Monocoque

Monocoque ( / ˈ m ɒ n ə k ɒ k , - k oʊ k / MON -ə -ko(h)k ), également appelé peau structurelle , est un système structurel dans lequel les charges sont supportées par la peau externe d'un objet, d'une manière similaire à une coquille d'œuf. Le mot monocoque est un terme français pour « coque unique ».

Utilisé à l'origine pour les bateaux, un véritable monocoque supporte à la fois les forces de traction et de compression dans la peau et se reconnaît à l'absence de cadre interne porteur. Peu d'avions en métal autres que ceux à peau fraisée peuvent être strictement considérés comme des monocoques purs, car ils utilisent une coque ou une tôle métallique renforcée par des cadres rivetés à la peau, mais la plupart des avions en bois sont décrits comme des monocoques, même s'ils intègrent également des cadres.

En revanche, un semi-monocoque est un hybride combinant une peau contrainte en traction et une structure compressive composée de longerons et de nervures ou de cadres . D'autres semi-monocoques, à ne pas confondre avec les véritables monocoques, comprennent les monocoques de véhicules , qui ont tendance à être composites, et les coques gonflables ou les réservoirs ballons , tous deux stabilisés sous pression.

Les premiers avions étaient construits à l'aide de cadres, généralement en bois ou en tubes d'acier , qui pouvaient ensuite être recouverts (ou revêtus ) de tissu tel que du lin irlandais ou du coton . Le tissu apportait une contribution structurelle mineure à la tension mais aucune à la compression et n'était là que pour des raisons aérodynamiques. En considérant la structure dans son ensemble et pas seulement la somme de ses parties, la construction monocoque intégrait la peau et le cadre dans une seule coque porteuse avec des améliorations significatives en termes de résistance et de poids.

Pour fabriquer la coque, de fines bandes de bois ont été laminées pour obtenir une forme tridimensionnelle, une technique adoptée de la construction de coques de bateaux. L'un des premiers exemples fut le monocoque de course Deperdussin en 1912, qui utilisait un fuselage laminé composé de trois couches de placage de peuplier collées, qui constituaient à la fois la peau extérieure et la structure porteuse principale. Cela produisait également une surface plus lisse et réduisait la traînée de manière si efficace qu'il était capable de remporter la plupart des courses auxquelles il participait.

Ce style de construction a été développé en Allemagne par LFG Roland en utilisant la forme brevetée Wickelrumpf (coque enveloppée) qui a ensuite été concédée sous licence à Pfalz Flugzeugwerke qui l'a utilisée sur plusieurs avions de chasse. Chaque moitié de la coque du fuselage a été formée sur un moule mâle en utilisant deux couches de bandes de contreplaqué avec un revêtement en tissu entre elles. Le contreplaqué utilisé au début était sujet aux dommages causés par l'humidité et le délaminage.

Bien que des avions entièrement métalliques tels que le Junkers J 1 soient apparus dès 1915, il ne s'agissait pas de monocoques mais d'une coque métallique ajoutée à une structure sous-jacente.

Les premiers monocoques métalliques furent construits par Claudius Dornier , alors qu'il travaillait pour Zeppelin-Lindau. Il dut surmonter un certain nombre de problèmes, notamment la qualité des alliages d'aluminium suffisamment résistants pour être utilisés comme matériaux de structure, qui formaient souvent des couches au lieu de présenter un matériau uniforme. Après des tentatives infructueuses avec plusieurs grands hydravions dont quelques composants étaient monocoques, il construisit le Zeppelin-Lindau V1 pour tester un fuselage monocoque. Bien qu'il se soit écrasé, il en tira beaucoup de leçons. Le Dornier-Zeppelin DI fut construit en 1918 et, bien que trop tard pour le service opérationnel pendant la guerre, il fut le premier avion monocoque entièrement métallique à entrer en production.

Parallèlement à Dornier, Zeppelin employa également Adolf Rohrbach , qui construisit le Zeppelin-Staaken E-4/20 , qui, lors de son vol en 1920 , devint le premier avion de ligne monocoque multimoteur, avant d'être détruit sur ordre de la Commission interalliée. À la fin de la Première Guerre mondiale, la Commission technique interalliée publia les détails du dernier hydravion Zeppelin-Lindau montrant sa construction monocoque. Au Royaume-Uni, Oswald Short construisit un certain nombre d'avions expérimentaux avec des fuselages monocoques en métal, à commencer par le Short Silver Streak de 1920 , dans le but de convaincre le ministère de l'Air de sa supériorité sur le bois. Malgré ses avantages, les monocoques en alliage d'aluminium ne devinrent courantes qu'au milieu des années 1930 en raison d'un certain nombre de facteurs, notamment le conservatisme de la conception et les coûts de mise en production. Short finirait par prouver les mérites de cette méthode de construction avec une série d'hydravions, dont les coques en métal n'absorbaient pas l'eau comme le faisaient les coques en bois, améliorant considérablement les performances. Aux États-Unis, Northrop fut un pionnier majeur, introduisant des techniques utilisées par sa propre entreprise et Douglas avec le Northrop Alpha .

En course automobile, la sécurité du pilote dépend de la carrosserie de la voiture, qui doit répondre à des réglementations strictes, et seules quelques voitures ont été construites avec des structures monocoques. Un châssis monocoque en alliage d'aluminium a été utilisé pour la première fois dans la voiture de course de Formule 1 Lotus 25 de 1962 et McLaren a été la première à utiliser des polymères renforcés de fibres de carbone pour construire la monocoque de la McLaren MP4/1 de 1981. En 1990, la Jaguar XJR-15 est devenue la première voiture de série avec une monocoque en fibre de carbone.

