Le pneu Michelin NZG

Par Pierre Grange

On peut affirmer que c’est le nouveau pneu NZG, développé par Michelin durant l’hiver 2000 – 2001 qui a permis la reprise des vols Concorde. Sans lui, la modification « kevlar en fond de réservoir » n’aurait peut-être pas été suffisante pour convaincre les Autorités de rendre à Concorde son certificat de navigabilité. Henri Perrier allait plus loin et disait même que si EADS (devenu Airbus Group en 2014) avait pu prévoir l’arrivée de ce pneu de nouvelle génération, il ne se serait pas lancé dans l’opération « kevlar ».

Chaque roue du train principal de Concorde supporte 23 tonnes et roule, à chaque décollage à plus de 360 km/h. Concorde, conçu dans les années 60, était équipé de pneus de technologie « Bias » (structure croisée en biais, bias en anglais). En 1981, Michelin développe pour l’aéronautique des pneus à carcasse radiale (structure à 90°) plus légers et plus sûrs En 2001 seulement 25% des avions de ligne en sont équipés.

Le pneu Bias se dilate de 8% lorsqu’il est gonflé à sa pression nominale de 16bars. A la vitesse de décollage de Concorde (200kt soit 360 km/h), les forces centrifuges entraînent une augmentation supplémentaire de 4% du diamètre de la roue. Au total, le pneu est dilaté de 12% au moment crucial de l’envol. On comprend alors qu’en cas de blessure, la bande de roulement est fortement étirée. Elle peut se déchirer et éclater à l’instar de ce qui s’est passé le 25 juillet 2000 sur le vol AF4590.

Pour obtenir une meilleure résistance aux dommages extérieurs, le pneu NZG de Michelin est conçu pour se dilater très peu d’où son nom : Near Zero Growth (expansion quasi nulle). Son diamètre augmente de 2% lorsque le pneu est gonflé à 16bars (16 kilo/cm2) et 1% supplémentaire lorsqu’il roule à 360 km/h, soit une dilatation totale de 3% au moment du décollage (à comparer aux 12% du Bias). Dans ces conditions il n’y a pratiquement pas de tension dans la bande de roulement d’un pneu NZG même au moment critique de l’envol.

Dans les conditions de décollage, on peut comparer la bande roulement d’un pneu Bias à un élastique tendu que l’on sectionne facilement avec un couteau mal aiguisé alors que si l’élastique n’est pas tendu, il est difficile voire impossible de le couper avec le même ustensile.

Michelin a mené de nombreux tests sur ses bancs d’essais à Alméria en Espagne et Ladoux en France. Il a pu reproduire l’éclatement de pneu du 25 juillet sur un pneu Bias et a pu confirmer que, dans les mêmes conditions, le pneu NZG n’éclatait pas et pouvait même exécuter ensuite une série de 3 roulage-décollage-atterrissage dont le dernier en surcharge prolongée.

2 mai 2001, le Sierra Delta à l’atterrissage à Istres.

La dernière épreuve de certification du pneu NZG sur Concorde a lieu le 2 mai 2001 à Istres. Ce jour-là, le Sierra Delta, entièrement équipé Michelin (sauf roulettes avant et arrière), vole et effectue 2 atterrissages. Voir « La 2ème campagne d’essai du F-BTSD à Istres ».

Ce nouveau pneu qui n’éclate plus est une avancée majeure en termes de sécurité des vols mais il présente d’autres avantages : plus léger que le Bias (30%) ou le Radial (15%), il a aussi montré, en exploitation qu’il s’usait moins vite. C’est pour ces raisons qu’à la suite de Concorde, il a été certifié sur de nombreux avions de ligne dont tous les nouveaux avions Airbus, à commencer par l’A380.

Une fois encore, Concorde a innové !

PG

ps : les données techniques figurant dans cet article sont tirées de la conférence de M. Francis Galibert dont le compte rendu est présenté en ci-dessous.

Conférence de M. Francis Galibert (Project engineering pneus avion chez Michelin)

Conférence donnée le 4 octobre 2001 devant les navigants techniques Concorde Air France.

Historique. Octobre 2000, après les premières conclusions du BEA, EADS lance un appel d’offre pour un pneu respectant le cahier des charges Concorde et surtout améliorant la sécurité aux FOD (Foreign Object Damage). L’objectif est de résister aux dommages et de rester opérationnel après un FOD (un peu comme les ingestions d’oiseaux pour la certification des moteurs).

