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La vidéo du mois d’avril 2014

La vidéo du mois d’avril 2014 nous vient du projet appelé l’Université de tous les savoirs.

C’est une conférence d’André Pineau datant de 2000 intitulée « Les alliages métalliques pour conditions extrêmes ».

Lien vers la vidéo

Je copie ici le résumé de la conférence :

Les métaux et leurs alliages ont toujours joué un rôle primordial dans le développement de nos sociétés. Ils ont toujours contribué à la résolution de bon nombre de problèmes de société incontournables. Plutôt que de faire un inventaire, on s’efforcera de montrer les diverses étapes à franchir dans le développement d’un alliage métallique destiné à remplir une fonction donnée. On illustrera également les développements des grandes disciplines (Chimie, Physique, Mécanique, Simulation Numérique) qui ont largement contribué à la métallurgie. A cet effet, on rappellera tout d’abord les spécificités physiques des métaux et alliages métalliques. On montrera à ce propos comment il a été possible de profiter de certains traits spécifiques favorables et de surmonter quelques handicaps, comme la densité. Parmi les situations extrêmes envisagées, on se restreindra à celles qui font appel à la résistance mécanique des métaux et des alliages métalliques en traitant successivement le cas des très basses températures (transport de gaz liquéfiés), des très grandes vitesses de déformation ( » crash  » automobile), des températures élevées (turbines aéronautiques) et celui de l’irradiation aux neutrons (réacteurs électronucléaires). On conclura en envisageant un certain nombre d’applications pour lesquelles le développement de nouveaux alliages métalliques reste un verrou technologique et pose de réels défis scientifiques et techniques.

Enjoy !!

L’image du mois : décembre 2013

L’image du mois est en fait… un article !

Début des années 1950, le COMET connait plusieurs accidents tragiques. On découvrira, en développant un essai structural inédit à l’époque, que ces accidents sont dus à une rupture en fatigue du fuselage.

L’histoire de cet avion et l’essai échelle 1 développé ont « fait date » dans l’histoire de la fatigue et de l’aéronautique.

L’image du mois est un article de l’époque, du magazine France Aviation (n°2, janvier 1955), que j’ai trouvé sur la base de données Gallica de la BNF. Il relate très clairement l’enquête réalisée.

13-12 France Aviation

Le doc disponible sur Gallica est de qualité limite pour lire donc le texte intégral figure ci-dessous :

« LES « COMET » REVOLERONT-ILS ?

La découverte par le Centre d’Essais de Farnborough d’un nouveau phénomène relatif à la fatigue des métaux explique les accidents de Naples et de l’ile d’Elbe et apporte de nouvelles garanties à la construction aéronautique.

On se souvient que les « Cornet » avaient pris leur essor sous les meilleurs auspices. Ils avaient pratiquement échappé à ces maladies de jeunesse habituelles à tous types devions nouveaux, et après quelques mois d’exploitation leur rotation moyenne journalière pouvait égaler celle des avions éprouvés depuis longtemps. Par la suite, deux catastrophes survenues dans des conditions identiques, laissant pressentir un grave et mystérieux défaut, avaient jeté un doute sur l’avenir de toute l’aviation commerciale à turbo-réacteurs.

Mais Outre-Manche, on était décidé à résoudre à n’importe quel prix cette énigme. Des moyens illimités furent mis à la disposition du Centre d’Essais de Farnborough qui accepta de se charger de cette difficile entreprise, tandis que l’Amirauté britannique mettait en oeuvre ses formidables moyens pour récupérer les débris de l’avion accidenté au voisinage de l’lie d’Elbe. On ne pouvait, en effet, songer à récupérer l’épave des environs de Naples.

L’enquête

Les techniciens de Farnborough attaquèrent le problème avec un esprit neuf, décidés à ne tenir aucun compte des essais passés et à vérifier tout par eux-mêmes. Toutes les causes possibles d’accident furent envisagées :
– Rupture des empennages ou des ailes sous l’ effet des rafales brutales provoquées par les mystérieux jet-streams rencontrés aux hautes altitudes,
– Défaillance des servo-commandes : ce système de commandes de vol n’étant, sur le Cornet, doublé d’aucun système de commande directe,
– Explosion du kérosène sous l’effet de décharges statiques électriques,
– Dommages possibles causés à la structure de l’aile, par le remplissage sous pression des réservoirs de carburant, si aucun des dispositifs de sécurité n’avait fonctionné,
– Effet des ultra-sons ou des vibrations provoqués par le souffle des réacteurs.

Toutes ces possibilités et bien d’autres encore furent minutieusement étudiées avec essais à r appui et toutes purent être éliminées comme cause de l’ accident.

La rupture des tôles du fuselage, sous les efforts de pressurisation répétés à chaque vol n’avait pas été retenue comme cause vraisemblable puisque De Havilland avait vérifié, au cours d’essais, que le fuselage résistait à une pression supérieure au double de la pression de service. On savait, certes, que sous l’action d’efforts, même relativement faibles, mais répétés des dizaines de millions de fois, un affaiblissement du métal finissait par se produire, mais comment un affaiblissement important aurait-il pu survenir après quelques milliers de vols seulement ?

Néanmoins, dans leur volonté de ne rien laisser dans I’obscurité, les techniciens de Farnborough décidèrent d’observer le comportement d’un fuselage soumis aux efforts réels de vol : c’est-à-dire soumis simultanément aux efforts d origine aérodynamique et aux efforts de pressurisation.

