16/10/20
Lanceurs satellites /moteurs d’hélicoptères : des solutions pour réduire les ambiances vibratoires
Découvrir la vidéo / Découvrir l’article
INNOVATION DE CONCEPTS ATTÉNUATEURS
VIBRATIONS ET MATERIAUX ARCHITECTURES, un partenariat Carnot Ingénierie@Lyon/Entreprise réussi !
En 2020, le projet INCAS, labellisé dans le cadre du 21ème appel à projets du Fonds Unique Interministériel (FUI) s’est achevé sur des avancées scientifiques et technologiques avérées et validées dans le domaine de l’atténuation des ambiances vibratoires pour équipements sensibles embarqués. L’objectif était de développer et monter en maturité des solutions technologiques permettant d’atténuer les ambiances vibratoires basses et très basses fréquences [0-100Hz] d’équipements embarqués sensibles intégrés sur des assemblages mécaniques complexes (ex : véhicules aéronautiques et spatiaux).
Au delà d’une bonne collaboration générale et le caractère structurant de ce projet d’envergure, notamment pour des PME industrielles, il a notamment permis la collaboration étroite entre :
– la société AVNIR Engineering, responsable du management global du projet, de la conception et réalisation de bancs d’essais pour la validation expérimentale des solutions technologiques développées, également responsable de la réalisation des essais pour validation TRL6.
![logo[MATEIS]](https://www.ingenierie-at-lyon.org/wp-content/uploads/2016/01/logoMATEIS.png)
– et le laboratoire MATEIS, Matériaux, ingénierie et sciences, INSA Lyon, co-encadrant la thèse en partenariat avec le Laboratoire SiMaP INP Grenoble sur le développement d’un matériau composite hybride co-continu, combinant légèreté, raideur et amortissement, dans le cadre d’une innovation à long terme des matériaux constitutifs des futures structures lanceurs,
deux partenaires de 
(AVNIR Engineering est membre de son cercle de transfert, des entreprises innovantes complétant l’offre d’innovation et MATEIS est membre du Carnot depuis 2007) au sein du réseau national Carnot.
PROJET FUI INCAS – « INnovation de Concepts AtténuateurS pour l’atténuation des ambiances vibratoires d’équipements sensibles embarqués
• Durée : octobre 2016 – avril 2020
• Budget : 4,3 M€ dont 1,8 M€ d’aides publiques
• Pôles labellisateurs : Prime « ASTECH Paris Région », Aerospace Valley, AXELERA, Elastopôle, CIMES, SYSTEMATIC
• Partenaires : 4 groupes (ArianeGroup, AirbusGroup, Airbus Defense & Space, Safran Helicopter Engines), 4 PME (AVNIR Engineering – porteur, INTES France, EFJM, SOCITEC), 2 laboratoires (Mateis INSA Lyon, INP Grenoble) avec un pilotage AVNIR Engineering.
Le contexte
Un équipement embarqué ou charge utile, pour l’aéronautique et le spatial, doit démontrer une très bonne fiabilité et de bonnes performances tout en étant soumis à des contraintes de fonctionnement élevées et complexes. L’atténuation des sollicitations dynamiques basses fréquences des équipements sensibles (impliquant de forts débattements) est donc un enjeu très important pour les industriels des transports. Le but final est d’améliorer la durée de vie de ces équipements tout en réduisant les risques de surdimensionnement de structures auquel on aboutit avec les niveaux d’amortissement structural faibles actuels.
La problématique principale du projet est apportée par les End-Users ArianeGroup et Airbus Defence and Space sur la sécurisation des ambiances vibratoires basses fréquences des satellites sur les futurs lanceurs. Parmi les différentes parties composant un lanceur, les structures porteuses de satellites sont des éléments clés dans la bonne réussite de la mission de mise en orbite des satellites. Une problématique majeure de ces structures réside dans l’amortissement aux vibrations à basse et très basse fréquence (5-100Hz) durant la mise en orbite du satellite. Pour répondre à l’ensemble des spécifications et limiter les itérations, les structures sont aujourd’hui surdimensionnées. A court terme, le développement de systèmes d’isolation passive robuste français est d’un intérêt certain pour ces « end-users ». Dans le sens d’une innovation à plus long terme, l’intégration d’une fonction d’amortissement des vibrations basses fréquences dans les matériaux constituant les structures porteuses de satellites relève d’un challenge important ainsi que la faisabilité industrielle qui reste à étudier.
Une seconde problématique est apportée par le End-User Safran Helicopter Engines sur l’amortissement des tuyauteries de turbines d’hélicoptères, qui sont soumises à un environnement vibratoire et thermique très sévère. Assurer la tenue mécanique de ces composants sur la durée de vie du moteur constitue un enjeu majeur de fiabilité pour SHE. Au démarrage du projet INCAS, il existait des solutions d’isolation qui avaient été développées mais le potentiel de dissipation d’énergie vibratoire de ces technologies reste faible.
Les objectifs
Le projet INCAS a pour objectif de développer des solutions technologiques d’isolation et d’amortissement innovantes répondant aux spécifications d’Ariane Group ainsi que des outils logiciels pour la simulation du comportement dynamique du système global intégrant les non-linéarités des systèmes d’atténuation dans le but de les optimiser.
