Matériaux composites en aérospatiale

Le poids est tout quand il s'agit de machines plus lourdes que l'air, et les concepteurs se sont efforcés continuellement d'améliorer les rapports portance / poids depuis que l'homme a pris l'air. Matériaux composites ont joué un rôle majeur dans la réduction de poids, et il existe aujourd'hui trois principaux types d'utilisation: époxy renforcé de fibre de carbone, de verre et d'aramide; il en existe d'autres, comme le bore renforcé (lui-même un composite formé sur un noyau de tungstène).

Depuis 1987, l'utilisation des composites en aérospatiale a doublé tous les cinq ans et de nouveaux composites apparaissent régulièrement.

Les composites sont polyvalents, utilisés à la fois pour les applications structurelles et les composants, dans tous les avions et vaisseau spatial, des gondoles et planeurs de montgolfières aux avions de ligne, avions de chasse et l'espace Navette. Les applications vont des avions complets tels que le Beech Starship aux assemblages d'ailes, aux pales de rotor d'hélicoptère, aux hélices, aux sièges et aux enceintes d'instruments.

Les types ont des propriétés mécaniques différentes et sont utilisés dans différents domaines de la construction aéronautique. La fibre de carbone, par exemple, a un comportement à la fatigue unique et est fragile, comme l'a découvert Rolls-Royce dans les années 1960 lorsque le moteur à réaction RB211 innovant avec des pales de compresseur en fibre de carbone est tombé en panne à cause d'un oiseau grèves.

Alors qu'une aile en aluminium a une durée de vie connue en fatigue de métal, la fibre de carbone est beaucoup moins prévisible (mais s'améliore considérablement chaque jour), mais le bore fonctionne bien (comme dans l'aile de la tactique avancée Combattant). Les fibres d'aramide («Kevlar» est une marque propriétaire bien connue appartenant à DuPont) sont largement utilisées sous forme de feuilles en nid d'abeilles pour construire des cloisons, des réservoirs de carburant et des planchers très rigides et très légers. Ils sont également utilisés dans les composants des ailes avant et arrière.

Dans un programme expérimental, Boeing a utilisé avec succès 1 500 pièces composites pour remplacer 11 000 composants métalliques dans un hélicoptère. L'utilisation de composants à base de composite à la place du métal dans le cadre des cycles de maintenance se développe rapidement dans l'aviation commerciale et de loisirs.

Dans l'ensemble, la fibre de carbone est la fibre composite la plus utilisée dans les applications aérospatiales.

Nous en avons déjà évoqué quelques-uns, comme l'économie de poids, mais voici une liste complète:

• Réduction de poids - des économies de l'ordre de 20% à 50% sont souvent citées.
• Il est facile d'assembler des composants complexes à l'aide de machines de stratification automatisées et de processus de moulage par rotation.
• Les structures moulées monocoques (`` monocoque '') offrent une résistance supérieure à un poids beaucoup plus faible.
• Les propriétés mécaniques peuvent être personnalisées par une conception «superposée», avec des épaisseurs effilées de tissu de renfort et une orientation du tissu.
• Stabilité thermique des composites signifie qu'ils ne se dilatent / ne se contractent pas excessivement avec un changement de température (par exemple une piste de 90 ° F à -67 ° F à 35 000 pieds en quelques minutes).
• Haute résistance aux chocs - les blindages en Kevlar (aramide) protègent également les avions - par exemple, réduisant les dommages accidentels aux pylônes du moteur qui transportent les commandes du moteur et les conduites de carburant.
• Une tolérance élevée aux dommages améliore la capacité de survie aux accidents.
• Les problèmes «galvaniques» - électriques - de corrosion qui surviendraient lorsque deux métaux différents sont en contact (en particulier dans les environnements marins humides) sont évités. (Ici, la fibre de verre non conductrice joue un rôle.)
• Les problèmes de fatigue / corrosion combinés sont pratiquement éliminés.

Avec des coûts de carburant toujours croissants et lobbying environnemental, le vol commercial subit une pression soutenue pour améliorer ses performances et la réduction de poids est un facteur clé de l'équation.

Au-delà des coûts d'exploitation quotidiens, les programmes de maintenance des avions peuvent être simplifiés par une réduction du nombre de composants et une réduction de la corrosion. La nature compétitive des activités de construction d'avions garantit que toute opportunité de réduire les coûts d'exploitation est explorée et exploitée dans la mesure du possible.

La concurrence existe également dans l'armée, avec une pression continue pour augmenter la charge utile et la portée, les caractéristiques de performance de vol et la «capacité de survie», non seulement des avions mais aussi des missiles.

La technologie des composites continue de progresser et l'avènement de nouveaux types tels que les formes de basalte et de nanotubes de carbone est certain d'accélérer et d'étendre l'utilisation des composites.

En matière d'aérospatiale, les matériaux composites sont là pour rester.