
\end{itemize}
Pour ces deux situations, l'avion d\'{e}clenche son propre
foudroiement, un m\'{e}canisme d\'{e}j\`{a} identifi\'{e} lors des
campagnes en vol men\'{e}es avec les avions Transall et Convair. 

\begin{figure}
\includegraphics{fig12}
\caption{\label{fig12}(a)~Image du foudroiement d'un Boeing 747
d\'{e}collant de l'a\'{e}roport d'Osaka au japon en 2010 (Source
Professeur Zen Kawasaki de l'universit\'{e} d'Osaka). (b)~Image du
foudroiement d'un Boeing 777 d\'{e}collant de l'a\'{e}roport
d'Amsterdam en 2017. Les fl\`{e}ches orange montrent la direction de
d\'{e}veloppement des traceurs de la foudre depuis l'avion (Source
\url{https://youtu.be/OJUXUB5T-lw}).}
\end{figure}

Outre les observations directes et les campagnes d\'{e}di\'{e}es, les
bases de donn\'{e}es d'incidents des compagnies a\'{e}riennes et des
avionneurs repr\'{e}sentent une source d'information cruciale sur le
foudroiement. Chaque fois qu'un foudroiement est d\'{e}tect\'{e} en vol
par le pilote ou lors d'une inspection de maintenance, des rapports
sp\'{e}cifiques sont r\'{e}dig\'{e}s~: Les PIREPS (PIlot REPortS) ou
MAREPS (MAintenance REPortS). 

Ces documents, dont la pr\'{e}cision peut varier, consignent des
informations essentielles~: les conditions atmosph\'{e}riques au moment
du foudroiement, les points o\`{u} des dommages sont observ\'{e}s, et
les \'{e}l\'{e}ments qui ont n\'{e}cessit\'{e} une r\'{e}paration. 

Gr\^{a}ce \`{a} ces informations, on estime qu'un avion de transport
civil est foudroy\'{e} en moyenne une fois par an. Il est possible de
compiler tous les impacts foudre sur un type d'avion donn\'{e}, comme
le montre la  Figure~\ref{fig13} pour le BAC11-1. Cette compilation
r\'{e}v\`{e}le des zones de l'appareil particuli\`{e}rement sujettes
aux impacts, telles que la partie avant de l'avion, les
extr\'{e}mit\'{e}s des ailes, des ailerons et des d\'{e}rives
(notamment au niveau des bords de fuite). D'autres zones sont moins
fr\'{e}quemment touch\'{e}es, comme la partie centrale du fuselage et
d'autres encore tr\`{e}s rarement, comme le dessus des ailes pour ce
mod\`{e}le d'avion.

\begin{figure}
\includegraphics{fig13}
\caption{\label{fig13}Positionnement des points cumul\'{e}s d'impact de
la foudre pour le BAC 11-1 (Source BAe).}
\end{figure}

Le retour d'exp\'{e}rience des foudroiements en vol sur les avions de
ligne r\'{e}v\`{e}le une pr\'{e}dominance des foudroiements \`{a} basse
altitude comme l'indique la  Figure~\ref{fig14}, avec un maximum autour
de 2 000~m (6 000 Pieds). Cette observation correspond aux phases de
d\'{e}collage et  d'atterrissage, ce que confirme \'{e}galement la 
Figure~\ref{fig15} qui pr\'{e}sente la r\'{e}partition des
foudroiements en fonction de la phase de vol. 

\begin{figure}
\includegraphics{fig14}
\caption{\label{fig14}Distribution normalis\'{e}e du nombre de
foudroiements en vol en fonction de l'altitude, exprim\'{e}e en pieds
(source BAe). Statistique faite sur 2429 foudroiements.}
\end{figure}

\begin{figure}
\includegraphics{fig15}
\caption{\label{fig15}R\'{e}partition des foudroiements en fonction de
la phase de vol de l'avion (Source~BAe).}
\end{figure}

Ceci semble \^{e}tre en contradiction avec les r\'{e}sultats obtenus
lors des campagnes d'essais avec le F106B, qui sugg\'{e}raient un
risque de foudroiement majoritairement au-dessus de 6~km d'altitude.
Une explication avanc\'{e}e est que les pilotes de ligne, soucieux du
confort des passagers, \'{e}vitent autant que possible les
cumulonimbus, qui sont des zones de fortes turbulences. Le pilote du
F106B, en revanche, cherchait d\'{e}lib\'{e}r\'{e}ment \`{a} voler au
sein de ces formations nuageuses. Les seules zones o\`{u} les avions de
ligne ne peuvent pas syst\'{e}matiquement se d\'{e}router sont les
abords des a\'{e}roports. 