Il a s’agit de :
– concevoir et prototyper des technologies d’isolateurs de vibrations basses et très basses fréquences innovantes, en travaillant sur l’optimisation des non-linéarités, dispersion et masse. Deux types de solutions sont étudiés : des systèmes d’isolation vibratoire (l’un à base de câbles métalliques toronnés et l’autre à base d’élastomère)
– développer et caractériser des matériaux fonctionnalisés innovants, conciliant une forte rigidité et un amortissement élevé. Deux types de matériaux composites seront étudiés : l’un constitué d’un assemblage de matériaux matures (structure sandwich rigide amortissante), et le second à base de matériaux hybrides innovants architecturés.
– développer des applications métiers sous forme d’outils logiciels pour la modélisation numérique de ces nouveaux dispositifs et leur optimisation par expérimentation numérique.
– valider expérimentalement les concepts sur les deux cas d’application industrielle par la réalisation de démonstrateurs opérationnels
Principaux résultats
- Développement TRL 6 d’isolateurs élastomériques et d’isolateurs à base de câble métallique (PID « Payload Isolation Devices ») pour futurs lanceurs spatiaux. Le projet INCAS a permis de monter en maturité ces concepts atténuateurs qui pourront être développés pour des applications lanceurs. La dernière campagne d’essais durcis réalisée par AVNIR Engineering a convaincu les programmes d’Ariane Group de la pertinence et de la maturité des solutions.
Réalisation par AVNIR Engineering du démonstrateur opérationnel
échelle 1 et de la campagne d’essais de validation TRL6
image
Produits développés par EFJM/AD&S à gauche (isolateur à base d’élastomère) et par SOCITEC à droite (isolateur à base de câble métallique)
- Développement TRL6 de nouvelles technologies d’amortisseurs métallique à poutre ou élastomère pour tuyauteries de moteurs d’hélicoptères. Ces nouvelles technologies ont permis de mieux appréhender les phénomènes vibratoires mis en jeu sur les tuyauteries moteurs. AVNIR Engineering a conçu et fabriqué un banc d’essai sur mesure qui a permis la réalisation d’une campagne d’essais de validation de la technologie d’amortisseurs à poutre développée par la société Socitec qui s’avère très prometteuse pour Safran.
image
Banc d’essai AVNIR Engineering de caractérisation dynamique de tuyauteries Safran
image
Produits développés par EFJM à gauche (bague amortissante) et par SOCITEC à droite (Tuned Mass Damper)
- Développement de composites hybrides co-continus multi-échelles légers, raides et amortissants pour l’amélioration du confort vibratoire des étages supérieurs de lanceurs futurs : concrètement, un treillis métallique raide obtenu par fabrication additive métallique est rempli d’une phase polymère amortissante. L’étude s’est en premier lieu focalisée sur le choix d’un design du treillis pertinent. Ont suivi les étapes de fabrication, caractérisation et modélisation des composants seuls et des composites associés, et ce pour deux échelles, celle du motif constitutif du matériau périodique (a) et celle de la pièce structurelle (b).
Une suite est envisagée pour augmenter la maturité de cette solution passive innovante.
image
Développement de matériaux composites hybrides co-continus : (a) motifs de répétitions (gauche : échantillons, droite : modèle du composite), (b) pièces de structures (gauche : poutre simple, droite : modèle)
Premières retombées
- Développement de nouveaux produits atténuateurs de vibrations ainsi que des solutions technologiques logicielles avec passage TRL3 à TRL6 sur la globalité du projet avec des essais sur des démonstrateurs opérationnels échelle 1
- Nouvelles connaissances scientifiques & techniques : 5 publications, 6 communications internationales, 4 communications nationales
- Mise en place d’évènements « Club Utilisateurs », pour renforcer les échanges et diffuser les résultats du projet (1er évènement réalisé à mi-projet, 2ème évènement planifié pour Septembre 2020 – pour toute inscription contacter AVNIR Engineering)
- 1 thèse MATEIS/SIMAP
- Création de 7 ETP et Maintien de 4 ETP pendant le projet
- 11 stages réalisés chez les partenaires du projet
- Suite envisagée avec montage de 2 projets collaboratifs de R&D pour les lanceurs futurs : l’un sur la poursuite des développements sur le composite hybride co-continu multi-échelles de MATEIS, l’autre sur la conception et la validation d’une structure inter-étage amortissante avec techniques innovantes de collage élastomère-métal avec la société EFJM
- Suite envisagée avec SAFRAN HELICOPTER ENGINES et SOCITEC pour la poursuite des développements sur le concept d’absorbeur dynamique (TMD, Tuned Mass Damper)
- Contrats obtenus par la PME SOCITEC avec ArianeGroup sur des solutions de suspensions à câbles standard (trois équipements sont déjà retenus et d’autres sont à venir)
- Consolidation de partenariats entre partenaires du consortium par la réalisation d’études nécessitant un haut niveau d’expertise dynamique en marge du projet (essais, simulations)
CONTACTS
Chercheur MATEIS : Renaud RINALDI
Contact projet chez AVNIR Engineering : Nathalie VOISIN
(AVNIR Engineering est membre de son cercle de transfert, des entreprises innovantes complétant l’offre d’innovation et MATEIS est membre du Carnot depuis 2007) au sein du réseau national Carnot. 
Espace membres