LA TECHNOLOGIE DES FUTURS AVIONS CIVILS - UN POINT DE VUE EUROPEEN

 

Jean ROEDER 1

Introduction 

En tant qu'organisation, Airbus Industrie a pour rôle d'offrir au transport aérien des avions de 150 places et plus, avec des rayons d'action allant jusqu'à 7 000 milles nautiques. Nous sommes sur le marché depuis plus de 15 ans, et nos partenaires industriels depuis bien plus longtemps. Nos avions ont la réputation d'être parmi les plus avancés du moment.

Ces acquis nous poussent à une certaine fierté, mais aussi à la modestie ; nous avons pu mesurer en effet combien l'avancée technologique était difficile et sujette à contraintes extérieures ; c'est ce que j'essaierai de vous faire sentir, avant de décrire les voies du développement technique telles que nous les envisagerons aujourd'hui.

Mais d'abord une explication.

Si cette conférence porte le sous-titre un point de vue européen, c'est parce que les développements techniques réalisés en Europe, ainsi que les décisions politiques anciennes et récentes prises par les responsables européens, ne cessent d'influencer nos structures industrielles et nos produits.

Certes la science n'a pas de patrie, comme l'a énoncé Louis Pasteur, mais les technologies, elles, n'existent que dans des ensembles industriels ou scientifiques bien définis. Etant au service d'une entreprise regroupant des moyens et des hommes provenant de plusieurs pays de l'Europe, je ne puis porter sur le développement des avions civils le même regard qu'un ingénieur américain, au service d'une firme américaine dont la clientèle est en majorité américaine.

Dans la limite des nécessités économiques, nous nous sentons le devoir non seulement d'appliquer au mieux les innovations qui pourraient naître en Europe, mais encore de stimuler autant que possible la recherche appliquée dans les universités, dans les laboratoires, pour faire progresser nos produits et le transport aérien en général.

A cet effet, Airbus Industrie a tissé des liens avec les instituts de recherches et les centres universitaires européens, venant renforcer ceux que les industriels membres du programme Airbus ont établi de longue date.

Historique

Avant de parler des progrès futurs, je vous donne une idée de la cadence à laquelle les innovations apparaissent, mesurées soit par des paramètres techniques, soit par la réduction progressive du coût d'exploitation (Direct Operating Cost, ou DOC) - (figure 1).

A l'apparition du transport aérien dans les années 20, il n'y avait ni configuration bien établie, ni principes structuraux, ni concept aérodynamique, ni moteur efficace.

Cette époque connût cependant de nombreux développements et innovations dispersées : voilure monoplan en porte à faux, structures métalliques, moteur refroidi par air, trains d'atterrissage rentrants,...

C'est le DC-2 de Douglas, entré en service en 1934, qui combina pour la première fois toutes ces innovations. Pour les mêmes capacités et rayon d'action que ses prédécesseurs, il était plus rapide de 55 % et offrait un coût d'exploitation réduit de 33 %.

On mesure ainsi l'efficacité du regroupement d'innovations techniques. Pourtant, le DC-2 fut rapidement surpassé par le DC-3, qui devait une réduction de 25 % du coût d'exploitation à une augmentation de capacité de 50 %.

Ensemble, ces deux avions marquent le début du transport aérien moderne et économique.

L'étape majeure suivante fut l'apparition sur une même cellule du moteur à réaction et de l'aile en flèche : ainsi, les B-707 et DC-8 retrouvaient le coût d'exploitation du DC-6, avec une productivité accrue grâce à leur vitesse.

Les améliorations se sont succédées, mais les progrès en DOC deviennent plus modestes en valeur absolue. D'autre part, comme on peut le voir figure 2, la vitesse de croisière ne progresse guère et le rayon d'action est aux limites du nécessaire. Seule la capacité des avions continue à croître dans les différentes catégories, ce qui a pour effet de réduire les coûts d'exploitation de façon presque automatique. Là il ne s'agit pas vraiment d'un progrès, mais de choix surtout économiques.

