La construction des fuselages d'avions a évolué des premiers arrangements structurels en treillis de bois aux structures de coque monocoques aux structures de coque semi-monocoques actuelles.
Structure en treillis
Le principal inconvénient de la structure en treillis est son manque de forme profilée. Dans cette méthode de construction, des longueurs de tube, appelées longerons, sont soudées en place pour former un cadre bien contreventé. Des entretoises verticales et horizontales sont soudées aux longerons et donnent à la structure une forme carrée ou rectangulaire vue de l'extrémité. Des entretoises supplémentaires sont nécessaires pour résister aux contraintes qui peuvent provenir de n'importe quelle direction. Des longerons et des cloisons, ou des gabarits, sont ajoutés pour façonner le fuselage et soutenir le revêtement.
Au fur et à mesure que la technologie progressait, les concepteurs d'avions ont commencé à enfermer les éléments de la ferme pour rationaliser l'avion et améliorer les performances. Cela a été réalisé à l'origine avec du tissu en tissu, qui a finalement cédé la place à des métaux légers tels que l'aluminium. Dans certains cas, la peau extérieure peut supporter tout ou partie des charges de vol. La plupart des avions modernes utilisent une forme de cette structure de peau sollicitée connue sous le nom de construction monocoque ou semi-monocoque.
Monocoque
La construction monocoque utilise une peau sollicitée pour supporter presque toutes les charges, un peu comme une canette de boisson en aluminium. Bien que très solide, la construction monocoque est peu tolérante à la déformation de la surface. Par exemple, une canette de boisson en aluminium supporte des forces considérables aux extrémités de la canette, mais si le côté de la canette se déforme légèrement en supportant une charge, elle s'effondre facilement.
Étant donné que la plupart des contraintes de torsion et de flexion sont supportées par la peau externe plutôt que par un cadre ouvert, le besoin de contreventement interne a été éliminé ou réduit, ce qui permet d'économiser du poids et de maximiser l'espace. L'une des méthodes notables et innovantes d'utilisation de la construction monocoque a été employée par Jack Northrop. En 1918, il a conçu une nouvelle façon de construire un fuselage monocoque utilisé pour le Lockheed S-1 Racer. La technique utilisait deux demi-coques en contreplaqué moulé qui étaient collées ensemble autour de cerceaux ou de limons en bois. Pour construire les demi-coquilles, plutôt que de coller de nombreuses bandes de contreplaqué sur un coffrage, trois grands ensembles de bandes d'épicéa ont été imbibés de colle et posés dans un moule en béton semi-circulaire qui ressemblait à une baignoire. Ensuite, sous un couvercle bien serré, un ballon en caoutchouc a été gonflé dans la cavité pour presser le contreplaqué contre le moule. Vingt-quatre heures plus tard, la demi-coque lisse était prête à être jointe à une autre pour créer le fuselage. Les deux moitiés avaient chacune moins d'un quart de pouce d'épaisseur. Bien qu'utilisée au début de la période de l'aviation, la construction monocoque ne réapparaîtra pas avant plusieurs décennies en raison des complexités impliquées. Des exemples quotidiens de construction monocoque peuvent être trouvés dans la fabrication automobile où le monocoque est considéré comme la norme dans la fabrication.
Semimonocoque
La construction semi-monocoque, partielle ou à moitié, utilise une sous-structure à laquelle est fixée la peau de l'avion. La sous-structure, qui se compose de cloisons et/ou de gabarits de différentes tailles et de longerons, renforce la peau sollicitée en reprenant une partie de la contrainte de flexion du fuselage. La section principale du fuselage comprend également des points d'attache d'aile et un pare-feu. Sur les avions monomoteurs, le moteur est généralement fixé à l'avant du fuselage. Il y a une cloison ignifuge entre l'arrière du moteur et le poste de pilotage ou la cabine pour protéger le pilote et les passagers des incendies accidentels du moteur. Cette cloison est appelée pare-feu et est généralement constituée d'un matériau résistant à la chaleur tel que l'acier inoxydable. Cependant, un nouveau procédé de construction émergent est l'intégration de composites ou d'avions entièrement en composites.
