Brevet FR2235047A1 — publié le 19750124

La présente invention a pour objet un avion à décollage court ou vertical et concerne plus particulièrement une com naison d'un turbo-moteur et d'une cellule possédant des moyens nouveaux pour contrôler l'assiette de l'avion, à la fois pendant le décollage et pendant le vol. Il est souhaitable dans un avion à décollage vertical que le rapport de la force verticale fourni par le moteur au poids total de l'avion soit au moins de 1,2 et de préférence plus grand. Toute force verticale supérieure à celle donnée par ce rapport peut permettre d'augmenter la charge utile, le rayon d'action et l'armement. Pendant le décollage, il est nécessaire de disposer de moyens pour contrôler et stabiliser l'avion à des vitesses vers l'avant, nulles ou très faibles, alors que les surfaces de contrôle aérodynamiqueS sont inopérantes. Un des buts de la présente invention est de fournir une combinaison d'un turbo-moteur et d'une cellule capable de donner des rapports puissance/poids relativement améliorés et des moyens-de contrôle d'assiettes pour un avion à décollage vertical. Les avions à décollage vertical utilisant des moyens de propulsion comprenant un turbo-moteur à double flux, dans lequel le flux dérivé est éjecté au travers d'une paire de tuyères pivotantes et le flux sortant du corps du moteur est éjecté à travers une seconde paire de tuyères pivotantes, est bien connu par exemple dans l'avion "Harrier", Le moyen le plus simple et le plus efficace pour obtenir une poussée supplémentaire à la fois pour le décollage et pour le vol horizontal consiste à brûler du carburant supplémentaire dans le flux dérIvé pour augmenter la poussée normale du moteur. Malheureusement, l'utilisation d'une poussée augmentée de cette façon, soulève un problème fondamental en relation avec l'équilibre de l'avion. Afin d'équilibrer l'avion contre des moments de tangage importants pendant le décollage vertical, les deux paires de tuyères pivotantes sont disposées de façon à éjecter les gaz, une paire en avant et une paire en arrière du centre de gravite de l'avion et ainsi si la poussée de la première paire de tuyères pivotantes est augmentée par rapport à la seconde paire, il y a un moment de tangage important produit sur l'avion. t' importance de ce problème peut être appréciée en considérant un avion qui doit décoller verticalement avec une pleine charge de carburant et de munitions, pour lequel la poussée aug mentée est essentielle, et qui doit également atterrir verticalement après avoir utilisé son carburant et ses munitions. L'avion vide peut peser la moitié de l'avion plein et cette différence de poids équilibrera sensiblement la différence entre la poussée augmentée et la poussée non augmentée du moteur. Toute la poussée additionnelle est fournie par un ga- de tuyères pivotantes situées à tne distance/ en avant du centre de gravité de l'avion produisant ainsi un moment de tangage important. Lors d'un décollage vertical, il nty a, par définition, aucune vitesse horizontale de l'avion et par conséquent, les surfaces de contrôle aérodynamiques conventionnelles sont inopérantes pour compenser un moment de tangage important. On a par le passé, -pour contrôler le tangage des avions à décollage vertical, utilisé des gaz à très haute pression, prélevés sur le compresseur du corps du moteur, tomme par exemple dans le Brevet anglais 1.036.134. Il n'est cependant pas satisfaisant d'augmenter de tels prélèvements-afin d'équilibrer les moments de tangage important produitspar l'utilisation d'une poussée augmentée, car ceux-ci dégraderaient les performances du corps du moteur, réduisant ainsi le flux dérivé et par conséquent affectant la poussée additionnelle fournie par la première paire de tuyères pivotantes. La présente invention fournit un avion apte à faire des décollages verticaux ou courts et comprenant un turbo-moteur et une cellule, le turbo-moteur ayant un ventilateur apte à fournir de l'air comprimé à un corps de moteur qui entrain ce