Apr 07, 2025
L'éjection du cockpit est une décision de dernier recours, prise dans des situations critiques, où le pilote doit faire preuve d'un mélange d'instinct, d’entraînement intensif et d'une prise de conscience immédiate de la situation.
Un fait demeure : lorsque ce moment rare et décisif survient, la survie du pilote repose entièrement sur la fiabilité absolue de chaque composant de l'équipement, développé avec la plus grande minutie, soumis à des tests rigoureux et optimisé afin d’assurer sa protection face au danger imminent.
C'est précisément la mission confiée par Lortie Aviation à Creaform Ingénierie : réduire les blessures lors de l’éjection d’un siège en cas d’urgence. Dans les premières phases du projet, l'équipe d'ingénierie a conçu et intégré une structure déformable en aluminium dans le siège, visant à absorber une partie de l'énergie transmise au bassin du pilote et à réduire de manière significative les pics d'accélération lors de l'éjection.
Par la suite, Creaform Ingénierie a poursuivi ses travaux en proposant une solution supplémentaire pour améliorer la protection de la colonne vertébrale. Toutefois, cette approche présentait un risque accru de fractures de la clavicule, ce qui était inacceptable pour Lortie Aviation. Pour y remédier, Creaform Ingénierie a collaboré avec TOPMED, un centre en recherche appliquée qui accompagne les organismes œuvrant dans le domaine de la biomécanique, afin d'intégrer un nouveau composant au harnais et ainsi limiter le risque de blessure à la clavicule.
La requête des pilotes de Lortie Aviation : Élever le mandat à un niveau supérieur
Lortie Aviation possède et exploite une flotte d’avions de combat Hawker Hunter, conçus dans les années 1950 et utilisés en opération jusqu'en 2014. Cet avion transsonique est équipé de sièges éjectables Martin-Baker MK3. La rétro-ingénierie de l’avion pour le remplacement par un siège plus récent et plus sécuritaire est impossible en raison de la petite taille de l'avion et de la complexité de la modification.
Après l'intégration de l’élément déformable à structure alvéolaire en aluminium dans le siège éjectable pour réduire l'impulsion, les pics d'accélération pelvienne et les charges lombaires, Creaform Ingénierie a consulté les pilotes de Lortie Aviation pour recueillir leurs commentaires.
Lortie Aviation a souhaité aller encore plus loin en demandant à Creaform Ingénierie d’étendre le mandat avec deux objectifs clés :
1. Reproduire les blessures vertébrales à l’aide d’un modèle par éléments finis (FEA).
2. Démontrer l’impact de l’atténuation sur la compression vertébrale.
Sans tarder, l'équipe d'experts en simulation numérique est passée à l'action.
Simulation d'éjection avec le modèle biofidèle THUMS
Pour mieux représenter le comportement mécanique de la colonne vertébrale et les blessures potentielles, Creaform Ingénierie a utilisé le modèle THUMS (Total Human Model for Safety), un modèle par éléments finis très détaillé et biofidèle du corps humain. Conçu initialement par Toyota en partenariat avec des instituts de recherche, THUMS est largement employé pour évaluer les effets des impacts sur le corps humain et développer des mesures de sécurité visant à minimiser les blessures.Grâce à cette approche avancée, les ingénieurs ont simulé l'éjection afin d'analyser la séquence des événements menant à la compression vertébrale. Ils ont ainsi pu évaluer l'efficacité des mesures de réduction des risques et la performance de l’élément déformable.
Résultats de la simulation : La compression vertébrale n'est pas mitigée par le coussin déformable
Les simulations ont montré que le coussin déformable se comprimait rapidement, absorbant partiellement l'énergie cinétique. Cependant, il a été constaté que la compression vertébrale survenait à un stade ultérieur. Suivant la séquence des événements pendant l'éjection du pilote, la cage thoracique pivote vers l'avant, comprimant ainsi la partie antérieure des vertèbres. Comme le coussin se comprime dès l'éjection et que l’impact de l’éjection sur la flexion de la colonne n'est pas instantané, il ne réduit pas efficacement le risque de blessure vertébrales.Cependant, le modèle par éléments finis biofidèle a mis en évidence l'importance de la posture du pilote lors de l'éjection. Lorsque le pilote maintient une posture droite avec le harnais solidement fixé au siège, la rotation de la cage thoracique est réduite, minimisant ainsi la compression vertébrale et diminuant le risque de blessure.
Cette conclusion a conduit à une nouvelle recommandation : augmenter la pré-tension du harnais pour maintenir la colonne vertébrale droite pendant l'éjection.
Protection améliorée de la colonne vertébrale grâce à une pré-tension accrue du harnais
Les simulations numériques réalisées par Creaform Ingénierie ont démontré que l’amélioration de la posture du pilote lors de l’éjection (obtenue par une augmentation de la pré-tension du harnais) réduisait significativement la compression des vertèbres T11 et T12. Plus précisément, la compression de la vertèbre T11 a diminué de 42%, passant de 24% à 14%, tandis que celle de la T12 a été réduite de 73%, chutant de 22% à 6%.Compte tenu des effets positifs sur la sécurité du pilote, l’ajout de rétracteurs de ceinture pour accroître la pré-tension du harnais a été recommandé.
