Les dernières innovations aérospatiales ouvrent la voie aux vols de prochaine génération

L’industrie aérospatiale en évolution rapide explore constamment des moyens d’améliorer l’efficacité, les performances et la sécurité tout en réduisant les émissions de carbone et en maintenant la durabilité. 

Ces dernières années, plusieurs avancées technologiques ont élargi les capacités du transport aérien, tant à l’intérieur de l’atmosphère terrestre qu’au‑delà. Cela comprend la technologie satellite avancée pour les communications, la fabrication additive pour des composants légers, la propulsion électrique pour réduire les émissions et les coûts, le vol supersonique pour des déplacements plus rapides, et l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique pour améliorer l’efficacité opérationnelle.

L’aérospatiale se concentre sur des matériaux avancés aux propriétés très spécifiques. Les systèmes impliquent généralement différents types de matériaux, allant des céramiques thermiques aux fibres de carbone et au titane, qui sont utilisés à de multiples fins pour optimiser les performances.

La recherche dans ce domaine vise à développer des matériaux multifonctionnels, c’est‑à‑dire des matériaux qui ont non seulement des fonctions structurelles mais offrent également d’autres caractéristiques comme le refroidissement actif. Pour concrétiser les concepts aérospatiaux avancés, les matériaux doivent être plus durables, légers et rentables que jamais.

Alors que l’industrie aérospatiale continue de progresser, examinons les dernières innovations révolutionnaires qui la propulseront encore plus loin.

Déverrouiller le « génome des matériaux » pour faire progresser la conception

Le mois dernier, des chercheurs de l’École d’aérospatiale, de mécanique et de mécatronique de l’Université de Sydney ont découvert une méthode de microscopie pour démêler les relations atomiques au sein de matériaux cristallins tels que les aciers avancés et le silicium sur mesure.

Cela signifie que les chercheurs peuvent détecter même les moindres changements dans l’architecture au niveau atomique de ces matériaux, améliorant notre compréhension des origines fondamentales de leurs propriétés et de leur comportement. Cette connaissance permettra le développement de semi‑conducteurs avancés pour l’électronique ainsi que d’alliages plus légers et plus résistants pour le secteur aérospatial.

Pour cela, les chercheurs ont utilisé la tomographie à sonde atomique (APT), une technique qui visualise les atomes en trois dimensions (3D), afin de démêler la complexité de l’ordre à courte portée (SRO). Le SRO est une mesure quantitative de la tendance relative des éléments constituants d’un matériau à s’écarter d’une distribution aléatoire. Comprendre les environnements atomiques locaux est essentiel pour créer des matériaux innovants.

En quantifiant le caractère non aléatoire des relations de voisinage à l’échelle atomique au sein du cristal avec précision, le SRO ouvre « d’immenses possibilités pour des matériaux conçus sur mesure, atome par atome, avec des arrangements de voisinage spécifiques afin d’obtenir les propriétés souhaitées comme la résistance », a déclaré le responsable de l’étude, le professeur Simon Ringer, Pro‑Vice‑Chancelier (Infrastructure de recherche) à l’Université de Sydney.

Parfois appelé le « génome des matériaux », le SRO a été difficile à mesurer et à quantifier. Cela est dû au fait que les arrangements atomiques se produisent à une échelle si petite qu’ils ne peuvent pas être observés avec les techniques de microscopie conventionnelles.

Ainsi, l’équipe de chercheurs a développé une nouvelle méthode utilisant l’APT qui surmonte ces défis, constituant « une percée importante en science des matériaux », a déclaré Ringer, ingénieur en matériaux chez AMME. 

L’étude s’est concentrée sur les alliages à haute entropie (HEA), un domaine fortement étudié en raison de leur potentiel d’utilisation dans des situations nécessitant une résistance à haute température, notamment les moteurs à réaction et les centrales électriques.

En utilisant des techniques avancées de science des données et en s’appuyant sur les données de l’APT, les chercheurs ont observé et mesuré le SRO. Ils ont ensuite pu comparer comment le SRO évolue dans un alliage à haute entropie de cobalt, chrome et nickel sous différents traitements thermiques.

