Alors que l’aviation se fixe comme objectif ambitieux d’atteindre zéro émission nette d’ici 2050, les défis et les domaines d’intérêt de Safran sont à bien des égards un microcosme de ceux auxquels est confrontée l’industrie aéronautique au sens large.
Avec un portefeuille couvrant tout, des moteurs – commerciaux, militaires et pour hélicoptères – aux trains d’atterrissage, le géant français de l’aéronautique a de nombreux domaines nécessitant une attention particulière en matière de décarbonisation.
Mais la maturation de nouveaux matériaux, procédés et conceptions adaptés aux avions actuels et de nouvelle génération n’est pas bon marché : l’année dernière, Safran a dépensé près de 600 millions d’euros (665 millions de dollars) en activités de recherche et technologie (R&T) et ce chiffre devrait augmenter en 2024. Au premier semestre, les dépenses de R&T autofinancées se sont élevées à 333 millions d’euros, contre 262 millions d’euros sur la même période en 2023.
C’est Eric Dalbies, directeur technique de Safran, qui pilote ce projet. Il estime que « plus des trois quarts » du budget R&T de l’entreprise sont consacrés aux sujets de décarbonation : « C’est l’un de nos grands chantiers », dit-il.
Bien entendu, « la majeure partie » de ces dépenses est consacrée aux activités de soutien au programme de démonstration de moteur commercial RISE développé par sa coentreprise CFM International avec GE Aerospace.
Bien que le moteur à double flux RISE soit le projet le plus en vue – celui qui promet des économies de consommation de carburant et d’émissions d’environ 20 % par rapport aux turboréacteurs à double flux actuels – il n’est en aucun cas le seul, déclare Dalbies.
Par exemple, Safran met l’accent sur « la réduction de masse partout où nous le pouvons », dit-il, à la fois par l’application de matériaux avancés et de nouvelles techniques de fabrication.
Dans le premier cas, alors que les composites à matrice céramique, ou CMC, légers et résistants à la chaleur, ont rapidement trouvé leur place dans les parties chaudes des moteurs, Safran étudie également l’utilisation d’un matériau apparenté, les composites à matrice polymère (PMC), pour gagner du poids.
Bien qu’ils ne soient pas adaptés aux applications à haute température (le matériau est conçu pour un maximum d’environ 300 °C), les PMC constituent néanmoins une « véritable alternative pour les structures », notamment celles des carters de soufflante ou de compresseur des moteurs, précise M. Dalbies. Par ailleurs, Safran étudie également l’utilisation de ce matériau pour remplacer des pièces métalliques, comme les tiges de frein ou les entretoises des trains d’atterrissage, par exemple.
« Ce sont des pièces énormes… si nous nous tournons vers le composite au lieu de l’acier inoxydable ou du titane, cela est vraiment rentable pour la structure d’un train d’atterrissage ; on peut économiser des kilos et des kilos », dit-il.
Pour un train d’atterrissage double, l’économie est de l’ordre de 20 kg ou plus, dit-il, les tiges de frein permettant d’économiser environ 10 kg chacune. Cette économie est bien sûr multipliée sur deux trains d’atterrissage principaux par avion.
Ces pièces sont au niveau de maturité technologique (TRL) 4 ou 5, mais en raison des exigences de certification, elles nécessitent l’adhésion des clients de la cellule avant de pouvoir être mises en service. Mais l’acceptation des nouveaux composants dépend d’une multitude de critères, notamment le coût, la durabilité et la facilité d’entretien.
« Nous proposons aux avionneurs une série de sujets et d’idées pour l’amélioration de l’avion », explique Dalbies, « et en fonction de leur réceptivité et de leur pertinence pour l’optimisation de l’avion… après cela, il faut parfois des années pour obtenir leur acceptation ».
Changer le matériau lui-même « est une façon de procéder », mais pour Safran, une autre voie vers l’allègement est de passer à des techniques de production avancées comme la fabrication additive par couches ou l’impression 3D.
Lors du salon aéronautique de Paris l’année dernière, Safran avait présenté une unité de commande hydraulique pour train d’atterrissage imprimée en 3D qui pesait environ 10 kg, contre 18 kg pour le composant moulé d’origine.
Le déploiement de nouveaux procédés et matériaux est déjà en cours, dans un premier temps dans le domaine de la défense, grâce à des exigences de certification simplifiées. Par exemple, sur le moteur M88 qui équipe le chasseur Rafale de Dassault Aviation, Safran a pris un support de palier moteur, un composant habituellement composé de « plus de 100 pièces », et « l’a transformé, grâce à la fabrication additive, en une seule pièce ».
