Fig. 1 Avion monté dans un hangar pour essais de matériaux
Fig. 2 Le banc d’essais : vue sur les surfaces portantes
Fig. 3 La carlingue est elle aussi sollicitée de façon ciblée par les vérins hydrauliques

30 types d'avions en 40 ans
L'éventail d'avions contrôlés par l'entreprise munichoise IABG depuis les années soixante s'étend du Tornado à l'Airbus, entre autres les modèles Airbus 300, 310, 320, 330 et 340. Ces tests de longue durée ont pour fonction d'établir la longévité de la cellule d'un avion et d'éliminer au besoin les points faibles. Les commanditaires de ces essais figurent parmi les plus grands avionneurs d'Europe. Le test courant est réalisé par IABG en collaboration avec la société IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH, située à Dresde. Il a été élaboré et mis en place en seulement deux ans. Les essais statiques ont démarré en avril 2001 et en septembre, peu avant le premier vol, ont eu lieu les essais d'endurance. La duré de validation de ces essais a pu être optimisée grâce à de nouvelles techniques de contrôle développées par la société IABG.

Des tests accomplis avec des verins Hänchen
Depuis 1974, on utilise principalement des vérins hydrauliques Hänchen pour ces essais dynamiques. Les vérins reçoivent 4 400 litres d'huile sous pression par minute à travers des systèmes de conduites longs de plusieurs kilomètres dont les tuyaux principaux présentent un diamètre de jusqu'à 20 cm. Les séquences de mouvements sont coordonnées par des processeurs de sorte que les charges appliquées correspondent à celles d'un Airbus A 340-600 en exploitation. Pour simuler ces déplacements avec réalisme, les vérins hydrauliques sont commandés par des soupapes proportionnelles. Les éléments mis en œuvre sont pour l'essentiel des vérins de bancs d'essai Hänchen munis d'un joint flottant à fente annulaire breveté. Pour les tâches spéciales, on utilise aussi des cylindres à guidage de tige de piston hydrostatique.

Des simulations avec l'ordinateur et sur le terrain
"La détection de défauts pendant ces essais fait partie du quotidien", explique Klaus Woithe, ingénieur diplômé, chef de filiale IABG et responsable de projet, en résumant les 40 années d'expérience de l'entreprise. "Pas même les systèmes de modélisation modernes basés par exemple sur la méthode FEM, celle des éléments finis, ne peuvent remplacer ces tests dynamiques de longue durée", assure-t-il. Car l'analyse par ordinateur n'arrive en général pas à reproduire avec la précision requise certains effets observés durant l'exploitation. La conception actuelle des avions tolère habituellement la présence de fissures de quelques centimètres dans le fuselage sans répercussion sur la sécurité de la machine. Les essais de Dresde sont réalisés sur des modèles d'une envergure d'environ 60 mètres, avec un fuselage de 33 mètres. Des modules factices de train d'atterrissage et de pylône de moteur servent à introduire les contraintes générées par ces éléments.

L'hydraulique, la technologie de base
"Dans le cadre du test dynamique de vieillissement d'avions, la simulation de sollicitations repose sur l'hydraulique. Chez nous, les systèmes de commande, de mesure et de fluide travaillent ensemble", poursuit Klaus Woithe. "Les processeurs doivent fournir des données de consigne en temps réel qui sont ensuite transmises pour les comparaisons théorique-réel par des API via des circuits de contrôle à boîtes dynamométriques. En plus de la commande, elles ont aussi pour fonction de prévenir des surcharges. L'utilisation de vérins de contrôle de haute qualité est une condition de base pour le réalisme du test. En 27 ans, nous avons pu faire reculer avec Hänchen les limites du possible tout en obtenant un bon rapport prix/performances et une gestion rigoureuse des délais." Les vérins de contrôle d'Ostfildern doivent leur succès à leur grande qualité, qui se traduit entre autres par un coefficient de frottement très faible, une étanchéité optimale, une excellente réaction aux sollicitations, une usure minime, une vitesse de piston extrême, un faible couple de décollage, une haute résistance et une longue durée de vie.

