Pourquoi nous avons développé un système de test de la grêle

Vous êtes-vous déjà demandé comment la technologie moderne et les matériaux actuels sont développés pour vous protéger, vous et les avions, face à des dangers comme les orages de grêle ? En raison de leurs mécanismes complexes de rupture, les éléments composites renforcés en fibre doivent faire l'objet de tests expérimentaux pour de telles charges, avec des résultats parfois imprévisibles.

Prenez par exemple Xycomp® DLF™ (fibre longue discontinue). Pendant des années, ce matériau a semblé très prometteur pour remplacer les pièces métalliques aux formes complexes dans les applications aérospatiales. Malheureusement, malgré un excellent comportement en cas d'impact (chute de poids) à faible vitesse et une faible réduction lors de la compression après la force de l'impact, des doutes ont surgi très tôt concernant le comportement de ce matériau face à des grêlons à grande vitesse, ce qui a empêché son adoption là où ce genre de phénomène est susceptible de se produire. Exemple d'application, un tel cas de charge est particulièrement critique sur l'avant d'un turboréacteur, car tout matériau projeté lors de l'impact risque d'être avalé par le moteur, ce qui pourrait avoir des conséquences catastrophiques. C'est pour cela qu'il était nécessaire de valider les capacités du DLF face à l'impact des grêlons avant de se mettre à développer ce genre d'élément critique avec du DLF.

En raison des coûts et des difficultés logistiques des tests, les données sur l'impact des grêlons étaient très limitées et dans un cas où un client a réalisé un test exploratoire sur des échantillons laminés, les résultats ont été mauvais.

Pour réaliser une investigation approfondie, le département R&D de Greene Tweed a lancé un projet de développement technologique visant à mieux comprendre le comportement du DLF face aux impacts à grande vitesse et à l'améliorer. Après validation grâce aux essais que le comportement à l'impact était totalement différent à basse vitesse et à grande vitesse, et que les tests de chute de poids ne pouvaient pas être utilisés pour prédire les performances face aux impacts de grêlons, il est devenu clair que les capacités de test joueraient un rôle clé. La flexibilité au niveau des essais, permettant de créer des cycles répétitifs rapides pour la recherche, a été identifiée comme un facteur essentiel pour la réussite du projet, mais le nombre restreint de centres de recherche reconnus proposant ce type de services, les coûts des essais et les restrictions toujours plus nombreuses découlant de la pandémie à ce moment-là ont fait obstacle à la concrétisation de cette vision. C'est pourquoi il a été décidé début 2020 de développer des capacités internes de test d'impact des grêlons.

De nombreux obstacles devaient être surmontés, comme déterminer la façon d'atteindre les vitesses requises de plus de 200 m/s dans l'espace limité disponible, ou encore savoir mesurer précisément la vitesse d'impact dans cet espace restreint. Le processus de fabrication de grêlons en lui-même exigeait une réflexion approfondie. En effet, un glaçon normal, comme on en stocke au congélateur, se solidifie de l'extérieur vers l'intérieur, ce qui crée d'importantes tensions internes, lesquelles (avons-nous découvert) entraînent la rupture du grêlon en phase d'accélération, faisant du matériel un canon à neige peu utile. Après un travail de planification, d'autres essais et quelques cycles de répétitions, les capacités de test ont enfin été finalisées et les véritables investigations matérielles ont pu commencer.

Dans sa configuration actuelle, le système de test d'impact a une chambre permettant à des éléments pouvant atteindre une taille de 600 x 500 x 300 mm d'être testés, à une vitesse allant jusqu'à 300 m/s. Des essais ont déjà été réalisés avec des grêlons de 2" et 1,5" de diamètre. Les essais sont observés à l'aide d'une caméra ultra-rapide, capable d'enregistrer plus de 10 000 images par seconde.

Sur les douze derniers mois, les connaissances obtenues ont permis à Greene Tweed de développer et de faire la démonstration de matériaux DFL innovants et de propositions d'application qui égalent, voire dépassent, la résistance aux chocs à grande vitesse de matériaux composites en fibres continues classiques, mais également de mieux comprendre le comportement en cas de dégâts des matériaux composites discontinus. Actuellement, plusieurs applications aérospatiales avec des exigences en termes d'impact de grêlons sont en cours de développement, s'appuyant sur les capacités internes d'essais et les leçons tirées de l'expérience.