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Sur les perspectives d'évolution de l'aviation civile à l'horizon 2040 : préserver l'avance de la France et de l'Europe

12 juin 2013 : sur les perspectives d'évolution de l'aviation civile à l'horizon 2040 : préserver l'avance de la France et de l'Europe ( rapport de l'opecst )
5. Les technologies transversales

Si les disciplines qui concourent directement à la conception des avions ont des feuilles de route, à peu près identifiées28(*), l'aéronautique civile - comme toutes les branches industrielles -, se nourrit de l'évolution de technologies transversales.

Au titre de ces technologies transversales, trois semblent prédominantes : la science des matériaux, la conception numérique et les technologies destinées à être le support de ce que l'on appelle l'usine du futur.

a) La science des matériaux

De façon tout aussi diffuse mais moins visible que les technologies de l'information, les progrès de la science des matériaux irriguent notre quotidien.

Comme l'ensemble des secteurs industriels, la construction aéronautique n'a pas échappé à ce mouvement.

Compte tenu de la très grande variété des contraintes physiques que doivent subir les différentes parties d'un avion, cette « pervasion » des nouveaux matériaux dans l'aviation n'est pas cantonnée à l'emploi de fibre de carbone dans les aérostructures. Elle concerne également d'autres matériaux composites mais aussi les alliages métalliques.

(1) Les matériaux composites

L'emploi de matériaux composites, c'est-à-dire non miscibles et constitués d'une matrice et d'un renfort, n'est pas en soi une nouveauté.

Le bois, par exemple, est un composite constitué d'une matrice en lignine et de renforts en cellulose.

Dans la construction aéronautique sont employés deux types de composites : les composites en céramique dans les moteurs et les composites, principalement à base de carbone, qui sont employés dans l'architecture de l'avion (ailes, fuselage, freins, etc.).

· Les matériaux composites de l'aérostructure

Si on examine sur 40 ans l'évolution des aérostructures des Airbus, le pourcentage en poids des composites de l'aérostructure est passé de 5 % pour l'A300 à 53 % pour l'A350.

La masse structurale de l'A350 se répartit comme suit :

- 53 % composite,

- 6 % acier,

- 19 % alliages d'aluminium,

- 14 % titane.

La forte montée de l'emploi de ces matériaux dans les aérostructures s'explique par des gains de masse incontestables vis-à-vis des alliages classiques, mais comprend certains inconvénients et suscite quelques interrogations.

· Les avantages

Outre des gains en termes d'entretien et de maintenance, l'avantage de l'usage de composites se mesure par des gains de masse importants, qui se traduisent par des diminutions de consommation (on estime qu'une tonne de masse économisée se traduit par une économie de 6 000 tonnes de kérosène sur la durée de vie d'un avion).

À titre d'illustration, l'emploi de composites pour le caisson central de l'A380 (dont l'aérostructure comprend environ 30 % de composites) a permis d'économiser 1,5 tonne de poids.

Autre exemple, la masse structurale de l'A350 est de 15 tonnes plus légère qu'elle ne l'aurait été sans composite - au total le gain de masse ainsi obtenu est de 15 tonnes.

Mais ces avantages sont tempérés par des inconvénients.

· Les inconvénients

· Les problèmes de sécurité

? L'aéroélasticité

Les composites sont plus rigides que les métaux. Il est donc nécessaire de les tester en situation de vibration dynamique, en particulier parce que les commandes de vol peuvent amplifier la fréquence de ces vibrations.

? Le foudroiement

Les avions en aluminium constituent, comme les voitures, des « cages de Faraday » qui conduisent l'électricité. Une architecture métallique représente donc une protection contre le foudroiement. À l'opposé, les matériaux composites sont isolants et, donc, susceptibles de subir plus fortement les impacts de foudre.

Il a donc été nécessaire de « baigner » ou de grillager les architectures composites des avions avec une poudre métallique permettant d'assurer la conduction du courant, ce qui les alourdit et réduit le gain de poids de l'emploi de ces nouveaux matériaux.

? Le dégivrage

Le problème se pose pour les plus gros avions. La structure métallique permettait un dégivrage thermique. Or les nouveaux matériaux ne conduisent pas la chaleur. Il pourrait être envisagé un dégivrage reposant sur des techniques électromagnétiques, mais ces techniques peuvent être ingérentes au regard des circuits électriques internes des avions.