Les rapports d'incident indiquent par ailleurs que, lors des
foudroiements, les avions \'{e}voluaient \`{a} 80 \% \`{a}
l'int\'{e}rieur de nuages. Parmi ces nuages, 59 \% \'{e}taient des
cumulonimbus et 34~\% des cumulus, le restant \'{e}tant identifi\'{e}
par les pilotes comme des stratus.

\subsection{Les effets de la foudre sur l'avion}\label{sec4.2}
Les effets directs sont les dommages subis par la structure et les
\'{e}l\'{e}ments externes d'un a\'{e}ronef lors d'un foudroiement. Ces
dommages sont caus\'{e}s par l'exposition directe au plasma d'air
g\'{e}n\'{e}r\'{e} par l'\'{e}clair ou par une densit\'{e} de courant
foudre excessive. La circulation du courant et la pr\'{e}sence de ce
plasma peuvent entrainer les cons\'{e}quences suivantes~:
\begin{itemize}
\item 
Echauffement des mat\'{e}riaux\Tg</p>
\begin{itemize}
\item 
Effet Joule~: l'\'{e}chauffement est d\^{u} aux courants qui
circulent dans les mat\'{e}riaux.
\item 
\'{E}changes thermiques avec le plasma~: la chaleur intense du plasma
de l'\'{e}clair est transf\'{e}r\'{e}e aux surfaces de l'avion.
\end{itemize}
\item 
Contraintes m\'{e}caniques :\Tg</p>
\begin{itemize}
\item 
Forces de Laplace~: ces forces r\'{e}sultent de la circulation des
courants dans la structure.
\item
Forces de pression~: elles sont g\'{e}n\'{e}r\'{e}es par l'onde de choc
associ\'{e}e \`{a} la d\'{e}charge de foudre.
\end{itemize}
\item 
Contraintes \'{e}lectriques :\Tg</p>
\begin{itemize}
\item 
Claquage \'{e}lectrique des mat\'{e}riaux~: une tension \'{e}lectrique
trop \'{e}lev\'{e}e peut provoquer la rupture di\'{e}lectrique des
isolants.
\item 
G\'{e}n\'{e}ration d'\'{e}tincelles~: des \'{e}tincelles peuvent
appara\^{i}tre aux interfaces des assemblages en raison de la
circulation du courant de foudre.
\end{itemize}
\end{itemize}
La Figure~\ref{fig16} montre des dommages typiques observ\'{e}s sur le
rev\^{e}tement de l'avion, r\'{e}sultant des effets directs de la
foudre. Il s'agit g\'{e}n\'{e}ralement de br\^{u}lures de l'ordre d'une
dizaine de millim\`{e}tres de diam\`{e}tre, sur lesquelles des points
de fusion du fuselage peuvent \^{e}tre visibles (Figure~\ref{fig16}a,b).

\begin{figure}
\includegraphics{fig16}
\caption{\label{fig16}(a)~Photographie montrant les points d'impact de
la foudre sur le nez de l'avion~; points entour\'{e}s en rouge source
NTBS. (b)~Photographie montrant les points d'impact de la foudre sur la
verri\`{e}re de l'avion~; points entour\'{e}s en rouge source NTBS. 
(c)~Photographie d'un dommage du radome d'un avion \`{a} la suite d'un
foudroiement.  (d)~Photographie montrant les points d'impact de la
foudre sur les gouvernes de vol, zones entour\'{e}es en rouge source
NTBS.}
\end{figure}

Les effets indirects du foudroiement se manifestent par des dommages ou
des perturbations des syst\`{e}mes de l'avion. Ils sont caus\'{e}s par
les courants et les tensions g\'{e}n\'{e}r\'{e}s par couplage
\'{e}lectromagn\'{e}tique avec les courants foudre qui circulent sur
l'appareil. Ces effets peuvent entra\^{i}ner~:
\begin{itemize}
\item 
Des interf\'{e}rences \'{e}lectromagn\'{e}tiques (EMI) et des
perturbations des syst\`{e}mes \'{e}lectroniques.
\item 
Des dommages aux capteurs, aux calculateurs, ainsi qu'aux
syst\`{e}mes de communication et de navigation.
\item 
Des risques pour les syst\`{e}mes de commande de vol, notamment les
commandes \'{e}lectriques.
\end{itemize}
Au sein des compagnies a\'{e}riennes, les foudroiements sont
class\'{e}s selon leur gravit\'{e}~:
\begin{itemize}
\item 
Mineur~: il s'agit de dommages superficiels tels que le remplacement de
rivets, des marques de br\^{u}lure, le changement de d\'{e}perditeurs
passifs de potentiel, ou des d\'{e}g\^{a}ts de peinture
\item 
Moyen~: Ce niveau concerne l'impact sur des \'{e}l\'{e}ments sensibles
comme l'entr\'{e}e d'air moteur, les antennes, les panneaux de bord
d'attaque et de bord de fuite, ou les fen\^{e}tres, surtout si des
perforations du fuselage sont d\'{e}tect\'{e}es.
\item 
Important~: Cette cat\'{e}gorie regroupe les cas o\`{u} des
\'{e}l\'{e}ments critiques tels que les commandes de vol (palonnier,
aileron, \'{e}l\'{e}vateur, {\ldots}) et le cockpit sont touch\'{e}s. 
\end{itemize}
La cat\'{e}gorie du foudroiement d\'{e}termine l'ampleur de la
maintenance requise et, par cons\'{e}quent, la dur\'{e}e
d'immobilisation de l'appareil. L'immobilisation de l'avion et la perte
d'exploitation qui en d\'{e}coule repr\'{e}sentent le co\^{u}t le plus
significatif pour la compagnie. 

