Caisson d'aile IIAMS : feuille de route vers la certification

Airbus DS, FTB#2 et futurs avions turbopropulseurs

Airbus Defence and Space (Airbus DS, Cadix, Espagne) est entré dans le programme de recherche et technologie de l'Union européenne Clean Sky en tant qu'EADS CASA. Fondée comme Construcciones Aeronáuticas SA en 1923 à Getafe, Espagne, CASA a une longue histoire dans la production d'avions et était l'un des membres originaux du Consortium Airbus. Son second site a été établi à Cadix en 1926, et l'entreprise a produit 22 modèles d'avions ainsi que des composants pour Airbus et avions militaires Eurofighter et pour avions commerciaux produits par Airbus et Boeing.

Clean Sky 1 et Clean Sky 2

Clean Sky 1 comprend 7 domaines de projet — 6 Démonstrateurs Technologiques Intégrés (ITD) et l'Évaluateur Technologique. Les ITD, chacun co-dirigé par 2 organisations industrielles, couvrent différents segments du transport aérien.

Clean Sky 2 comprend 9 domaines de projet — 3 Plateformes de Démonstrateur d'Avion Innovant (IADP), 3 ITD, 2 Activités Transverses, et l'Évaluateur Technologique.

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Airbus DS a progressé de co-leader du démonstrateur technologique intégré (ITD) Green Regional Aircraft (GRA) dans le programme original Clean Sky (2008-2017) à co-leader de l'ITD AIRFRAME ainsi que leader pour le banc d'essai en vol 2 (FTB#2) dans la plateforme de démonstrateur d'avion intégré régional (IADP) au sein du programme suivant Clean Sky 2 (2014-2024).

A.E. Jiménez Gahete, de la direction Structures et Design, Ingénierie & Technologie chez Airbus DS, décrit le développement FTB#2 dans l'article de septembre 2020 Materiales Compuestos intitulé, « Section de caisson d'aile hautement intégrée Airbus Defence and Space fabriquée par placement de fibres sèches et infusion de résine liquide ». Ce travail d'Airbus DS dans Clean Sky 2 sera appliqué à un futur avion de transport militaire ou avion régional commercial turbopropulseur. L'un de ses objectifs principaux est de développer l'aile externe pour le FTB#2, qui comportera des structures primaires composites OOA, incluant une couverture de caisson d'aile supérieur en composite thermoplastique intégralement raidie et un caisson d'aile monobloc, en une seule infusion, fait en utilisant le dépôt automatisé de fibres (AFP) avec rubans de fibres sèches et infusion de résine liquide.

Ce dernier est bien la structure que MTorres a développée et produite dans le projet Clean Sky 2 IIAMS, comme décrit dans l'article de CompositesWorld de mars 2020, « Advancing the OOA infused wing box. » Notamment, ce caisson d'aile intègre la peau inférieure, les longerons avant et arrière, mais n'inclut pas la peau supérieure. Il devient évident à partir des feuilles de route illustrées ci-dessous que la peau supérieure sera en composite thermoplastique.

Objectifs et contexte de l'aile externe FTB#2

« Tout design d'avion futur exigera plus d'éco-efficacité dans l'ensemble du cycle de vie », dit Gahete. Cela devrait inclure :

• Moins d'énergie dans la production de composants
• Moins de rebuts de matériau primaire
• Consommation diminuée de liquides de fabrication et matériaux auxiliaires
• Recyclabilité accrue.

De telles améliorations étaient des facteurs clés dans le développement de la conception structurelle et du procédé de production pour l'aile externe FTB#2, avec des cibles pour poids réduit (-10 %) et coût de fabrication ainsi qu'efficacité de production accrue.

Les composites thermoplastiques et l'infusion de résine jouent tous deux un rôle clé dans l'aile externe FTB#2. Les composites thermoplastiques consolidés in-situ (ISC TPC) et l'infusion fibres sèches/résine permettent la fabrication de grandes structures primaires OOA à coût réduit comparé aux procédés traditionnels basés sur autoclave. Le soudage thermoplastique et les structures hautement intégrées infusées en une seule fois réduisent aussi l'impact de l'assemblage, fixations mécaniques, usinage pour ces fixations et inspection tout au long.

