Les matériaux composites construisent les avions du futur

Depuis plus d'un demi-siècle, les matériaux composites sont utilisés dans l'aérospatiale pour remplacer le métal. Mais leur utilisation a longtemps été limitée à des applications haut de gamme telles que les véhicules militaires, pour lesquels les performances de pointe primaient sur tous les autres critères, y compris économiques.

Mais les temps ont changé. Les secteurs commerciaux - qu'il s'agisse de secteurs établis comme le transport aérien classique ou de secteurs émergents comme la mobilité aérienne urbaine - tirent désormais parti de tout ce que les composites ont à offrir, sous l'impulsion de deux tendances complémentaires : l'urgence d'améliorer leur profil de durabilité et l'accessibilité largement améliorée des matériaux composites, tant d'un point de vue économique que technique.

Accroître l'utilisation des matériaux composites dans l'aviation 

L'aspect de la durabilité est assez simple. Parce qu'ils pèsent beaucoup moins que le métal, les composites permettent aux avions de consommer moins de carburant et donc de réduire leurs émissions. "Depuis le début des années 2000, l'allègement est devenu la préoccupation générale de l'industrie pour des raisons d'efficacité énergétique", confirme Stephen Heinz, Vice-Président R&I de la GBU Composites de Solvay. "Si l'on considère que la consommation de carburant d'un avion représente plus de 95 % de son empreinte carbone, tout impact sur cette consommation a un effet important."

Simultanément, le coût total de possession des composites par rapport au métal a diminué au fil des ans. Aujourd'hui, la barrière du coût ayant été abaissée, leur adoption se résume en grande partie à l'adaptation des processus de fabrication. "À mesure que les composites remplacent de plus en plus de pièces métalliques, de nouvelles applications s'ouvrent et doivent être prises en compte", explique Stephen. "Mais il reste encore beaucoup à faire pour faire proliférer les composites."

La question clé ici est celle des taux de fabrication. Au début des années 2000, lorsque les programmes d'avions commerciaux à deux couloirs tels que l'Airbus 350 ou le Boeing 787 ont commencé à passer massivement aux matériaux composites (à des fins d'allègement, mais aussi pour des raisons de facilité d'entretien et de meilleure longévité par rapport au métal), ils ont surmonté les défis techniques que cela impliquait et ont progressivement atteint une proportion allant jusqu'à 50 % de matériaux composites dans ces modèles. Cela signifie qu'il ne faut plus utiliser de métal pour les pièces structurelles cruciales du fuselage et des ailes.

Mais ces avions sont fabriqués à des cadences relativement faibles d'une douzaine d'unités par mois et, malheureusement, la technologie utilisée n'est pas extensible aux avions monocouloirs plus petits et à leurs cadences de 50 à 60 avions par mois. L'objectif des constructeurs est de passer à 100 avions par mois au cours de la prochaine décennie pour répondre à la demande croissante de l'industrie mondiale du transport aérien.

Les avions monocouloirs sont actuellement composés d'environ 15 à 20 % de matériaux composites, à l'exclusion des principales pièces structurelles telles que les ailes ou le fuselage. "Pour ce faire, l'industrie doit s'unir pour travailler conjointement sur la conception, les matériaux et la fabrication", explique Edoardo Depase, Responsable Marketing et Développement commercial de Solvay pour l'aérospatiale. "Chacun de ces piliers influence les autres, et la collaboration est donc essentielle pour trouver la meilleure solution. Cela inclut bien sûr les fournisseurs de matériaux tels que Solvay."

Les matériaux composites sont un élément clé de la mobilité aérienne urbaine

Dans le cas de la mobilité aérienne urbaine, il ne s'agit pas de changer de processus ou de remplacer des matériaux. Dans ce tout nouveau domaine, les matériaux composites sont clairement la voie à suivre. C'est toute une industrie qui est sur le point de... décoller, alors que les fabricants de taxis aériens alimentés par batterie et de drones de livraison s'apprêtent à peupler le ciel des villes encombrées de véhicules volants à zéro émission.

Et pour ce faire, ils ont besoin de composites. "Avec les performances actuelles des batteries, l'allègement au moyen de matériaux à haute performance est crucial pour atteindre les objectifs d'autonomie ou de charge utile", explique Edoardo. "Le poids de la structure du véhicule, de ses batteries et de sa charge utile sont tous en concurrence pour la consommation d'énergie. Si l'on peut réduire le poids de la structure grâce aux composites, on peut augmenter l'autonomie ou la charge utile.

Matériaux composites : la voie vers une aviation zéro émission nette

Bien que des questions telles que l'empreinte carbone des matières premières et la recyclabilité doivent encore être abordées, il ne fait aucun doute que l'adoption plus large des matériaux composites dans l'aérospatiale est une étape nécessaire vers sa décarbonisation. Le secteur de l'aviation a annoncé son objectif d'atteindre un niveau d'émissions nettes nulles d'ici 2050, et cherche donc de nombreux moyens de réduire son empreinte carbone, y compris des technologies de propulsion alternatives telles que l'hydrogène ou l'électricité.

L'adoption de carburants aéronautiques durables sera probablement le principal facteur contribuant à la réalisation de cet objectif. "Tout le monde est d'accord sur ce point, c'est pourquoi il y a une forte pression pour accélérer les capacités dans ce domaine", déclare Stephen. "Toutefois, une chose est claire : quel que soit le véhicule ou la technologie, les composites joueront un rôle majeur car l'allègement est essentiel pour tous."

En définitive, même si l'on met de côté la recherche d'une plus grande durabilité, travailler avec des avions plus efficaces continuera d'être un objectif pour cette industrie. "Réduire les coûts opérationnels en consommant de moins en moins de carburant sera toujours une priorité", conclut Edoardo. "En outre, l'amélioration de la conception des aéronefs contribuera à accroître encore plus l'efficacité et, dans de nombreux cas, ces conceptions sont rendues possibles par les composites."