L’ordre du bain

Gonfler la cabine avec de l’air comprimé pour reproduire la pression différentielle sur les tôles ? Il n’y fallait pas songer. En cas d’incident, par suite de la compressibilité bien connue de l’air, il se serait produit une explosion brutale et l’origine de la rupture aurait été impossible à déceler. La méthode utilisée consista à remplacer la pression différentielle d’air par une pression différentielle d’eau. Il est facile d’augmenter la pression de l’eau enfermée à l’intérieur du fuselage, tandis que la pression d’eau extérieure reste constante. En faisant varier progressivement cette pression intérieure, et en exerçant de même temps, au moyen de vérins, des efforts appropriés sur les ailes, on peut reproduire sur la structure de l’avion les mêmes efforts qu’au cours d’un vol réel. Mais, en 5 minutes on obtient les effets d’un voyage de 3 heures.

A la surprise générale de tous les experts le métal du fuselage autour duquel on avait construit, pour procéder aux essais, une immense cuve d’eau, a cédé, au voisinage d’une fenêtre passager, après l’équivalent de 3000 vols seulement. Puis, après réparation et renforcement de cette partie, deux autres ruptures se sont successivement produites au voisinage d’autres hublots. La cause de ces ruptures, révélée par des analyses, était la fatigue du métal.

Parallèlement à tous ces essais, fanbroue poursuivait l’examen des débris de l’avion de l’ile d’Elbe récupérés par l’Amirauté. 70% du poids à vide de l’ avion, dont les quatre réacteurs, avaient ainsi été ramenés à la surface.

L’examen de l’épave assemblée sur une structure en bois mit en évidence l’existence sur la voilure à la fois […] de traces de la peinture utilisée sur l’extérieur de la coque. La preuve était donc faite de l’arrachement extrêmement brutal d’éléments de revêtements provenant du fuselage. L’état de la partie latérale de ce dernier montrait que la rupture initiale provenait probablement du sommet de la coque, dans la région des ouvertures du radio-compas. Malheureusement cette partie du fuselage manquait.

Règle à calcul en mains, Sir Hall, directeur de Farnborough, rechercha, en fonction de la vitesse de l’ avion, de son altitude, des vents qui soufflaient au moment de l’accident, l’endroit où, reposant au fond de la mer, devait se trouver cette pièce essentielle. L’Amirauté reçut l’ordre de reprendre les recherches au lieu présumé par Sir Hall. Quelques semaInes plus tard, le morceau manquant était repêché : Sir Hall ne s’était pas trompé dans ses calculs.

L’examen détaillé de cette pièce devait montrer que la cause de sa rupture était bien la fatigue du métal.

L’hypothèse la plus inattendue venait d’être confirmée : pour en arriver là, il avait fallu dépenser des sommes colossales et organiser des essais qui entraînèrent la destruction totale de deux avions. Mais ce n’est pas payer trop cher la sécurité des passagers de demain.

Les responsabilités

On sait qu’avant d’être autorisé à entrer en service, un prototype doit être soumis à une série d’essais démontrant qu’il est conforme aux règlements en vigueur. Ces règlements sont établis par des autorités propres à chaque pays, compte tenu des recommandations de l’Organisation internationale de l’Aviation civile, administration fonctionnant auprès de l’O. N. U. Ces règlements exigent que la cabine pressurisée d’un appareil soit en mesure de résister à des efforts de pression doubles de ceux qu’elle doit subir en service.

Or, les essais de Farnborough ont montré pour la première fois qu’une structure soumise à des efforts atteignant régulièrement environ la moitié des efforts maximum qu’elle peut supporter sans rupture, subit un affaiblissement suffisant pour mettre l’ appareil en danger après quelques milliers d’alternances seulement, alors que la notion classique de fatigue des métaux est associée à des efforts (relativement plus faibles) répétés des dizaines de millions de fois. On ne peut donc reprocher au constructeur ni aux techniciens chargés d’établir les règlements de n’avoir pas tenu compte d’un phénomène jusqu’alors inconnu.

Mais, désormais, les règlements relatifs à l’attribution des certificats de navigabilité devront être révisés. Il est à prévoir que l’épreuve de la piscine sera rendue obligatoire dans tous les pays pour tous les types d’avions pressurisés, de telle sorte qu’il soit démontré par essais que la structure n’est pas sensiblement affaiblie après un temps de vol correspondant à la vie normale d’un avion de transport, soit au moins 30.000 heures.

A la lumière des enseignements de Farnborough, la construction aéronautique pourra accomplir de nouveaux progrès.

Théoriquement, et cela sera étudié sur le plan scientifique, il apparaît que pour supprimer le danger de fatigue, il suffira de réduire le taux des efforts dans la tôle des cabines pressurisées; pratiquement, une légère augmentation d’épaisseur de ces tôles aura pour effet un accroissement considérable de la durée sûre d’utilisation.

L’avion commercial à réaction revolera

Il ne peut être question de reconstruire le Comet 1. Par contre, l’application des nouvelles règles au Comet II est possible. Elle aura, certes, pour effet d’augmenter le poids à vide de I’appareil de 500 kg environ, mais cette augmentation de poids sera compensée par la diminution de consommation des réacteurs qu’il est maintenant possible d’envisager.

D’autre part, au cours de cette enquête, le Comet a été examiné systématiquement dans tous ses détails, et c’est un fait vraiment rassurant pour l’avenir que, à part la fatigue catastrophique du fuselage, aucun défaut important n’ait été découvert. Toutes les imperfections mineures qui ont été décelées ont été discutées publiquement, on peut donc être sûr qu’elles seront éliminées. Le Comet II a ainsi toutes les chances d’être un bon avion, et pour les passagers et pour l’exploitant. Sa mise en service prévue pour 1954 sera sans doute repoussée vers le milieu de 1956, mais il est probable qu’elle précédera néanmoins celle du Boeing 707 américain et de la « Caravelle » française, leurs constructeurs devant tenir compte des enseignements nouveaux découverts par le Centre d’Essais de Farnborough.

Jean-G. COLLIARD »