La Figure~\ref{fig17} illustre la r\'{e}partition du niveau
d'importance des coups de foudre observ\'{e}s sur une flotte d'une
compagnie Europ\'{e}enne sur une ann\'{e}e. La Figure~\ref{fig18}
pr\'{e}sente quant \`{a} elle les \'{e}l\'{e}ments ayant
n\'{e}cessit\'{e} une maintenance et leur localisation. Ces figures
montrent que les cas de foudre, jug\'{e}s ``importants''
repr\'{e}sentent moins de 10 \% des incidents.

\begin{figure}
\includegraphics{fig17}
\caption{\label{fig17}Exemple de r\'{e}partition des foudroiements en
mineur, moyen et important, observ\'{e}e sur l'ensemble d'une flotte
d'une compagnie Europ\'{e}enne sur une ann\'{e}e.}
\end{figure}

\begin{figure}
\includegraphics{fig18}
\caption{\label{fig18}Zones sur lesquelles des actions de maintenance
ont \'{e}t\'{e} r\'{e}alis\'{e}es suite \`{a} des foudroiements
observ\'{e}s sur l'ensemble de la flotte d'une compagnie Europ\'{e}enne
sur un an. Le codage couleur correspond \`{a} la position de
l'\'{e}l\'{e}ment impact\'{e} sur l'avion.}
\end{figure}

\section{Protection des avions contre la foudre}\label{sec5}
Pour \^{e}tre autoris\'{e} \`{a} voler, un a\'{e}ronef doit obtenir un
certificat de type par le biais d'un processus de certification
rigoureux. Ce processus garantit que l'a\'{e}ronef respecte les
exigences de s\'{e}curit\'{e} r\'{e}glementaires. Le niveau de
s\'{e}curit\'{e} requis impose une probabilit\'{e}, de d\'{e}faillance
majeure inf\'{e}rieure \`{a} 10$^{-9}$ par heure de vol pour chaque
syst\`{e}me critique de l'a\'{e}ronef.

Cette valeur est \'{e}tablie en partant du principe qu'un accident se
produit toutes les 1 million d'heures de vol, soit une probabilit\'{e}
de 10$^{-6}$ par heure de vol. Parmi les causes d'accident, seulement
10 \% sont attribuables \`{a} un probl\`{e}me technique, ce qui
ram\`{e}ne la probabilit\'{e} de d\'{e}faillance mat\'{e}rielle \`{a} 
10$^{-7}$ par heure de vol. Etant donn\'{e} qu'un avion contient
environ 100 \'{e}quipements critiques, on aboutit ainsi \`{a} la
probabilit\'{e} de d\'{e}faillance de  10$^{-9}$ par heure de vol et
par \'{e}quipement critique.

Etant donn\'{e} que les a\'{e}ronefs peuvent voler d'un pays \`{a}
l'autre, les r\'{e}glementations doivent \^{e}tre adopt\'{e}es au
niveau international. La Figure~\ref{fig19} montre une vue
sch\'{e}matique de  l'organisation de l'aviation civile mondiale et des
liens entre ses diff\'{e}rents acteurs. 

\begin{figure}
\includegraphics{fig19}
\vspace*{4pt}
\caption{\label{fig19}Sch\'{e}ma montrant l'organisation mise en place
au niveau international pour l'aviation civile.}
\vspace*{6pt}
\end{figure}

Tous les \'{e}tats sont repr\'{e}sent\'{e}s au niveau des nations unies
(ONU) qui d\'{e}l\`{e}guent leurs comp\'{e}tences \`{a} l'organisation
de l'aviation civile internationale (OACI). L'OACI, \`{a} son tour,
diffuse les r\'{e}glementations que chaque \'{e}tat doit ensuite mettre
en \oe{}uvre. Au niveau europ\'{e}en, la commission repr\'{e}sente
l'ensemble des \'{e}tats et d\'{e}l\`{e}gue \`{a}  l'agence de l'Union
Europ\'{e}enne pour la s\'{e}curit\'{e} a\'{e}rienne (AESA),
l'ex\'{e}cution des r\`{e}glements ainsi que l'\'{e}laborations des
exigences (CS~: Certification Specification) et des crit\`{e}res de
conformit\'{e} (AMC~: Acceptable Means of Compliance). Aux Etats-Unis,
cette fonction est assur\'{e}e par la Federal Aviation Agency (FAA). Ce
sont ces organismes qui, \`{a} l'issue du processus de certification,
d\'{e}livrent le certificat de type des avions.  

