Brevet FR2132864A1 — publié le 19721124

La présente invention concerne un système alaire rotatif ayant un pylone pouvant tourner autcur de son axe longitudinal et au groins deux pâles disposées aux côLés opposés de cet axe. Les systèmes de rotor conventionnels sont caractérisés par leur cclrplexité relative. Le développement des système de rotor pour hélicoptère entièrement articulés est généralement dictés par les exigences structurales et la stabilité dynamique et pour satisfaire ces exigences, il a fallu construire des systèmes de rotor compligués et des compromis de poids, de prix et de maintenan ce. Bien qu'on ait réussi à réduire la complexité au moyen de rotors non articulés ou sans charnieres, les conceptions existantes utilisent encore des paliers de variation de pas pour contrcler la variation de pas et des réductions de poids et des exigences de maintenance sont possibles.En cutre, bien qu'un avantage impcrtant du rotor sans charnieres sur le rotor artlculo soit le potentiel pour améliorer les qualités de manutention dues à un amortissement et contrôle de la puissance élevés, des réductions supplé- inventaires de la tramée de poids, et de la complexité sont néces- saires pour améliorer la performance et pourréduire les dépenses. L'objet de la présente invention est de fournir un système alaire rotatif nouveau et utile qui utilise les caractéristiques non isotropes des matériaux composites pour fournir un système alaire rotatif sans charnières et sans paliers pour servir particuliè- rement de rotor à un hélicoptère. La présente invention projete de retenir la puissance élevé de contrôle disponible dans les conceptions sans charnières existantes tout en offrant le potentiel pour réduire le poids et la complexité par l'élimination des paliers pour la variation du pas des pales. Selon l'invention, une telle élimination est réalisée par l'utilisation unique des propriétés non isotropes des ma tériaux composites avancés et renforcés de fibres. En particulier, cn utilise la grande variation des rapports déformation-coefficient de cisaillement qui peuvent être obtenus par des variaticns de l'alignement des fibres à module élevé. Selon un mode de réalisation de l'invention, il est fourni une simple structure de montage des pales qui est assez rigide à la déformation pour satisfaire les exigences de puissance de con telle et de stabilité dynamique mais assez flexible en torsion pour permettre le centrale de l'angle de variation du pas des pales par la torsion du longeron.Le systèe de rotor projeté, utilise un longeron d'une pièce flexible en torsion ayant une section transversale substantiellement rectangulaire en ecmbinaison avec une coguille de pâle rigide en torsion, ayant seulement une partie extérieure attachée au longeron Dans le mode de réalisation préféré, le longeron comporte ure pluralité de coucbes de rila- ments ayant un module d'élasticité élevé et liées ensemble en rela ticn uniaxiale et câte à cöte substantiellement parallèle à l'axe longitudinal du longeron et la coquille comporte de tels filaments liés ensemble en relation transversale.Avec cette configunation, la rigidité à la défcrmation en plat du longeron (rigidité dans une directicn perpendiculaire au plan de rotation) permet une rigidité du système de rotor plus grande que celle normalement atteinte avec les rotors anticulés conventionnela ou par d'autres systèmes de rotor.Puisque, ia rigidité élevée du rotor est une indication de la puissance élevée de contrôle du rotor et de l'amortissement, cette invention offre le potentiel po':r de meilleures qualités de manutention de l'aéronef , que celles des variantes des systèmes de rotors susmentionnés. En plus, la rigidité des bords du longeron (rigidité dans une direction parallèle au plan de rotation) est très grande comparée à celle des variantes des systèmes de rotor.Le résultat est que la fréquence naturelle du premier mode de déformation des bords est plus élevée que la fréquence rotationnelle du rotor et par conséquent, la possibilité de sérieux problèmes de résonnance au sol ou dans l'air est éliminée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La Figure 1 est une vue en perspective d'un ensemble de rotor d'hélicoptère et de pales, La Figure 2 est une vue explosée, en perspective, d'un système alaire rotatif ayant un longeron d'une seule pièce se prolongeant à travers le pylone du rotor et à travers