Ce que le Dr Andrew Breen, chercheur postdoctoral senior, a déclaré :

“(L’étude a produit une) analyse de sensibilité qui délimite la gamme précise de circonstances dans lesquelles ces mesures sont valides et celles où elles ne le sont pas.”

En mesurant et en comprenant le SRO, cette étude pourrait également aider à transformer les approches de conception des matériaux et montrer à quel point « de petites modifications de l’architecture au niveau atomique peuvent entraîner d’énormes progrès dans les performances des matériaux », a déclaré le Dr Mengwei He, chercheur postdoctoral à l’École d’aérospatiale, de mécanique et de mécatronique.

De plus, en fournissant un plan à l’échelle microscopique, l’étude renforce les capacités des chercheurs à simuler, modéliser et prédire le comportement des matériaux de façon computationnelle. Elle peut également servir de modèle pour de futures études où le SRO contrôle des propriétés matérielles critiques. 

Un nouveau matériau pour rendre le vol hypersonique possible

Il y a un grand intérêt à atteindre un vol soutenu à des vitesses hypersoniques, mais des défis techniques subsistent. Ceux‑ci incluent la gestion de la chaleur extrême, le développement de matériaux capables de résister aux contraintes, aux températures extrêmes et à l’oxydation sans compromettre les performances, ainsi que la création de systèmes de propulsion pouvant fonctionner efficacement à haute vitesse et à haute altitude. 

Alors que les chercheurs cherchent des solutions à ces problèmes, des scientifiques de l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université de Guangzhou ont annoncé une percée dans les boucliers thermiques hypersoniques plus tôt cette année.

Ce qui pourrait changer la donne pour le vol hypersonique, les scientifiques ont développé un nouveau matériau, une céramique poreuse, qui offre une « stabilité thermique exceptionnelle » et une « résistance à la compression ultra‑élevée ». 

Cela a été réalisé grâce à une conception de structure multi‑échelle, que les scientifiques affirment être la première du genre. De plus, la fabrication rapide de ces céramiques à haute entropie ouvre la porte à une exploration plus large dans les secteurs de l’aérospatiale, du génie chimique et de la production et du transfert d’énergie.

Les chercheurs ont indiqué que les céramiques ont été fabriquées grâce à « une technique de synthèse à haute température ultra‑rapide pouvant offrir une capacité exceptionnelle de charge mécanique et une performance d’isolation thermique élevée ».

Pour relever le défi des matériaux solides, légers et à faible conductivité thermique, les scientifiques ont utilisé des matériaux céramiques non combustibles et résistants à la corrosion, présentant des points de fusion élevés et une faible conductivité thermique. Bien sûr, les céramiques conventionnelles restent insuffisantes pour supporter des températures et des pressions extrêmement élevées.

Bien que les matériaux légers et poreux aient une faible capacité de transfert thermique, ils sont également plus fragiles.

Ainsi, les chercheurs ont commencé à travailler simultanément à l’amélioration « de la résistance mécanique et de la capacité d’isolation thermique des céramiques poreuses ». Cela les a conduits au concept de haute entropie, qui se concentre sur plusieurs éléments en proportions égales afin de créer des composants plus solides, plus stables et plus résistants à la chaleur.

Les scientifiques ont constaté que le nouveau matériau céramique — appelé diborure à haute entropie poreux à 9 cations (9PHEB) — réussissait à trouver un bon équilibre entre résistance à la chaleur et solidité sans les limitations habituelles. Ce nouveau matériau a également satisfait aux exigences de poids et d’isolation requises pour le vol aérospatial.

Selon les chercheurs :

“Des interfaces de haute qualité, caractérisées par des liaisons fortes sans défauts ni phases amorphes, peuvent favoriser le transfert rapide de la force le long du bloc de construction et vers de nombreux autres grâce aux connexions lors du chargement, entraînant une amélioration significative de la résistance mécanique.”

L’étude a également noté que le nouveau matériau 9PHEB est exceptionnel tant en termes de résistance que de stabilité thermique. 