Si l'on s'en tient à nos avions (figures 3/4), on peut voir le chemin que nous avons parcouru dans l'avance technologique

En ce qui concerne les avantages acquis, il est impossible de montrer une image complète permettant de refléter la situation réelle. Cependant, si l'on prend un A-310 avec son acquit technologique, pour le comparer à un appareil de même capacité dont la technologie serait celle d'un A-300 de base (pas un A-300-600), appareil qui, bien sûr, n'a jamais été réalisé, nous obtenons à peu près les avantages présentés figure 5 en termes d'économie . Sur une période d'exploitation de 15 ans, période de vie type pour un premier utilisateur, l'économie réalisée serait à peu près l'équivalent du prix de quatre appareils.

La figure 6 donne une idée du potentiel d'amélioration prévisible au cours des 15 prochaines années. Ce potentiel pourrait être atteint en introduisant progressivement certaines innovations (en particulier pour éviter des risques inacceptables) même dans certains domaines technologiques spécifiques.

Un large développement du transport supersonique est une autre voie de progrès. Je ne m'étendrai pas sur le sujet, qui est débattu par ailleurs ; on peut simplement énumérer quelques objectifs raisonnables : vitesse M 2.4 environ, 200 à 300 passagers pour un rayon d'action de 6 000 miles nautiques, l'avion conservant de bonnes performances (aérodynamique et moteurs) en subsonique, régime où il devra malgré tout évoluer fréquemment.

L'environnement des technologies

Considérons maintenant l'environnement commercial et industriel dans lequel les technologies peuvent s'appliquer, ainsi que leur date d'apparition par rapport aux programmes aéronautiques.

- Le marché n'attend pas la technologie. Les compagnies aériennes doivent acheter leurs avions lorsqu'elles en ont besoin : croissance du marché, remplacement de leurs appareils, etc.

- Les compagnies aériennes ont désormais une influence majeure sur la définition d'appareils nouveaux, ainsi que sur celle de leurs versions dérivées. Elles sont peu disposées à prendre des risques liés aux nouvelles technologies, qui sont souvent onéreuses.

- La disponibilité des nouvelles technologies est difficile à prédire : par exemple, l'aluminium-lithium, dont les avionneurs attendaient des réductions de masse de l'ordre de 2 à 5 tonnes pour les gros-porteurs dès 1989. Ce matériau n'est pas encore disponible à l'heure actuelle, et il reste extrêmement coûteux.

- Les progrès technologiques dépendent en grande partie des fournisseurs, des organismes de recherches, des agences de coopération internationale, etc., qui, pour un certain nombre de raisons, telles que la disponibilité des ressources financières et humaines, les priorités existantes, etc., sont rarement en accord avec les exigences industrielles des avionneurs.

- La viabilité économique de technologies avancées spécifiques peut dépendre de facteurs qui se situent au-delà de l'influence des avionneurs et des utilisateurs. Par exemple le propfan, dont la rentabilité est difficile à prouver avec le faible prix actuel du carburant.

- L'efficacité des innovations dépend de la catégorie d'appareils auxquels on les applique. La capacité en sièges ainsi que le rayon d'action étant les paramètres fondamentaux, aucune réponse simple ne peut être donnée à cette question. Par exemple, le propfan serait, du moins théoriquement, plus à sa place sur un long-courrier que sur les courts-courriers envisagés aujourd'hui, car d'une part la masse de carburant à transporter serait alors considérablement plus faible, et d'autre part les coûts de maintenance auraient une importance relative plus faible.

Les efforts requis dans les technologies de base et appliquées sont importants. Ces efforts devront être consentis au bon moment, les choix intelligents et pratiques devront être faits et il sera nécessaire de renforcer le dialogue entre l'avionneur, les organismes de recherche et les utilisateurs.

Avantages des technologies avancées

Avant de parler des avantages des technologies avancées, qui est le chapitre suivant de ma communication, examinons les facteurs principaux qui influencent la définition. La figure 7 présente la liste des facteurs.