les deux coquilles des pales selon la présente invention. La Figure 3 est une vue d'un ensemble de moyeu d'un rotor et d'une pâle d'hélicoptère, La Figure 4 est une coupe prise le long de la ligne 4-4 de la figure La Figure 5 est une coupe prise le long de la ligne 5-5 de la figure 3, La Figure 6 est une coupe prise le long de la ligne 6-6 de la Figure 3 La Figure 7 est un diagramme illustrant les caractéristiques du module des composites renforcés de fibres. Se référant aux dessins, la référence numérique 10 désigne en général un système alaire rotatif, comme un ensemble, de la présente invention. Tel que montré, toutes les charnières et tous les paliers ont été éliminés. Le système inclut deux paires de pales opposées diamétralement, l'une comprenant les pales 12 et 14 et l'autre les pales 16 et 18. Les paires de pales sont montées chacune sur un longeron continu d'une seule pièce 20 qui s'étend en continu entre les pointes des pales. Afin de réduire le poids et aussi pour fournir un emplacement convenable du centre de gravité et de l'axe élastique, la partie à l'extérieur du longeron doit être conique tel que montré.Le longeron est composé d'une pluralité de couches sous forme de minces feuilles de filaments ayant un module élevé en relation côte à cote et parallèle à l'axe longitudinal du longeron et liés ensemble avec un matériau de matrice approprié telle qu'une résine synthétique thermodurcissable, comme par exemple une résine époxyde. En général, l'é- paisseur du longeron est inférieure à 50% de celle de la pale et les filaments sont fabriqués d'un matériau ayant un module d'élas ticité d'environ au moins 2,11 X 106kg/cm2.Pour citer un exemple des matériaux appropriés disponibles ayant un module élevé sous forme de filaments incluant les filaments de bore à noyau en fil de tungstène ( avec ou sans revêtement de protection, tel que par exemple le carbure de silicium, les filaments de graphite et les filaments de carbure de silicium) .11 faut noter, que bien que les filaments du longeron sont alignés dans une orientation uniaxiale, il faut reconnaître qu'on peut tolérer une légère variation de celle-ci, comme par exemple, une orientation de + 5G pour augmenter la résistance à la fatigue. Le longeron 20 s'étend par-dessus le pylone du rotor 22 en étant attaché à celui-ci par son milieu au moyen d'un ensemble de moyeu 24. L'ensemble comporte une plaque inférieure de moyeu 26, des première et deuxième pièces 28 et 30 et une plaque supérieure de moyeu 32. La plaque inférieure de moyeu 26 a une surface supérieure plate et horizontale 34 et une partie de douille inférieure 36 adaptée au pylone 22 pour transmettre les forces rotationnelles. La plaque inférieure 26 ainsi que la plaque supérieure 32 ont une rainure 38 se prolongeant diamétralement qui. est faite pour recevoir le longeron et peut fournir l'angle de conicité si cela est souhaité.Tel que montré sur les dessins, les rainures leurs bords extérieurs 40 arrondis pour éviter des concentrations de contraintes dans le longeron et elles sont pourvues d'un angle de conicité &alpha;. Les plaques de moyeu 26 et 32 sont pourvues de trous 42 pour boulons pour les fixer ensemble. Les pièces 28 et 30 sont formêes respectivement, de façon à serrer leur longeron associé à la plaque de moyeu approprio et présentent en même temps une face extéricue 44 qui est encastrée avec les surfaces plates des plaques du moyeu. En d'autres termes, la première pièce 28 a une face intérieure cul se conforme à la partie de surface superieure de la partie médiane du longeron tout en ayant une surface plate extérieure, essentiellement dans un même plan avec la surface 34.La meme relation existe entre la deuxième pièce 30 et la plaque de moyeu supérieure 32. I1 est a remarquer que les rotors à plusieurs pales peuvent être assez blés en empilant simplement une paire de pales sur l'autre et d'autre part, puisque l'épaisseur du longeron est petite, l'assemblage peut être réalisé sans une augmentation excessive de l'épaisseur du moyeu. Il est important de noter que la présente configuration permet d'adapter facilement. un mode opérationnel, dans lequel les plaques du moyeu ont leurs rainures placées perpendiculaires l'une à l'autre, dans un mode de stockage, dans lequel les rainu res sont alignées. Dans la pratique les longerons sont liés, ou fixés d'une autre façon, à leur plaque de moyeu et pièce entretoise afin de