Matériaux auto‑réparateurs pour les structures aérospatiales

Les polymères auto‑réparateurs et les nanocomposites sont des matériaux innovants qui ont considérablement fait progresser l’industrie aérospatiale. Ils ont également fait l’objet de recherches importantes pour leurs applications dans l’électronique, les batteries, le biomédical et d’autres domaines techniques. 

Bien que les matériaux auto‑réparateurs existent depuis plusieurs siècles, on a observé une hausse significative de l’innovation dans ce domaine au cours des dernières décennies, menant au développement de matériaux auto‑réparateurs synthétiques.

Ces matériaux peuvent se présenter sous différentes formes, selon leur chimie unique, notamment les polymères thermoplastiques, les polymères thermodurcissables, les élastomères, les polymères à mémoire de forme, les composites polymères et les nanocomposites.

Selon leurs capacités, ces matériaux sont souvent qualifiés de matériaux auto‑réparateurs intrinsèques, qui reposent sur des liaisons chimiques ou la mobilité moléculaire au sein même du matériau, ou de matériaux auto‑réparateurs extrinsèques, où des agents de guérison externes s’activent en cas de dommage.

Les polymères sont considérés comme particulièrement importants dans les applications structurelles en raison de leur incroyable capacité à réparer les dommages structurels. Cela est réalisé grâce à la mobilisation des chaînes polymères et au réticulage.

Dans l’industrie aérospatiale, les nanocomposites auto‑réparateurs sont particulièrement utiles pour les structures ingénierées, les adhésifs, les moteurs, les fuselages et les revêtements. Les nanocomposites auto‑réparateurs sont fabriqués en incorporant des nanoparticules dans les polymères. En raison de leur capacité à réparer les dommages de façon réversible, les polymères thermodurcissables et thermoplastiques sont renforcés avec des nanoparticules de nano‑carbone.

Les nanoremplisseurs renforcent davantage l’effet auto‑réparateur des nanocomposites. Le type et la teneur en nanoremplisseur sont des facteurs essentiels pour déclencher l’effet auto‑réparateur.

Traditionnellement, des matériaux céramiques et métalliques étaient utilisés pour développer les moteurs. Cependant, plus récemment, les matériaux polymères et les composites sont de plus en plus employés dans les moteurs à réaction résistants aux hautes températures. Ce changement s’explique par le fait que les matériaux composites résistent mieux aux dommages structurels dus à un impact ou à une défaillance.

Grâce aux fibres céramiques capables de résister à des températures très élevées, les nanocomposites auto‑réparateurs ont été utilisés pour fabriquer des composants fixes et mobiles de moteurs à réaction. Ces nanomatériaux se sont également révélés résistants à la pression, aux dommages et à la corrosion, contribuant à améliorer l’efficacité des moteurs.

Les recherches en cours sur les polymères auto‑réparateurs montrent un potentiel pour des matériaux capables de résister à des pressions, températures et impacts élevés afin d’améliorer considérablement la durabilité des structures spatiales. Nous pourrions même voir à l’avenir le développement de nanocomposites en nanocarbone capables de détecter les dommages dans les structures aérospatiales, mais cela nécessiterait de nouveaux agents de guérison avec une efficacité auto‑réparatrice supérieure.

Fait intéressant, dans le domaine des matériaux auto‑réparateurs, le Dr Kunal Masania, professeur associé en structures et matériaux aérospatiaux à l’Université technologique de Delft aux Pays‑Bas, a développé des « matériaux vivants » destinés à l’industrie aérospatiale. Ces matériaux vivants contiennent des micro‑organismes tels que des bactéries et des champignons, leur conférant la capacité de s’auto‑réparer. 

L’équipe a choisi les champignons pour leur capacité à tolérer des conditions difficiles et leur relative facilité de culture. Les cellules fongiques peuvent également se connecter, ce qui signifie qu’en répartissant seulement quelques cellules dans le matériau, elles peuvent se reconnecter et former un réseau de détection. Ces matériaux vivants sont en fait produits grâce à une méthode d’impression 3D spéciale et à une nouvelle encre d’impression 3D.  