Les exigences de l'AESA (CS) sont des sp\'{e}cifications de haut niveau
qui varient en fonction du type d'a\'{e}ronef. Par exemple, la CS-25
regroupe toutes les exigences applicables aux grands avions de
transport. Concernant la protection des avions contre la foudre Au
niveau de la foudre, la CS 25.581 de l'EASA, sp\'{e}cifique aux grands
avions, se r\'{e}sume \`{a} la phrase cl\'{e} : ``The aeroplane must be
protected against catastrophic effects from lightning'', que l'on
traduit par \guillemotleft{}~un avion doit \^{e}tre prot\'{e}g\'{e}
contre les effets catastrophiques de la foudre~\guillemotright{}.

Des associations professionnelles, telles que l'EUROCAE en Europe et la
SAE aux Etats-Unis sont en charg\'{e}es d'\'{e}laborer des guides
m\'{e}thodologiques. Ces guides d\'{e}crivent les d\'{e}marches et les
proc\'{e}dures accept\'{e}es par les autorit\'{e}s pour d\'{e}montrer
la conformit\'{e} d'un avion en mati\`{e}re de r\'{e}sistance aux
effets catastrophiques, y compris ceux de la foudre.

La premi\`{e}re \'{e}tape cruciale pour prot\'{e}ger un avion contre la
foudre est de d\'{e}finir pr\'{e}cis\'{e}ment l'environnement foudre
auquel il devra r\'{e}sister. Cet environnement est d\'{e}taill\'{e}
dans le document ED-84A~\cite{35}. Il a \'{e}t\'{e} \'{e}labor\'{e}
\`{a} partir de mesures exp\'{e}rimentales de coups de foudre au sol et
d'une connaissance approfondie des m\'{e}canismes de foudroiement. Cet
environnement est constitu\'{e} de formes d'onde de courant qui ne
visent pas \`{a} reproduire exactement l'\'{e}clair \`{a} l'identique,
mais \`{a} garantir que leurs effets directs et indirects sur l'avion
soient sup\'{e}rieurs \`{a} ceux obtenus par un foudroiement r\'{e}el
(Figure~\ref{fig20}).

\begin{figure}
\includegraphics{fig20}
\caption{\label{fig20}Environnement foudre en courant auquel un avion
doit r\'{e}sister~\cite{35}.}
\end{figure}

Le \guillemotleft{}~multiple burst~\guillemotright{} se compose d'un
train de 20 impulsions de 10 kA, r\'{e}p\'{e}t\'{e} 3 fois. Ces
impulsions durent quelques microsecondes et repr\'{e}sentent le courant
du traceur n\'{e}gatif de la foudre inject\'{e} dans l'a\'{e}ronef. Le
nombre de 20 impulsions est sup\'{e}rieur au nombre d'impulsions
mesur\'{e} lors des campagnes en vol, assurant une marge de
s\'{e}curit\'{e}. L'intervalle de temps de  50~$\upmu$s \`{a} 1 ms
entre les 20 impulsions est \'{e}galement bas\'{e} des mesures en vol. 

La r\'{e}p\'{e}tition de ces trains 3 fois simule les observations des
campagnes en vol qui ont montr\'{e} deux tentatives d'amor\c{c}age de
la foudre avort\'{e}es depuis l'avion avant qu'un foudroiement ne se
produise. Les mesures ont indiqu\'{e} que l'intervalle de temps entre
ces tentatives se situe entre 30 ms et 300 ms. Le niveau de courant de
10 kA est deux fois sup\'{e}rieur aux mesures r\'{e}elles des campagnes
en vol. Bien que cette composante de courant produise peu d'effets
directs, elle est tr\`{e}s importante pour les effets indirects an
raison de la vitesse de mont\'{e}e du courant, qui atteint 
200~kA/$\upmu$s.

L'onde de courant A repr\'{e}sente le premier arc foudre qui frappe
l'avion. C'est une impulsion qui dure quelques centaines de
microsecondes et dont le pic atteint 200~kA. Ce niveau couvre plus de
98 \% des courants foudre mesur\'{e}s, ce qui est significativement
plus \'{e}lev\'{e} que le pic de courant moyen d'un \'{e}clair naturel
qui est d'environ 20 kA. L'onde A poss\`{e}de \'{e}galement \`{a} une
tr\`{e}s grande int\'{e}grale d'action de 2~MJ/Ohm, ce qui engendre
d'importants effets thermom\'{e}caniques au niveau du point d'impact de
l'arc de foudre sur l'a\'{e}ronef.