· Les difficultés d'industrialisation

Au regard de l'emploi d'alliages métalliques qui ont une vie industrielle de plus d'un demi-siècle, l'assemblage des composites sur un produit aussi complexe qu'un avion peut poser des problèmes industriels.

Les fissures dans les ailes de l'A380 ou les problèmes de calage29(*) qui ont affecté plus d'une cinquantaine de B787 en témoignent.

Par ailleurs, il se trouve que plus on utilise de composites dans l'aérostructure, plus on doit employer du titane pour renforcer la structure (du fait de la différence de dilatation entre les composites et l'aluminium). Comme le montre le tableau qui suit :

Cet emploi du titane est très coûteux et annule une partie des gains de masse obtenus par les composites.

· Les interrogations sur le vieillissement

Le matériel aéronautique subit des contraintes physiques (vibrations de vol, écarts de températures) qui accélèrent le vieillissement des structures, alors même que la durée de vie des avions se mesure en dizaine d'années.

Or, si le comportement de l'aluminium et de ses alliages dans la durée et en conditions d'emploi en vol est très documenté, une certaine incertitude existe quant au comportement de vieillissement des matériaux composites.

Certains objectent à ces questions que les composites sont employés depuis longtemps et que l'on possède des références sur leur vieillissement.

Cet argument n'est pas totalement recevable en ce que :

- les composites employés évoluent,

- leur usinage et leur assemblage aussi,

- et, leur rôle dans l'aérostructure n'est plus le même et les soumet donc à des contraintes d'expositions et de travail physiques notablement différentes de leurs emplois passés.

· Les matériaux composites utilisés dans la motorisation

Un turboréacteur est un compromis entre sa densité, sa résistance mécanique (de 20 000 h à 100 000 h d'utilisation) et sa tenue en température (> 1 150°C).

Ces contraintes d'usage font qu'il ne comprend que 5 % de composites et 95 % de métaux et d'alliages métalliques divers (45 % d'alliages de nickel, 25 % d'alliages de titane, 6 % d'alliages de cobalt, 4 % d'alliages d'aluminium et 15 % d'acier).

Actuellement, seules les aubes de la turbine sont en composites30(*), ce qui apporte un gain de masse non négligeable).

Les prochaines étapes de l'introduction des composites visent, en premier lieu, certaines parties froides (comme l'aube et le centre de la soufflante).

Mais pour obtenir un gain de masse de facteur 2, introduire les composites en céramique dans les parties chaudes suppose des avancées technologiques.

Ces composites sont déjà employés dans les moteurs d'avions militaires (le M 88 du Rafale) mais avec des composites qui favorisent l'oxydation - ce qui est acceptable pour un moteur militaire dont la durée de vie est de 5 000 heures mais pas pour un avion civil qui peut avoir une durée de vie allant jusqu'à 100 000 heures.

Les motoristes s'engagent donc dans l'étude de céramiques composites moins sensibles à l'oxydation.

(2) Les alliages métalliques

Compte tenu des différentes contraintes d'emploi et de tenue en vol des parties d'un avion, les métaux et alliages métalliques ont encore un avenir dans la construction aéronautique.

Les marges de progression dans ce domaine sont loin d'être négligeables car elles peuvent être porteuses de gain de masse mais concernent aussi des gains de résistance et de durée de vie.

Votre rapporteur n'en donnera que deux exemples.

Pour les tôles minces du fuselage, les matériaux proposés par la société Constellium et l'Institut de recherche technologique (IRT) de Nantes offrent des gains non négligeables (+ 46 % de tenue à la corrosion, + 5 à 7 % en densité, + 25 % de tenue en pratique).

Pour le futur A350 X, la substitution d'alliages en aluminium-lithium à l'aluminium pourrait représenter une diminution de la masse structurale de l'avion de 5 à 7 tonnes. Et cet alliage, outre sa résistance à la corrosion et à la fatigue, a un autre avantage - il allonge la durée de vie de l'avion et réduit les coûts d'exploitation.