Seul Michelin va répondre favorablement à la demande en utilisant, à cette occasion, une nouvelle technologie, baptisée NZG (near zero growth / expansion quasi nulle), un pneu qui se dilate très peu sous l’action de la pression de gonflage (16 kg/cm2) et de la vitesse de rotation (360 km/h). Nota : les pneus des roulettes avant et arrière restent en technologie conventionnelle (Bias)

Essais

Essais de 10 à 385 km/h à Alméria (Espagne) et à Ladoux (France) reproduisant le passage sur une lamelle de 35mm de haut et de section triangulaire (3mm à la base, 1.5mm au sommet). Le pneu est chargé à 23 tonnes dans tous les cas.

1ère phase, recréer le dommage.

Alméria. Dès 20 km/h, le pneu Bias éclate en passant sur la lamelle.
– Ladoux. Le banc, appelé dynamomètre, permet de simuler toutes les manœuvres (roulement, décollage, atterrissage, avec ou sans dérive latérale) avec une charge donnée jusqu’à 385 km/h. A 325 km/h le pneu Bias éclate et projette des débris de 3.2 kg (ce qui confirme le scénario accident)

2ème phase vérifier que le NZG répond à la demande.

– A 385 km/h le pneu NZG n’éclate pas en passant sur la lamelle. Il passe ensuite avec succès le test EADS qui consiste à effectuer à 3 reprises, au dynamomètre, une succession de roulage, décollage, atterrissage, roulage dont le dernier décollage est en surcharge prolongée. Cela démontre que le pneu NZG répond à la demande.
– Notas.
A 20 km/h la lamelle fait plus de dégâts qu’à grande vitesse.
Si le pneu NZG passe sur la lamelle à 20 km/h et qu’il est accéléré ensuite à 325 km/h, il déchape avec un débris maxi 1.8 kg.
Dans tous les cas, le NZG passe le test EADS sans perte de pression.

3ème phase, Istres, certification pneu Concorde (avril – mai 2001)

– Test roulage, repoussage au rayon mini de braquage. Il faut raboter un peu les déflecteurs d’eau.
– Test freinage. Le freinage pose un problème lié au diamètre du pneu, légèrement inférieur en rotation au pneu Goodyear puisqu’il se dilate moins en rotation. Le freinage étant en couple, il faut modifier le couple appliqué pour obtenir un freinage identique.
– Test en vol : fonctionnement normal décollage atterrissage et sortie du train en secours.

Caractéristiques du pneu NZG Concorde :

– C’est un pneu radial (alors que les anciens sont conventionnels ou Bias). En 2001, 75% de la flotte mondiale est équipée de pneus conventionnels et seulement 25% de pneus radiaux
– Poids du pneu : 78.4 kg ce qui économise par avion 100 à 170 kg (par rapport aux pneus Bias Goodyear & Dunlop)
– Bande de roulement pleine gomme à la différence de Goodyear qui dispose de toiles de renfort (qui font office de témoins d’usure).  
– Il n’est pas rechapable (à la demande EADS) mais peut être conçu rechapable (c’est plus cher).
– Après coup : Le NZG Michelin s’use moins que le Goodyear. Michelin craignait que l’on voie moins les blessures (la bande de roulement étant moins tendue que les Bias) ; en fait non.

Généralités sur les pneus avions

Types de pneu.
Bias (ou conventionnel). Structure croisée, en biais (« bias » en anglais)
Radial. Structure à 90°. Développé par Michelin en 1946 pour les voitures (pneus X) et en 1981 pour les avions (Mirage III). La technologie radiale est aujourd’hui dans le domaine public.
NZG. Un radial évolué. Etudié en 1999 et breveté par Michelin en 2000. Il n’était pas prévu de commencer par Concorde. Tout porte sur un textile « à très haut module » : étirement inférieur à 3% et stable en Température. La bande de roulement (taxi et décollage) monte à 120°C puis se refroidit durant le vol, puis se réchauffe à nouveau lorsqu’au toucher des roues, le pneu passe en qq fractions de secondes de 0 à 300 km/h. Tous les efforts de R&D ont porté sur le renforcement des matériaux textile. Ils parlent d’un « matériau à haut module ». Ce fil plus résistant que le nylon permet de réduire la masse de la carcasse de 15% par rapport à un radial, de 30% par rapport à un Bias. Cela permet de réduire d’autant la masse du pneu ou d’augmenter la quantité de gomme (pour une meilleure endurance). Grossièrement pour Concorde, le NZG pèse 80 kg, le Bias 105 kg. Le fil s’étirant moins, il permet d’éviter au maximum la dilatation du pneu (near zero growth) ce qui le rend résistant aux FOD (gomme non tendue ; il est difficile de couper un élastique non tendu)

Constitution des pneus avions
BIAS : 6 tringles, 18 nappes carcasse, 2 nappes de protection. RADIAL : 2 tringles, 7 nappes carcasse, 9 nappes sommet, 1 nappe de protection. NZG : 2 tringles, 4 nappes carcasse, 7 nappes sommet, 1 nappe protection.
Sur les pneus Radial et NZG, on parle du « bloc sommet » qui assure une meilleure répartition au sol.