Ce composant « vole déjà », dit-il, tandis que d’autres pièces « moins nobles » – les supports, par exemple – sont également en service sur les avions civils.
Dalbies prend soin de ne pas répéter les commentaires faits par les dirigeants de CFM sur les progrès réalisés dans le cadre du projet RISE, mais il souligne que le développement de nouveaux matériaux et procédés de fabrication, ou de technologies hybrides électriques, contribuera à des gains d’efficacité supplémentaires.
Alors que l’architecture à ventilateur ouvert elle-même « apporte la réduction la plus disruptive » de la consommation de carburant, en incorporant l’hybridation et des matériaux permettant une réduction de la masse et un fonctionnement à plus haute température, « vous aurez une consommation de carburant plus faible pour la même puissance ».
De plus, l’intégration avec la cellule sera plus importante que jamais pour la prochaine génération de moteurs, explique Dalbies.
« On ne peut pas tenir pour acquis que simplement parce que vous disposez de performances isolées pour le moteur, vous pouvez transformer cela en un gain de performances de un à un au niveau de l’avion », explique Dalbies.
«Les constructeurs aéronautiques prévoient d’avoir des ailes fines pour réduire la traînée. Côté avion, une part importante de la décarbonisation viendra d’une performance aérodynamique plus agressive. » Mais l’interaction avec ces ailes sera différente selon la position du moteur et selon qu’il soit caréné ou non caréné, note-t-il.
Outre les nouvelles architectures de moteurs, la propulsion à l’hydrogène est présentée depuis plusieurs années comme une voie permettant à l’aviation d’atteindre le zéro net, que ce soit comme carburant pour la combustion directe ou utilisé dans les piles à combustible pour produire de l’électricité.
Fort de son expérience dans le secteur de la propulsion spatiale de Safran, Dalbies connaît mieux que quiconque les avantages de l’hydrogène et les nombreux obstacles à son utilisation dans l’aviation.
Bien qu’il considère l’hydrogène comme un « sujet très intéressant », il prévient que la « maturité des technologies » est nettement inférieure à celle des moteurs disruptifs. « Nous approchons du TRL 5 et prévoyons d’être au 6 d’ici 2028, 2029. Maintenant, si je regarde l’hydrogène, où en sommes-nous aujourd’hui ? Probablement au TRL 2. Nous sommes au TRL 9 pour la propulsion spatiale (à l’hydrogène), mais nous sommes au TRL 2, 3 maximum, pour les technologies clés à mettre en œuvre sur un avion », dit-il.
Il estime donc qu’un « plan technologique » légèrement différent est nécessaire : « Nous devons prendre en compte les points bloquants de la technologie de l’hydrogène qui doivent d’abord être traités avant d’envisager d’aller de l’avant. »
Faire brûler de l’hydrogène n’est pas un problème, dit-il. « Il s’agit de contrôler le débit massique, de contrôler l’étanchéité, de collecter les fuites ; nous savons qu’il y aura des fuites parce que la molécule est si petite.
« Le principe de conception dans le secteur spatial est qu’il n’est pas nécessaire de garantir l’étanchéité – ce n’est pas faisable – mais qu’il faut plutôt s’assurer de les collecter et de les éliminer de la bonne manière. »
La fragilisation par l’hydrogène – l’affaiblissement de certains matériaux lorsqu’ils sont exposés à l’élément – est un autre défi qui nécessite une attention particulière, explique Dalbies, qui note que le problème est particulièrement aigu à température ambiante « ce qui est exactement ce que nous fournirons en termes d’hydrogène à l’entrée d’un moteur d’avion ».
« Même si cela a été étudié pour certaines utilisations spécifiques dans la propulsion aérospatiale, c’est un nouveau domaine à étudier.
« Nous avons donc décidé au niveau de Safran de construire un plan structuré, en tenant compte du fait que nous sommes désormais au niveau TRL2 et non plus au niveau TRL5. »
Même si l’ampleur du potentiel de marché de l’hydrogène reste encore floue, Safran poursuit ses recherches sur le sujet.
« Ce que nous savons, c’est que si nous ne préparons pas la technologie pour cela, nous n’aurons jamais la chance de faire partie du jeu si cela trouve une place sur le marché », déclare Dalbies.