Ce développement a été réalisé dans le cadre d’un projet de cinq ans, AM-IMATE, qui a reçu une subvention de l’Union européenne. Selon Masania :

“(L’objectif du projet est) de créer des structures ingénierées capables de se comporter comme des organismes vivants, capables de détecter et de s’adapter aux contraintes mécaniques.”  

En utilisant des matériaux biologiques auto‑réparateurs, non seulement la durabilité et les performances des structures critiques utilisées dans l’aérospatiale peuvent être améliorées, mais cela peut également être durable. L’équipe AM-IMATE explore actuellement l’utilisation de composites comme matériau de base pour les intérieurs d’avion.

« Nos matériaux sont très légers et plus durables que les matériaux actuellement utilisés », a déclaré Masania, ajoutant que remplacer le plastique et le métal signifie que nous n’aurons plus besoin de dépendre des combustibles fossiles. De plus, « les composants d’avion pourraient être démontés et rendus à la nature », a-t-il ajouté.

Mais ce n’est pas tout. L’équipe envisage même que leurs matériaux vivants constituent la base de nouveaux habitats « sur d’autres planètes » en utilisant des matériaux locaux et en les liant avec des champignons.

Entreprises leaders dans la technologie aérospatiale

Si l’on examine les entreprises du secteur aérospatial, plusieurs acteurs clés font progresser la technologie, notamment General Dynamics Corporation (GD ) (GD), SpaceX (SPCX ), Virgin Galactic (SPCE ) et Sierra Nevada Corporation.

Lockheed Martin Corporation (LMT ) (LMT), l’un des plus grands contractants de défense au monde, est également très présent dans ce domaine. Connu pour ses avions de chasse, ses systèmes de missiles et ses technologies d’exploration spatiale, Lockheed Martin a développé un logiciel de télécommunication basé sur l’IA appelé Callisto en collaboration avec Amazon (AMZN ) et Cisco afin d’améliorer l’efficacité et la conscience situationnelle à bord des engins spatiaux. Plus récemment, il a acquis le fournisseur de solutions satellitaires Terran Orbital pour 450 millions de dollars.

Boeing est un autre acteur majeur de l’aérospatiale commerciale et militaire. L’entreprise fait actuellement l’objet d’un examen intense en raison de problèmes de contrôle qualité, de difficultés persistantes avec son avion 737 Max, de préoccupations liées à la sécurité et de la concurrence d’Airbus.

Airbus est principalement impliqué dans la conception et la fabrication d’avions commerciaux. Pour réduire les émissions de CO₂ de ses produits, l’entreprise développe des matériaux d’origine biologique pour la production d’avions. À cet effet, elle explore des alternatives aux fibres de carbone dérivées de combustibles fossiles utilisées dans la construction de composants tels que les ailes ou les coques de fuselage.

Passons maintenant à un examen plus approfondi de quelques noms de premier plan :

#1. Raytheon Technologies

Axé sur l’avionique, l’électronique de défense et les systèmes de missiles, en 2020, Raytheon a finalisé sa fusion avec United Technologies pour créer le fournisseur mondial de systèmes aérospatiaux et de défense le plus avancé.

Alors que l’entreprise continue de fournir ses produits et son expertise à l’échelle mondiale, quelques développements notables cette année comprennent :

• Être choisi par la DARPA pour des capteurs optiques quantiques utilisés dans des applications d’imagerie.
• Dévoiler MAYA comme l’avenir du voyage aérien premium.
• Investir 200 M$ à Spokane pour stimuler la croissance manufacturière.
• Achever le test d’évaluation des capacités d’équipage de son combinaison spatiale de prochaine génération pour la Station spatiale internationale.
• Se voir attribuer un contrat de 344 M$ pour moderniser l’unité électronique du programme de développement de missiles.

Au moment de la rédaction, les actions de Raytheon (RTX :NYSE) s’échangent à 118,35 $, en hausse de 40,66 % depuis le début de l’année. La capitalisation boursière de l’entreprise est de 157,43 Mds $, et son rendement du dividende est de 2,13 %.

