CELLULE   DES   AÉRONEFS

LE FUSELAGE



- Fuselage des premiers aéronefs

- Fuselage en treillis tubulaire

- Fuselage géodésique

- Fuselage semi-monocoque en bois

- Fuselage semi-monocoque métallique

- Fuselage d'un avion de transport


Conçu au début pour supporter le poids du moteur et du pilote, relier les ailes et l'empennage, le fuselage a beaucoup évolué au fil des ans. D'abord aérodynamiquement il s'est fuselé d'où son nom, ensuite ses dimensions ont augmenté aussi bien en diamètre qu'en longueur pour transporter des passagers, du fret mais aussi des bombes.
Aujourd'hui il peut contenir 550 passagers comme l'Airbus 380 et demain 800 et plus ?

Les efforts appliqués au fuselage

Comme pour les ailes le fuselage subit aussi des efforts et des contraintes.
On peut considérer que le fuselage est constitué de deux parties. Une partie avant du cône de nez au caisson central et une partie arrière du caisson central au cône de queue. Sous l'effet du poids, il se crée des efforts de flexion, la partie supérieure est étirée alors que la partie inférieure est compressée.
Le braquage des gouvernes de profondeur ou de direction crée également des efforts sur le fuselage.
Lorsque l'avion est pressurisé, la différence de pression entre l'extérieur et l'intérieur de l'appareil engendre des contraintes sur le revêtement du fuselage.
Si les réacteurs sont accrochés à l'arrière du fuselage, la partie amont aux réacteurs sera comprimée alors que la partie arrière sera tirée dû à la trainée de l'empennage.

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Fuselage des premiers avions

Ci-dessous le fuselage d'un Blériot. Il est composé de quatre longerons en frêne reliés par des montants et traverses. Le tout est assemblé par des étriers métalliques en forme de U. L'ensemble est ensuite raidi par des cordes à piano. De façon à diminuer au maximum le poids, l'intérieur du poste de pilotage est en rotin. Le support du train d'atterrissage est robuste afin de pouvoir encaisser le choc d'un contact brutal avec le sol.
Seul l'avant du fuselage est entoilé. Plus tard lors des progrès en connaissance aérodynamique les fuselages seront entièrement entoilés et profilés.

Fuselage du blériot six

Vue arrière du Blériot XI.

FuselagePhoto du blériot

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Fuselage en treillis d'un avion léger

La structure en treillis, constituée de barres longitudinales reliées par des verticales et des diagonales, le tout formant une structure triangulée rigide. La poutre en treillis ainsi formée est recouverte ensuite, par des tissus ou des matériaux plastiques. Cela permet de créer une structure de fuselage légère et très pratique pour installer tous les équipements lors de la construction grâce à l'accessibilité totale tant que le recouvrement n'est pas posé. Le recouvrement (prévu pour résister seulement à l'air) est relativement fragile au poinçonnement. Ces structures en treillis sont en bois (vieux avions), en tubes d'acier ou en alliages légers (avions modernes).
Ci-dessous fuselage en treillis tubulaire type PA 18

Fuselage structure tubulaire

La photo de gauche montre les soudures des tubes d'acier. A droite fixation des jambes du train d'atterrissage au bâti du fuselage.

Fuselage Photo tubulaire


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Fuselage géodésique

Conçue par l'ingénieur Barnes Wallis la structure géodésique a été utilisée par le constructeur Vickers, entre les deux guerres mondiales puis pendant la seconde guerre. Le fuselage est construit à partir de poutres à rainures, faites en alliage d'aluminium (duralumin) et qui forment un grand treillis. Ce tressage en métal donne à l'avion une très grande résistance, car chaque lisse peut supporter les contraintes mécaniques venant même de l'autre côté de l'avion. Cette structure géodésique présente plusieurs avantages en plus d'une grande solidité pour une masse faible, elle permettait en reportant les charges sur le pourtour de la cellule de garder un intérieur complètement dégagé d’éléments de structure.

Ci-dessous exposition d'un avion Wellington restauré, montrant son fuselage géodésique.

Fuse Wellington Expo

Ci-dessous l'une des chaines de montage des avions Wellington pendant la seconde guerre mondiale.