ventilateur et à une paire de tuyères pivotantes pour éjecter l'air de ce ventilateur de telle façon que, lors d'un décollage vertical, la poussée résultante des tuyères pivotantes agisse au centre de gravité de l'avion ou légèrement en avant de ce centre de gravité, des moyens étant de plus fournis pour augmenter la poussée disponible aux tuyères pivotantes, le ventilateur et le corps du moteur étant adaptés en sorte que sensiblement tout le travail produit par le corps du moteur soit absorbé par le ventilateur, et que l'échappement à pression relativement basse du moteur soit envoyé par un conduit à des tuyères situées à l'arrière de l'appareil, ces- tuyères étant aptes à éjecter lesdits gaz à basse pression pour contrôler le tangage de l'avion. Dans une forme d'exécution de l'inve--Ion, l'echapnement à pression relatilrement basse du moteur comprend les ga d'é jection du corps du moteur. Dans une autre forme d'exécution de l'invention, l'échappement à pression relativement basse du moteur comprend une partie des gaz fournis par le ventilateur. De préférence, des moyens sont prévus pour brûler a vo- ponté du carburant dans le flux éjecté par les tuyères pivotantes. Les tuyères pivotantes peuvent tre munies de moyens permettant de faire varier leur surface d'éjection. lies tuyères aptes à éjecter les gaz du corps du moteur pour contrôler Avion en tangage et en lacet peuvent être du type de celles décrites dans la demande de Brevet Britannique intitulée : "Perfectionnements aux turbo-moteurs" au nom de la Demanderesse. Il est souhaitable que le turbo-moteur soit disposé dans la cellule de sorte que, l'écoulement de l'échappement des tuyères pivotantes éjectant verticalement vers le bas, le centre de poussée soit situé légèrement en avant du centre de gravité de l'avion. Un objet de l'invention est un moteur apte à être- installé sur un avion tel que celui décrit ci-dessus. Une forme d'exécution de l'invention est maintenant décrite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés: la figure 1 est une vue de dessus de l'avion, la figure 2 est une vue en coupe de l'avion montré en figure 1, selon la ligne II-II, la figure 3 est une vue en coupe d'un turbo-moteur capte à être utilisé dans cet avion, la figure 4 montre la tuyère de contrôle d'assiette de l'avion des figures 1 et 2, la figure s est une vue en coupe similaire à celle de la figure 2, mais montrant une variante d'exécution du moteur installé sur l'avion, la figure 6 est une vue en coupe de la variante de moteur de la figure 5, la figure 7 est une vue de coté d'un avion équipé d'une variante des tuyères de contrôle d'assiette, la figure 8 montre la variante de la tuyère de contrôle d'assiette de la figure 7, la figure 9 est une coupe selon la ligne IX-IX de la figure 8. Comme montré aux figures 1 et 2, un avion à décollage vertical 10 comprend un turbo-moteur ll installé dans la cellule 12* Deux entrées d'air orientées vers l'avant 13 et 14 situées de chaque côté dufuselage 15 de 11 avion fournissent de l'air auturbo-moteur qui est montré en détail à la figure 3. Un grand ventilateur 16 fournit la plus grande partie de son débit à un séparateur de flux 17 qui divise le flux en deux écoulements dirigés chacun vers une des tuyères 18 (une seule estmontrée) oui est montée pivotante autour d'un axe 19 afin de taisre varier la direction de son écoulement.En amont de chaque tuyère sont montées un certain nombre de gouttières 20 sur lesquelles une flamme peut etre établie en brûlant du carburant dans la zone de tranquilisation 21 pour augmenter la poussée disponible aux tuyères 18. Chaque tuyère 18 doit etre munie: de moyens 22 permettant de faire-varier la surface d'écoulement, afin de s'adapter à la variation entre le flux augmenté et le flux non augmenté. De tels moyens sont bien connus et peuvent par exemple être du type décrit dans le Brevet anglais l.278-.801. Une autre partie relativement peu importante du flux fourni par le ventilateur est transmise le long du conduit 23 à un compresseur