Construction composite
Histoire
L'utilisation de composites dans la construction aéronautique peut être datée des avions de la Seconde Guerre mondiale lorsque l'isolation en fibre de verre souple a été utilisée dans les fuselages B-29. À la fin des années 1950, les fabricants européens de planeurs hautes performances utilisaient la fibre de verre comme structures principales. En 1965, le type FAA a certifié le premier avion tout en fibre de verre dans la catégorie normale, un planeur suisse appelé Diamant HBV. Quatre ans plus tard, la FAA a certifié un Windecker Eagle monomoteur à quatre places dans la catégorie normale. En 2005, plus de 35 % des nouveaux avions étaient construits en matériaux composites.
Composite est un terme large et peut signifier des matériaux tels que la fibre de verre, le tissu en fibre de carbone, le tissu Kevlar™ et des mélanges de tout ce qui précède. La construction composite offre deux avantages : des peaux extrêmement lisses et la possibilité de former facilement des structures courbes ou profilées complexes.
Matériaux composites dans les avions
Les matériaux composites sont des systèmes matriciels renforcés de fibres. La matrice est la « colle » utilisée pour maintenir les fibres ensemble et, une fois durcie, donne sa forme à la pièce, mais les fibres supportent la majeure partie de la charge. Il existe de nombreux types de fibres et de systèmes matriciels différents.
Dans les avions, la matrice la plus courante est la résine époxy, qui est un type de plastique thermodurcissable. Comparé à d'autres choix tels que la résine polyester, l'époxy est plus résistant et possède de bonnes propriétés à haute température. Il existe de nombreux types d'époxydes disponibles avec une large gamme de propriétés structurelles, de temps et de températures de durcissement et de coûts.
Les fibres de renforcement les plus couramment utilisées dans la construction aéronautique sont la fibre de verre et la fibre de carbone. La fibre de verre a une bonne résistance à la traction et à la compression, une bonne résistance aux chocs, est facile à travailler et est relativement peu coûteuse et facilement disponible. Son principal inconvénient est qu'il est un peu lourd, et il est difficile d'alléger une structure porteuse en fibre de verre par rapport à une structure équivalente en aluminium bien conçue.
La fibre de carbone est généralement plus résistante à la traction et à la compression que la fibre de verre et a une rigidité en flexion beaucoup plus élevée. Il est également beaucoup plus léger que la fibre de verre. Cependant, sa résistance aux chocs est relativement faible; les fibres sont cassantes et ont tendance à se briser sous un impact violent. Cela peut être grandement amélioré avec un système de résine époxy "durci", tel qu'utilisé dans les stabilisateurs horizontaux et verticaux du Boeing 787. La fibre de carbone est plus chère que la fibre de verre, mais le prix a baissé en raison des innovations portées par le programme B-2 dans les années 1980 et les travaux du Boeing 777 dans les années 1990. Des structures en fibre de carbone très bien conçues peuvent être nettement plus légères qu'une structure en aluminium équivalente, parfois de 30 % environ.
Avantages des composites
La construction composite offre plusieurs avantages par rapport au métal, au bois ou au tissu, son poids plus léger étant le plus fréquemment cité. Un poids plus léger n'est pas toujours automatique. Il faut se rappeler que construire une structure d'avion en composite ne garantit pas qu'elle sera plus légère ; cela dépend de la structure, ainsi que du type de composite utilisé.
Un avantage plus important est qu'une structure aérodynamique très lisse, incurvée et composée de matériaux composites réduit la traînée. C'est la principale raison pour laquelle les concepteurs de planeurs sont passés du métal et du bois aux composites dans les années 1960. Dans les avions, l'utilisation de composites réduit la traînée des avions de production Cirrus et Columbia, ce qui leur confère des performances élevées malgré leur train d'atterrissage fixe. Les composites aident également à masquer la signature radar des conceptions d'avions "furtifs", tels que le B-2 et le F-22. Aujourd'hui, les composites peuvent être trouvés dans des aéronefs aussi variés que des planeurs à la plupart des nouveaux hélicoptères.