Le terme monocoque est souvent appliqué à tort aux voitures monocoques . Les carrosseries des voitures commerciales ne sont presque jamais de véritables monocoques, mais utilisent plutôt le système monocoque (également appelé construction unitaire, construction intégrale carrosserie-châssis ou carrosserie-cadre), dans lequel la carrosserie du véhicule, son plancher et son châssis forment une structure unique, tandis que la peau ajoute relativement peu de résistance ou de rigidité.

Certains véhicules blindés de combat utilisent une structure monocoque avec une coque constituée de plaques de blindage , plutôt que de les fixer à un châssis. Cela permet de réduire le poids pour une quantité de blindage donnée. Les exemples incluent les TPz Fuchs et RG-33 allemands .

L'industriel et ingénieur français Georges Roy a tenté dans les années 1920 d'améliorer les cadres de moto inspirés des vélos de l'époque, qui manquaient de rigidité. Cela limitait leur maniabilité et donc leurs performances. Il a déposé un brevet en 1926 et a dévoilé au Salon de l'automobile de Paris de 1929 sa nouvelle moto, la Majestic 1930 de style Art déco. Son nouveau type de carrosserie monocoque résolvait les problèmes qu'il avait abordés et, en plus d'une meilleure rigidité, elle remplissait une double fonction, car le cadre et la carrosserie offraient une certaine protection contre les éléments. À proprement parler, il s'agissait plutôt d'une semi-monocoque, car elle utilisait un cadre en acier embouti à section carrée avec deux rails latéraux rivetés ensemble par des traverses, ainsi que des plateaux de plancher et des cloisons arrière et avant.

Un scooter léger Piatti a été produit dans les années 1950 en utilisant une coque creuse monocoque en tôle d'acier pressée soudée ensemble, dans laquelle le moteur et la transmission étaient installés par le dessous.

La machine pouvait être basculée sur le côté, reposant sur les marchepieds boulonnés pour un accès mécanique.

Un scooter à cadre monocoque a été produit par Yamaha de 1960 à 1962. Le modèle MF-1 était propulsé par un moteur de 50 cm3 avec une transmission à trois vitesses et un réservoir de carburant intégré au cadre.

Une moto à cadre monocoque a été développée par le fabricant espagnol Ossa pour la saison de course de moto du Grand Prix de 1967. [ Bien que l'Ossa monocylindre ait 20 chevaux (15 kW) de moins que ses rivales, elle était 45 livres (20 kg) plus légère et son cadre monocoque était beaucoup plus rigide que les cadres de moto conventionnels , ce qui lui donnait une agilité supérieure sur la piste de course. Ossa a remporté quatre courses du Grand Prix avec la moto monocoque avant que son pilote ne décède après un accident lors de l'épreuve de 250 cc au TT de l'île de Man de 1970 , obligeant l'usine Ossa à se retirer de la compétition du Grand Prix .

Des designers de renom tels qu'Eric Offenstadt et Dan Hanebrink ont ​​créé des modèles monocoques uniques pour la course au début des années 1970. L' épreuve F750 aux courses TT de l'île de Man en 1973 a été remportée par Peter Williams sur la John Player Special à cadre monocoque qu'il a aidé à concevoir sur la base de Norton Commando . Honda a également expérimenté la NR500 , une moto de course de Grand Prix monocoque en 1979. [ La moto avait d'autres caractéristiques innovantes, notamment un moteur avec des cylindres de forme ovale, et a finalement succombé aux problèmes associés à la tentative de développer trop de nouvelles technologies à la fois. En 1987, John Britten a développé l'Aero-D One, doté d'un châssis monocoque composite qui ne pesait que 12 kg (26 lb).

Un cadre monocoque en aluminium a été utilisé pour la première fois sur une moto produite en série à partir de 2000 sur la ZX-12R de Kawasaki , leur moto de sport de série phare visant à être la moto de série la plus rapide . Il a été décrit par Cycle World en 2000 comme une « colonne vertébrale monocoque… une seule poutre de grand diamètre » et « fabriquée à partir d'une combinaison de pièces moulées et d'emboutissages en tôle ».

Les cadres de vélo en fibre de carbone monobloc sont parfois décrits comme des monocoques ; cependant, comme la plupart utilisent des composants pour former une structure de cadre (même s'ils sont moulés en une seule pièce), ce sont des cadres et non des monocoques, et l'industrie du cycle à pédales continue de les désigner comme des ensembles de cadres.

Les P40DC, P42DC et P32ACDM utilisent tous une coque monocoque.

Plusieurs fusées ont utilisé des conceptions monocoques stabilisées par pression, telles que Atlas et Falcon 1 . L'Atlas était très légère car une grande partie de son support structurel était assurée par ses réservoirs de carburant en acier à paroi unique , qui conservent leur forme sous l'accélération par la pression interne. Les réservoirs en ballon ne sont pas de véritables monocoques mais agissent de la même manière que les coques gonflables . La peau d'un réservoir en ballon ne gère que les forces de traction tandis que la compression est résistée par la pression interne du liquide d'une manière similaire aux semi-monocoques renforcés par un cadre solide. Cela devient évident lorsque la pression interne est perdue et que la structure s'effondre. Les réservoirs monocoques peuvent également être moins chers à fabriquer que les orthogrilles plus traditionnelles . Le prochain lanceur New Glenn de Blue Origin utilisera une construction monocoque sur son deuxième étage malgré la pénalité de masse afin de réduire le coût de production. Ceci est particulièrement important lorsque l'étage est jetable , comme avec le deuxième étage New Glenn .