Les développements de technologie d'infusion dans Clean Sky 2 ont commencé avec les précédents projets Clean Sky tels que GRA, ECO-DESIGN, APOLO et CERTERIN. Pendant ce temps, ISC TPC a été mûri dans les projets Clean Sky ICARO, TARGET, ECO-DESIGN, et Green Regional Aircraft-Light Weight (GRA-LW), permettant à cette technologie d'être incluse dans le démonstrateur de vol FTB#2 de Clean Sky 2.

Certification de l'aile externe FTB#2

Comme expliqué par Gahete, « Pas à pas, nous [Airbus DS] passons par toute la pyramide de tests de structures aéronautiques des coupons aux tests structurels à pleine échelle de l'aile externe. » Le ruban UD Hexcel HiTape, 210 grammes par mètre carré (g/m²) et 12,7 mm de large avec voile thermoplastique V800E des deux côtés (poids voile 4 g/m² par côté), infusé avec résine époxy Hexcel HexFlow RTM6 durcissement 180°C, a été entièrement caractérisé, incluant les propriétés unidirectionnelles et multi-angulaires. Les résultats de tests ont montré que ce matériau performe bien en module mais moins bien en résistance comparé au préimprégné époxy Hexcel HexPly M21E fait avec fibre de carbone intermédiaire HexTow IMA, qui est utilisé pour fabriquer les peaux d'aile, longerons et caisson central d'aile pour l'Airbus A350. Les stratifiés quasi-isotropes ont montré de bons résultats comparés à la même référence.

Gahete explique qu'en plus des coupons pour la caractérisation matériaux, et avant les tests de sous-composants détails et panneaux pour obtenir les valeurs admissibles de conception, des démonstrateurs de fabrication étaient utilisés pour aider à valider « quelles caractéristiques de conception pouvaient être obtenues avec les procédés de fabrication sélectionnés. » DEMO1 intègre une section de peau à épaisseur variable, longeron en J avec raidisseurs de nervures et deux longerons intégrés dans la peau et la flèche de longeron en J. Et DEMO2 — mesurant 3 mètres de long x 0,86 mètre de large x 3,44 mètres de haut — simule les dimensions globales du caisson d'aile externe FTB#2 et inclut cinq longerons. Gahete note que quelques ajustements de procédé ont été faits à travers quelques itérations avant d'obtenir des résultats réussis dans les tests de pièces structurelles.

Une matrice de tests de détails de conception a aussi été complétée, incluant foudre, défilement de longeron et tests de flambage de longeron (pour évaluation flambage et rupture). Des tests de panneaux sous-composants ont aussi été complétés avec des résultats positifs. Avec toute la pyramide de tests complétée avec succès, des coupons aux sous-composants, dit Gahete, seuls les tests statiques et fonctionnels à pleine échelle de l'aile externe finale restent pour obtenir la qualification FTB#2 pour le vol. Ces tests sont prévus pour être complétés d'ici fin 2021.

FTB#2 comme partie d'un développement technologique à plus grande portée

Le caisson d'aile externe n'est qu'une partie de FTB#2 qu'Airbus DS fournit. D'autres démonstrateurs structurels — comme expliqué dans le papier de 2019, « Recherche radar structurelle d'Airbus Defense and Space comme partenariat Clean Sky », écrit par Airbus DS et publié par la Conférence Européenne pour les Sciences Aéronautiques et Spatiales (EUCASS) en 2019 — incluent les cockpits MT1 ou MT2 (voir image ci-dessous) avec haute intégration structurelle pour réduction poids et coût, bords d'attaque d'aile avec caractéristiques morphing et aile externe complète avec winglet et volet morphing. (Note, ce dernier est avancé via le projet Air Green 2 par CIRA - Centre de Recherche Aérospatiale Italien.)

L'illustration ci-dessous montre diverses recherches Airbus DS dans Clean Sky (CS1) et Clean Sky 2 (CS2), comme partie d'un large portefeuille technologique.