Il peut également être intéressant de regarder les répartitions des coûts directs d'exploitation par siège offert selon les types d'appareils.

J'ai choisi nos A-320, A-310-200 et A-330, en me limitant aux coûts d'acquisition (prix d'achat et intérêts, assurance), de maintenance et de consommation de carburant. La figure 8 montre leur importance relative et la façon dont ils varient suivant le type d'appareil pour des prix de carburant de l'ordre de 0,65 $ et 1,5 $ par gallon US.

Les coûts par siège d'acquisition et de maintenance diminuent avec la capacité et le rayon d'action des appareils, alors que la consommation de carburant, qui est le facteur le plus important avec les coûts d'acquisition, augmente lorsque le rayon d'action est plus grand et devient dominant lorsque le prix du carburant est élevé.

Les coûts globaux (acquisition et utilisation) sont, dans une certaine mesure, liés aux coûts de maintenance. La figure 9 présente les paramètres majeurs régissant les premiers et indique également les interrelations avec les coûts de maintenance.

En ce qui concerne les coûts de carburant, ceux-ci vont de pair avec la rentabilité en termes de consommation de carburant.

La figure 10 présente les facteurs qui ont un impact sur la consommation de carburant.

Permettez-moi de vous présenter maintenant quelles sont, selon nous, les principales voies à suivre à l'avenir en matière de technologie.

Principales voies à suivre à l'avenir en matière de technologie

Moteurs

A l'heure actuelle, les moteurs contribuent de 35 à presque 40 % du DOC (coût direct d'exploitation) d'un avion de ligne. Ils sont un facteur primordial de la consommation de carburant, un facteur majeur dans les coûts de maintenance et un facteur significatif des coûts financiers. Les moteurs propfan et les moteurs à très fort taux de dilution, dont il est question à l'heure actuelle, devraient réduire la consommation spécifique de carburant de façon significative (voir figure 11), mais il n'est pas possible de les justifier compte tenu des prix du carburant actuels peu élevés. Quelque soit le choix final des motoristes, ce ne sera pas la seule prise en compte, mais le résultat net global de l'installation sur avion. Du fait des nouveaux profils de voilure, l'interface cellule/moteur prend un rôle de plus en plus important. Un travail considérable doit être effectué dans ce sens, et une coopération étroite entre les avionneurs et les motoristes est nécessaire. Les principaux sujets de recherches sont indiqués figure 12.

Grâce à l'initiative d'Airbus Industrie, un programme de recherche et de développement concernant l'installation des moteurs à très fort taux de dilution est en cours, sur lequel travaillent certains de ses partenaires et des motoristes. Lorsque ce programme sera terminé, il sera suivi d'un programme similaire qui étudiera des concepts de moteurs à soufflante non carénée (figures 13 et 14).

Aérodynamique

En plus du moteur et de son intégration à la cellule, la traînée de frottement qui compte généralement pour 45 à 50 % de la traînée totale d'un biréacteur gros-porteur (figure 15) a une influence significative sur la consommation de carburant.

La réduction de la traînée de frottement par laminarisation de l'écoulement est un vieux sujet, mais des solutions pratiques n'ont pas encore été trouvées et la viabilité opérationnelle de ce concept reste encore à établir. La laminarité naturelle reste toujours intéressante dans quelques applications, par exemple les nacelles des réacteurs.

Dans le domaine de l'écoulement laminaire forcé, les matériaux et procédés de fabrication commencent à apparaître ; ceux-ci combinés à des systèmes avancés d'aspiration et de soufflage pourraient bien apporter des solutions réalisables. Cependant, beaucoup de travail reste à effectuer, mais comme c'est la seule (et peut-être la dernière) étape majeure de l'aérodynamique en régime subsonique élevé, avec un potentiel de réduction de traînée total de plus de 20 %, une attention toute particulière devrait y être apportée.