L'onde A est suivie par l'onde C, qui repr\'{e}sente le maintien du
canal de l'\'{e}clair sur des dur\'{e}es de plusieurs centaines de
millisecondes. Le courant de cette onde est compris entre 100 A et 
800~A et sa dur\'{e}e est ajust\'{e}e pour d\'{e}livrer une charge totale
de 200 C. Son effet sur les mat\'{e}riaux de l'avion est purement
thermique.

L'onde D repr\'{e}sente les arcs suivants. Leur intensit\'{e} est
suppos\'{e}e inf\'{e}rieure \`{a} celle de l'onde A. La dur\'{e}e de
cette onde est toujours de quelques centaines de microsecondes, mais le
pic est r\'{e}duit \`{a} 100 kA, ce qui reste tr\`{e}s sup\'{e}rieur au
pic de courant moyen d'un \'{e}clair. Son int\'{e}grale d'action de
0.25 MJ/Ohm produit \'{e}galement des effets thermom\'{e}caniques
significatifs au niveau du pied de l'arc.

Le \guillemotleft{}~Multiple Stroke~\guillemotright{} a pour fonction
de repr\'{e}senter tous les arcs successifs produits par un \'{e}clair.
De m\^{e}me le nombre de 13 impulsions couvre plus de 99.9 \% des
\'{e}clairs sachant que dans environ 50 \% des cas, un \'{e}clair ne
g\'{e}n\`{e}re qu'un seul arc. Cette composante est cruciale pour les
effets induits cumulatifs.

En conclusion, la contrainte en courant pour certifier un a\'{e}ronef
contre la foudre est 
\mbox{extr\^{e}mement} s\'{e}v\`{e}re. Cependant, cette
rigueur doit \^{e}tre mise en perspective avec la probabilit\'{e} de 
10$^{-9}$ par heure de vol qui doit \^{e}tre d\'{e}montr\'{e}e pour la
s\'{e}curit\'{e} des syst\`{e}mes critiques\unskip\break
de l'avion.

La deuxi\`{e}me \'{e}tape dans la d\'{e}marche de protection d'un
a\'{e}ronef \`{a} la foudre est le zoning. Cette approche prend en
compte le ph\'{e}nom\`{e}ne de balayage de l'arc sur la surface de
l'avion, caus\'{e} par le mouvement relatif entre le canal de
l'\'{e}clair (qui reste immobile dans l'air) et l'avion en
d\'{e}placement. Il en r\'{e}sulte que chaque surface de l'avion ne
subit qu'une partie de l'agression foudre. 

Le guide ED-91A~\cite{36} d\'{e}finit six zones distinctes, chacune
\'{e}tant associ\'{e}e \`{a} une partie sp\'{e}cifique des ondes de
courant de la  Figure~\ref{fig20}. 

Ces six zones sont d\'{e}finies comme suit~:  
\begin{itemize}
\item 
Zone 1A : Toutes les zones \`{a} la surface de l'avion o\`{u} un impact
d'un premier arc est probable avec un temps de maintien de l'arc sur
cette zone faible. Cette zone doit supporter les ondes de courant A et
B.
\item 
Zone 1B~: Toutes les zones \`{a} la surface de l'avion o\`{u} un impact
d'un premier arc est probable avec un long de maintien de l'arc sur
cette zone. Cette zone doit r\'{e}sister aux ondes de courant foudre
(A${+}$B${+}$C).
\item 
Zone 1C~: Toutes les surfaces de l'avion o\`{u} un premier arc
d'amplitude r\'{e}duite (150 kA) est probable mais avec un temps de
maintien faible. Cette zone prolonge la zone 1A. 
\item 
Zone 2A~: Toutes les surfaces qui peuvent \^{e}tre impact\'{e}es par un
des arcs suivants de l'\'{e}clair et avec un temps de maintien de l'arc
faible. Cette zone doit r\'{e}sister aux ondes de courant (D${+}$B).
\item 
Zone 2B~: Toutes les surfaces qui peuvent \^{e}tre impact\'{e}es par
des arcs suivants de l'\'{e}clair et avec un long temps de maintien de
l'arc. Cette zone doit r\'{e}sister aux ondes de courant (D${+}$B${+}$C).
\item 
Zone 3~: Dans cette zone, l'impact direct d'un arc foudre est peu
probable. Elle correspond aux surfaces restantes de l'avion et est le
compl\'{e}ment des zones 1 et 2. Dans cette zone, l'avion subit
uniquement un courant foudre de conduction qui transite entre les zones
1~et~2. 
\end{itemize}
La  Figure~\ref{fig21} pr\'{e}sente l'exemple de zoning tel que
d\'{e}fini dans l'ED-91A pour un avion de transport civil. Ce zoning
est \'{e}tabli \`{a} partir des observations d'impacts de foudre
relev\'{e}es au sol apr\`{e}s des foudroiements r\'{e}els. 

