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Les innovations de l’aéronautique

[Article du 15/06/2017]

Alors que les motoristes de l’aviation civile déploient les nouvelles générations de moteurs, LEAP pour Safran et P&W1000 G pour Pratt & Whitney, leurs équipes de R&D planchent sur des nouvelles architectures de moteurs pour les horizons 2030-2035. Pour les motoristes européens, les innovations issues du programme Clean Sky doivent tenir leurs promesses.

Les innovations de l’aéronautique

Les innovations de l’aéronautique

Motorisation
De quoi sera fait 2030 ?

Alors que les motoristes de l’aviation civile déploient les nouvelles générations de moteurs, LEAP pour Safran et P&W1000 G pour Pratt & Whitney, leurs équipes de R&D planchent sur des nouvelles architectures de moteurs pour les horizons 2030-2035. Pour les motoristes européens, les innovations issues du programme Clean Sky doivent tenir leurs promesses.

A court terme, les fournisseurs de moteurs moyen-courriers ont la nécessité de tenir les cadences pour respecter les engagements de commandes auprès des compagnies aériennes. « La montée en cadence de nos moteurs LEAP est notre grande priorité d’ici à 2020 », confie-t-on chez Safran Aircraft Engines, dont la joint venture avec GE, CFM International, est leader incontesté sur ce segment. Le défi est du même ordre pour son challenger américain, P&W, avec son moteur PW1000G. Equipé d’un réducteur de vitesse, le moteur a connu, après son lancement début 2016 sur un Airbus A320neo de Lufthansa, plusieurs couacs et déjà des retards sérieux. Mais son architecture est attractive, et elle a été reprise par le motoriste allemand MTU pour un des démonstrateurs de Clean Sky.

Une course en deux temps
Pendant que leurs collègues de la production s’affairent, les acteurs de la R&D européenne s’activent, réunis sous la bannière Clean Sky, la plus importante initiative de recherche conjointe (Joint Technology Initiative) issue de Bruxelles. Des étapes clés ont été franchies fin 2016 : la disponibilité des démonstrateurs de moteurs et celle de nouveaux bancs de tests : à Istres pour Safran, en Allemagne pour Rolls Royce et pour l’allemand MTU, où les tests vont se poursuivre courant 2017.

Rolls Royce et Safran testent l’open rotor
Open Rotor, moteur à haut taux de dilution de type UHBR et/ou moteur à réducteur de vitesse ? L’Open Rotor, moteur non caréné (sans nacelle), est à l’étude chez Rolls Royce et chez Safran depuis des années. Pour le motoriste anglais, interrogé par
Innovation Review, cette technologie « reste une option parmi d’autres, pour le long terme. Nous attendons de voir s’il y a un marché ». Rolls Royce met officiellement la priorité sur ses moteurs Advance (2020) et Ultrafan (2025), pour les long-courriers. Du côté de Safran Aircraft Engines, le projet reste top secret au-delà de ce qui a été présenté, le 22 mars à Bruxelles, lors de la réunion de clôture du programme Clean Sky-Sage. Un premier démonstrateur, assemblé en 2016, sera bien testé cette année sur le nouveau banc d’essai à l’air libre d’Istres, avec un horizon industriel sans doute plus proche de 2035 que de 2030. D’après la feuille de route fixée, l’Open Rotor est le seul moteur à atteindre 30 % de réduction d’émissions CO2 par rapport à la génération CFM 56 (le prédécesseur du LEAP). Tout en respectant, malgré l’absence de nacelle, les exigences de réduction de bruit du Chap 14 (2014) de l’Organisation de l’aviation civile internationale.

 

Clean Sky 2 en chiffres
• 4 Md€ dont 1,755 milliard provenant de fonds publics européens  (Horizon 2020)
• 600 participants
• 2 = C’est le nombre d’appels à projets en 2017, dont le prochain  sera publié en octobre, pour 62 millions d’euros.

 

