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Les avancées de la recherche en matière de structure, de motorisation et de systèmes embarqués pour avion


14 juillet 2017
Par Pierre Deschamps

Yves Rémond, professeur de mécanique des matériaux, polymères et composites à l’université de Strasbourg (ECPM), est un spécialiste de la modélisation et de la simulation des matériaux polymères, composites, et plus particulièrement de la modélisation multi-échelle des matériaux inertes ou vivants.

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Au cours de sa carrière, il a été professeur invité au Pacific NW National Lab (États-Unis), à Georgia Tech GE (États-Unis), à l’Académie des Sciences de Moscou (Russie) et au centre de recherches Aquila M&Mocs (Italie).

Dans la foulée du récent Salon du Bourget, ce dernier, qui est aussi et directeur adjoint scientifique de l’Institut des sciences de l’ingénierie et des systèmes (Insis) du CNRS, a signé, dans Le Journal du CNRS un article intitulé « Des scientifiques dans le cockpit » qui fait état des avancées de la recherche en matière de structure, de motorisation et de systèmes embarqués des avions d’aujourd’hui.

Tout en faisant observer d’entrée de jeu que l’allure des avions « nous semble presque inchangée depuis cinquante ans, elle cache des évolutions impressionnantes, précise-t-il. Tous ces engins profitent aujourd’hui de nouveaux matériaux, de structures plus fiables et allégées, d’écoulements optimisés de l’air autour des ailes, d’une meilleure combustion dans les turboréacteurs, d’une diminution du bruit, des émissions nocives et de la consommation de carburant, d’un meilleur contrôle du givrage, d’un freinage plus performant ou encore d’une aide au pilotage optimisée ». Structure, motorisation, systèmes embarqués : « ces trois composantes de l’avion, d’un coût similaire, ont toutes bénéficié des avancées de la recherche », ajoute ce chercheur de premier plan.

Le premier élément caractéristique de la révolution qu’a connu ces dernières années la construction des avions est sa structure, « à savoir le fuselage, les ailes, l’empennage, mais aussi ces structures cachées qui confèrent à l’avion sa rigidité et sa résistance ». Si toutes ces structures ont d’abord été entièrement métalliques, elles ont été depuis « allégées avec l’utilisation de matériaux de plus en plus performants. Des alliages plus légers ont donc été rapidement utilisés. Puis, nous sommes entrés dans l’ère des matériaux composites, avec des renforts de fibres de carbone noyées dans des polymères. »

Dans son article, l’auteur donne deux exemples de cette évolution Tout d’abord, il y a celui déjà ancien de l’A320 d’Airbus sur lequel « on trouvait près de 4,5 tonnes de structures en composites, permettant un gain de plus d’une tonne par rapport à une structure métallique et une économie de plusieurs milliers de tonnes de kérosène sur la vie de l’avion ». Ensuite, il y a celui de l’A380, sur lequel « la pièce composite sur laquelle viennent s’accrocher ses ailes gigantesques a permis un allègement du poids de l’avion de trois tonnes ».

Si bien que de « 5 % de la masse de la structure il y a quarante ans, on dépasse désormais les 50 % de composites sur les derniers avions de ligne. Ces matériaux ont même conquis les freins ». Héritiers des modèles à tambour d’avant 1950, ceux-ci sont aujourd’hui « en carbone-carbone, capables de garder leurs propriétés jusqu’à 2 000° C, qui permettent d’évacuer en quelques secondes d’atterrissage toute l’énergie cinétique d’un avion », indique Yves Rémond.

Le seul hic, c’est que les matériaux composites possèdent des modes d’endommagement bien plus complexes à prévoir que les métaux. Mais, paradoxe intéressant, si « les matériaux composites se fissurent très tôt dans leur vie, [ils] résistent bien mieux à la fatigue que les alliages. En revanche, ils sont plus sensibles que les alliages métalliques à la présence de trous, qui vont constituer un départ d’endommagement ».

Suffit de ne pas faire de trous dans un avion, pourrait-on dire. « Hélas, lance-t-il, c’est le mode d’assemblage le plus largement utilisé pour la construction d’un avion ». À tel point, qu’on trouve « plusieurs millions de trous dans certains gros avions de ligne actuels. C’est dire si le calcul de la prévision des ruptures au voisinage de ces trous est important. Et au final, les structures trouées des avions étant aussi sollicitées en fatigue, les composites s’en sortent largement mieux que les alliages ».

La motorisation a fait également l’objet de progrès considérables, compte tenu des phénomènes très complexes qui s’y déroulent : écoulements turbulents, combustion à maintenir, températures très élevées à supporter, entre autres. Aussi des chercheurs œuvrent-ils actuellement « à mieux comprendre la combustion, avec un impératif en tête : la société demande à juste titre une diminution des consommations de carburant et des nuisances sonores, et une augmentation de la fiabilité ». Ce qui n’est pas sans rappeler la quadrature du cercle.

Quant aux systèmes embarqués, qui regroupent l’ensemble des équipements informatiques (matériels, logiciels) de pilotage et de commande, de capteurs, radios et radars, « ils doivent résister avec une fiabilité absolue à toutes les contraintes du vol : secousses, vibrations, froid intense à l’extérieur, chaleur extrême à proximité de la combustion, durée de vie de plusieurs années, résistance aux intempéries et à la foudre ». Autre défi de taille : la sécurisation de toutes les connexions, surtout quand on sait, par exemple, qu’il y a, rien de moins « de 400 à 600 kilomètres de câbles dans un A380 ».

À quoi s’ajoutent bien d’autres domaines, parfois étonnants, qui restent à explorer. Comme l’avance Yves Rémond, « c’est le cas notamment des essais sur “ mésostructures ”, qui visent à limiter au maximum le nombre d’essais à réaliser pour concevoir un nouvel avion, tout en augmentant la quantité d’informations obtenues ». Ce qui lui fait dire en fin de compte que « la recherche a encore beaucoup d’idées pour faire voler les avions du futur ».

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