Deux vies et demie en 18 mois
Par mesure de sécurité, les essais établissent le comportement de l'avion sur une durée équivalant à plus de deux vies et demie. La détermination du vieillissement du matériel implique une simulation de toutes les phases de vol : le décollage et l'atterrissage ainsi que toutes les étapes pendant lesquelles l'Airbus est soumis à des variations de charge, c'est-à-dire des turbulences verticales et horizontales et des manœuvres. Ainsi, même un vol transatlantique de longue durée se déroulant dans de bonnes conditions météorologiques peut être simulé sur un quart d'heure ou une demi-heure. Pour les catégories de durée de vol "court", "moyen" et "long", différents tests ont été définis, du vol standard au vol extrême. Les charges utilisées pour la cellule sont affectées à un profil altimétrique. Car la pression intérieure appliquée à la cabine par l'intermédiaire d'un compresseur et de deux réservoirs d'air est adaptée à l'altitude simulée pour reproduire la différence de pression existant entre la cabine et l'environnement à une altitude donnée. A partir de ces types de déplacement, le centre d'essai établit un programme "flight-by-flight" avec plus de 1000 vols. Celui-ci sera répété jusqu'à ce que le nombre total de vols prescrit ait été atteint. Associés aux mesures périodiques des 3600 segments de dilatation et des 80 capteurs de déformation, les contrôles visuels continus exécutés par les inspecteurs et l'examen minutieux de la structure du test sur plusieurs jours garantissent la détection immédiate d'erreurs. La conception tolérante aux défauts accepte la présence de fissures. Celles-ci sont suivies dès leur apparition et tout au long de leur développement, jusqu'à ce que la longueur limite soit atteinte. La machine fait ensuite l'objet d'une réparation ou d'un remplacement de pièces. Un système de surveillance sophistiqué empêche l'application de charges accidentelles, notamment de sollicitations trop fortes.

Le joint flottant a fente annulaire
Les exigences de précision imposent l'absence de facteurs perturbateurs tels que les effets de broutement des vérins. Des forces de rappel très faibles apparaissent par exemple aux extrémités des ailes. Ces zones doivent cependant être déplacées à une vitesse atteignant 670 mm/s. Les ailes sont élevées jusqu'à 2,9 m au-dessus de la position de référence et abaissées jusqu'à 1,2 m en dessous. Mais les structures souples peuvent facilement présenter des oscillations parasites si le mouvement des pistons et des tiges de vérins hydrauliques n'est pas fluide. Les tolérances admises dans ce domaine se limitent à seulement 3 pour cent de la charge nominale des vérins. Dans la pratique, elles sont inférieures à 2 pour cent. Les oscillations parasites provoqueraient des écarts non recherchés et fausseraient les résultats. C'est pourquoi les essais relatifs à la structure des avions s'effectuent principalement avec des vérins Hänchen à joint flottant à fente annulaire breveté, dont le coefficient de frottement demeure constant indépendamment de la pression. Ces vérins possèdent un corps en acier qui se déforme par le biais d'un interstice d'étranglement et génère de ce fait une fente d'étanchéité sans contact de quelques centièmes de millimètres. Cette technologie requiert une précision de production de quelques µm pour éviter des fuites entraînant de grandes pertes hydrauliques. Les coûts de la série de vérins PZR sont environ 30 % inférieurs à ceux de vérins à guidage de tige de piston hydrostatique (PLZ). Car les vérins PZR présentent, en raison de leur frottement négligeable, une très haute précision de positionnement et de reproductibilité, sont exempts d'effets de broutement et se prêtent aussi bien à des mouvements extrêmement lents qu'extrêmement rapides. Le choix de vérins Hänchen a cependant aussi été dicté par la résistance. Rappelons à cet égard que les essais se déroulent 24 heures sur 24 7 jours sur 7.
Jörg Beyer, mediaword
© Hänchen 2003
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