Dans le domaine de la motorisation, la marge de progression concerne les réductions de masse par l'emploi d'alliage de titane à très haute résistance et passe par la recherche sur les alliages de nickel autorisant l'augmentation de la montée en température pour les structures chaudes du moteur.

*

* *

L'ensemble de ces progrès technologiques a un corollaire, l'évolution des processus industriels de fabrication (cf. infra).

Au-delà, et à vue d'une génération (ou plus), les avancées dans la science des matériaux appliquée à la construction aéronautique pourraient concerner :

- une attention accrue apportée aux interfaces composites/métaux,

- les recherches sur les matériaux composites multifonctionnels (conductivité électrique, surfaces antigivres et autonettoyantes, résistance au vieillissement, détection des dommages par intégration de capteurs),

- et, enfin, un des domaines qui fait l'objet du plus grand nombre de publications scientifiques du monde, l'utilisation des graphènes (nanotechnologie de carbone à très grande résistance) mais dont le degré de maturation technologique est faible.

b) Les techniques informatiques

· Un phénomène exponentiel

La construction aéronautique n'échappe pas au phénomène social de la numérisation.

Considérée sous le triple aspect de la puissance de calcul embarquée, du nombre de bus numériques (i.e, c'est-à-dire des voies de transport entre l'unité centrale et le processeur) et du volume des codes logiciels, cette augmentation est exponentielle.

Rappelons que les systèmes informatiques de l'A380 comprennent 100 millions de lignes de codes.

· La conception et sa vérification

Cette omniprésence des logiciels s'observe à la fois dans les conceptions des avions (CAO) et dans leur fonctionnement (logiciels embarqués).

Dans les deux cas, les logiciels concernés ne sont pas écrits à la main mais élaborés automatiquement à partir de langages de base qui se déclinent en langages d'application.

En application, comme en fonctionnement, la plupart de ces logiciels se situent au plus haut niveau des systèmes critiques, c'est-à-dire :

- qu'ils ne sont certifiés (comme le sont les autres parties de l'avion) qu'en fonction d'une probabilité extrêmement faible de pannes (par exemple, pour les commande de vol de l'A320, toutes les 10 millions d'heures de vol) ;

- et que les systèmes embarqués sont redondants - pour l'A320, trois ordinateurs et trois logiciels fabriqués par des industriels différents.

Compte tenu du volume de lignes de codes dans les avions actuels, le problème se pose de la validation et la vérification de celles-ci. On estime qu'actuellement, on doit déployer quatre lignes de vérification pour une ligne de conception.

Les erreurs peuvent avoir des conséquences très lourdes. Par exemple, en 1996, une erreur sur une ligne de codes a abouti à l'explosion du prototype d'Ariane 5, quarante secondes après son lancement.

Et plus une erreur est détectée tardivement, plus elle coûte cher à corriger.

L'enjeu est donc de mettre en place des procédures sûres et automatisées de vérification des logiciels de conception. Aux méthodes traditionnelles se substituent, graduellement, des méthodes mathématiques.

- Les méthodes traditionnelles de vérification

La première de ces méthodes est la relecture du programme par des experts, suivie d'une simulation (exécution du programme dans un environnement de fonctionnement). Mais la méthode jusqu'ici la plus employée est le test qui consiste à définir des valeurs d'entrée du programme, à l'exécuter et à comparer les résultats obtenus aux résultats attendus.

Le principal intérêt du test est de vérifier l'exécution du programme sur le matériel, ceci en faisant varier les scénarios d'exécution.

L'inconvénient de ces méthodes est qu'elles sont longues et coûteuses (coût de l'écriture des scénarios et maintenance des bancs de test) et que, de ce fait, elles ne peuvent être exhaustives.

- Les méthodes formelles

Ce sont des procédés mathématiques qui permettent d'analyser les programmes avec des calculs automatiques sans recourir à leur exécution. Ces méthodes ont été utilisées pour la première fois pour la vérification des logiciels de l'A380.

Elles sont exhaustives par rapport à l'examen de la propriété considérée.

L'analyse statique permet d'approcher les comportements du programme en vérifiant qu'ils n'aboutissent pas à des situations dangereuses (par exemple que les logiciels de commandes de vols n'engendrent pas de comportements mettant en danger l'équilibre de l'avion).