Dans ce domaine, nous nous efforçons de lancer un programme orienté vers l'application en production et en exploitation auprès des compagnies aériennes, qui couvre d'une part des nacelles à écoulement laminaire naturel et forcé et d'autre part les surfaces à laminéralité forcée, avec participation d'Aerospatiale, de MBB, de l'ONERA et du DLR en Allemagne.

La figure 16 présente le schéma des nacelles avec écoulement laminaire naturel et forcé.

En ce qui concerne les surfaces, nous avons commencé par le plus simple, c'est-à-dire l'empennage vertical. Nous travaillons actuellement au montage financier nous permettant d'effectuer les essais de soufflerie à l'échelle 1/2 (figure 17).

Si cette étape est concluante, l'étape suivante sera l'empennage horizontal. Une réduction nette de traînée d'environ 2,5 à 3 pour-cent pourrait être obtenue avec les empennages.

Le collage d'un film de riblets sur les avions, y compris ceux déjà en service, représente une possibilité intéressante de réduction de traînée de frottement. Des travaux théoriques et des essais en soufflerie ont été réalisés ; nous accomplissons à l'heure actuelle des essais d'endurance en exploitation auprès de la compagnie Lufthansa sur une durée d'un an et demi. Si ces essais sont concluants, ils seront suivis de mesures de performances en vol, qui seront effectuées par Airbus Industrie (figures 18 et 19).

Les LEBU (Large Eddy Break-Up device) - (voir figure 20) sont une autre façon de réduire la traînée de frottement ; nous effectuons dans ce domaine une étude de faisabilité en collaboration avec les universités de Cambridge et de Poitiers.

La traînée induite est un autre facteur majeur à prendre en compte dans la traînée totale d'un appareil. L'optimisation des dispositifs d'extrémités de voilure est loin d'être achevée. Les figures 21 et 22 montrent les solutions réalisées ainsi que quelques-unes que nous étudions, avec nos partenaires ou avec des organismes de recherche nationaux.

Enfin il faut se poser la question : la configuration aérodynamique des avions de ligne actuels sera-t-elle toujours la solution la plus rentable ? Des surfaces d'empennage produisant des forces aérodynamiques vers le bas, de l'ordre de cinq tonnes sur un gros biréacteur, devraient être inacceptables sur un véhicule fonctionnant grâce à la portance. Je ne m'étendrai pas davantage sur ce point, mais il est très clair qu'un effort doit être fait dans ce sens. Peut-être une configuration canard ou à trois surfaces pourrait-elle être envisagée pour certaines catégories d'appareils, et nos avions pourraient bien, un jour, ressembler à celui qui est présenté sur la figure 23.

Les structures

Côté matériaux métalliques, les alliages aluminium-lithium sont toujours intéressants. Ils pourraient permettre une réduction de la masse structurale d'environ 10 % ; ils ne demanderaient pas de principes de conception fondamentalement nouveaux, pourraient être utilisés par substitution, dans les structures existantes et enfin pourraient, sous forme de tôles minces, bénéficier de procédés de fabrication tels que le rivetage automatique, pour lequel certains avionneurs ont beaucoup investi. Leur utilisation possible avec des procédés de formage et de collage à chaud pourraient augmenter l'intérêt de ces alliages. Le coût du matériau, cependant, reste encore trop élevé pour une application générale, mais nous commençons, sur des éléments sélectionnés, à acquérir de l'expérience ; ceci inclut également des essais de fatigue sur une cellule d'A-340 (figure 24).

Le développement de matériaux hybrides, tels que l'ARAAL, permettant d'obtenir des réductions de masse pouvant aller jusqu'à 40 % sur les éléments de structure soumis à des charges de traction et critiques en fatigue, est également prometteur (figure 25). Les méthodes de contrôle, cependant, posent encore des problèmes.

Le renforcement d'alliage légers par des fibres permettant d'obtenir des propriétés directionnelles spécifiques, menant aux Matériaux Composites à Matrice Métallique, est un objectif également intéressant, pour remplacer l'acier, qui représente environ 6 % de la masse structurale des appareils existants. Un exemple est présenté figure 26.

