Le rapport final du BEA sur un accident d’Airbus A380 exploité par Air France est un exemple frappant de la gratification qu’il peut être de mener une enquête jusqu’au bout, malgré les coûts élevés.
Les constatations du bureau d’enquête français du BEA peuvent avoir des conséquences sur la conception et la fabrication des moteurs. L’avion a subi une rupture en vol de l’un de ses quatre turboréacteurs à double flux Engine Alliance GP7200 lors de l’ascension au-dessus du Groenland le 30 septembre 2017. Les enquêteurs ont déterminé la cause profonde de l’accident – caractérisé comme tel parce qu’il a été jugé considérablement plus grave que la plupart des pannes de moteur – était la fatigue résiduelle d’un métal qui avait été considéré comme insensible à une telle détérioration.
On pensait que l’alliage de titane était immunisé contre le mode de défaillance métallurgique connu
Nouveaux systèmes développés pour trouver une pièce métallique sous une épaisse couche de glace
Le vol Air France 66 (AF066) a décollé de Paris à Los Angeles avec 521 personnes à bord, dont 497 passagers. Le rotor du ventilateur sur le moteur n ° 4 (hors-bord sur l’aile droite) séparé pendant la montée du niveau de vol 370. Aucun occupant n’a été blessé par les débris et cela a causé peu de dommages à la structure de la cellule environnante. L’équipage s’est dérouté vers Goose Bay, à Terre-Neuve, sans autre dommage.
La sonde offre un autre exemple de la persistance du BEA – un écho des quatre phases de recherche qui ont finalement conduit à la découverte de l’épave d’un A330 d’Air France qui s’est écrasé dans l’Atlantique Sud en 2009 (souvent appelé Rio de Janeiro-Paris vol, ou Air France 447). Cette fois, les experts en sécurité du BEA ont dû mener trois phases de recherche dans la calotte glaciaire de l’Arctique pour trouver le composant portant le signe révélateur: le moyeu du ventilateur.
Encore une fois, le résultat de l’enquête a valu la peine.
Les résultats de l’enquête A380 génèrent des leçons clés en métallurgie pour les gros turboréacteurs.
Avant que l’analyse ne détermine que la cause principale se situait dans la conception et la fabrication, la plupart des parties prenantes à l’enquête, y compris les spécialistes du BEA et divers OEM – pensaient que l’origine de l’échec était la maintenance. Ils ont émis l’hypothèse qu’un mécanicien avait créé par inadvertance une bosse ou une fosse dans la face avant du moyeu du ventilateur et que le défaut s’était transformé en fissure.
En fait, le problème provient d’une faiblesse surprenante qui peut survenir au cours du processus de fabrication.
Pour comprendre à quel point l’industrie a failli manquer une importante leçon d’ingénierie si l’enquête avait été abandonnée, considérez le contexte. Au début de l’enquête, l’A380 était toujours en production. La flotte d’avions équipés de l’Engine Alliance GP7200 (joint-venture GE Aviation-Pratt & Whitney) s’élevait à 130 sur 239 A380 en service. L’événement était le premier incident majeur impliquant un GP7200, et Airbus et le motoriste espéraient toujours vendre beaucoup plus de leurs produits.
Début 2019, Airbus a annoncé l’arrêt de l’A380, avant de découvrir la pièce manquante du puzzle. Le BEA a demandé à deux reprises un financement supplémentaire pour la prochaine phase de la recherche au Groenland. Les facteurs décourageants incluaient le nouveau statut du programme et la croyance susmentionnée qu’une opération d’entretien mal menée a causé l’accident.
Mais le BEA a persévéré. Avec son homologue danois (qui avait délégué l’enquête au BEA), le directeur exécutif Remi Jouty s’attendait à des leçons importantes si le fan hub était trouvé. Le coût total de l’enquête était «proche de» 5 millions d’euros (6 millions de dollars), dit Jouty.
Des nombres massifs entourent l’événement. Pratiquement tout le module de ventilation, pesant plus de 1,2 tonne métrique, s’est détaché. Le système de motorisation, y compris le moteur et la nacelle, a perdu 5,5 m (18 pi) – plus de la moitié de sa longueur. Sur le moyeu de ventilateur de 240 kg (530 lb), 220 kg manquaient.
De gros morceaux de débris largués verticalement, et ce n’est que par pure chance, ils n’ont pas été éjectés horizontalement, ce qui aurait probablement fait tomber l’avion, dit Jouty.
Dans les premiers vestiges que les enquêteurs ont pu étudier, chaque élément de preuve suggérait que tous les dommages étaient la conséquence de quelque chose qui s’est passé au niveau du hub, se souvient-il. L’analyse a montré une fissure développée de l’intérieur.
La métallurgie vise à produire des matériaux isotropes, qui ont les mêmes propriétés dans tous les sens. Cela a été un facteur clé de conception lorsqu’un alliage de titane appelé Ti-6-4, comprenant 6% d’aluminium et 4% de vanadium, vol en avion de chasse a été inventé.
Parfois, cependant, des zones anisotropes se développent, créant une fragilité locale. Mais il a été démontré que ces zones affaiblies restent suffisamment petites en Ti-6-4 pour résoudre un problème de rupture prématurée observé dans les années 1970 avec d’autres alliages.