fournir une retenue contre les forces centrifuges des pales déséquilibrées. Tel que représenté généralement sur la figure 3, chaque pale comporte une coquille 45 en composite,renforcéede filaments, ayant une partie à l'extérieur 46 qui est continuelle ment liée à une partie à l'extérieur du longeron en composite 20 via le matériau entretoise léger 47, tel qu'un filtre en nid d'abeille ou tel cu'une mousse.La coquille est constituée de préfé- rence du mene matériau que celui du longeron 20. La partie vers l'intérieur 46 de la coquille est évasée vers l'extérieur à partir du longeron et vers le moyeu commençant à un point désignant appro ximativement 30% du rayon du longeron. Aucun matériau entretoise n ' est prévu dans la partie 48 et la partie de coquille n'est pas attachée au longeron d'aucune façon. Ainsi, la partie de coquille 48 et le longeron peuvent se déplacer indépendamment l'un de l'au- tre en flexion de même qu'en torsion.Ce mouvement indéuendant ne simplifie non seulement la construction mécanique du rotor sans charnières ni paliers, mais facilite aussi le couplage des mouvements de flexion et de variation du pas des pales. Un tel couplage stabilise les mouvements hors plan des pales sur les rotors de queue et sur les systèmes de rotor principal à vitesses élevées. En plus, le mouvement relatif du longeron et de la coquille peut être utile et servir de signaux pour les systèmes de stabilisation de l'aéronef. Une pièce métallique rapportée 49 est liée à l'intérieur de la partie de coquille 48 pour faciliter la fixation à la coquille d'une corne 50 de contrôle du pas. Tel qu'il sera apprécié par les hommes de métier, un arrangement plateau oscillant-tige poussoir (non montré) est utilisé pour effectuer le contrôle du pas des pales. Pour que le système à rotor fonctionne convenablement il faut souligner que les filaments des composites formant le longeron 20 et la coquille 45 doivent avoir une orientation appropriée pour obtenir les rapports appropries de flexion à la rigidité à la torsion. En outre, le filament doit être choisi et orienté de façon à ce que (1) le longeron soitfaible à la torsion et qu'il puisse être soumis. à des angles de torsion sans forces de contrôle excessives ou contraintes du longeron tout en gardant la rigidité des bords nécessaire pour un bon maniement et une bonne stabilité dynamique (2) la coquille soit rigide en torsion avec l'axe élastique disposé convenablement et (3) que les flexions produites par les forces de cisaillement du système de contrôle soient minimisées sans un sacrifice excessif de la rigidité à la torsion. Tel que susmentionné, le longeron est un composite essentiellement uniaxe avec tous ses filaments orientés dans une. direction. Le longeron doit avoir un.rapport de flexion au coefficient de cisaillement minimum de 15 à 1. Les filaments dans la coquille sont -orientés, de façon que le rapport de formation au coefficient de cisaillement soit compris entre 2/10 à 10/9. Les valeurs exactes peuvent varier avec la position de l'espacement les charges et la géométrie choisie des pales. Les essais dans la soufflerie aérodynamique pour un rotor en composite ont démontré le potentiel de la présente invention Pour ces essais, un modèle réduit de rotor incluant une matrice de résine et des filaments de carbone fut utilisé. Le longeron de cisaillement avait un rapport flexion à coefficient/de 35 à l. Dans le modèle, une partie de coquille à l'extérieur 46 ayant un rapport ,flexion à coefficient de cisaillement enftron 3/10 fut utilisée de même qu'une partie évasée 48 ayant un rapport flexion c coefficient de cisaillement d'environ 10/8 Sous des conditions de vol constant en avant, par exemple, une réponse de pâle stable fut réalisée à toutes les conditions de vol examinées (jusqu'à un vol simulé de 335 km/h).Le rotor fut soumis à des essais en vol stationnaire à plusieurs réglages du pas général jusqu'à C / d'environ 0,12 et à plusieurs positions différentearadiales du poussoir pour évaleur les caractéristiques t - ) du couplage pasflexion. Le rapport C / représente la gamme des charges des pales, dans lequel C est le coefficient de poussée et est la surface de pale. Les onditions de vol en avB t furent simulées jusqu'à un rapport d'avance de 0,3 et à des niveaux jusqu'à 0,068 pour C /F. Le rapport d'avance est le rapport de la vitesse en avant à la vitesse du bout de la pale .Aux essais, les