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Appel aux matériaux nouveaux

La conception aérodynamique du Rafale, qui doit posséder une grande agilité, est basée sur une voilure delta, un empennage canard piloté, et une dérive unique. Semi-ventrales, les entrées d’air ne comportent pas de dispositif mobile, et permettent une saine alimentation des moteurs même aux grands angles, et jusqu’à Mach 1,8. De son côté, la conception de la cellule répond aussi à l’ensemble des contraintes spécifiques d’un programme d’avion de combat moderne. Les évolutions sont notables par rapport aux appareils de précédente génération. Ainsi l’architecture du Rafale a t-elle été définie pour satisfaire aux exigences de ses missions de base, qui s’expriment en termes de performances, de capacités d’emport, de facilité d’utilisation, de mise en œuvre et de maintenance. Outre ces qualités, la vocation de l’appareil est également celle d’un avion à survivabilité accrue. Cela se traduit dans la conception de la cellule, par des formes, des éléments structuraux et des matériaux destinés à réduire les signatures électromagnétiques et infrarouges. Un traitement des métallisations apporte une protection aux agressions IEMN (impulsion électromagnétique nucléaire), foudre et champs forts.

Un allégement de près d’une tonne

La cellule du Rafale est constituée en partie de matériaux conventionnels très largement éprouvés, tous métalliques. C’est le cas notamment des alliages en aluminium. Citons aussi les aciers (soudables ou non, inoxydables, à très haute résistance), le titane et ses alliages. Les matériaux métalliques sont essentiellement utilisés pour réaliser les éléments internes de la structure (cadres, lisses, voiles, éléments de liaison et ferrures) ainsi que quelques revêtements.
En revanche, le Rafale se caractérise par l’introduction massive de matériaux de nouvelles technologies : les matériaux composites dont la proportion représente environ 24 % de la masse de la cellule et 70 % de la surface mouillée, les technologies de furtivité, les structures titane SPFDB (formage super-plastique et soudure par diffusion) et les structures aluminium SPF (formage superplastique).

Ce grand pas technologique a été permis par une approche progressive et mesurée, donnant à l’avionneur la maîtrise technique et le retour d’expérience indispensable. En ce qui concerne les matériaux composites, deux grandes familles sont utilisées, les composites à matrice thermoplastique résine PEEK et fibre de carbone ainsi que les composites à matrice thermodurcissables résine époxy et fibre de carbone. Le gain de masse réalisé par l’usage des matériaux composites est supérieur à 300 kg. Compte tenu des effets induits de la masse, il faudrait redimensionner l’avion pour reproduire les mêmes performances : surface de voilure, motorisation, capacité des réservoirs... Le facteur multiplicatif, ou « effet boule de neige », a une valeur comprise entre 2 et 4, aussi peut-on estimer que l’introduction des matériaux composites a permis d’alléger le Rafale de près d’une tonne. Ce point est capital, en particulier pour la version marine qui doit avoir une vitesse d’approche sur porte-avions la plus faible possible, celle-ci ne devant en aucun cas dépasser les limites imposées par la tenue des freins d’arrêt du porte-avions. La masse de l’avion est un paramètre majeur qui influe notablement sur la vitesse d’approche ; le gain de masse permet d’accroître de façon déterminante les capacités opérationnelles de l’avion dans le cadre de son utilisation sur porte-avions.
Les matériaux composites permettent de réaliser des pièces de grandes dimensions – souvent de taille plus importante que les pièces métalliques –, des pièces très rigides, soit en structure « sandwich », soit en structure à raidisseurs intégrés. Les pièces de grandes dimensions ou autoraidies permettent de diminuer de façon significative le nombre de fixations d’assemblage.

Les critères de choix

Si le Rafale utilise un grand nombre de technologies nouvelles, dont certaines avaient déjà été employées sur l’avion démonstrateur Rafale A, les critères techniques retenus pour conforter un choix sont variés et spécifiques à chaque pièce. En ce qui concerne le choix d’un matériau, on prend en compte notamment :
- les tenues mécaniques statiques et en fatigue ;
- le module d’élasticité ;
- les gains de masse à tenue équivalente et, par conséquent, l’amélioration des performances ;
- la tenue à la corrosion ;
- la tenue en température ;
- le comportement électrique et électromagnétique ;
- l’environnement et les éléments avec lesquels il est assemblé ;
- la facilité de mise en œuvre et d’industrialisation.

C’est la maîtrise de toutes ces caractéristiques, liée au respect des contraintes calendaires, qui permet de justifier les choix qui ont été faits en matière de technologie et de matériaux.

Fabrication et contrôles

Le Rafale est le rendez-vous d’un grand nombre de techniques nouvelles en matière de réalisation des cellules. Leur mise en œuvre a nécessité d’adapter très sensiblement l’outil de production, tout d’abord pour la réalisation du démonstrateur Rafale A, puis pour celle des quatre avions de développement et de la cellule d’essais mécaniques et, enfin, en phase d’industrialisation. Tant pour les matériaux composites que pour les structures en SPFDB, il a fallu développer des méthodes de contrôle non destructif afin de garantir la bonne santé des pièces en cycle final de fabrication. Les contrôles par ultrasons sont à cet effet très employés. On voit, parallèlement à ces méthodes assez traditionnelles, se développer, pour les composites, des méthodes de contrôle par thermographie infrarouge et par interférométrie optique. Les contrôles non destructifs doivent être pratiqués systématiquement en fabrication, et quelquefois sur site.

Toutes ces techniques ne peuvent être appliquées sur avions que si l’on s’assure aussi de leur aptitude à la maintenance, lorsqu’elles seront mises en service au sein des armées. Outre la maintenance préventive, il faut prévoir la maintenance occasionnelle pour faire face aux aléas. D’importants travaux ont porté sur la caractérisation, zone par zone, des dommages maximums acceptables sans être obligés de réparer et des dommages maximums réparables sans chantier industriel. Ils ont également porté sur les principes et méthodes de réparation capables de restituer la totalité des caractéristiques initiales et sur les contrôles sur site associés. Ces études aboutiront à la rédaction d’un manuel de maintenance de la structure, qui définira zone par zone les mesures à prendre en cas d’endommagement en service. Des scénarios simulés sur éprouvettes vont être évalués par les armées.

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