Aujourd’hui le développement de nouveaux matériaux reste un grand défi de l’aéronautique qui vise à rendre les avions plus sûrs, plus propres et plus performants. Même si les matériaux composites s’imposent et constituent aujourd’hui une part importante d’un avion, les métaux et leurs alliages restent incontournables pour leur résistance au choc, leur recyclabilité et leurs propriétés intrinsèques comme par exemple la conductivité électrique. Aujourd’hui des efforts en sciences des matériaux sont largement entrepris et doivent être poursuivis afin de réaliser les progrès technologiques qui concernent notamment le développement de matériaux multifonctionnels ; la prise en compte de l’interface composite/métal ou encore l’utilisation de nouveaux composés tels que le graphène dont le degré de maturation technologique doit être augmenté.

L’équipe « Revêtements et Traitements de Surface » du CIRIMAT développe dans le cadre d’un partenariat pérenne avec les industriels de l’aéronautique des travaux de recherche dans le domaine de l’ingénierie des surfaces, interfaces et revêtements en mettant en œuvre des procédés par voie liquide. Des exemples de nouveaux revêtements développés pour des pièces de structure ou des pièces mécaniques sont décrits. Ils montrent les corrélations composition chimique/structure/microstructure à l’origine des propriétés fonctionnelles telles que la protection contre la corrosion, la purification de l’air ambiant dans les cabines et la protection thermique des pièces soumises à de hautes températures.

Dans la prochaine décennie, le besoin de satellites notamment d’observation dédiés à une seule tâche dans des domaines très variés et disponibles partout et à tout moment, comme d’autre part la nécessité de l’accès à internet pour tous, va entrainer le lancement de plus de 10000 satellites qui devront être miniaturisés : de 1 à 100 kg, 300 kg maximum. Ce changement d’échelle entraine une révolution dans le domaine de la propulsion et impose de maitriser la trajectoire de ces mini-satellites et de développer la micro propulsion électrique. Le principe et les défis à résoudre sont clairement et simplement exposés. La chimie des plasmas joue un rôle important dans le choix et la maitrise des carburants utilisés pour cette nouvelle génération de propulseurs spatiaux.

Montée en cadence de la nouvelle gamme de moteurs LEAP, réduction des coûts d’exploitation pour les compagnies aériennes, recherches de solutions pour améliorer le rendement des futurs moteurs et baisse de la masse des équipements embarqués, les challenges techniques ne manquent pas pour le périmètre des matériaux et procédés appliqués au domaine aéronautique !

C’est ainsi que le composite à matrice organique avec tissage de fibres de carbone va remplacer le titane sur les aubes de la soufflante des nouveaux moteurs. Le titane va se substituer aux alliages nickel sur les aubes des compresseurs basse-pression et à l’acier sur certaines pièces forgées des trains d’atterrissage. Les procédés innovants comme la fabrication additive ouvrent également de nouvelles libertés de conception et vont permettre d’accélérer le développement de la filière d’élaboration des poudres métalliques. Enfin, les céramiques, au comportement réfractaire, devraient voir leur domaine d’application s’agrandir moyennant une baisse progressive des coûts.

En support à ces développements de solutions matériaux de plus en plus complexes, la chimie apparait comme une science indispensable pour prédire des compositions chimiques optimales pour les matériaux ou encore pour développer des revêtements résistants à la corrosion y compris à de hautes températures.

La simulation numérique est de plus en plus déployée dans ce domaine, l’arrivée des méthodes de design numérique des matériaux va incontestablement modifier les approches actuelles basées avant tout sur des essais physiques.

Entre satellite et drone, Stratobus™ est une plateforme stratosphérique haute altitude (High Altitude Stratospheric Platform) autonome et permanente à partir de laquelle Thales Alenia Space prévoit d’offrir un large spectre de missions d’observation, de surveillance, de télécommunications, de contrôle environnemental et de renfort de navigation GPS.
 

Positionné à l’altitude de 19 km, Stratobus™ pourra atteindre la stratosphère en quelques heures et se déplacer sur des milliers de km pour se placer au-dessus de sa zone d’utilisation au moyen de ses propulseurs électriques à hélices. Une fois en position, la plateforme s’appuie sur plusieurs innovations et des technologies propres pour capter et convertir une grande quantité d’énergie solaire en puissance électrique nécessaire à son fonctionnement de jour, mais également stocker une partie de cette énergie pour continuer sa mission de nuit. Relevant le défi de masse qui caractérise les « plus légers que l’air  », Stratobus™ emporte en standard une charge utile de 250 kg consommant 5000 W, qui permet de transférer de l’information en temps réel et d’offrir des capacités de type « satellite géostationnaire » au-dessus d’un territoire d’environ 100.000 km2. D’une durée de vie de dix ans, Stratobus™ sera ramené sur Terre une fois par an pour effectuer sa maintenance, avec une maintenance importante au bout de cinq ans.

Une première offre de missions commerciales est prévue dès 2021.

Les instruments optiques spatiaux sont des objets complexes soumis à de très nombreuses contraintes d’environnement (lancement, vide spatial, radiation) tout en fournissant des performances exceptionnelles nécessaires aux missions d’observation de la Terre, d’exploration de notre système solaire ou de connaissance de l’univers. Face à de telles contraintes, le choix des matériaux optiques et structuraux est un élément fondamental tant pour les performances que la compétitivité (coût, délai de réalisation) de la solution. Au travers de plusieurs exemples concrets, sont illustrés les principaux problèmes à résoudre et les solutions trouvées en termes de matériaux et de procédés de fabrication.