Fuse Wellington Montage

Fuselage monocoque

La construction est faite de coquilles, ensembles de cadres ou cloisons verticales pour donner la forme au fuselage. Des éléments renforcés de structure sont situés pour supporter les charges concentrées aux points d'attache telles que les ailes, les stabilisateurs etc... La peau du fuselage (revêtement) fixée aux cadres par collage, rivetage ou vissage, doit supporter les efforts primaires et maintenir le fuselage rigide. Cette peau est alors qualifiée de revêtement travaillant. Elle peut être raidie sur elle même par un procédé sandwich : deux peaux résistantes de part et d'autre d'une âme légère.

Fuse monocoque

La technique moderne consiste à utiliser les fibres synthétiques (verre, carbone...) imprégnées de résine polyester ou epoxy. Cette technique de fabrication se prête bien à la production en série sur moules femelles, généralement pour des avions légers et planeurs.

Fuselage semi-monocoque

Différentes parties du même fuselage peuvent appartenir à l'une des deux classes, mais la technique de fuselage semi-monocoque est la méthode la plus utilisée. Elle consiste en un assemblage de cadres (ou couples) disposés verticalement et donnant la forme de la structure. Ces cadres sont maintenus ensemble par des longerons horizontaux qui supportent l'essentiel des efforts.
Des lisses beaucoup plus fines que les longerons, supportant le revêtement participent avec les cadres à la rigidité de l'ensemble.
Le revêtement est constitué de feuilles métalliques fixées aux cadres et aux lisses par des rivets (ou à l’aide d’adhésifs spéciaux), et participe également à la rigidité générale.
Les premiers assemblages semi-monocoques étaient fait entièrement de bois et de contre-plaqué. Aujourd’hui, des alliages légers faits d’aluminium et de matériaux composites sont utilisés.
La conception semi-monocoque d'un fuselage offre un certain nombre d'avantages:
- libère l'intérieur du fuselage pour accueillir équipage, passagers et fret
- permet un fuselage aérodynamique
- augmente la rigidité et la résistance de la structure
- supporte les charges de la pressurisation

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Fuselage semi-monocoque en bois

Comme pour les ailes c'est un Jodel qui servira de support.
L'ossature de ce fuselage est composée de lisses, de cadres et de cintres supérieurs collés entre eux. Un revêtement intégral en contreplaqué également collé assure la rigidité de l'ensemble. Le tout est marouflé en dracon puis peint.
La verrière en forme de papillon est composée de plexiglass rivé sur des tubes d'aluminium. Fixée au centre, elle pivote de chaque côté vers le haut.

Fuselage structure Jodel



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Fuselage semi-monocoque métallique d'un avion léger

Cette fois c'est un Cessna 172 qui servira de support à ce paragraphe.
Le fuselage est de type semi-monocoque constitué de cloisons verticales et de cadres reliés par des lisses qui courent de l'avant à l'arrière du fuselage. Les montants des portes sont renforcés. La fixation du train d'atterrissage se trouve à l'avant du chambranle arrière de la porte. Elle est formée de quatre pièces forgées d'aluminium.
Le revêtement en tôle d'aluminium est riveté ce qui permet d'étaler les contraintes sur toute la structure. A noter que le revêtement est plus épais au-dessus et dessous du fuselage que sur les côtés.

Fuselage structure Cessna

Arête de fuselage

L'arête dorsale est une extension placée sur le fuselage devant l'empennage vertical. Son but est d'améliorer la stabilité longitudinale de l'avion en augmentant la surface de l'empennage fixe.

Fuselage dorsale Cessna

Dérive ventrale

Une dérive ventrale ou quille est un élément profilé de faible allongement fixé à la partie inférieure du fuselage, en vue d'augmenter la stabilité latérale de l'avion ou de diminuer sa susceptibilité à la vrille. Si en vol normal l'action de la dérive ventrale est minime, car elle se trouve dans le flux d'air turbulent qui coule sur l'arrière du fuselage, elle devient réellement efficace aux grands angles d'attaque (incidence). Deux dérives ventrales parallèles peuvent d'être montées s'il existe un problème d'instabilité directionnelle.

Fuselage dérive ventrale
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Fuselage d'un avion de transport

La structure semi-monocoque est la méthode la plus utilisée pour les avions de transport.
Le fuselage est constitué:
- de cadres ou couples, pièces rondes ou ovoïdes
- de lisses profilés longitudinaux perpendiculaires aux cadres.
- du revêtement ou peau fixé sur les lisses et les cadres.
- de cloisons de fin de pressurisation
- d'un ou de plusieurs planchers

Fuselage structure Pressu

Les avions de transport étant climatisés et pressurisés, l'air sortant des climatiseurs arrive en cabine, traverse le plancher, entre dans les soutes puis s'évacue par des vannes de décharge (outflow valves). La pression étant la même en cabine qu'en soute le plancher est donc sollicité uniquement par la charge de marchandise (sièges, poids des passagers ou fret). Par contre les parties du plancher au-dessus des puits du train d'atterrissage et du caisson central de voilure doit être renforcées pour contenir les charges dues à la pressurisation.