Le réducteur de vitesse a le vent en poupe
« UHBR », pour Ultra High By Pass Ratio, est pour Safran Aircraft Engines le deuxième candidat sérieux à l’après-LEAP. Sans doute moins avancé que l’Open Rotor, il s’agit d’un moteur à soufflante carénée qui vise à repousser les limites du taux de dilution au-delà de 15. Pour un réacteur à double flux, le taux de dilution est le ratio entre le flux d’air froid brassé par la soufflante (80 % de la poussée environ) et le flux d’air qui traverse les parties chaudes du moteur. Il est d’environ 9 pour le LEAP, et devrait atteindre 15 en 2030 -2035 pour des moteurs monocouloir. Un paramètre clé de la performance des moteurs.
Plus que les aubes de soufflante en composite tissé 3D RTM, qui équipent déjà le LEAP, c’est la présence d’un réducteur de vitesse qui représentera la grande nouveauté pour Safran sur l’UHBR. Déjà implémenté par P&W, le réducteur consiste en une boîte d’engrenages positionnée entre la soufflante et le compresseur basse pression. En dissociant la rotation du fan de celle de la turbine basse pression, il permet de diminuer la vitesse de la soufflante et d’augmenter le taux de dilution. Chez Safran, un tel réducteur (ou une version distincte ?) doit être intégré dans le démonstrateur UHPE (Ultra High Propulsive Efficiency) issu de Clean Sky, pour des premiers tests cette année. Mais Safran est loin d’être seul sur ce type d’architecture. Il est intéressant de souligner que l’allemand MTU a repris les moteurs P&W 1500G de son partenaire P&W pour son propre démonstrateur Clean Sky avec réducteur, dont les tests ont débuté dès la fin de 2015. D’autre part, Rolls Royce lui aussi intègre une « power gearbox » dans son futur moteur Ultrafan, destiné aux long-courriers (A380) ainsi que dans un démonstrateur pour les mono-couloirs.
L’année 2030 sera-t-elle donc celle de la généralisation de ces architectures de réacteur ? Dans le cadre de Cleansky, Rolls Royce a également porté un démonstrateur de type UHBR, cette fois pour les mono-couloirs : le « VHBR middle market ». Pourtant, officiellement, le motoriste n’a pas prévu de revenir sur ce segment de marché. Pour le moment.

 

Avionique
La connectivité air-sol « augmente » les avions

Après la réalité augmentée, l’avionique augmentée ? La connectivité air-sol se rapproche à grands pas en Europe, poussée par la demande des voyageurs. Dans le courant de cette année, les compagnies aériennes pourront compter sur l’offre de l’European Aviation Network (EAN).

Déployée par Inmarsat, Deutsche Telekom, Nokia et Thales, l’EAN offrira cette année les bases pour de l’Internet haut débit à bord, via un réseau de 300 stations 4G LTE au sol complété par un satellite de la bande S. Cette couverture au-dessus des vingt-huit pays d’Europe ouvre un levier de différenciation aux compagnies aériennes via des services de connectivité à bord. Les fournisseurs de services d’avioniques et d’infrastructures de données saisissent aussi l’opportunité. « L’avionique est en train de s’étendre, avec une emprise au sol nouvelle. Le vrai enjeu technologique de la connectivité tourne autour de l’infrastructure au sol », assure Denis Bonnet,  directeur innovation des activités avioniques de Thales.
La connectivité incite les fournisseurs de systèmes de gestion de vol (FMS) comme Thales à optimiser un certain nombre d’applications de pilotage et de gestion des vols, celles-ci pouvant désormais s’appuyer sur les nouvelles puissances de calcul effectuées au sol.
Un certain nombre de données massives (big data), qu’il s’agisse de données météo ou de gestion de vols, vont en effet pouvoir être exploitées en temps réel à bord. « Les puissances de calcul au sol permettront d’optimiser beaucoup plus efficacement les trajectoires : par exemple, les profils de montée en fonction de l’impact du vent calculé en temps réel, ou encore les trajectoires en fonction d’événements météo », illustre Denis Bonnet. Ces questions sont au cœur des réflexions de Thales sur sa future offre de FMS, qui succèdera à FMS 300 (présent sur les Airbus A 320 et A340).  Elles entraînent des coopérations avec les start-up du big data, comme Safety Line. Membre depuis 2015 de l’accélérateur Starburst, cette start-up parisienne a développé un algorithme qui optimise la trajectoire d’un avion jusqu’à son altitude de croisière. A la clé, il s’agit d’offrir aux compagnies aériennes une meilleure sécurité et des réductions sur la consommation de carburant.

InFlyt Cloud , plateforme intégrée au sol
« Une grande partie de notre effort porte sur la manière de répartir les calculs entre le sol et l’air », poursuit Denis Bonnet.  La partie « au sol » de l’avion s’appuie sur la même infrastructure de connectivité, de cybersécurité et d’analyse des données que celle développée dans le contexte du divertissement de bord (IFE). C’est tout l’enjeu de la plateforme InFlytCloud, lancée par Thales en 2016. « Thales est le seul acteur mondial disposant de tous les éléments de la chaîne de l’avion connecté », souligne Denis Bonnet. Mais le leader des IFE, Panasonic, n’a pas dit son dernier mot.

 

Aéronautique
L’usine du futur se décline au présent

 

Exposées au Salon du Bourget 2017, les briques de l’usine 4.0 se déploient sur les chaînes de production des avionneurs et de leurs fournisseurs de rang 1. Illustrations avec Mecachrome, Safran Nacelles, Stelia Aerospace.