contraintes à plat et des bords au poste critique de la pale furent enregistrées et sous aucune condition elles excédérent + 10900 kg/cm2 et + 3520 kg/cm2 respectivement. Les contraintes d torsion cyclique et constante maximum de 1050 et + kg/cm2 furent produites à 335 km/h Ces valeurs sont comparables à celles prévues de l'analyse et sont inférieures aux valeurs de contrainte critiques tel qu'indi qué par les données de fatigue disponibles et sont par conséquent considérés présentement comme acceptables. Il faut noter que le contrôle du pas de pale ou du pas de mise en drapeau est réalise par torsion élastique d'une partie relativement longue vers l'intérieur du longeron (environ 30% du rayon) afin de minimiser les contraintes de torsion du longeron. Le moment appliqué à la pale du poussoir est transmis à travers la coquille aérodynamique, qui est effectivement rigide en torsion, vers le longeron intérieur qui est flexible en torsion A l'intérieur du poste à 30% de la pale, la coquille est libre de se déplacer par rapport au longeron en torsion et en flexion lorsque le pas de la pale est changé. Un sommaire des caractéristiques typiques du module des composites renforcés de fibres est donné sur la Fig.7 ou le module de Young, E, est tracé en fonction du coefficient de cisaillement, G, pour des angles d'alignement des fibres de 0 (direction unique) à 45 . La zone hachurée correspond à un composite epoxyde de boron comparé à plusieurs métaux isotropes. Des tendances opposées des caractéristiques flexion/ torsion y sont représentées. Le matériau composite de boron uniaxe fournit un rapport élevé du module de flexion au module de torsion (environ 25 comparé à 2,5 pour les métaux). Le composite carboneepoxyde uniaxe a un tel rapport même plus élevé dû à son coefficient de cisaillement plus faible. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système alaire rotatif ayant un pylone pcuvant être mis er rotation autour de son axe longitudinal et au moins deux pales de rotor disposées aux côtés opposés de cet axe, caractéri- se en ce qu'un longeron d'une pièce d'une section transversale substantiellement rectangulaire s'étend par dessus cet axe à partir du bout d'une pale jusqu'à l'extrémité de l'autre pale, cette pale compremant une pluralité de couches de filaments ayant un medule d'élasticité élevé et lié ensemble câte Q cote substantiel.emert parallèles à l'axe longitudinal du longeron, la valeur du module d'élasticité étant au moins de 2,11x106kg/cm2, le longeron étant monté par son milieu au pylone pour être mis en rotation avec celui-ci, et que chaque pale comporte une coquille portante ayant une partie vers l'extèrieur liée continuellement a la partie vers l'extérieur du longeron et une partie vers l'intérieur en relation libre de retenue avec la partie vers l'intêrleur du longeron, la partie vers l'intérieur du longeron pouvant etre soumise à la tor- sion et à la flexion par rapport à la partie de la coquille vers l'intérieur. 2. Système selon la revendication 1; caractérisé en ce que la coquille portante est constituée d'une pluralité de couches en filaments ayant un module de d'élasticité élevé, orientés pour donner une rigidité à la tcrsion, la valeur de ce module d'élasti- cité étant au moins de 2, 11x106kg/cm2. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérise en c:e que le longeron a un rapport flexion à ccefficiert de cisaillement d'au moins 15/1. 4. Système selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisé en ce que les filaments de la coquille sont orientés à environ plus ou moins 450 par rapport à la direction d'espacement pour fournir des rapports flexion à coefficient de cisaillement allant de 2/10 à 10/9. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une paire de plaques est montée au pylome et fixée en engagement l'une avec l'autre de façon que l'une au moins des plaques ait une rainure s'étendant diamétralement dans sa surface de contact et que le longeron soit disposé entre les plaques dans cette rainure. 6. Système selcr la revendication 5, caractérisé en ce que le surface de la rainure est formée avec un angle de conicité pour correspondre à la surface inférieure du longeron et gu'une pièce entretoise est placée dans la rainure pour le longeron et qu'elle a une surface correspondant à la surface du longeron et une ar-te surface substamtiellement dans le mere plan avec la surface des plaques.