L’adoption des matériaux composites à matrice polymérique par l’industrie aéronautique n’a cessé d’augmenter au cours des dernières décennies. Ils jouent maintenant un rôle essentiel dans le design de structures aéronautiques tant bien commerciales que militaires (avions, hélicoptère, moteurs, missiles). Chaque application s’accompagne évidemment d’un cahier des charges spécifique. La sélection de la chimie de la matrice en fonction de l’application est illustrée au travers de quelques exemples. Le rôle essentiel de la chimie dans le développement de matériaux composites adressant les nouveaux besoins de l’industrie aéronautique est également discuté.

Comme partout, les considérations liées à la protection de l’environnement imposent à l’aéronautique des normes de plus en plus sévères, notamment en matière de bruit et d’émissions de gaz carbonique et d’oxydes d’azote.

De très nombreuses améliorations ont déjà été apportées dans les programmes récents : allègement des structures, réduction des trainées parasites, amélioration du rendement des moteurs et de l’aérodynamique avion, optimisation de la production, de la distribution et de la distribution de l’énergie à bord. Les facteurs externes à l’avion comme les biocarburants, l’optimisation des routes ou l’unification des trajectoires d’approche ont également été explorés mais il reste nécessaire d’aller encore plus loin. Une rupture en matière d’architecture est-elle possible ou souhaitable ? Que nous offrent les futures propulsions électriques pures et hybrides électriques ? Espoir ou impasse ?

L’industrie du transport aérien évolue naturellement vers des avions plus autonomes, qui, dans un premier temps, dégageront l’équipage des tâches ancillaires du simple pilotage avant d’être capables de voler presque seuls, sous une supervision humaine minimale, puis sans plus aucune supervision. Les problèmes à résoudre sont immenses, à la fois théoriques et pratiques, comme la maîtrise de la complexité et des coûts et les règles communes de responsabilité, mais la marche du progrès est impossible à arrêter.

Deux thèmes sont abordés: la chimie et les technologies qui y sont associées d'une part, l’instrumentation au bénefice de l’observation et l’analyse des constituants chimiques de l'espace d'autre part.

Le panorama des domaines où la contribution de la chimie est essentielle pour permettre la réalisation du satellite correspondant et lui permettre de remplir sa mission est présenté : propulsion chimique versus propulsion électrique, boucliers thermiques pour rentrer dans l’atmosphère des planètes, les SiCs dans l’instrumentation spatiale, etc. Chacune des technologies abordées est présentée dans le contexte des missions spatiales correspondantes : qu’elles soient de télécommunication, d’observation de la terre ou scientifique. En parallèle est présentée l'instrumentation spatiale au service de la chimie de l’espace sur ces mêmes missions, aussi bien dans le domaine de l'observation de l'atmosphère terrestre que de la chimie planétaire, par mesures in situ (robots) ou observations astronomiques avec les télescopes spatiaux européens sur des missions déjà réalisées ou à venir.

L’objectif étant de donner une vue d’ensemble expliquant où l'on va dans l'espace et pour observer quoi... et de comprendre les enjeux et challenges de ces missions en même temps que voir les apports de la chimie dans leur réalisation.

Air Liquide réalise tous les réservoirs cryogéniques de la famille des lanceurs ARIANE, que ce soit pour stocker l’hydrogène, l’oxygène ou encore l’hélium sous forme liquide. Dans sa version la plus puissante, la fusée ARIANE V ECA emporte ainsi plus de 175 tonnes d’ergols sous forme cryogénique, à la fois pour son étage principal et pour saon étage supérieur. Le réservoir d’hélium liquide sert à pressuriser le réservoir d’oxygène de l’étage principal.

Avec son moteur VINCI ré-allumable, la future version ARIANE VI devra être capable de gérer de longues phases en orbite où les fluides cryogéniques seront en apesanteur. La gestion des fluides des lanceurs, les défis à résoudre, les solutions trouvées innovantes et compétitives pour ce futur lanceur en cours de réalisation sont exposées.

Le résultat des recherches sur la possibilité d’utiliser l’hydrogène sous forme gazeuse ou liquide pour des applications aéronautiques est aussi présenté : que ce soit pour la fourniture de quelques dizaines à une centaine de kilowatts électriques à bord des futurs avions de ligne, ou pour la propulsion de petits avions monomoteurs électriques à hélice de 100 à 200 chevaux, car la réaction électrochimique de l’hydrogène et de l’oxygène au sein de piles à combustibles à membranes offre un rapport poids/puissance ainsi qu’une autonomie inégalés. Un très large éventail de solutions innovantes, performantes et respectueuses de l’environnement s’ouvre ainsi pour l’aéronautique.

Les grandes agences spatiales dans le monde envisagent sérieusement l’établissement de bases permanentes sur la lune ou sur mars à un horizon d’une vingtaine d’années. L’alimentation en énergie de ces bases est un élément très critique où travers l’électrolyse d’une réserve d’eau, le stockage des molécules H₂/O₂ puis la restitution de l’énergie sous forme électrique à l’aide d’une pile à combustible. L’hydrogène peut jouer un rôle prépondérant pour le stockage de l’énergie solaire.

L’agitation est une opération unitaire rencontrée dans toute l’industrie chimique et les industries connexes (procédés biotechnologiques, traitement des eaux, pétrochimie, industrie pharmaceutique, industries agroalimentaires…).  

Cette vidéo, de la série « Vous avez dit Génie Chimique ? » nous montre différents mobiles d’agitation et nous explique les critères de choix, selon que l’on veut réaliser une réaction chimique, un transfert de chaleur, une mise en suspension, un contact gaz liquide.