Le poids des avions et les matériaux composites

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didier
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# 27 décembre 2018 22:07
On lit partout que les matériaux composites permettent de faire des économies de poids et donc de kérosène. J'ai étudié quelques avions, du plus ancien le 747 (200), assez métallique), à l'A 380, plus récent et utilisant pas mal les composite et au plus récent encore B787 encore plus largement fabriqué en matériaux composites (en prenant chaque fois des versions moyennes, avec un nombre de places moyen, j'ai exclu les extrêmes).
Résultats :
B 747 (200) : masse à vide 174 T pour 452 passagers soit 384 kg par passager
A 380 : masse à vide 276,8 T pour 555 passagers soit 498 kg par passager
B 787 : masse à vide 118 T pour 230 passagers soit 513 kg par passager
Bref, plus les avions sont récents et fabriqués en composites plus ils sont lourds par passager !
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didier
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# 2 janvier 2019 15:45
Si en plus on ajoute que le carbone est plutôt inflammable et que les matériaux composites sont très difficilement recyclables et pas toujours facile à réparer, y a-t-il vraiment un avantage à ne plus faire d'avions en métal ?
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Vector
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# 10 janvier 2019 16:14
Sans compter que les fibres de carbone posent des problèmes analogues à ceux de l'amiante lorsqu'elles se brisent. Tiré du manuel des enquêteurs d'accidents, sur les précautions à prendre sur le site d'un crash

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Vector
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didier
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# 16 janvier 2019 14:51
J'ai donné quelques exemples de ratios entre nombre de passagers transportés et poids à vide des avions. Je ne prétends toutefois pas à l'exhaustivité.

Certains des lecteurs de ce site ont-ils d'autres données plus représentatives ? Est-ce que, globalement, le poids des avions par passager transporté croît, est stable ou décroît avec le progrès technique ?

J'imagine bien que la taille des avions intervient aussi (la surface disponible croît en gros avec le carré de la taille de la cabine si l'on reste sur un seul niveau tandis que le volume (et donc en partie sans doute la masse), lui, croit avec le cube de la taille de la cabine, cela doit jouer aussi.

Leur autonomie croissante qui nécessite de plus gros réservoirs doit intervenir également (même si je parle des masses à vide il doit y avoir des problèmes de structures).

Quand même, il me semble y avoir un décalage entre ce qu'on entend partout à savoir les nouveaux matériaux permettent de baisser le poids et donc la consommation et .... la réalité, même si ce n'est pas aussi général que les quelques exemples que j'ai donnés puissent le laisser penser
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sainthubert
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# 1 février 2019 17:41
Bonjour Didier ,
Je réponds avec un certain retard car j’ai eu quelques problèmes de communication avec le site , aujourd’hui résolus.( apparemment ).

N’étant pas un expert sur les performances des divers appareils je ne vous suivrai pas sur les ratios que vous avez choisis . Je doute cependant qu’ils résument ,à eux seuls,
la problématique .

On ne peut comparer que des avions de même catégorie : court /moyen / long courrier , donc faire intervenir aussi, par exemple, le rayon d’action ( masse de carburant ) . Les moteurs aussi peuvent changer la donne.
Si on compare le métal au composite il faut le faire à iso type de structure. Dans beaucoup de cas le composite apporte un avantage théorique en masse. Aucun doute à ce sujet. Ensuite il faut considérer les processus de production : disponibilité des moyens et coûts. La substitution du métal par du composite n’est donc pas une fin en soi.

Jusqu’aux appareils de transport civils européens mis en service au siècle dernier la proportion de composites ( carbone / époxy) était relativement faible et concernait les structures secondaires, la plupart du temps sous la forme de structures sandwich . Les seules exceptions en structures primaires, donc en technologie monolithique ,concernaient en partie les caissons d’empennages des A320 /330/340 et le caisson de voilure externe de l’ATR 72. .
Mais il y avait déjà beaucoup de composite sur les chasseurs militaires , le Rafale en particulier, y compris pour une grande part de la structure primaire . On a pu ainsi optimiser la masse donc participer à la performance avant tout.

Au cours des dernières décennies du XX ème siècle la progression des performances intrinsèques des matériaux composite sous forme monolithique et déjà une expérience industrielle suffisante ( moyens industriels disponibles , séries) ont permis d’entrevoir l’emploi du composite pour des applications plus ambitieuses avec des taux de chargements de la structure plus élevés : caisson central voilure A 380 , voilure A400 M et bien sûr ,plus tard , la réponse au B 787 dreamliner, l’ A 350 ,avec cette fois-ci ,en plus , des fuselages en composite. D’autres moyens industriels furent alors nécessaires .