\begin{figure}
\includegraphics{fig21}
\caption{\label{fig21}Zoning d'un a\'{e}ronef civil de transport
extrait de l'ED-91A~\cite{36}.}
\end{figure}

Les zones 1A sont typiquement situ\'{e}es aux extr\'{e}mit\'{e}s de
l'a\'{e}ronef, comme le nez, les bouts d'ailes et des ailerons, la
d\'{e}rive verticale, et l'entr\'{e}e des moteurs. Sur ces zones, le
champ \'{e}lectrique produit par le nuage d'orage est fortement
amplifi\'{e}, ce qui favorise le d\'{e}veloppement des traceurs de
foudre. 

Les zones 1B sont g\'{e}n\'{e}ralement localis\'{e}es l\`{a} o\`{u} le
champ \'{e}lectrique atmosph\'{e}rique est \'{e}galement renforc\'{e},
ainsi que sur les bords de fuite. Dans ces zones, l'arc reste
accroch\'{e} pendant le d\'{e}placement de l'avion lors du
foudroiement. 

Les zones 1C et 2A se trouvent dans la continuit\'{e} des zones 1A. La
zone 2B est \'{e}galement situ\'{e}e sur des bords de fuite, faisant
suite \`{a} une zone 2A. 

Pour conclure cette partie, le zoning est la premi\`{e}re \'{e}tape
essentielle du processus de certification d'un avion \`{a} la foudre.
Il permet d'apporter des \'{e}l\'{e}ments pour d\'{e}montrer que
l'a\'{e}ronef est ad\'{e}quatement prot\'{e}g\'{e} contre les effets de
la foudre.

\section{La probl\'{e}matique foudre~: \'{e}volution et
enjeux}\label{sec6}
La s\'{e}curit\'{e} du transport a\'{e}rien s'appuie en grande partie
sur l'\'{e}volution constante de la r\'{e}glementation des
op\'{e}rations a\'{e}riennes et de la certification des mat\'{e}riels.
Comme nous l'avons vu pr\'{e}c\'{e}demment, face au risque li\'{e}
\`{a} la foudre, la conception d'une structure d'a\'{e}ronef doit
satisfaire aux crit\`{e}res drastiques de conception et de
s\'{e}curit\'{e} impos\'{e}s par les autorit\'{e}s de 
\mbox{certification.}

Du fait de leurs tr\`{e}s hautes performances m\'{e}caniques et de leur
contribution notable \`{a} l'am\'{e}lioration du bilan de masse,
l'usage des mat\'{e}riaux composites tend \`{a} se g\'{e}n\'{e}raliser
au niveau des structures d'a\'{e}ronefs, comme le montre la
Figure~\ref{fig22}. La part de composite \`{a} base de fibres carbone
atteint 50 \% de la masse du Dreamliner de Boeing et 53 \% pour l'A350
d'AIRBUS. 

\begin{figure}
\includegraphics{fig22}
\caption{\label{fig22}(a)~Part de composite dans la masse du Dreamliner
de Boeing (source Boeing). (b)~Evolution de la part des composites
\`{a} base de fibres carbones en fonction de la famille d'avion AIRBUS
(source AIRBUS).}
\end{figure}

Cependant ces mat\'{e}riaux restent tr\`{e}s complexes car ils sont
compos\'{e}s d'un assemblage de mat\'{e}riaux h\'{e}t\'{e}rog\`{e}nes.
Cette complexit\'{e} se traduit par des propri\'{e}t\'{e}s
m\'{e}caniques fortement anisotropes, des risques inh\'{e}rents de
pr\'{e}sence de d\'{e}fauts et des difficult\'{e}s dans la ma\^{i}trise
des assemblages (nature des mat\'{e}riaux, types de fixations,
m\'{e}thodes sp\'{e}cifiques d'assemblage). De plus, ces mat\'{e}riaux
poss\`{e}dent une conductivit\'{e} \'{e}lectrique elle-m\^{e}me
anisotrope et au moins mille fois plus faible que celle de l'aluminium
qu'ils remplacent.