 

De la réalité augmentée dans l’usine du Havre de Safran Nacelles, des nouveaux robots sur le site de Meaulté de Stelia (filiale d’Airbus), de la fabrication additive chez Liebherr-Aerospace… Et la fabrication imbricative (Intermédiaire entre une découpe par usinage classique et la fabrication additive) chez Mecachrome. Cette entreprise de taille intermédiaire (ETI) est incontestablement l’une des plus innovantes dans le petit monde des ETI aéronautiques de rang 1. « Notre première machine de fabrication imbricative (hors R&D en France) sera implantée sur notre site d’Evora, au Portugal, au mois de novembre pour produire trois familles de pièces pour le moteur LEAP de Safran », explique Olivier Martin, le patron de la R&D de Mecachrome. Pendant que l’industrialisation du nouveau procédé se précise, le spécialiste de l’usinage (450 millions d’euros de chiffre d’affaires, dont 80 % dans l’aviation civile) approfondit sa R&D pour des futurs procédés additifs à haut rendement.

La fabrication imbricative « made in » Mecachrome
Avec la machine de fabrication imbricative d’Evora,  Mecachrome voit le projet R&D collaboratif « Dry to Fly » atteindre l’industrialisation. Le procédé repose sur le rétrofit d’un centre d’usinage fraisage et sur la combinaison d’une découpe 3D de plaques de titane avec l’usinage à sec, via la cryogénie à l’azote liquide. Premières pièces en cours d’industrialisation : les secteurs de virole du moteur LEAP, actuellement en phase de qualification (DVI) chez Safran. Autre application prochaine : la fabrication de pièces (les « ribs ») pour les mâts réacteur de l’Airbus A350.
A terme, dans l’usine du futur, estime Olivier Martin, l’usinage par cryogénie se généralisera pour le titane, et les lubrifiants solubles disparaîtront. L’usineur a conçu un kit de rétrofit pour installer la cryogénie sur ses centres de fraisage. « Nous gagnons 35 % en productivité », avance-t-il. Les rétrofit se feront en fonction du carnet de commandes.
Déjà une réalité elle aussi, la fabrication additive de pièces métalliques, via notamment la fusion sélective par laser, a fait couler beaucoup d’encre. Elle permet de produire des pièces de moteur ou de structure complexes en évitant des assemblages. Exemple récent, en mars dernier : conçu par Liebherr-Aerospace, un bloc vannes d’actionneur de spoiler en titane a été embarqué sur un A380. « Une première mondiale pour une pièce critique de commande de vol primaire », selon l’équipementier. Beaucoup de défis restent à franchir. « Toutes les étapes de la chaîne de fabrication, de la matière en poudre au produit final en passant par le paramétrage du laser et le post-traitement, doivent être optimisées afin d’améliorer la stabilité, la maturité et l’efficacité économique », selon Heiko Lütjens, de Liebherr-Aerospace.

Impression 3D à haut taux de dépose
Autre défi de taille, la productivité des machines, seule à même de garantir la compétitivité du procédé dans l’aéronautique.  Vu de Mecachrome, ce défi repose sur un plus fort taux de dépose de poudre à l’heure (HDR, pour High Deposition Rate). Il est au cœur de plusieurs projets R&D internes. Le premier vise à atteindre un HDR inégalé à ce jour, de l’ordre de 10 kilos par heure pour du titane. « Nous détournons des machines de soudage pour les hybrider », explique Olivier Martin. « Nous voyons passer beaucoup de géométries de pièces, ce qui nous permet d’anticiper. » Une première pièce décidée avec un client (confidentiel) sortira du laboratoire cette année. A plus long terme, Mecachrome travaille sur un nouveau procédé pour atteindre 20 kilos par heure. Un brevet est en cours de dépôt pour une machine spéciale inédite.

Réalité virtuelle chez Safran
Chez Safran Nacelle, au Havre, l’usine du futur est aussi une réalité, mais « virtuelle », qui a permis de diviser par deux le temps de revue technique pour la conception des lignes de production des nacelles du moteur LEAP, tout en réduisant le budget outillage de 10 %.
Le projet avait été lancé en 2015 autour du programme Airbus A320neo. Deux ans plus tard, l’usine est équipée d’une salle de réalité virtuelle, faite de deux écrans de 4 m de large et 2,5 m de haut. L’un est « placé à l’horizontale au niveau du sol pour favoriser l’immersion des ingénieurs, des techniciens et des opérateurs. Équipés de leurs lunettes 3D dynamiques qui adaptent l’image en fonction de leur position, les utilisateurs peuvent visualiser à taille réelle toutes les pièces conçues avec le logiciel de CAO », explique Nicolas Lepape, chef de projet R&T chez Safran Nacelle. Un autre site devrait être équipé cette année, avant une possible généralisation sur toutes les usines d’Europe.

Robotisation chez Stelia
Inaugurée en mars, l’usine de Stelia Aérospace de Méaulte (Picardie) n’a rien à envier à celle de Safran. Fruit d’un investissement de 70 millions d’euros, elle combine réalité virtuelle et automatisation avec l’intégration de 35 robots, de machines de rivetage automatique et la refonte des lignes de fabrication, dont une « moving line » sur la chaîne A320. L’enjeu : là aussi, gagner en cadence.

 

 

Thibault Lescuyer

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