haute pression 24 d'un corps de moteur 25 cui fournit le travail pour entraîner le ventilateur 16. Te débit du compresseur haute pression est fourni à une chambre de combustion 26 où il est mélangé avec du carburant et où le mélange est brûlé. Les produits de combustion entraînent ensuite une turbine haute pression 27 reliée par un arbre 28 au compresseur haute pression 24, ét une turbine basse pression 29 reliée au ventilateur 16 par un arbre 30.L'adaptation est-telle que pratiquement tout le travail fourni par le corps du moteur au-dessus de celui nécessaire pour entraîner le compresseur haute pression est absorbé en entraînant le ventilateur 16, de façon que la pression de l'écoulement d'échappement dans le conduit 31 en aval de la turbine basse pression soit relativement faible et, dans cette forme d'exécution, d'environ 0,28 kg/cm2. Par sensiblement, on entend qu'environ 90$du travail fourni par le corps du moteur est absorbé en entraînant te vel tilateur 16. L'écoulement d'échappement est éjecté du conduit 31 au travers des tuyères 32 situées dans la queue de l'appareil. On peut penser que le conduit 31 est d'une longueur considérable, mais il n'est pas nécessaire qu il soit anormalement lourd étant donné que la pression qui règne à l'intérieur est relativement faible. Des tuyères 32, qui peuvent être mieux comprises à l'aide de la figure 4, peuvent éjecter l'écoulement d'échappement destiné au contrôle de l'avion en tangage et en lacet et comprennent quatre paires 33 d'éléments à section en U montes pivotants. Chaque paire comprend un élément 34 à section en Uarticulé autour de son bord amont 35 et un second élément 36 à section en U articulé autour de son bord aval 36. Chaque paire 73 d'éléments coopère pour éjecter l'écoulement d'échappement des- tuyères 32 dans n'importe quelle direction intermédiaire entre l'avant, l'arrière, ou une direction radiale par rapport à l'axe 38 du moteur.Ainsi par exemple pour diriger ltécoule- ment d'échappement vers l'arrière, l'élément 36 est pivoté autour de son bord aval 37 à l'aide de vérins qui ne sont pas représentés mais sont d'un type connu, jusqu a une position 39 dans laquelle il épouse les contours de la surface extérieure 40 du conduit 31, et l'élément 34 est pivoté de la même manière autour de son bord amont 35 jusqu'à une position 41, formant ainsi une ouverture 42 dirigée vers l'arrière. On constatera que le flux s'écoule vers l'arrière, le long de l'extrémité fermée 44 du conduit 31 qui se termine par la forme bien connue permettant d'éviter la traînée de base. L'écoulement d'échappement radial 45 est obtenu en plaçant les éléments à section en U 34 et 36 en position 46 et 47 respectivement de façon qu'ils forment une ouverture latérale 48. L'écoulement vers l'avant des gaz d'échappement dans un but de freinage n' est pas illustré mais il est évident qu'il est obtenu en inversant les positions 39 et 41 des deux éléments 34 et 36. Pour le contrôle en lacet de l'attitude de l'avion, on utilise les paires de tuyères 33 situées dans le plan latéral; ainsi, si l'on désire que l'avion pivote vers la droite, la paire d'éléments 33, située sur la droite, est placée en posi tion d'échappement radial. Le réglage de la vitesse due lacet est obtenu à 11 aide d'un mouvement plus ou moins grand de l'un ou l'autre des éléments 34 et 36 de façon à éjecter les gaz d'échappement dans une direction intermédiaire entre la direction radiale et les directions avant ou arrière. Le contrôle en tangage de l'avion est obtenu de la même manière en utilisant les deux paires de tuyères 33 qui se trouvent dans un plan vertical par rapport à l'avion. lie pilote 49 peut contrôler le tangage et le lacet de l'avion si les commandes des paires de tuyères sont directement liées à son manche. Les deux tuyères pivotantes 18 sont situées de telle façon que leur ligne de poussée en position de décollage vertical se trouve immédiatement au-dessous du centre de gravité 52 de l'avion ou juste en avant de ce centre de gravité. Ceci