L'absence de corrosion est un troisième avantage des composites. Boeing conçoit le 787, avec son fuselage entièrement en composite, pour avoir à la fois un différentiel de pression plus élevé et une humidité plus élevée dans la cabine que les avions de ligne précédents. Les ingénieurs ne sont plus aussi préoccupés par la corrosion due à la condensation de l'humidité sur les zones cachées des revêtements du fuselage, comme derrière les matelas isolants. Cela devrait entraîner une baisse des coûts de maintenance à long terme pour les compagnies aériennes.
Un autre avantage des composites est leur bonne performance dans un environnement flexible, comme dans les pales de rotor d'hélicoptère. Contrairement aux métaux, les composites ne souffrent pas de la fatigue du métal et de la croissance des fissures. Bien que cela nécessite une ingénierie minutieuse, les pales de rotor composites peuvent avoir des durées de vie considérablement plus élevées que les pales métalliques, et la plupart des nouveaux modèles d'hélicoptères de grande taille ont toutes des pales composites et, dans de nombreux cas, des moyeux de rotor composites.
Inconvénients des composites
La construction composite présente ses propres inconvénients, dont le plus important est l'absence de preuve visuelle des dommages. Les composites réagissent différemment des autres matériaux structuraux à l'impact, et il n'y a souvent aucun signe évident de dommage. Par exemple, si une voiture recule dans un fuselage en aluminium, cela pourrait bosseler le fuselage. Si le fuselage n'est pas bosselé, il n'y a aucun dommage. Si le fuselage est bosselé, les dégâts sont visibles et les réparations sont effectuées.
Dans une structure composite, un impact à faible énergie, tel qu'un choc ou une chute d'outil, peut ne laisser aucun signe visible de l'impact sur la surface. Sous le site d'impact, il peut y avoir des délaminages étendus, se propageant dans une zone en forme de cône à partir de l'emplacement de l'impact. Les dommages à l'arrière de la structure peuvent être importants et étendus, mais ils peuvent être cachés. Chaque fois que l'on a des raisons de penser qu'il peut y avoir eu un impact, même mineur, il est préférable de demander à un inspecteur familiarisé avec les composites d'examiner la structure afin de déterminer les dommages sous-jacents. L'apparition de zones "blanchâtres" dans une structure en fibre de verre est un bon indice que des délaminages de rupture de fibre se sont produits.
Un impact d'énergie moyenne (peut-être la voiture reculant contre la structure) entraîne un écrasement local de la surface, qui doit être visible à l'œil nu. La zone endommagée est plus grande que la zone écrasée visible et devra être réparée. Un impact à haute énergie, tel qu'un impact d'oiseau ou de la grêle en vol, entraîne une perforation et une structure gravement endommagée. Dans les impacts à moyenne et haute énergie, les dommages sont visibles à l'œil nu, mais les impacts à faible énergie sont difficiles à détecter.
Si un impact entraîne des délaminations, un écrasement de la surface ou une crevaison, alors une réparation est obligatoire. En attendant la réparation, la zone endommagée doit être recouverte et protégée de la pluie. De nombreuses pièces composites sont composées de peaux minces sur une âme en nid d'abeille, créant une structure « en sandwich ». Bien qu'elle soit excellente pour des raisons de rigidité structurelle, une telle structure est une cible facile pour l'entrée d'eau (entrante), entraînant d'autres problèmes plus tard. Un morceau de "speed tape" sur la crevaison est un bon moyen de la protéger de l'eau, mais ce n'est pas une réparation structurelle. L'utilisation d'une pâte de remplissage pour couvrir les dommages, bien qu'acceptable à des fins esthétiques, n'est pas non plus une réparation structurelle.
Le potentiel d'endommagement de la résine par la chaleur est un autre inconvénient de l'utilisation de composites. Alors que "trop chaud" dépend du système de résine particulier choisi, de nombreux époxydes commencent à s'affaiblir au-dessus de 150 ° F. La peinture blanche sur les composites est souvent utilisée pour minimiser ce problème. Par exemple, le bas d'une aile peinte en noir faisant face à une rampe d'asphalte noire par une journée chaude et ensoleillée peut atteindre 220 ° F. La même structure, peinte en blanc, dépasse rarement 140 °F. En conséquence, les avions composites ont souvent des recommandations spécifiques sur les couleurs de peinture autorisées. Si l'avion est repeint, ces recommandations doivent être suivies. Des dommages causés par la chaleur peuvent également survenir en raison d'un incendie. Même un petit feu de frein rapidement éteint peut endommager les revêtements inférieurs des ailes, les jambes de train d'atterrissage en composite ou les carénages de roue.
