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Evolution des structures d’aéronefs

 

En 1903, le Flyer I conçu par les frères Wright réalisa son premier vol public. Ce vol est souvent considéré comme le premier de l’histoire de l’aviation car il s’agissait d’un aéroplane à moteur dont on pouvait contrôler les commandes de vol. Construit en acier, en bois et en toile collée, l’appareil représentait une prouesse technique, si l’on tient compte des connaissances et des moteurs de l’époque.

De nos jours, les principes de base de la structure des aéronefs tels que nous les connaissons depuis le premier vol des frères Wright son remis en cause.

La structure des premiers aéronefs était faite de bois et de toile collée et des câbles en acier permettaient de contrôler les commandes de vol. La conception, dont le but était d’obtenir une rigidité capable de soutenir l’aéronef en cours de vol, avec les matériaux utilisés, exigeait une répartition des vecteurs de force garantissant que les pressions exercées sur le bois n’atteindraient pas des niveaux pouvant provoquer des torsions excessives ou des ruptures. Pour ce faire, les structures comprenaient des longerons et des nervures, dont le nombre et les dimensions avaient une importante incidence sur le poids total ; à cela s’ajoutaient des problèmes liés au manque de stabilité des matériaux en conditions de vol, à la manœuvrabilité et aux conditions météorologiques. Outre les craintes liées au poids de l’appareil, les calculs relatifs aux forces exercées en vol étaient impossibles puisque l’on ne disposait pas d’instruments appropriés aux calculs des valeurs réelles. Malgré les calculs effectués par les ingénieurs sur les surfaces de portance et sur la structure en général, de nombreux facteurs ne pouvaient être déterminés et contrôlés, ce qui réduisait considérablement les capacités de vol.

Lors de la Seconde Guerre mondiale il a été nécessaire de concevoir de nouveaux moyens de transport lourds, capables d’embarquer des troupes et de l’armement, tout en offrant vitesse et manœuvrabilité, en particulier pour les avions d’escorte et de chasse. C’est ainsi que débuta le développement de nouvelles techniques de commande et, de plus, des études plus poussées concernant la structure et la recherche du meilleur rendement possible en matière de capacité (vitesse) et de consommation, ainsi que l’utilisation du métal dans la structure (principalement de l’aluminium).

La capacité de transport des nouveaux véhicules exigeait une capacité de traction plus élevée que celle existant à l’époque, ce qui a entraîné l’étude de nouvelles formes de propulsion et de techniques de fabrication des hélices. Les nouveaux moteurs conçus dès lors offraient l’impulsion nécessaire pour déplacer la charge embarquée prévue, mais augmentaient la consommation et le poids total de l’aéroplane, à cause du propre poids du moteur et du carburant supplémentaire requis. C’est à ce moment de l’histoire que sont nés le premier turboréacteur dédié au transport de personnes et le moteur à propulsion (fusée), en tant que moyen d’élévation de véhicules sans pilote. En plus des nouveaux systèmes de propulsion, il est apparu que les surfaces portantes et les commandes de l’aéronef exigeaient des forces de manœuvrabilité assez importantes ; par conséquent, le pilotage au moyen de systèmes de câbles d’acier, notamment pour la commande de certaines pièces (ailerons, volets) était pratiquement impossible ; il a donc été nécessaire de concevoir des systèmes de commande indirects à partir de servocommandes hydrauliques. C’est ainsi qu’est née la direction assistée utilisée aujourd’hui dans les automobiles.

Les poids et des forces exercées sur la structure des aéronefs ont entraîné des modifications dans la conception, afin de mieux contrôler la répartition toujours plus complexe des vecteurs car l’utilisation directe de nervures ou de longerons aurait encore augmenté le poids. L’étude de la conception aéronautique a alors pris une place plus importante dans l’ingénierie.

Après le conflit, l’aviation civile a tiré parti des progrès réalisés pendant cette période et a approfondi les études de ces nouvelles capacités pour le transport aérien. Les mesures des tensions et des forces en cours de vol ont débuté, entraînant des modifications dans la conception structurelle et l’utilisation de nouveaux matériaux, offrant plus de flexibilité et de résistance aux forces tout en étant plus légers. Les matériaux composites ont alors fait leur apparition.

Ces matériaux, tels que les fibres (carbone, polyester, etc.), les panneaux sandwichs métalliques et autres techniques similaires ont permis d’améliorer le rendement sans pour autant avoir une grande incidence sur la consommation. Nous partons aujourd’hui du principe que la charge utile d’un aéronef commercial correspond à environ 30 % du poids total de l’appareil ; la part la plus importante du poids correspond au combustible nécessaire au décollage, aux moteurs et au reste des équipements.

Toutefois, l’avancée actuelle la plus importante réside dans la philosophie qui consiste à ne pas rechercher une structure plus légère ou plus robuste, mais à obtenir des moyens de propulsion permettant d’économiser du carburant et de réduire le poids des équipements, en fabriquant des systèmes électroniques légers, en optant pour la fibre optique ou un système sans fil fiable, de manière à ce que la charge utile de l’aéronef soit supérieure au poids à vide. En ce qui concerne la structure, il va de soi que les recherches en matière d’aéronefs se tournent vers des matériaux plus résistants, les plus légers possible. Aujourd’hui, les études visent à concevoir des matériaux légers, ce qui a notamment permis de concevoir la « mousse métallique ».

Il existe trois possibilités pour améliorer le rapport entre la résistance et le poids d’un matériau : améliorer sa résistance, réduire sa densité ou les deux à la fois. Dans le but de diminuer la densité tout en améliorant la résistance, un matériau proche d’une mousse a été créé ; il comprend des alvéoles contrôlées et corrigées, de manière à ce qu’elles correspondent à une direction, un espacement et un nombre déterminés ; la structure est ensuite rigidifiée à l’aide d’une fine couche d’oxyde d’aluminium, ce qui permet d’obtenir une dureté similaire à celle de l’acier, mais avec une densité comparable à celle de l’eau (revue scientifique « PNAS » Proceedings or the National Academy of Science of the United States of America). Toutefois, le coût de ce nouveau matériau est actuellement prohibitif.

Aujourd’hui, de nombreuses études innovantes visent les objectifs mentionnés, mais certaines souhaitent même aller au-delà, en remettant en question les principes de base de la structure des aéronefs, tels que nous les connaissons depuis le premier vol des frères Wright. Tous ces concepts seront peut-être obsolètes dans quelques années, mais il ne fait aucun doute que la constante évolution de la structure des aéronefs se poursuivra sans relâche.

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