Autre méthode, la vérification déductive s'applique à poser des préconditions et des postconditions à la bonne marche d'un facteur. Si celles-ci ne sont pas remplies, le logiciel n'est pas validé.

· Les nouveaux défis de la conception et de la vérification

L'évolution des microprocesseurs, des architectures informatiques et des méthodes de communication va rétroagir sur la conception des logiciels et donc sur celle de la validité de leur vérification.

Les puces dites « multi-coeur » visent à accroître la puissance de calcul et donc à diminuer les consommations d'énergie, ceci en mettant plusieurs processus sur une seule puce de silicium.

Les architectures dites « modulaires intégrées » visent à supprimer l'équation qui voulait que l'on consacre un calculateur à une seule fonction, ce qui avait pour conséquence une multiplication du nombre de calculateurs embarqués.

L'idée des architectures modulaires intégrées est de partager sur un même calculateur les ressources de calcul et de communication (« bus » de transmissions informatiques) ; un même calculateur étant appelé à gérer plusieurs fonctions. Cette avancée nécessite la mise au point « d'interfaces » qui permettent de gérer les communications entre les différentes parties du réseau.

Enfin, les réseaux sans fils qui sont maintenant d'application courante permettront des gains importants de masse sur le câblage.

Le problème est que ces évolutions n'ont pas été conçues pour le transport aérien et que les équipements qui les supportent garantissent une performance moyenne élevée mais en aucun cas le support de logiciels critiques ne tolérant qu'un pourcentage infinitésimal de pannes ou de dysfonctionnements.

Il est donc nécessaire de redéfinir, le cas échéant, leurs bases de fonctionnement et les conséquences à en tirer sur la production des logiciels de conception et de vérification destinés à l'aviation.

*

* *

On ne surprendra personne en indiquant que les logiciels embarqués, comme l'ensemble des éléments de la numérisation de la société, sont des enjeux industriels capitaux.

L'étude commandée en 2010 sur les « briques génériques de logiciels embarqués » chiffrait, en 2006, à 135 milliards d'euros (dont 51 milliards pour l'aérospatial) le chiffre d'affaires mondial de cette activité en 2015.

Mais la même étude mettait en avant certaines faiblesses de notre dispositif industriel dans ce domaine :

- Si par secteur - et c'est un cas d'école dans l'aéronautique, nos entreprises se situent à un très bon rang mondial, le cloisonnement entre chacun de ces secteurs empêchait l'organisation de synergies et, quelquefois l'émergence d'une masse critique de recherches,

- la préoccupation de sécurité des systèmes contre les intrusions doit devenir un enjeu de plus en plus important, au fur et à mesure que leur prévalence dans la chaîne de valeur industrielle s'établit,

- les systèmes de formation demeuraient incomplets :

§ seuls 20 % de diplômés avaient reçu une formation dans ce domaine technologique transversal,

§ et, il n'existait pas de cursus universitaire complet et cohérent sur ce thème.

c) L'usine du futur

Un avion est un produit très complexe à concevoir, à fabriquer et à assembler.

Dans un contexte mondial de plus en plus concurrentiel, l'efficacité des procédés industriels qui concourent à cette fabrication peut être décisive.

À ce titre, les innovations technologiques peuvent être de deux ordres.

En premier lieu, la mise en cohérence de l'activité de l'avionneur, constructeur et assembleur, et des multiples sous-traitants, est un sujet qui peut paraître moins ambitieux que les percées technologiques mais qui est tout aussi essentiel en matière de rythme de production et contraintes de certification.

Au-delà, une industrie qui investit 17 % de son chiffre d'affaires dans la recherche est amenée à générer des innovations de procédés de fabrication.

Ces derniers progrès sont de deux natures, les uns sont dédiés à des domaines précis, les autres comme la robotique ou la réalité augmentée, ont une vocation plus transversale.

Dans chacun de ces secteurs, les enjeux industriels directs et dérivés sont très importants.