procure un avantage significatif étant donné qu'il ne résulte pas de moments de tangage importants pour l'avion, de la différence de poussée entre le flux augmenté et le flux non augmenté des tuyères 18, et qu-'il ne se pose par conséquent pas de problème important de contrôle d'assiette. Il n'est pas strictement nécessaire que la paire de tuyères 33 soit située à l'extrémité du conduit 31 étant donné que l'équilibre de poussée entre les deux tuyères pivotantes 18 et la paire de tuyères 33 située sous le fuselage peut etre ajustée par exemple en faisant varier la direction d'échappement des tuyères pivotantes.Ce pivotement peut etre combiné avec la transition vers un vol horizontal quand les surfaces de contrôle aérodynamiques 50 deviennent efficace pour assurer le contrôle d'assiette de l'avion. Tes tuyères 32 peuvent évidemment être utiliséessoit à la place, soit en olus, des surfaces de contrôle aérodynamiques de l'avion pour aider à des manoeuvres de virage rapides en vol, Un autre avantage réside dans l'utilisation d'une seule paire de tuyères pivotantes 18 pour fournir la poussée propulsive principale de l'avion et dans leur positionnement proche du centre de gra-fnté de l'avion, étant donné que ces tuyères pivotantes sont situées loin en arrière des entrées d'air 13 et 14 du moteur, réduisant ainsi la possibilité de ré-ingestion de gaz chauds dégradant les performances du moteur.La ré-ingestion de gaz chauds pourrait présenter un problème particulier à un avion utilisant un flux augmenté de ces tuyères pivotantes, mais le problème est minimisé par la présente invention. La ré-ingestion de gaz chauds peut encore être minimisée dans l'avion selon la présente invention en disposant les axes 19 de chaque tuyère pivotante 18 de sorte qu'en position de dé- collage vertical, les jets s1 échappant des deux tuyères pivotantes se rejoignent sur le sol 51 ou au-dessus du sol, évitant ainsi la formation d'un jet d'air chaud vertical qui s'écoulerait le long du dessous du fuselage, puis dans les entrées d'air 13 et 14.A condition que l'angle suivant lequel les jets des deux tuyères pivotantes sont inclinés soit sffisamment petit , il n'y a pas de pertes importantes dans la composante verticale de la poussée des moteurs. lies roues arrières 53 du train-tricycle rétractable 54 sont montées sous les ailes 55 pour éviter que les pneumatiques soient affectés par l'air chaud S t échappant du moteur. Un avantage d'éjecter les gaz de turbine de la manière décrite ci-dessus est que seulement deux tuyères pivotantes 18 sont nécessaires pour fournir la poussée propulsive principale pour l'avion et qu'ainsi son coefficient de traînée est réduit par rapport à d'autres constructions utilisant un plus grand nombre de tuyères pivotantes. Dans certains cas, l'utilisation d'un conduit pour amener l'air chaud du corps du moteur jusqu'à l'arrière de l'avion n'est pas souhaitable, et il est montré aux figures 5 et 6 une variante de disposition du moteur pour éliminer ce conduit dtair chaud à travers l'avion. Dans les figures 5 et 6 les mimes références se rapportent aux mêmes parties décrites ci-dessus. Un avion 10 apte à faire des décollages courts ou verticaux, comprend un turbo-moteur disposé dans une cellule 12. lie turbo-moteur est montré en détail à la figure 6, dans laquelle on peut voir que l'air arrivant des entrées d'air est~comprimé par un grand ventilateur 16 et que le débit du ventilateur est divisé en trois parties par un séparateur de flux 56.Une première partie du débit du ventilateur, à une pression relativement basse de tkg/cm2 fournit un flux d'air de refroidissement pour le carter du moteur, et est par îa suite amené par un conduit 57 à une tuyère 32 située à l'arrière de 11 appareil, la tuyère 32 étant apte, comme e liqué ci-dessus, à éjecter cette partie du flux, pour contrôler l'avion en tangage et en lacet. Une seconde partie du débit du ventilateur est amenée du séparateur de flux 55 à un compresseur haute pression 24 du corps du moteur 25. Pratiquement