Risque accru de fractures claviculaires
Le modèle par éléments finis biofidèle THUMS a également révélé un problème majeur lié à l’ajout de rétracteurs de ceinture. Bien que l’augmentation de la pré-tension du harnais réduise la compression vertébrale, la force délivrée par les rétracteurs lors de leur activation pourrait également augmenter le risque de fractures claviculaires.Clavicule vs vertèbres
Dans ce contexte, les pilotes étaient naturellement préoccupés par la possibilité de devoir manœuvrer avec une clavicule fracturée. Même si leur colonne vertébrale restait intacte, l’idée de devoir atterrir dans l’eau et de grimper à bord d’un radeau avec une fracture de la clavicule posait un défi majeur. Il était donc préférable d’éviter une telle situation.
Comment alors maintenir la pré-tension du harnais tout en réduisant le risque de fracture claviculaire ? C’est à ce moment-là que TOPMED est intervenu en proposant un design d’orthèse innovant.
Protection claviculaire grâce à une orthèse
Pour atténuer le risque de fractures claviculaires, Creaform Ingénierie a collaboré avec TOPMED, un centre de recherche en santé et innovation basé à Québec, spécialisé dans le développement d’équipements orthétiques. L’objectif était de concevoir une orthèse capable de mieux répartir la force exercée par les rétracteurs de ceinture lors de l’éjection et ainsi protégeant les clavicules.
Afin d’évaluer l’efficacité de cette protection, TOPMED a aussi développé et imprimé en 3D un torse instrumenté, équipé de capteurs de force pour mesurer la pression appliquée sur les clavicules. L’objectif des tests était de démontrer une réduction significative des contraintes entre les scénarios avec et sans la protection, soulignant ainsi son importance dans la prévention des blessures.
Corrélation entre les simulations numériques et les tests physiques
TOPMED a développé un prototype d’orthèse constitué d’une poche remplie de cellules d’air. Tester ce dispositif était essentiel pour valider sa performance et sa durabilité. L’orthèse a été intégrée au harnais du siège, lui-même équipé des rétracteurs de ceinture, et sécurisant le torse instrumenté sur le siège éjectable.La pré-tension du harnais, déclenchée par l’activation des rétracteurs de ceinture lors de l’éjection, a été testée en appliquant le courant électrique requis aux rétracteurs. Cette simulation a été réalisée avec et sans l’orthèse en place, permettant ainsi de mesurer la force appliquée sur les clavicules dans les deux configurations.
Les résultats des essais ont révélé une réduction significative des forces exercées sur les clavicules lorsque la protection était en place, passant de plus de 3500 N (seuil de saturation des capteurs) sans l’orthèse à moins de 500 N avec celle-ci.
Les tests physiques réalisés sur le torse instrumenté ont démontré que l’orthèse permettait de redistribuer efficacement la pré-tension du harnais dans la région claviculaire. Ils ont ainsi validé l’efficacité de la conception pour limiter la pression exercée sur les clavicules par les rétracteurs de ceinture lors de l’éjection.
En résumé, grâce à sa collaboration avec TOPMED, Creaform Ingénierie a validé la stratégie de diminution des risques par des tests physiques. Bien qu’un problème ait été identifié, ces tests ont conduit à une solution permettant de réduire efficacement le risque de blessure.
Performance de haut niveau avec une sécurité maximale
Creaform Ingénierie a réalisé des simulations numériques et des tests physiques pour évaluer les stratégies visant à réduire le risque de blessures vertébrales et de fractures de la clavicule lors des éjections des avions de chasse.Le THUMS, modèle par éléments finis biofidèle très détaillé, a été utilisé pour simuler l’éjection et analyser la séquence menant à la compression vertébrale. Il a montré qu’une augmentation de la pré-tension du harnais pourrait réduire de manière significative la compression des vertèbres T11 et T12.
Mais Creaform Ingénierie ne s’est pas arrêté là. Ils ont collaboré avec TOPMED pour développer l’orthèse capable d’offrir une protection significative lors de l’éjection. Les tests physiques ont ensuite prouvé la capacité de l’orthèse à redistribuer efficacement la force exercée par les rétracteurs de ceinture, réduisant ainsi le risque de fractures que les pilotes cherchaient à éviter.
Avec la preuve de concept réussie, Lortie Aviation intégrera désormais l’orthèse dans le harnais, garantissant ainsi que les pilotes puissent réaliser leurs manœuvres de manière efficace. Une chose est certaine : des simulations numériques aux tests physiques, chaque pièce d’équipement a été soigneusement conçue, testée et optimisée pour permettre aux pilotes d’atteindre des performances de haut niveau avec une sécurité maximale.