Soutenance mémoire
Risque incendie dans l’aéronautique civile
La sécurité à bord des avions commerciaux est la préoccupation principale. Pour les passagers, les signes les plus visibles sont les instructions faites avant le décollage concernant ceinture de sécurité, masque à oxygène et gilets de sauvetage. En réalité, la sécurité des passagers et du personnel est présente partout et tout le temps, de la conception de l’avion à la formation de l’équipage.
Ce travail traite du risque particulier d’incendie. L’incendie est la dixième cause d’accident d’avion et la cinquième cause de mortalité. L’apparition d’un feu dans un avion en vol est donc une des causes majeures d’accident et les sources d’incendie peuvent être nombreuses. On peut citer à titre d’exemple les défaillances de batterie et de circuit électrique rencontrées par le Boeing 787 Dreamliner qui ont été relativement médiatisées en 2013. Ces disfonctionnements peuvent être à l’origine de feux dits cachés puisqu’ils se développent dans des zones non visibles rendant la détection puis l’extinction par les systèmes de sécurité incendie difficile et parfois tardive. On distingue un second type d’incendie nommé feu de cabine pour lesquels détection et extinction sont plus aisées puisqu’ils sont accessibles. Enfin la troisième catégorie, les « feux moteur » qui se déclarent aux abords du moteur et sont le plus souvent causés par une défaillance technique (fuite de carburant lors d’un vol Singapor Airlines le 27 Juin 2016).
En dehors de ces feux se déclarant en vol, l’incendie peut être la conséquence d’un atterrissage d’urgence (incendie du Superjet 100 le 5 mai 2019) ou d’un objet extérieur percutant l’avion. Pour prévenir de tels incendies et limiter leur propagation, les organismes de régulation exigent la preuve d’un certain niveau de tenu ou de résistance au feu au moyen d’essais en laboratoire. Ainsi la European Union Safety Agency (EASA) en Europe et la Federal Aviation Administration (FAA) aux Etats Unis exigent que les matériaux de nacelles soient capables de confiner un feu potentiel. On utilise alors les termes de « fire resistant » pour qualifier un matériau résistant 5min à une agression par flamme et « fire-proof » pour un matériau résistant 15 min ou plus. De la même manière, il est exigé que les matériaux de la cabine ne dégagent pas une trop forte chaleur ni ne produisent de fumée toxique ou opaque en cas d’inflammation. Les moyens d’essais définis par les organismes de régulation permettent donc de valider la performance d’un assemblage en cas d’incendie. Cependant ces essais sont très couteux, compliqués et ne fournissent des informations que pour un scénario d’incendie déterminé. Les résultats ne sont donc pas utilisables afin de prédire le comportement dans une autre configuration.
Afin de suivre les évolutions technologiques et sociétales telles que la croissance du trafic aérien, l’apparition de nouvelles générations de matériaux composites ou la présence croissante des simulations numérique, les normes et les méthodologies doivent être adaptées en permanence. Ainsi la génération actuelle d’avions, incarnée par les Boeing 787 (livraison en 2009) et Airbus A350 (livraison en 2014), comporte une structure composée à plus de 50% de matériaux composites. Dans la nacelle, les ailes ou le fuselage, le remplacement des éléments métalliques par des matériaux composites impose de modifier la manière d’évaluer le risque d’incendie. D’une part, les polymères à renfort en fibres peuvent représenter une charge combustible supplémentaire. D’autre part, le comportement mécanique des matériaux composites soumis à un incendie est plus complexe que celui des métaux.
La mise à jour des normes gouvernementales par les organismes de régulation ainsi que les bonnes pratiques des constructeurs nécessitent une coopération active avec le domaine de la recherche[1]–[3]. Dans ce cadre, le projet européen AircraftFire [4] lancé en 2011 regroupe différents acteurs industriels, universitaires et organismes de régulation. Ce projet a pour objectif de caractériser une sélection de matériaux composites structuraux et de matériaux cabine. Le résultat de ce projet consiste, entre autres, en une base de données expérimentale référençant les caractéristiques clés pour la sécurité incendie telles que les émissions de fumées et/ou gaz toxiques, l’inflammabilité ainsi que les propriétés thermo physiques de ces matériaux.
Introduction aux matériaux composites
Un matériau est dit composite s’il est formé de plusieurs composants distincts dont l’association confère à l’ensemble des performances qu’aucun des composants ne possède séparément. Les matériaux composites sont façonnés de manière à ajuster leurs propriétés aux exigences d’une application spécifique. Dans le cas de la construction aéronautique, l’utilisation de matériaux composites permet la réduction de la masse des appareils tout en apportant de meilleures propriétés de résistance mécanique et thermique.
Les matériaux constituant chaque pièce de l’avion sont définis en fonction d’impératifs tels que la plage de température d’utilisation, la résistance mécanique mais aussi la résistance aux impacts, à la foudre ou au feu. La technologie des composites permet d’adapter la conception aux besoins avec beaucoup de souplesse.
Les structures composites
Les matériaux composites utilisés pour la fabrication des pièces de structures aéronautiques sont composés d’une matrice en polymère, de renfort de fibres et éventuellement d’une âme creuse ou pleine. Les pièces comportant une âme sont appelées sandwich tandis que les pièces n’en comportant pas sont monolithiques. Des charges et additifs peuvent être incorporés au matériau afin d’améliorer une ou plusieurs propriétés telles que la résistance aux UV, à l’humidité ou au feu .