Également expliqué dans le papier EUCASS, ces projets de recherche n'ont pas seulement fait progresser les technologies composites mais aussi de nouveaux développements dans les métaux, ainsi que la fabrication additive, l'outillage et la réparation :

• Structure primaire hautement intégrée
  • Stratifié solide double courbure multifonctionnel co-durci en une seule fois
  • Haute intégration de cadres en vrac via infusion de résine liquide (LRI)
    • Stratifié solide (ancien inférieur FR-9)
    • Sandwich raidi (cloche de pression avant FR-1)
    • Peau inférieure et longerons du caisson d'aile FTB#2
  • Haute intégration via thermoplastique consolidation in-situ (ISC)
    • Faible courbure (FR-4 de MT1/MT2 ; peau supérieure du caisson d'aile externe FTB#2)
    • Formage continu thermoplastique (longerons)
    • Forte/double courbure (bord d'attaque et capotage)
  • Cadre fuselage/nervure d'aile fait en estampage à chaud tôle alliage légère
• Structure secondaire : cadres de fenêtre TPC et ALM (fabrication additive par couches) à faible coût
• Technologies d'outillage : composites et ALM à faible coût
• Réparations et maintenance
  • Réparation standard sur peau raidie courbée hautement intégrée (préimprégné)
  • Co-consolidation et soudage thermoplastique ISC
  • Articles structurels RTM-LRI
    • Application patch préimprégné
    • Patches matériau sec plus injection résine
  • Injection résine pour fixer couches multifonctionnelles externes

L'assemblage sans gabarit a aussi été un accent récurrent, ainsi que la maturation de nouveaux systèmes numériques 4.0 et technologies de test telles que celles listées dans le papier EUCASS :

• Interférométrie (DIC)
  • Tests multi-impact énergie moyenne
  • Tests vibratoires
• Thermographie
  • Application END
  • Comportement structurel en environnement chaud
• Capteurs SHM et techniques de mesure
  • Fibre optique FBG (Fiber Bragg Grating)
  • OBR (Optical Backscatter Reflectometry)
  • MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems combinant composants électriques et mécaniques sur une seule puce informatique)
• Acoustique p-U (méthode de mesure d'absorption in-situ basée pression-vitesse)

Cadre collaboratif UE pour la certification

Une note finale des papiers EUCASS et Gahete est le crédit donné à la collaboration étroite avec et le travail accompli par un certain nombre de partenaires clés d'Airbus DS incluant NLR (Centre Aérospatial Néerlandais), Airborne (La Haye, Pays-Bas), Applus+ Laboratories (Barcelone, Espagne), MTorres (Torres de Elorz, Espagne) et FIDAMC (Getafe, Espagne), ce dernier décrit comme « significativement impliqué dans toutes les technologies en développement avec les matériaux composites et leurs procédés de fabrication. »

Depuis un certain temps, j'ai noté les activités et publications des ingénieurs d'Airbus à Getafe et écrit sur le travail ISC TPC fait par FIDAMC et autres. CW a aussi mis en lumière le leadership d'Airbus DS dans beaucoup d'articles écrits sur les projets Clean Sky. Mais jusqu'à maintenant, je ne comprenais pas à quel point la stratégie d'Airbus DS a été long terme et planifiée, faisant le meilleur usage de sa participation et contribution aux programmes Clean Sky. Cela a un sens parfait de poser les bases de la certification pendant le développement de nouveaux démonstrateurs de cockpit et d'aile. CW a écrit sur cette même approche poursuivie par le leader de sujet Airbus Allemagne au sein du démonstrateur de fuselage multifonctionnel (MFFD) de Clean Sky 2. Dans ce cas, la caractérisation complète du polyaryléthercétone bas point de fusion (LM PAEK) dans les joints soudés sera atteinte dans le sous-projet MECATESTERS.

Les feuilles de route d'Airbus DS et l'illustration radar technologique structurelle montrées dans ce rapport sont encore un autre exemple de la façon dont les industries aéronautiques et composites européennes travaillent ensemble pour être prêtes pour l'avenir. Clean Sky 2 continue de réussir en fournissant aux industries aéronautiques et aérocomposites européennes une vision ambitieuse et un cadre financé pour travailler ensemble pour atteindre des cibles claires. Ce travail aidera aussi alors que l'industrie pivote vers l'électrification, l'hydrogène et carburants alternatifs pour surmonter le changement climatique, et l'aviation et les composites ont tous deux des rôles clés à jouer dans cet accomplissement.