Les particularit\'{e}s des mat\'{e}riaux composites ont des
r\'{e}percussions significatives sur la protection des structures
d'a\'{e}ronefs contre les effets directs de la foudre. Pour contrer le
risque de foudroiement, il est imp\'{e}ratif d'ajouter des
\'{e}l\'{e}ments de protection \`{a} la surface de ces mat\'{e}riaux.
La Figure~\ref{fig23} illustre ces fines couches m\'{e}talliques, dont
la masse varie de 80~gr/m$^{2}$ \`{a} 200~gr/m$^{2}$. Leur r\^{o}le est
de permettre aux courants de foudre de circuler sans provoquer de
dommages catastrophiques aux structures.

\begin{figure}
\includegraphics{fig23}
\caption{\label{fig23}Exemple de protection foudre rajout\'{e}e au
panneau composite carbone pour qu'il r\'{e}siste \`{a} un impact
foudre. (a)~Tissu \`{a} base de fil de bronze. (b)~Feuille de cuivre
d\'{e}ploy\'{e}e. (c)~Feuille de cuivre perfor\'{e}e.}
\end{figure}

Cependant, cette protection a un co\^{u}t~: une augmentation de la
masse de l'avion. Sur le Dreamliner, par exemple, le surpoids d\^{u}
aux protections foudre repr\'{e}sente environ 2.5 \% de la masse
totale, soit environ 3.5 tonnes. Sachant qu'une augmentation de 1 \% du
poids d'un avion entra\^{i}ne une hausse d'environ 0.75 \% de la
consommation de carburant, cela se traduit par une surconsommation
annuelle de carburant d'environ 363 t pour cet avion.

Le retour d'exp\'{e}rience des avionneurs sur les programmes
r\'{e}cents (Boeing 787, Airbus A350 et Falcon F5X) r\'{e}v\`{e}le que
la r\'{e}ponse des structures composites \`{a} la foudre est encore mal
comprise. Les risques d'endommagement, de perforation des panneaux
composites ou d'\'{e}tincelage des fixations dans les zones de
r\'{e}servoir sont particuli\`{e}rement difficiles \`{a} \'{e}valuer
avec les connaissances actuelles. 

Ce manque de connaissances, combin\'{e} au renforcement des exigences
r\'{e}glementaires en mati\`{e}re de s\'{e}curit\'{e} des
r\'{e}servoirs (FAR 25.981), entra\^{i}ne une augmentation d'un ordre
de grandeur du co\^{u}t de la certification li\'{e}e \`{a} la foudre.
Les industriels s'efforcent d'acqu\'{e}rir une meilleure ma\^{i}trise
des effets directs de la foudre sur les structures composites. Leur
objectif est d'\'{e}valuer de mani\`{e}re fiable la nature des
protections n\'{e}cessaires et la nature des protections
n\'{e}cessaires et de d\'{e}velopper des solutions techniques
optimis\'{e}es en termes de masse, de marges de conception, et de
d\'{e}lais et co\^{u}ts de d\'{e}veloppement et de certification.

Par ailleurs, l'urgence \'{e}cologique et l'\'{e}mergence de nouveaux
usages poussent les avionneurs et h\'{e}licopt\'{e}ristes \`{a}
concevoir des configurations d'a\'{e}ronefs en rupture avec l'existant
(Figure~\ref{fig24}). Ces nouvelles architectures remettent en question
les m\'{e}thodes de certification traditionnelles, qui s'appuient
largement sur le retour d'exp\'{e}rience. 

\begin{figure}
\vspace*{-2pt}
\includegraphics[scale=.95]{fig24}
\vspace*{-2pt}
\caption{\label{fig24}Nouveaux types a\'{e}rodyne (a)~LCA60T de la
soci\'{e}t\'{e} Flying Whale et d'a\'{e}ronefs (b)~City d'AIRBUS, 
(c)~Concept d'avion r\'{e}gional d'AIRBUS et (d)~Concept d'aile volante
d'AIRBUS pour r\'{e}pondre aux nouveaux usages et aux enjeux de
d\'{e}carbonation.}
\vspace*{-2pt}
\end{figure}

En ce qui concerne sp\'{e}cifiquement les risques li\'{e}s \`{a} la
foudre, l'approche normative du
\guillemotleft{}~zoning~\guillemotright{}, pourtant la premi\`{e}re
\'{e}tape de la base de certification foudre, devient inutilisable pour
identifier les zones de l'a\'{e}ronef les plus susceptibles d'\^{e}tre
des points d'attachement de la foudre. De plus, le retour
d'exp\'{e}rience des h\'{e}licopt\'{e}ristes sur les appareils en
service montre que la m\'{e}thode actuelle ne permet pas de tenir
compte de la complexit\'{e} des diff\'{e}rents emports qui modifient le
zoning des appareils. 

Les industriels sont donc activement \`{a} la recherche de nouvelles
m\'{e}thodes, valid\'{e}es et accept\'{e}es par les autorit\'{e}s de
certification pour \'{e}tablir le zoning sur les configurations
in\'{e}dites et pour mieux maitriser l'impact des diff\'{e}rents
\'{e}quipements en surface du fuselage sur les configurations
conventionnelles.