Déformations relatives des pneus pour Concorde :
Gonflement (16bars) BIAS +8% NZG +2%
Rotation (200kt) BIAS +4% NZG +1%
Augmentation totale du diamètre à vitesse de décollage 200kt : BIAS +12% NZG +3%
En conséquence, les pneus non montés ont des diamètres différents : le NZG est plus grand de 6%. Un pneu radial (s’il existait pour Concorde), se situerait entre les deux.

La pression d’un pneu est adaptée à la charge par pneu pour une déflexion (écrasement du pneu) de l’ordre de 35 à 38% pour les pneus aviation (maxi pour voitures 8%, poids lourds 18%, avions 38%). Si la pression diminue, la déflexion augmente ce qui n’est pas bon ; l’usure est irrégulière et on observe une décohésion des nappes. Les pneus Concorde sont gonflés à 16bars pour 185t en ligne. A Vatry lors des entraînements hors ligne, masse inférieure à 110t, ils sont gonflés à 11,5bars. Il vaut mieux être surgonflé que l’inverse.  

Règlementairement, un pneu ne doit éclater qu’à plus de 4 fois sa pression nominale. Concorde, 16bars, éclate à 80bars. Voiture 2.2bars, éclate à 10bars.

Les pneus d’avions sont testés à double charge puisqu’en cas de dégonflement d’un pneu, l’adjacent doit pouvoir supporter la charge durant la poursuite du décollage ou de l’atterrissage.

Difficulté supplémentaire pour les avions delta. Au cours du décollage, les avions classiques s’allègent, ce que ne fait pas une voilure delta. En conséquence, les pneus supportent 185t jusqu’à la vitesse de rotation de 360 km/h. De plus, l’action à cabrer des élevons amènent une surcharge conséquente lors de la rotation. Sur un avion classique, l’empennage étant plus éloigné des roues, le bras de levier est plus important, la surcharge imposée aux roues est plus faible.

Epreuve de certification énergie max de freinage. C’est une “accélération-arrêt” extrême. L’avion étant à sa masse maximale, on va l’accélérer jusqu’à un vitesse telle qu’en freinant on demandera au système de freinage sur roues d’absorber l’énergie maximale pour lequel il a été conçu et qui va se transformer en chaleur. L’avion doit s’arrêter complètement sur la piste puis pouvoir, par ses propres moyens, reprendre le roulage et dégager la piste. Aucun feu ne doit se déclarer dans les 5 minutes qui suivent l’arrêt sur piste. Dans les jantes, des fusibles thermiques font que les pneus se dégonflent avant que l’élévation de température ne les fassent éclater. C’est pour cette raison que les pneus sont gonflés à l’azote (gaz inerte) pour éviter l’incendie lors du dégonflage.

Questions posées à M. Galibert :
Pourquoi ne pas l’avoir développé avant l’accident ? Il y avait déjà 2 manufacturiers sur le marché Concorde (Goodyear et Dunlop), une flotte réduite (5 avions en exploitation simultanément entre BA et AF) donc pas de retour sur investissement satisfaisant.
Pourquoi pas de rétrofit en NZG sur 747 ? Généralement quand on change le pneu il faut refaire l’ensemble roue (frein etc.) le certifier …
Peut-on mixer les pneus BIAS, RADIAL, NZG ? C’est possible selon les consignes de l’avionneur.
Pourcentage de monte de pneus radiaux dans le monde ? 100% sur les voitures européennes, 25% sur les avions et cela évoluera doucement [données 2001].
Pourquoi les NZG Concorde ne sont-ils pas rechapables ? Cela n’a pas été demandé par EADS. Rechapage = abrasion de la gomme et de la nappe de protection. Pose d’une nouvelle nappe de protection et d’une bande de roulement neuve.

PG

Air France a offert un vol à Michelin (voir l’article paru dans le Berry Républicain)
Etaient à bord : Edouard MICHELIN, Président de la société MICHELIN / Jean Cyril SPINETTA, Président de la société AIR France / Jean DESMAREST, Directeur de la division avion de la société MICHELIN

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