En ce qui concerne les matières plastiques renforcées de fibres, et tout particulièrement les fibres de carbone, tout n'a pas été aussi simple que prévu. Les matériaux thermodurcissables renforcés, qui ont été utilisés jusqu'à présent pour des éléments de structure principaux, nécessite des techniques de conception et de fabrication bien étudiées, et des choix difficiles doivent être faits.

Les objectifs initiaux en termes d'économies de masse n'ont, dans bien des cas, pas pu être atteints, et les augmentations du coût des matériaux, dues au prix élevé de la matière première et à un fort taux de rebuts, peuvent rendre ces structures beaucoup plus coûteuses que les structures correspondantes en métal. Lorsqu'elles sont bien conçues, elles restent cependant plus légères et plus résistantes ; lorsque la rigidité est le critère déterminant, elles peuvent être intéressantes. Nous poursuivons donc nos efforts dans cette direction (figures 27 et 28).

De nouvelles perspectives se profilent, avec les matériaux thermoplastiques renforcés de fibres. Nous assistons à l'apparition d'éléments injectés à fibre courte qui confirment les économies de masse et de coût escomptées. Une réduction de masse de 50 % par rapport aux pièces coulées en aluminium a été démontrée (figure 29) et, bien qu'utilisée pour la fabrication de petites pièces à l'heure actuelle, une économie de masse évaluée au minimum à 200 kg pourrait, par exemple, être réalisée sur nos A-330/A-340. Cela peut ne pas paraître sensationnel, mais c'est l'équivalent de deux passagers.

Les matériaux thermoplastiques renforcés de fibres longues sont la prochaine étape. Ils remplaceront tout d'abord les extrudés en aluminium, apparaissant ainsi dans des structures primaires. De nombreuses applications peuvent être envisagées, avec des procédés de fabrication relativement simples (figure 30).

Systèmes avion

Au cours de ces dernières années, les systèmes avion sont devenus un aspect principal de la conception intégrée. L'électronique numérique qui augmente la capacité de calcul à bord et rassemble des fonctions traditionnellement indépendantes, tout en introduisant de nouvelles fonctions, a permis de réaliser ces progrès. Les principaux objectifs restent l'amélioration de la sécurité, de la fiabilité, de la rentabilité des appareils, ainsi que l'amélioration de l'entretien et de la ponctualité.

Notre A-320, par exemple, est le résultat de progrès effectués au cours de nombreuses années ; ces progrès ont également permis une plus grande adaptation des systèmes de commande électronique dans tous les domaines de fonctionnement de l'appareil.

Etendre l'utilisation de la technologie numérique vers une plus grande simplification des systèmes de commande, une plus grande protection du domaine de vol et une optimisation du poste de pilotage, était une démarche logique. La figure 31 présente une comparaison entre les principes traditionnels et modernes de pilotage.

L'adoption des commandes de vol électriques (fly-by-wire) et l'application généralisée des techniques numériques a permis de changer entièrement l'aménagement du poste de pilotage. Les vues 32 et 33 permettent de comparer les postes de pilotage de l'A-300 et de l'A-320. Les divers avantages résultant de l'application des systèmes de commande électroniques de l'A-320 sont résumés sur la figure 34.

Le système de pilotage automatique de cet appareil offre des caractéristiques opérationnelles après panne permettant d'effectuer une approche et un atterrissage automatique au-delà des conditions Cat. 3a.

Ce système est également relié à la commande électronique des moteurs (FADEC : Full Authority Digital Engine Control). La figure 35 montre que le nombre de calculateurs du système de commandes de pilotage automatique a diminué au cours des quinze dernières années, grâce à l'intégration des fonctions permise par l'électronique numérique. Cette figure parle d'elle-même, mais c'est seulement un exemple. La réduction du nombre des instruments du poste de pilotage de 35 sur l'A-310 à 12 sur l'A-320, en est un autre.