Pour le deuxième trimestre 2024, l’entreprise a déclaré 19,7 Mds $ de ventes, soit une hausse de 8 % par rapport à l’année précédente, tandis que son flux de trésorerie opérationnel était de 2,7 Mds $. Raytheon a indiqué un carnet de commandes de 206 Mds $, dont 129 Mds $ de commercial et 77 Mds $ de défense. Le BPA ajusté était de 1,41 $, en hausse de 9 % par rapport à l’année précédente.

“RTX a livré une performance opérationnelle solide au deuxième trimestre, avec une croissance organique des ventes de 10 %, une expansion des marges ajustées dans les trois segments, et 2,2 Mds $ de flux de trésorerie disponible.”

– Président et PDG de RTX, Chris Calio

Il a également souligné qu’avec le carnet de commandes et la « demande sans précédent à travers notre portefeuille », ils se concentrent sur l’investissement dans des technologies et des capacités innovantes.

#2. Northrop Grumman

Spécialisée dans la défense et l’aérospatiale, Northrop Grumman (NOC ) est reconnue pour son travail sur les systèmes sans pilote, la cybersécurité et les systèmes spatiaux avancés, y compris le télescope spatial James Webb. L’entreprise développe également le bombardier B‑12 et le programme Sentinel. De plus, Northrop Grumman collabore avec SpaceX d’Elon Musk sur un système de satellites espions américain, s’associe à EpiSci pour des capacités d’autonomie avancées, et soutient le plan de défense à long terme de la Norvège grâce à son travail avec Andøya Space.

Au moment de la rédaction, les actions de Northman s’échangent à 504,87 $, en hausse de 7,85 % depuis le début de l’année, ce qui porte la capitalisation boursière de l’entreprise à 73,83 Mds $. Elle verse un rendement du dividende de 1,63 %. Pour le deuxième trimestre 2024, l’entreprise a déclaré une hausse de 6,7 % de son chiffre d’affaires, atteignant 10,22 Mds $. Le trimestre a enregistré plus de 1,11 Mds $ de flux de trésorerie disponible, tandis que les dépenses comprenaient environ 3 Mds $ en R&D et 1,8 Mds $ en dépenses d’investissement. Le BPA de Northrop a dépassé les estimations de 7,6 % en atteignant 6,36 $.

L’entreprise prévoit une croissance solide dans ses divisions, notamment dans l’aéronautique, les systèmes d’armes et l’électronique avancée. Une légère baisse est attendue dans son segment spatial l’année prochaine en raison d’un programme annulé, mais la croissance devrait reprendre par la suite. Tout en reconnaissant les contraintes de la chaîne d’approvisionnement, notamment pour l’approvisionnement en perchlorate d’ammonium pour les moteurs de fusée solides, la PDG Kathy Warden a indiqué qu’ils travaillent avec l’Armée de l’air pour réduire les coûts.

Cliquez ici pour une liste des 10 meilleures actions aérospatiales et de défense.

Conclusion

Le marché aérospatial s’élève actuellement à environ 300 Mds $, tandis qu’il a brièvement reculé pendant la pandémie de COVID‑19, il devrait dépasser 460 Mds $ d’ici 2028. Parallèlement, le chiffre d’affaires du marché de la fabrication de pièces aérospatiales devrait dépasser 1 230 Mds $ à la fin de cette décennie.

Compte tenu de la croissance observée dans l’industrie, l’innovation technologique se produit à un rythme rapide. Des avions plus efficaces grâce aux systèmes de propulsion électrique, la création de matériaux composites avancés, les progrès de l’IA et de la technologie des capteurs pour atteindre des avions entièrement autonomes, ainsi que la recherche et l’adoption de carburants d’aviation durables (SAF), dérivés de sources renouvelables, tout cela se passe et, ensemble, ces innovations peuvent entraîner de profonds changements pour façonner l’avenir de l’aérospatiale.

Cliquez ici pour une liste des cinq meilleurs ETF aérospatiaux dans lesquels investir.