Study and characterization of wear and heat phenomena, for metallic and composites aircrafts' structural materials, during emergency landings.

Caractérisation de l'usure et de l'échauffement par frottement de matériaux métalliques et composites à matrice organique, lors des atterrissages d'urgence

Tovignon Devo (1, 2) , Didier Joly (1) , Arnaud Beaurain (2) , Éric Deletombe (1) , Yannick Desplanques (2)

1 DMAS, ONERA [Lille]
2 Centrale Lille

Aviation is one of the safest public transport means today. To reach such a performance, aircraft safety mainly relies on experience feedbacks and a set of constantly evolving rules which concern the flying products and operations. This also works for emergency landings or crash situations wherein the aircraft "belly" is directly in contact with the runway (Figure 1). For this purpose, a four years research project (PHYSAFE) funded by the French DGAC started in August 2015. Part of the research aims at experimentally studying and characterizing various phenomena which may have a noticeable influence on aircraft passengers' safety in case of emergency landing or crash. Among these experimental studies, the development of test means and facilities to characterize the dynamic wear behavior of aircraft primary structure materials once in contact with the ground was selected as being of common interest for aircraft and rotorcraft airframes. The part of the PhD work to be presented is notably focusing on the study and characterization of wear and heat phenomena, for metallic and composites aircraft structural materials (reference materials: Au2024, T700/M21) during emergency landing situations. It aims at estimating (through "pin on disc" tests [1]) the main phenomena and principles to be taken into account for an experimental protocol (test bench, specimens, instrumentation, etc.) dedicated to the study of wear and heat of materials in representative conditions, followed by a first comparison of metallic and composite reference materials performances. The methodology set up to partially answer the studied problematic, starts with pin-on-disc tests using a concrete pad and discs made of aluminum or composite material. The preliminary experimental design permits to observe the results of interactions between concrete and the materials like in an aircraft fuselage. A first identification of the tribological systems representing the studied contact, aims at defining the first bodies and the third body produced within the studied contacts. Once the tribological mechanisms identified (by post mortem and in-situ analysis), an estimated dissipated energy may be linked to those mechanisms through the writing of material and energy balances [2,3]. A future step of the work would concern the study of possible similitude rules (through non-dimensional numbers establishment relying on the Vaschy-Buckingham's theorem [4]), for a selection of identified wear and abrasion mechanisms, to check the possible extrapolation of experiments at a laboratory scale at full-scale level.

Les transports aériens sont de nos jours assez fiables en matière de sécurité et cela grâce aux avancées constamment faites dans le domaine. Pour continuer l'amélioration de cette sécurité, nombreuses sont les études faites autour différentes thématiques, dont le crash et les atterrissages d'urgence (situations où les aéronefs peuvent se retrouver sur le "ventre"). Le projet de recherche (PHYSAFE) de la DGAC a ainsi été lancé à l'ONERA depuis 2015 pour une durée de 4 ans. Il a pour objectif principal d'apporter des éléments de compréhension du contact fuselage/piste via différentes études et notamment la conception d'un banc dédié à l'étude du frottement du fuselage sur la piste. La partie présentée des travaux de thèse, viendra rendre compte de l'étude et la caractérisation de l'usure et de l'échauffement produits dans le contact entre la piste (en béton) et les composants structuraux représentatif du fuselage (alliage d'aluminium Al2024/T3 et composite carbone epoxy T700/M21). Les travaux s'appuient sur des essais de type "pion/disque" qui permettront l'identification d'un système tribologique représentatif afin de pouvoir définir et caractériser le 3ème corps produit dans le contact. Une fois les mécanismes tribologiques identifiés (analyses post-mortem et in-situ), il s'agira d'écrire des équations de bilan de matière et d'énergie pour établir la corrélation entre les mécanismes tribologiques et la dissipation de l'énergie liée à la vitesse. L'étape suivante du travail consistera à étudier l'existence de règles de similitude (nombres adimensionnels définis via le théorème de Vaschy-Buckingham), pour vérifier, dans le cas de certains mécanismes tribologiques, la possibilité d'extrapoler les expériences faîtes en laboratoire à une échelle supérieure.

Mots clés: CIVIL AIRCRAFT; EMERGENCY LANDINGS; ABRASION; FRICTION; TRIBOLOGY; EXPERIMENTS; WEAR

Mots clés: AERONAUTIQUE CIVILE; ATTERRISSAGE D'URGENCE; ABRASION; FROTTEMENT; TRIBOLOGIE; EXPERIMENTATIONS

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]; Physique [physics]; Chimie

Tovignon Devo, Didier Joly, Arnaud Beaurain, Éric Deletombe, Yannick Desplanques. Study and characterization of wear and heat phenomena, for metallic and composites aircrafts' structural materials, during emergency landings.. 17th LACCEI, Jul 2019, MONTEGO BAY, Jamaica. ⟨10.18687/LACCEI2019.1.1.504⟩. ⟨hal-02393400⟩