tout le travail produit par le corps du moteur est absorbé par ltentrainement du ventilateur 16 et, par conséquent, l'échappement du corps du moteur est à pression relativement basse et cet échappement est rejeté dans l'atmosphère à travers une paire de tuyères pivotantes 58 d'un type connu. La troisième partie du débit du ventilateur, qui est la plus grande partie, est rejetée dans l'atmosphère au moyen d'une seconde paire de tuyères pivotantes 18 situées à l'avant de l'appareil. Les deux paires de tuyères pivotantes 58 et 18 peuvent éjecter le flu dans n'importe quelle direction comprise entre la direction avant et la direction arrière, en passant par la direction verticale vers le bas par rapport à ltaxe 27 du moteur. Des moyens qui ne sont pas montrés mais sont bien connus, par exemple par le Brevet anglais no 987.564, sont prévus pour brûler du carburant dans la troisième partie du. débit du ventilateur, pour augmenter la poussée fournie par la paire avant de tuyères pivotantes 18. Ces moyens sont connus sous le nom de cQmbustion en chambre de tranquillisation.Afin de pallier efficacement aux variations de débit des tuyères avant , dues à l'utilisation ou à la non utilisation de la combustion en chambre de tranquillisation, chacune- des tuyères est munie de moyens 22 permettant de faire varier la surface de leur flux. Le débit des tuyères pivotantes arrière 58 ne procure qu'une partie relativement faible de la pousse fournie par le turbo-moteur, même lorsque la combustion en chambre de tran quilltsation n1 est pas utilisée dans les tuyères pivotantes avant 18. Ainsi il est possible de ne placer les tuyères pivotante: avant: que légèrement en avant du centre de gravité 22 de 11 avion et d'obtenir un avion qui est équilibré lors du décollage vertical avec ses deux paires de tuyères pivotantes dirigées vers le bas.Si la c-ombustion en chambre de tranquilli- sation est alors actionnée, l'augmentation de poussée des tuyères pivotantes avant. ne déséquilibrera ?'avion que d'une façon tolérable, puisque ces tuyères avant n'ont qu'un faible bras de levier par rapport au centre de gravité de l'avion.Les tuyères 32 situées à l'arrière de l'avion sont adaptées de façon à produire sélectivement une éjection vers le bas relativement faible quisétant donné son bras de levier important par rapport au centre de gravité de l'avion1 est suffisant pour équilibrer n importe quel moment produit par l'augmentation de poussée des tuyères pivotantes avant . La combustion en-chambre de tranquillisation peut aussi être utilisée, alors que 11 avion est en vol horizontal et étant donné que la ligne d'action des tuyères pivotantes avant est en dessous du centre de gravité de l'avion, les tuyères arrière de l'avion peuvent de nouveau etre utilisées pour équilibrer l'avion.Bien entendu en vol horizontal, les surfaces de-controle aérodynamiquesde l'avion sont aussi utilisables pour aider au contrôle de son assiette. Etant donné que la première partie du débit du ventilateur passe à travers un conduit 59 pour refroidir le corps du moteur, la troisième partie pourrait simplement être recueillie dans un collecteur (non décrit) et transférée directement dans le conduit 57. De plus, les tuyères pivotantes 58 pourraient être remplacées par d'autres types de tuyères, par exemple par une seule tuyère en queue de langouste d'un type connu. La tuyère de la figure 4 pourrait être remplacée par d'autres types de tuyères, par exemple dans la figure 7,-les quatre paires de tuyères 33 sont remplacées par une autre tuyère 60 qui, ainsi qu'il est montré aux figures 8 et 9, comprend quatre papillons 61, 62, 63 et 64 qui coopèrent avec une paire de déflecteurs 65 et 66, articulées ensembles en 67 et 68, qui peuvent être placés en position 69 pour obstruer l'extrémité de la tuyère d'échappement 70 et permettre à l'écoulement de s'échapper par l'un quelconque des quatre papillons qui est choisi pour etre utilisé par l'intermédiaire de la chambre de tranquillisation 71. Ainsi, les contrôles