\section{Conclusion}\label{sec7}

\subsection{La foudre et l'a\'{e}ronautique : un ph\'{e}nom\`{e}ne
complexe et ses implications}
Les \'{e}clairs sont un ph\'{e}nom\`{e}ne complexe qui se d\'{e}veloppe
au sein du nuage d'orage, lequel agit comme un g\'{e}n\'{e}rateur
\'{e}lectrique. Les premi\`{e}res avanc\'{e}es scientifiques sur les
\'{e}clairs ont d\'{e}but\'{e} avec la d\'{e}monstration par Benjamin
Franklin de la nature \'{e}lectrique des orages, suivie par l'invention
du paratonnerre. Il a fallu attendre les ann\'{e}es 1960 pour que H. W.
Kasemir introduise la notion d'une double d\'{e}charge \'{e}lectrique
bidirectionnelle afin d'expliquer comment un \'{e}clair peut se
d\'{e}velopper \`{a} l'int\'{e}rieur d'un orage. Cette
repr\'{e}sentation th\'{e}orique a, par la suite, \'{e}t\'{e}
valid\'{e}e par les imageurs d'\'{e}clairs en bandes VHF et UHF.

En parall\`{e}le, l'apr\`{e}s-Seconde Guerre mondiale a marqu\'{e}
l'av\`{e}nement de l'a\'{e}ronautique civile mondiale. Cette croissance
du trafic a\'{e}rien s'est accompagn\'{e}e d'une augmentation du nombre
d'avions foudroy\'{e}s en vol, avec comme \'{e}v\'{e}nement majeur
l'explosion en vol du Boeing 707 de la Pan Am, le 8 d\'{e}cembre 1963.
Au d\'{e}but des ann\'{e}es 1980, des programmes majeurs ont
\'{e}t\'{e} mis en place par la NASA, la FAA et la DGA, utilisant
respectivement un F106, un Convair et un Transall, pour comprendre les
m\'{e}canismes physiques impliqu\'{e}s dans un foudroiement. Ces
\'{e}tudes ont permis de montrer que deux m\'{e}canismes distincts
conduisent au foudroiement d'un avion :
\begin{itemize}
\item 
\textbf{Le premier, majoritaire (90 \% des cas)}, correspond aux
situations o\`{u} l'avion d\'{e}clenche son propre foudroiement. Une
double d\'{e}charge \'{e}lectrique s'amorce depuis l'avion sur les
points qui renforcent le plus le champ \'{e}lectrique
g\'{e}n\'{e}r\'{e} par le nuage d'orage.
\item 
\textbf{Le second, repr\'{e}sentant 10 \% des cas}, est associ\'{e}
\`{a} l'interception d'un \'{e}clair naturel par l'avion.
\end{itemize}
Le retour d'exp\'{e}rience des avionneurs et des compagnies
a\'{e}riennes r\'{e}v\`{e}le que, dans la grande majorit\'{e} des cas,
le foudroiement se produit durant les phases d'approche, de descente ou
de d\'{e}collage. Seulement 8 \% des foudroiements entra\^{i}nent des
effets jug\'{e}s importants sur l'avion, car ils impactent des
\'{e}l\'{e}ments critiques. Les effets de la foudre se r\'{e}partissent
en :
\begin{itemize}
\item 
\textbf{Effets directs} : li\'{e}s \`{a} l'accrochage de l'arc
\'{e}lectrique et \`{a} la circulation du courant.
\item 
\textbf{Effets indirects} (ou induits) : correspondant aux
perturbations \'{e}lectromagn\'{e}tiques dues \`{a} l'\'{e}clair qui se
propagent jusqu'aux syst\`{e}mes de l'avion.
\end{itemize}

\subsection{R\'{e}glementation et D\'{e}fis pour l'aviation moderne}
Les autorit\'{e}s de l'aviation civile imposent qu'un avion civil soit
prot\'{e}g\'{e} \`{a} la foudre pour \^{e}tre certifi\'{e}. Au niveau
r\'{e}glementaire, les avions doivent pouvoir r\'{e}sister aux niveaux
de courant quasiment les plus forts (200~kA).

Les enjeux pour l'aviation moderne, qui utilise des mat\'{e}riaux
composites pour all\'{e}ger les avions, est d'augmenter la
compr\'{e}hension de l'interaction de la foudre avec ces mat\'{e}riaux
et les nouvelles g\'{e}om\'{e}tries d'a\'{e}ronef. Cela permettra
d'\'{e}laborer des solutions techniques optimis\'{e}es du point de vue
de la masse, des marges de conception, des d\'{e}lais et co\^{u}ts de
d\'{e}veloppement et de certification.

\section*{D\'eclaration d'int\'er\^ets} 
L'auteur ne travaille pas, ne conseille pas, ne poss\`ede pas de parts, ne
re\c coit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet
article, et n'a d\'eclar\'e aucune autre affiliation que son organisme de
recherche.

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\end{document}