· Les mutations industrielles dédiées

Votre rapporteur se bornera, sur ce fait, à donner quelques exemples, tirés de ce qui pourrait être un véritable catalogue « Manufrance » des très nombreuses innovations dans les procédés industriels de la construction aéronautique :

- l'introduction des composites dans l'aérostructure et dans les moteurs a été porteuse d'innovations :

§ pour le moteur GenX co-fabriqué par la SNECMA, le carter de la « soufflante » est fabriqué en composite avec une technologie innovante de tissage et non plus par le procédé d'implant classique,

§ le caisson central de l'A350 en composite est directement effectué par dépose de couche grâce à un robot qui permet de répondre très exactement aux spécifications très variées de cet ensemble,

§ les soudages des pièces d'aluminium par « friction-malaxage » apportent des gains très importants de coût, de rapidité de cycle de fabrication et de robustesse,

§ les techniques de « fabrication directe » par laser qui s'opposent aux techniques de dépôt de couche apportent des gains de masses en matériaux. Elles ouvrent la voie de ce que l'on appelle « l'optimisation topologique », c'est-à-dire les possibilités d'analyser et de rectifier le design des pièces.

L'ensemble de ces progrès destinés à des objets à haute tenue critique et à durée de vie longue nécessite un investissement technologique continu consacré à la compréhension du cycle de vie des matériaux (comportement, endommagement, procédé).

· La robotique

Les évolutions de la robotique s'appliquent naturellement aux domaines évoqués ci-dessus mais elles sont porteuses de progrès spécifiques dans les procédés industriels.

À titre d'illustration, un axe de recherche important concerne les robots collaboratifs pour suivre concrètement la fabrication d'un avion.

Par exemple, ces robots auront vocation :

- à localiser précisément les zones à riveter par les compagnons ;

- et, ultérieurement, à vérifier si le travail a été effectué correctement.

· La réalité augmentée

Grâce à une modélisation d'imagerie qui représente en détail les différentes parties d'un avion, ce concept qui est en application chez Airbus permet, en particulier :

- de faire coïncider le virtuel (c'est-à-dire le design informatique des différentes parties de l'avion) avec le réel.

Ceci permet, notamment, de visualiser les points les plus délicats de construction de l'avion. Par exemple, les difficultés d'accès à des zones où il sera nécessaire d'intervenir - pour riveter ou pour boulonner. Et le cas échéant de concevoir des outils prototypes pour des zones difficiles d'accès.

- de géolocaliser le réel.

Un bon exemple de l'utilité de cette application est la localisation des « brackets » (supports en métal qui servent d'interface entre le câblage et la structure - dans un A 380, il y a plus de 60 000 de ces supports). La géolocalisation permet de visualiser l'implantation de ces supports et d'opérer des vérifications.

- d'en évaluer l'implantation des postes de travail lors de la construction de l'avion (valeurs logistiques, passage charriots d'outillage, établis, accès à l'avion (confort des postes de travail, etc.).

- de tester les solutions de maintenance.

· Des enjeux industriels très importants

Les technologies de pointe en matière d'industrialisation dégagées pour la construction aéronautique n'engendrent pas uniquement des avantages concurrentiels directs pour le secteur mais ont également vocation à diffuser en amont et dans d'autres secteurs.

À titre d'illustration, la conception et le logiciel du robot très sophistiqué qui sert à déposer les couches de composites de l'A350 a permis le maintien en activité d'une entreprise de la région nantaise et des prises de position dans le domaine des logiciels consacrés aux machines-outils.

Dans ce cadre, estimer, comme certains, que la construction aéronautique est un secteur qui se supporte lui-même et n'a pas besoin de soutiens publics est une option à courte vue.

L'exemple de l'Institut de recherche technologique de Nantes dédié aux transports (automobile, rail, mer, aviation) montre bien l'importance des synergies qui peuvent se dégager tant en matière de robotique, de procédés industriels innovants, que de design de structures complexes. Il illustre, sur ce point, la voie de ce que pourrait être une des bases du renouveau industriel de notre pays.


* 28 À cette réserve près que le débat entre continuité innovante et rupture technologique forte n'est pas tranché sur les architectures et, à un moindre degré, sur les options de motorisation.

* 29 L'utilisation des cales est nécessaire pour compenser les jeux résultant des tolérances d'usinage, de formage ou d'élaboration des pieds de l'avion.

* 30 La substitution des composites au titane a pris 20 ans de recherche et de développement.