Il existe d'autres possibilités de gains de masse et de coûts, par exemple la réduction du volume des boîtes noires en augmentant la densité des composants logiques et mémoires et en intégrant des fonctions (figure 36). Ceci allègera la charge des circuits de transmission de données, ce qui aura un impact sur l'architecture de tous les systèmes de l'appareil.

De nombreuses discussions ont lieu, depuis plusieurs années, au sujet d'un avion tout électrique, avec transmission interne d'informations par fibres optiques, facilitant, entre autres, la réalisation des systèmes actifs (par exemple contrôle du centre de gravité, diminution des charges aérodynamiques, adaptation du train d'atterrissage). Le principal objectif serait d'effectuer une conception multi-disciplinaire commune de systèmes hautement interactifs, afin de maximiser la rentabilité totale de l'appareil sans compliquer la configuration des sous-systèmes individuels.

La présentation des informations aux pilotes a été révolutionnée par le remplacement des indicateurs à aiguilles par les tubes cathodiques, qui permettent de faire apparaître des informations choisies pour chaque phase de vol ou configuration de l'avion.

L'étape suivante pourrait être le remplacement des tubes par des afficheurs à écran plat, en cours de développement pour des applications grand public. On attend un gain de masse, de volume, une réduction des besoins de ventilation ainsi qu'une moindre sensibilité aux vibrations (figure 37). Cependant, aucune diminution de la qualité de l'affichage (couleur, définition) ne serait acceptable. Je ne m'étendrai pas sur les nouveaux dispositifs de protection anti-givrage, les systèmes de gestion automatique d'informations de situation en tant qu'aides à l'ATC, ou l'intelligence artificielle.

Permettez-moi de mettre l'accent, cependant, sur l'importance d'un diagnostic rapide et exact des pannes, qui contribue, directement et indirectement, à la détermination des causes de pannes, réduit les coûts d'entretiens, permet d'obtenir une meilleure ponctualité, et, par conséquent, une meilleure exploitation de l'appareil (figure 38). De nombreux progrès ont été effectués dans ce domaine, mais il y a encore des possibilités d'amélioration.

Les technologies de fabrication

La réduction des coûts et prix de la cellule, l'impact correspondant sur la productivité sont étroitement liés aux technologies de fabrication. Il ne sera pas possible de traiter tous les aspects de ce domaine ici. Cependant permettez-moi de mentionner ce qui a été appelé les flexible fabrication systems (atelier flexible), développement de la CAO/FAO (figure 39). Au-delà, il est très important de pouvoir effectuer rapidement des modifications ou changements, ainsi que d'adapter la définition de l'avion aux besoins des clients, et ceci sans remonter sur une courbe d'apprentissage classique. L'automatisation dans la répartition, le transport et le contrôle des pièces devraient également trouver de plus grandes applications, même lors d'opérations d'assemblage où les compétences humaines seront toujours nécessaires. Dans ces domaines, tous nos partenaires font des efforts significatifs qui tiennent compte des accords de collaboration entre les différents fabricants.

Conclusion

En guise de conclusion, je dirai que des innovations très significatives se profilent à l'horizon. Elles méritent des efforts importants dans le cadre d'une approche réaliste et bien pensée.

Le transport aérien subsonique peut être rendu encore plus économique, peut être plus sûr et certainement plus confortable.

Nous pensons qu'il y aura une application progressive des innovations, au fur et à mesure que leur viabilité en termes d'exploitation et en termes de rentabilité se confirme ; nous agissons dans ce sens.

Permettez-moi de dire, toutefois, que les progrès technologiques en eux-mêmes ne font tout de même pas encore un avion à eux seuls. Une bonne intégration de ces progrès technologiques ne se fera pas sans bureaux d'études hautement compétents, capables de traiter les contraintes techniques qui restent une partie essentielle d'un problème de plus en plus vaste. Si l'étude est négligée, la technologie ne pourra en aucune façon s'incorporer à un produit pratique. C'est un message que je voudrais adresser à quiconque est concerné par le développement et l'exploitation des avions.

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Notes:

 

1 . Sr - Vice-président technologie et développement de produits nouveaux d'Airbus Industrie.

 

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