en tangage et en lacet de l'avion sont obtenus en choisissant la combinaison appropriée d'ouverture des papillons. Etant donné que la tuyère de contrôle d'assiette 32 ou 60 ne conduit qu'une partie relativement faible de l'énergie propulsive des gaz provenant du turbo-moteur, leur efficacité relative n'a pas besoin d'etre exceptionnellement haute et par con séquent des constructions relativement simples, bon marché, et légères peuvent etre utilisées sans nuire anormalement au rapport puissance/poids de l'avion. Comme la plus grande partie du travail fourni par le corps du moteur est absorbée par l'entraînement du ventilateur, la température des gaz a'echappement du corps du moteur est relativement basse, et les parties situées en aval du corps du moteur peuvent etre simplement- fabriquées en tale avec tous les avanta-ges que cela présente. mrJI CAPI0NS 1 - Avion apte à faire des décollages verticaux ou courts et comprenant un turbo-moteur et une cellule, caractérisé en ce que le turbo-moteur possède un ventilateur oui délivre de l'air comprimé à un corps de moteur qui entraîne le ventilateur, et à une paire de tuyèrN pivotantespar où cet air est éjecté, de sorte que, lors d'un décollage vertical, la poussée résultante des tuyères pivotantes agisse au centre de gravité de l'avion ou légèrement en avant de ce centre de gravité, des moyens étant prévus pour augmenter la poussée fournie par les tuyères pivotantes, le ventilateur et le corps du moteur étant adaptés de sorte que pratiquement tout le travail produit par le corps du moteur soit absorbé par le ventilateur, et que 11 échappement à relativement basse pression du moteur soit envoyé par l'intermédiaire d'un conduit à des tuyères situées à l'arrere de l'apDa- reil, ces tuyères étant aptes à éjecter ledit échappement- à basse pression pour contrôle l'avion en tangage. 2 - Avion selon la Revendication 1, caractérisé en ce que les tuyères situées à l'arrière de l'appareil sont aussi aptes à éjecter lesdits échappements à basse pression pour le contrôle en lacet de l'appareil. 3 - Avion selon l'une quelconque des Revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ltéchappement à relativement basse pression du moteur comprend l'échappement du corps du moteur. 4 - Avion selon l'une quelconque des Revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'échappement à relativement basse pression du moteur comprend une partie du débit du ventilateur. 5 - Avion selon la Revendication 4, caractérisé en ce que 11 échappement du corps du moteur est éjecté de l'avion par des tuyères aptes à faire varier la direction de cet échappement. 6 - Avion selon l'une quelconque des Revendications précédentes, caractérisé en ce que les tuyères situées à l'arrière de l'appareil comprennent un certain nombre d'éléments à section en U aptes à etre manoeuvrés par paire, un élément de. chaque paire étant articulé autour d'un de nes bords amont, et l'autre élément de chaque paire autour d'un bo-d aval, pour former une ouverture dtéchappement dirigée, soit radialement, sot vers l'arrière, par rapport à 1 t axe longitudinal du moteur. 7 - Avion selon la Revendication 6, caractérisé en ce que chaque paire d'élément est, de plus, apte à former une ouverture d'échappement dirigée vers l'avant 8 - urbo-moteur caractérisé én ce qu'il peut être utilisé sur n importe quel avion selon l'une quelconque des Revendications précédentes. 9 - Tuyère de contrôle d'assiette située à l'arrière de l'appareil, caractérisée en ce qu'elle comprend un certain nombre d'éléments à section en U, aptes à etre manoeuvrés par paire, un élément de chaque paire étant articulé autour d1un de ces bords amont, et l'autre élément de chaque paire autour d'un bord aval, pour former une ouverture d'échappement dirigée, soit radialement, soit vers l'arrière, par rapport à l'axe longitudinal du moteur. 10 - Tuyère selon la Revendication 9, caractérisée en ce que chaque paire d'élément est, de-plus, apte à former une ouverture d'échappement dirigée vers l'avant