L’accident de l’A380 a prouvé que la démonstration avait été viciée. La plaque tournante des accidents a enregistré 3 500 cycles, bien en deçà de sa durée de vie nominale, explique Stéphane Otin, enquêteur au laboratoire d’analyse des matériaux et des défaillances du BEA. Pourtant, il avait effectué 1 650 cycles après la formation de la fissure, dont 700 cycles pendant lesquels la fissure était invisible. La fissure microscopique a initié 1,5 mm (0,06 po) sous la surface.
Une analyse a déterminé qu’une zone dite macro d’anisotropie, d’où la fissure est née, a été créée pendant le processus de forgeage de la pièce. Il était 10 fois plus grand et plus fort que ce que suggèrent les statistiques des échantillons de production analysés.
Plus la partie est grande, plus la probabilité de trouver une macro zone dangereuse est grande, ajoute Jouty.
L’existence de la macro-zone était aggravée par le fait qu’elle orientait la faiblesse dans la même direction que la charge subie par la pièce. De plus, les charges étaient les plus élevées à l’emplacement de la macro-zone.
Ensuite, le processus de fatigue s’est déroulé dans des phases de charge constante (essentiellement lorsque le moteur tourne à vitesse de rotation constante), par opposition à des charges transitoires, conduisant à une fatigue résiduelle et à l’expansion de la fissure. Mais en raison des propriétés supposées du Ti-6-4, les tests de fatigue sur des échantillons de production ne comprenaient pratiquement aucune phase de charge constante. Ces évaluations se sont concentrées sur les transitoires.
La conséquence pour les motoristes, dit Jouty, est qu’ils devront revoir leur façon de concevoir pièces tournantes sur gros moteurs. Les fabricants devront peut-être trouver une charge acceptable, peut-être inférieure à l’avenir, en modifiant la géométrie d’une pièce et en optant pour un matériau différent. Ces changements pourraient cependant entraîner des pièces plus lourdes. Les processus de fabrication, en particulier le forgeage, devront être réévalués et un régime d’inspection créé, souligne Jouty.
Le BEA recommande donc à l’Agence de la sécurité aérienne de l’Union européenne (EASA) et à la FAA de s’assurer que les processus de conception et de fabrication maintiennent le risque de défaillance sous contrôle. Dans une deuxième recommandation, le BEA a demandé à l’AESA et à la FAA de «réaliser un examen des pièces critiques de qualité rotor moteur» en alliages de titane de la même famille que le Ti-6-4 et de s’assurer que les moteurs sont inspectés en conséquence.
Pour le moyeu de ventilateur du GP7200, des inspections fréquentes ont été nécessaires une fois le processus de panne compris. Depuis le 21 novembre 2019, les inspections par courants de Foucault et ultrasons doivent être effectuées tous les 330 cycles. Parce que les pales du ventilateur doivent être retirées pendant inspections, l’anneau de verrouillage de la lame a été repensé pour réduire le risque d’endommager la face avant du moyeu.
Pour comprendre le mode de défaillance, les enquêteurs devaient d’abord trouver le moyeu du ventilateur de l’accident, qui leur a échappé pendant près de 20 mois. Les débris tombés de l’avion s’étaient dispersés, car leur vitesse et leurs caractéristiques aérodynamiques étaient différentes. L’emplacement du moyeu était donc distinct de la zone où la plupart des autres pièces ont heurté le sol et le phénomène de percolation de la région a fait couler la pièce.
Pour ces raisons, des vols d’hélicoptères de recherche début octobre 2017 ont trouvé d’autres pièces, telles que des fragments de pales de ventilateur. Mais les chutes de neige ont rapidement recouvert la surface, amenant les enquêteurs à trouver d’autres moyens de récupérer les débris manquants.
La deuxième phase a commencé, mais plusieurs méthodes se sont avérées inefficaces.
Finalement, un radar aéroporté à synthèse d’ouverture, développé par le centre de recherche aérospatiale français ONERA, a réussi. Le système expérimental utilise une télécommande d’imagerie hyperfréquence (SETHI) et peut «voir» une grande bande sous la glace et la neige avec une résolution de 20 cm (8 po). Le système radar était porté par un avion d’affaires Dassault Falcon 20 modifié.
Les couches hétérogènes de glace et de neige ont toutefois perturbé le signal radar, explique Jouty. L’organisation de la sonde et le créneau météo ont donné à l’ONERA un temps limité lors de la deuxième phase. Un algorithme développé sur place s’est avéré utile ainsi que l’utilisation de trois fréquences et la combinaison d’images, dit Jouty. L’ONERA pourrait suggérer six emplacements cibles, mais les ingénieurs ont exprimé une confiance limitée dans leurs résultats. Les cibles se sont révélées être de faux positifs.
Les ingénieurs de l’ONERA, convaincus que la poursuite du traitement des données SETHI fournirait des résultats solides, ont persisté.
Pendant ce temps, Pratt & Whitney a affiné l’analyse des échecs. Parce que la forme, le poids et la vitesse de la pièce manquante ont été calculés avec plus de précision, le calcul balistique pourrait également être affiné, conduisant à une idée plus précise de l’endroit où explorer.
Le dernier maillon de la chaîne de recherche était un système électromagnétique transitoire remorqué mis au point par l’Université danoise d’Aarhus. Il a été modifié pour les besoins du BEA et testé sur un glacier suisse. Le 23 mai 2019, un «signal sans ambiguïté» a été acquis et le hub a ensuite été découvert à 3,3 m sous la surface.