Maintenant vos remarques sur les problématiques d’emploi des composites carbone époxy :
- inflammabilité du composite ? En cas de crash j’ignore si le comportement relatif métal /plastique est significatif . En revanche en cabine les matériaux non métalliques qui se sont généralisés subissent des certifications pour la tenue au feu et le dégagement de fumées ( toxiques ?) très sévères .
- recyclage ? il est moins évident que sur le métal ( tri puis refusion) mais il existe déjà des voies de réemploi de ces matériaux . Au passage ,les batteries ça se recycle comment?
- réparation : les réparations sont parfois spécifiques sur les structures sandwich , c’est exact . Cette technologie est particulièrement intéressante en masse sur des parties mobiles de voilure/empennage ,des carénages ,les trappes de train ,le radôme etc , Le beurre et l’argent du beurre ? Pour les autres cas, les principes de réparation sont souvent analogues
-
Enfin ,on ne dispose pas aujourd’hui de composites compétitifs pour certaines zones de l’avion , par exemple , celles situées autour des groupes propulseurs et les futs des train d’atterrissage


Ceci dit, les plus gros volumes d’avions en service ,et de loin, concernent les biréacteurs mono couloir moyen courrier ( A320-B737) .Ils restent encore en très grande partie métalliques et pour de nombreuses années . Les nouveaux types de moteur leur donnent une seconde jeunesse.

Question : L'aigle de votre photo; quelle espèce exactement ?

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faites de la technique
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didier
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# 2 février 2019 17:19
Bonjour Saint Hubert,

Merci de vos remarques et de votre connaissance du sujet, vous avez tout à fait raison d’élargir la question à d’autres aspects du problème.

Bien entendu je n’avais pas prétention à l’exhaustivité et ne prétendais pas clore le débat à partir de ces trois exemples (B747, A380 et B787). J’en étais bien conscient et appelais d’ailleurs dans un de mes messages d’autres utilisateurs du forum à compléter ce sujet par d’autres données.

J’avais toutefois pris garde par avance à certaines objections en ne comparant entre eux que des longs courriers et ceci dans une configuration moyenne afin d’éviter le biais visant à mettre face à face un 787 équipé en première classe uniquement et un A380 en version « autobus » à 800 passagers.

En ce qui concerne le recyclage vous faites bien d’évoquer les batteries qui sont de plus en plus importantes sur les avions (le problème concerne aussi et plus encore l’industrie automobile). Mais il me semble quand même pour le reste que le métal reste de loin ce qui se recycle le plus facilement et le plus grand nombre de fois.

Pour le rayon d’action, oui cela doit être pris en compte et celui des avions longs courriers d’aujourd’hui est supérieur à celui des avions d’il y a 20, 30 ou 40 ans. Toutefois quand on fait Paris New York ou d’autres distances du même ordre cela joue peu puisque de fait il était déjà suffisant et qu’il n’y a nul besoin d’avoir une capacité de 15 ou 16 000 km.

J’admets cependant que si l’avion consomme moins il peut alors emporter pour un même parcours moins de carburant et donc en retour consommer encore moins. Mais c’est sans doute plus le gain d’efficacité du moteur qui joue car la structure semble donc n’avoir pas évolué significativement en termes de poids.

C’était là mon seul propos, me concentrer sur les ordres de grandeurs, il n’y a pas eu de changement significatif (et même si quelques exemples vont dans le sens contraire des miens chacun s’accordera à dire que les avions ne sont pas complètement différents d’il y a 30 ans en terme de rapport passager/masse).

Je souhaitais surtout dire cela en réaction à ce qui me semble une sorte de naïveté. A lire certains articles sur l’aviation, les avions ne pèseraient ni ne consommeraient plus rien. On prétend si souvent que la dernière génération consomme 10 ou 20 % de moins que la précédente, mais si cela était vrai et si l’on additionnait tout ce qui a été écrit et le nombre de générations je crois qu’aujourd’hui les avions en seraient à produire de l’essence…
Sur cette plaisanterie encore une fois merci de vos remarques d’autres lecteurs auront peut-être de nouvelles estimations plus exhaustives.
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didier
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401 messages postés

# 2 février 2019 17:20
Ah pardon, j'ai oublié de répondre sur l'aigle, non je ne sais pas, j'ai juste trouvé la photo originale et jolie.
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papap
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49 messages postés

# 6 février 2019 10:29
C'est possible de faire des avions plus gros entièrement en composites, mais il faut changer de technologie, commencer par un petit et le financer. On y travaille depuis 35 ans...
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vihaan
Anonyme

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4 messages postés

# 1 mai 2019 23:03

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