Fuselage Coupe Airbus.png

Les cadres

Ils donnent la forme du fuselage - ronds pour les Airbus (300 à 340) et ovoïdes pour le Boeing 747 et l'Airbus 380.

Fuselage structure cadre lisse

Les cadres forts

On les trouve dans les endroits où les efforts sont importants notamment aux jonctions du fuselage avec les ailes et de l'empennage, au train d'atterrissage, aux cloisons de fin de pressurisation ainsi qu'au niveau des réacteurs si ceux-ci sont accrochés au fuselage.

Les cadres courants

Espacés régulièrement le long du fuselage, ils jouent un rôle crucial pour la structure de l'avion en intégrant les efforts dus à la pressurisation encaissés par le revêtement.
Les cadres courants sont constitués d'une ou de deux tôles pliées et rivetées entre elles.

Fuselage structure cadre

Les lisses

Elles sont constituées de différents tronçons reliés entre eux afin d'en assurer la continuité de l'avant à l'arrière de l'avion. Elles aident le revêtement dans l'absorption des contraintes longitudinales de traction et compression.
Les lisses passent à travers les cadres par des emplacements appropriés. Elles sont néanmoins reliées aux cadres par des goussets.

Fuselage structure lisse

Ci-dessous fuselage d'un ATR en construction montrant les lisses passant à "travers" les cadres, .

Fuselage photo ATR

Ci-dessous l'arrière d'un fuselage d'Airbus. L'encadrement de la porte arrière ainsi que la paroi (en gris) de fin de la zone pressurisée.

Fuselage photo cadre et lisse

Le revêtement

Il a été longtemps composé uniquement d'un alliage aluminium- cuivre, aujourd'hui certaines parties sont réalisées en matériaux composites, afin d'en diminuer le poids.
Comme pour l'extrados ou l'intrados le revêtement du fuselage encaisse une partie des contraintes de traction-compression, ainsi que les contraintes de cisaillement. Il absorbe également les charges dues à la pressurisation.
Les côtés rectilignes se reprennent soit par soyage (pli en forme d'escalier qui permet l'assemblage de deux tôles sans toucher à son épaisseur) soit par lamage (usinage pour aplanir une surface).

Fuselage structure revêtement Soyage et lamage

Pour les autres côtés une plaque intérieure de jonction est utilisée. Cette plaque ou bande peut servir également à reprendre les lisses.

Fuselage structure revêtement enture

La fixation revêtement lisses se fait par rivets ou par collage (Airbus). En supprimant les rivets, le collage permet un gain de poids non négligeable.

Le plancher

Le plancher est fabriqué à partir d'une série de panneaux attachés aux poutres de support et aux traverses, Il sert également à renforcer la rigidité de la structure.
Ci-dessous détail du plancher. De chaque côté les portes de la cabine ouvertes.

Fuselage  Photo structure plancher

Lorsqu'un plancher sépare un fuselage pressurisé, des trous sont laissés dans les panneaux du plancher. Ces trous sont obturés par des bouchons en plastique pressés. Dans le cas où l'un ou l'autre compartiment perd brusqueemnt de la pression, les bouchons sont éjectés en raison de la pression différentielle sur le plancher. Cela permet aux pressions des différents compartiments de s'égaliser rapidement avant que le sol ne se déforme avec la possibilité de blesser des passagers, de bloquer des câbles de commande, des tiges, etc. .

Tronçon central l'Airbus 380 avec ses trois planchers. Un plancher soute et deux planchers cabine.

Fuselage  Photo trois planchers A380

Le caisson central

Le caisson central de voilure réalise la jonction des deux ailes avec le fuselage et peut également servir de réservoir carburant.
Ci-dessous le caisson central de l'Airbus 380 pèse 11 tonnes. Il est conçu en CFRP (fibre de carbone renforcé plastique) 4,5 tonnes et structure métallique 6,5 tonnes.

Fuselage structure Airbus

Fuselage Airbus 319

Fuselage structure Airbus

L'intérieur de la cabine provient d'un dessin d'André Bréand paru dans Air & Cosmos en 1996.

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