De plus, les décapants chimiques sont très nocifs pour les composites et ne doivent pas être utilisés sur ceux-ci. Si la peinture doit être retirée des composites, seules les méthodes mécaniques sont autorisées, telles que le sablage doux ou le ponçage. De nombreuses pièces composites coûteuses ont été abîmées par l'utilisation de décapants pour peinture et de tels dommages ne sont généralement pas réparables.
Déversements de fluides sur les composites
Certains propriétaires s'inquiètent des déversements de carburant, d'huile ou de liquide hydraulique sur les surfaces composites. Ce n'est généralement pas un problème avec les composites modernes utilisant de la résine époxy. Habituellement, si le déversement n'attaque pas la peinture, il n'endommagera pas le composite sous-jacent. Certains avions utilisent des réservoirs de carburant en fibre de verre, par exemple, dans lesquels le carburant roule directement contre la surface composite sans utiliser de scellant. Si la structure en fibre de verre est fabriquée avec certains des types de résine polyester les moins chers, il peut y avoir un problème lors de l'utilisation d'essence automobile avec de l'éthanol mélangé au mélange. Les types de résine polyester les plus chers, ainsi que la résine époxy, peuvent être utilisés avec l'essence automobile, ainsi qu'avec l'essence d'aviation à indice d'octane 100 (avgas) et le carburéacteur.
Protection contre la foudre
La protection contre la foudre est une considération importante dans la conception des avions. Lorsqu'un avion est touché par la foudre, une très grande quantité d'énergie est délivrée à la structure. Que vous pilotiez un avion léger de l'aviation générale (GA) ou un gros avion de ligne, le principe de base de la protection contre la foudre est le même. Pour n'importe quel avion de taille, l'énergie de la frappe doit être répartie sur une grande surface pour abaisser les ampères par pouce carré à un niveau inoffensif.
Si la foudre frappe un avion en aluminium, l'énergie électrique se conduit naturellement facilement à travers la structure en aluminium. Le défi consiste à maintenir l'énergie hors de l'avionique, des systèmes de carburant, etc., jusqu'à ce qu'elle puisse être conduite par-dessus bord en toute sécurité. La peau extérieure de l'avion est le chemin de moindre résistance.
Dans un avion composite, la fibre de verre est un excellent isolant électrique, tandis que la fibre de carbone conduit l'électricité, mais pas aussi facilement que l'aluminium. Par conséquent, une conductivité électrique supplémentaire doit être ajoutée à la couche extérieure de la peau composite. Cela se fait généralement avec de fines mailles métalliques collées sur les surfaces de la peau. Les mailles en aluminium et en cuivre sont les deux types les plus courants, l'aluminium étant utilisé sur la fibre de verre et le cuivre sur la fibre de carbone. Toutes les réparations structurelles sur les zones protégées par la foudre doivent également inclure le treillis ainsi que la structure sous-jacente.
Pour les aéronefs composites dotés d'antennes radio internes, il doit y avoir des « fenêtres » dans le maillage de la foudre dans la zone de l'antenne. Des antennes radio internes peuvent être trouvées dans les composites en fibre de verre car la fibre de verre est transparente aux fréquences radio, contrairement à la fibre de carbone.
L'avenir des composites
Au cours des décennies qui ont suivi la Seconde Guerre mondiale, les composites ont joué un rôle important dans la conception de la structure des aéronefs. Leur flexibilité de conception et leur résistance à la corrosion, ainsi que les rapports résistance/poids élevés possibles, continueront sans aucun doute à conduire à des conceptions d'avions plus innovantes à l'avenir. Du Cirrus SR-20 au Boeing 787, il est évident que les composites ont trouvé leur place dans la construction aéronautique et sont là pour rester.
