Détecter les microfissures dans les avions

Les cabines pressurisées des avions de ligne, tout comme leurs ailes et leur empennage, sont inspectées à intervalles réguliers pour détecter les fissures et les dommages. Tous les six à dix ans, chaque jet doit passer un à deux mois dans un hangar pour le D-Check. Là, il est en grande partie démonté, même la peinture est enlevée. Si l'on ajoute à cela le temps de vol perdu, un tel D-Check peut facilement coûter plusieurs millions de francs.

Ne pourrait-on pas faire plus simple ? Ne pourrait-on pas surveiller en permanence, c'est-à-dire pendant le vol, les parties sollicitées de la structure de l'avion et surveiller de manière ciblée les dommages qui se produisent? Dans le cadre d'un projet européen appelé DIMES (Development of Integrated Measurement Systems), un consortium de recherche international s'est penché sur cette question. Les partenaires du projet sont, outre l'Empa Airbus, l'Université de Liverpool, les entreprises Strain Solutions Limited de Grande-Bretagne et Dantec Dynamics GmbH d'Allemagne.

Y a-t'il quelque chose ?

«En février 2018, nous avons répondu à l'appel d'offres lancé dans le cadre du programme Clean Sky 2 de l'UE», explique Erwin Hack, chef de projet à l'Empa. La problématique était passionnante: avec des composants aussi robustes et bon marché que possible, les chercheurs devaient observer l'aile métallique d'un Airbus A320 et les matériaux composites à base de fibres de carbone dans le panneau de la cabine d'un Airbus A350. «Les capteurs devaient à la fin répondre à plusieurs questions : Y a-t-il un dommage ? Où se trouve le dommage? Quelle est la nature du dommage ? Quelle est la gravité du dommage et quelle est la durée de vie de la pièce?»

Le consortium a obtenu le mandat et l'Empa n'y a pas joué un rôle négligeable: d'une part, Erwin Hack est spécialisé dans la surveillance optique des composants, dans les mesures d'imagerie thermique et dans la surveillance au moyen de jauges de contrainte et de réseaux optiques de Bragg. Toutes ces méthodes devaient être utilisées simultanément sur les pièces de l'avion. Et d'autre part, l'Empa dispose de machines dans lesquelles les pièces peuvent être serrées et fléchies de manière ciblée des milliers de fois d'affilée. Erwin Hack a développé sa stratégie de test en collaboration avec Silvain Michel du département Mechanical Systems Engineering de l'Empa. Airbus a livré de Filton/UK le segment d'aile d'environ sept mètres de long d'un Airbus A320-111 endommagé lors d'un crash en 1988.

Quatre méthodes à la fois

En novembre 2019, la partie de l'aile était fixée et serrée à l'Empa et les examens pouvaient commencer. L'aile a été fléchie 70 000 fois à l'aide de presses hydrauliques, tandis que les chercheurs collectaient des données et analysaient les résultats. Comme prévu, les essais de flexion ont agrandi les points de rupture que l'aile avait subis lors du crash et ont entraîné de nouvelles fissures.

Les chercheurs ont «senti» l'état général de l'aile à l'aide de jauges de contrainte et de capteurs de Bragg à fibres optiques. Ils ont observé l'environnement proche du dommage avec des caméras et des caméras infrarouges – car les tests de flexion génèrent de la chaleur dans la partie endommagée de l'aile. Là où la chaleur est générée, il s'agit d'être particulièrement attentif.

Tâche supplémentaire

L'étape suivante consistait à adapter les méthodes d'analyse de l'aile métallique aux structures en fibre de carbone d'un avion: Chez Airbus à Toulouse, le cockpit d'un Airbus était prêt, et l'Empa a reçu des panneaux de fuselage d'un Airbus A350 de Hambourg. Les deux pièces sont surtout sollicitées par la pression de la cabine, qui s'accumule à chaque vol et se relâche à chaque atterrissage.

Mais le coronavirus est arrivé. Les équipes de chercheurs de Chesterfield et de Liverpool, d'Ulm et de Dübendorf ne pouvaient plus se rencontrer ni se rendre auprès de leurs cobayes, qui se trouvaient dans les laboratoires de Dübendorf, Toulouse et Filton. Les chercheurs ont résolu le problème en développant un système de communication spécial pour les mécaniciens, composé d'une caméra pour casque, d'écouteurs et d'un microphone. Ainsi équipé, un spécialiste de Toulouse a pu monter le module dans la structure du cockpit - guidé à distance par des experts d'Angleterre, d'Allemagne et de l'Empa. La méthode a si bien fonctionné qu'un laboratoire de recherche aéronautique d'Ottawa, au Canada, a finalement été intégré au projet. Une aile d'avion y a été équipée du module de surveillance, sans qu'un seul vol longue distance ne soit nécessaire pour atteindre l'objet de recherche du projet.

Utilisation

Le résultat du projet est un petit module composé de composants courants et peu coûteux, qui comporte en même temps quatre méthodes de surveillance: les mesures de déformation avec des jauges et des capteurs de Bragg, la surveillance optique et l'analyse du stress thermoélastique. Les données des capteurs sont collectées dans un mini-ordinateur et peuvent être lues à distance.

Dans un premier temps, le module n'est pas encore autorisé à voler dans des avions, mais doit prouver ses capacités lors de tests structurels dans les laboratoires de développement d'Airbus. Une fois que la technologie aura été perfectionnée, elle pourrait jouer un rôle décisif dans l'amélioration de la sécurité des avions et dans la réduction des coûts de maintenance. Grâce à cette surveillance structurelle, la prochaine génération d'avions pourrait également être plus légère et donc plus économe en carburant qu'aujourd'hui.