Matrices
La matrice en résine polymère a pour fonction première d’assurer la cohésion des fibres et le transfert des sollicitations mécaniques entre les renforts. Elle permet également de protéger le renfort de fibres contre l’environnement extérieur (abrasion, oxydation). Les résines se distinguent par le type de structure : thermodurcissable ou thermoplastique. Dans les deux cas la matrice organique est composée de polymères. Le polymère est une macromolécule elle-même composée de molécules de base, appelées monomères, liées ensemble par des liaisons covalentes [7]. A l’échelle moléculaire, la différence majeure entre les résines thermodurcissables et les résines thermoplastiques réside dans l’organisation des polymères et dans la nature des liaisons moléculaires.
Les matrices thermodurcissables (TD) sont obtenues par un processus de polymérisation irréversible au-dessus d’une certaine température. Ces matrices se présentent sous forme de polymères réticulés, les liaisons entre macromolécules sont des liaisons chimiques fortes qui confèrent au matériau une certaine rigidité . Pour la fabrication des structures primaires de l’avion, la résine époxy à renforts de carbone est largement utilisée pour sa facilité de mise en œuvre à température ambiante. La résine époxy présente également des propriétés mécaniques intéressantes jusqu’à une température de l’ordre de 120 °C.
Les pièces thermoplastiques (TP) sont mises en forme par chauffage puis solidifiées par refroidissement. Cette transition du liquide vers le solide s’opère sur une plage de température variable selon la nature du matériau et est irréversible. Les résines thermoplastiques ont une structure amorphe ou semi-cristalline. Une structure est dite semi-cristalline lorsqu’elle présente des zones dans lesquelles les macromolécules sont organisées en réseaux cristallins sous l’effet des forces électrostatiques. Ces zones représentent généralement 10 à 50% du volume total des résines thermodurcissables. Par opposition, le terme amorphe désigne un arrangement spatial des chaines polymériques aléatoire. Etant donnée la faible mobilité de leurs chaines polymérique, les matériaux thermodurcissables sont toujours amorphes.
Lors de l’échauffement d’un matériau polymère, on distingue donc deux plages de températures distinctes pour la dégradation thermique. La transition d’un polymère amorphe vers un polymère semi-cristallin se fait à la température de transition vitreuse notée Tg. Au-delà de la température de transition vitreuse, certaines résines polymères présentent également une température de fusion Tf qui correspond à la fusion des zones cristallines.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Contexte et objectifs de l’étude
1.1 Risque incendie dans l’aéronautique civile : contexte et enjeux
1.2 Cadre de l’étude et objectifs de ce travail
Chapitre 2 : Etat de l’art
2.1 Introduction aux matériaux composites
2.1.1 Les structures composites
2.1.2 Dégradation d’un composite soumis au feu
2.2 Etat de l’art des moyens d’essai pour la résistance et la réaction au feu
2.2.1 Caractérisation chimique et physique à l’échelle matière
2.2.2 Caractérisation chimique et physique à l’échelle matériau
2.2.3 Essais à l’échelle assemblage
2.2.4 Essais taille réelle
2.3 Modélisation numérique de la pyrolyse et de la dégradation
2.3.1 Modélisation de la cinétique chimique
2.3.2 Propriétés thermiques des mélanges
2.3.3 Considération de la porosité dans le transfert thermique
2.3.4 Modélisation de la pression et du transport des gaz de pyrolyse
2.3.5 Dimension du modèle et couplage fluide/solide
2.4 Etat de l’art sur le transfert thermique des jets et flammes de jet impactant
2.4.1 Travaux analytiques
2.4.2 Travaux expérimentaux et formules semi-empiriques
2.4.3 Simulation numérique
2.5 Conclusions sur l’étude bibliographique
Chapitre 3 : Présentation du montage et des moyens de mesure
3.1 Présentation du banc d’essais feu
3.1.1 Brûleur
3.1.2 Porte échantillon
3.2 Moyens de mesures pour la phase gaz
3.2.1 Mesure de densité de flux thermique
3.2.2 Température
3.2.3 Mesure des du jet vitesses par PIV
3.3 Moyens de mesures pour la phase condensée
3.3.1 Perte de masse
3.3.2 Température
3.3.3 Microscopie et analyse d’image
Chapitre 4 : Caractérisation du flux pariétal
4.1 Mesures expérimentales pour la caractérisation des flux radiatif et convectif
4.1.1 Mesures de flux thermique au point d’arrêt
4.1.2 Mesures de température sur la paroi en acier
4.1.3 Caractérisation du jet en sortie de brûleur et estimation des composantes radiative et convective du flux thermique
4.1.4 Mesures de vitesses et de températures en proche paroi
4.2 Simulations OpenFoam
4.2.1 Description du modèle numérique
4.2.2 Résultats numériques
4.3 Bilan du chapitre 4
Chapitre 5 : Dégradation au feu des matériaux composites
5.1 Effets des conditions de bord sur la dégradation des petits échantillons
5.2 Comparaison de la résistance au feu des résines époxy et PPS
5.2.1 Matériaux étudiés
5.2.2 Mesure de perte de masse
5.2.3 Mesure de température en face arrière
5.2.4 Observations après agression thermique
5.3 Influence de l’épaisseur et du flux thermique sur la dégradation de composites carbone/PPS
5.3.1 Influence de l’épaisseur
5.3.2 Influence du flux thermique
5.4 Influence de l’orientation des fibres et du flux thermique sur la dégradation de composites carbone/époxy
5.4.1 Influence de l’orientation des plis
5.4.2 Influence du flux thermique
5.5 Simulations numériques
5.5.1 Modélisation de la dégradation thermique des matériaux composites
5.5.2 Modèle géométrique et maillage
5.5.3 Application
5.6 Bilan du chapitre 5
Conclusions
