Brevet FR2395881A1 — publié le 19790126

La présente invention concerne les ailes a profil hydrodynamique pour bâtiments de navigation du type hydroptères, et et plus particulièrement les ailes supercavitantes. Les hydroptères se composent essentiellement d'un propulseur et d'une coque solidaire, par a'intermédiaire de jambes de force ou mâts, de plusieurs ailes, généralement trois, permettant d'atteindre des vitesses élevées avec déjaugeage de l'hydroptère sous l'effet de la portance développée par les ailes Pour staffran- chir des contraintes imposées par une navigation en mer agitez, on a cherché a utiliser-des ailes restant toujours immergées, les problèmes d'instabilité soulevés par ce maintien en immersion des ailes étant résolus par des dispositifs de pilotage automatiques corrigeant immédiatement tout écart par rapport a la position d'équilibre du bâtiment. L'augmentation des vitesses de déplacement des hydroptores est contrecarrée par l'apparition de phénomènes de cavitation, nuisibles tant å la tenue FEcanique des éléments immergés, ailes et mâts, qu'au rendement propulsif du bâtiment. C'est ainsi que les profils d'ailes de type aérodynamique, ou subcavitant, adaptées pour un fonctionnement sans cavitation dans l'ensemble du domaine d'utilisation ne sont valables que jusqu a des vitesses de dépla- cement de l'ordre de 50 à 55 noeuds.Pour des vitesses supérieures à 55 noeuds, il a été proposé de maîtriser les phénomènes de cavitation, fautede pouvoir les éviter, en stabilisant une cavité à la partie arrière du profil.Lepoint où la cavité prend naissanoe,sur le dessus d ai- le, peut soit rejeté completement vers l'arrière, soit au contraire très proche du bord d'attaque.La cavité est par ailleurs ventilée, soit naturellement a partir de la surface iibre,soit par émission force d'air prélevé sur les turbines motrices du bâtiment et amené à travers des orifices débouchant sur la paroi des ailes en des endroits prédéterminés.Ce te d'ailes, à profil dit ventilé, autorise e vitesses de dEplacement comprises entre environ 55 et 80 noeuds. Or, l'amélioration constante des performances des bâtiments submersibles, notamment des sous-marins nucléaires, qui se traduit en particulier par une augmentation de leur vitesse en plongée, a créé le besoin de développer des navires de surface non conventionnels capables de vitesse opérationnelles élevées. L'adoption des ailes ventilées prémentionnées conduit à des rendements propulsifs médiocres qui entraînent une pénalisation du rayon d'action du batiment si on ne prévoit pas une vitesse de croisière intermédiaire, plus économique. Pour atteindre des vitesses supérieures à 70 noeuds, des travaux ont été conduits pour mettre au point des ailes supercavitantes dont le profil est déterminé de façon que la cavité s'établisse dès le bord d'attaque, naturellement ou au moyen de volets, et s'étende sur l'ensemble de l'extrados ainsi qu'en arrière du bord de fuite. Pour permettre une gamme d'utilisation entre de telles vitesses maximales et des vitesses de croisière économiques de l'ordre de 40-45 noeuds, il a été proposé de réaliser des ailes supercavitantes de ce type, c'est-à-dire à extrados dénoyé, en utilisant une aile à arrière relevé fonctionnant en régime subcavitant jusqu'à une vitesse de transition légèrement supérieure à la vitesse de croisière, et en régime supercavitant au-delà.Les profils supercavitants se prêtent bien à la définition d'ailes mixtes de ce genre et ont conduit à l'utilisation de volets pourcontroler le décollement de l'écoulement le long du profil, l'obtention de coefficients de portance très différents ne pouvant être assurée que par la diminution de la surface mouillée du profil à grande vitesse. Or, les volets de contrôle d'écoulement, outre qu'ils compliquent considérablement la structure de l'aile, notamment lorsque cette dernière présente une épaisseure relative faible et est fortement chargée, posent des problèmes de discontinuité du profil en position rétractée et ne permettent pas de définir avec une grande p: cision les zones et conditions de décollement en position déployée. Par ailleurs les ailes à profil supercavitant à extrados dénoyé présentent l'inconvénient, pour la réalisation d'une aile mixte, qu'il n'est pas possible d'obtenir à grande vitesse un coefficient de portance suffisamment réduit sous peine de voir l'écoulement recoller à I'extrados, de sorte que, faute de pouvoir utiliser un Cz suffisamment petit, il est nécessaire de choisir un rapport des cordes mouillées très différent de 1 ce qui est une source de difficultés considérables. La présente invention a précisément pour objet de remédier à ces inconvénients en proposant une aile supercavitante mixte permettant des vitesses maximales de l'ordre de 80 noeuds avec une vitesse de croisière intermédiaire de l'ordre de 45 noeuds, capable de conférer une bonne stabilité au bâtiment de navigation et d'une grande simplicité structurelle. La présente invention a pour autre objet de proposer une aile supercavitante mixte à géométrie fixe autorisant un coefficient de portance pour vol à haute vitesse très faible, présentant une finesse élevée et des risques d'instabilité tres faibles. Pour ce faire, et selon une caractéristique de la présente invention, une telle aile supercavitante comporte une partie de corps avant et une partie de corps arrière à bord de fuite non tronqués solidaires rigidement l'une de l'autre, un premier moyen générateur de décollement définissant un point- de décrochement à haute vitesse étant prévu sur l'extrados au niveau du raccordement entre la partie de corps avant et la partie corps arrière, un second moyen générateur de décollement définissant un point de décrochement à haute vitesse étant prévu sur l'intrados au niveau du raccordement entre la partie de corps avant et la partie de corps arrière, ce second moyen générateur de décollement étant ménagé en arrière du premier moyen générateur de décollement par rapport au bord d'attaque du profil, des moyens de ventilation intérieurs à l'aile débouchant sur la surface de l'aile au droit de ces premier et second moyens générateurs de décollement. Une telle aile supercavitante réalise ainsi à haute vitesse une aile à extrados noyé dans laquelle la partie de corps avant réalise une section subcavitante, les cavités étant déterminées et controlées à haute et moyenne vitesse au niveau des points de décrochement, la partie de corps arrière du profil étant maintenue entre les lignes de jet de l'aile à grande vitesse d'écoulement. Selon une autre caractéristique de la présente invention, les moyens générateurs de décollement sont constitués de décrochements formant redans s'étendant sur toute la longueur de l'aile et décalés l'une de l'autre par rapport à la corde de l'aile, ce système de redans permettant d'assurer la transition entre le vol subcavitant et le vol supercavitant en créant pour ce dernier écoulement des décrochements fixes sur l'extrados et l'intrados de l'aile. Selon une autre caractéristique de la présente invention, l'aile supercavitante mixte a3çorbe un passage obturable mettant en communication l'intrados de la partie de corps avant et la base du premier redan sur l'extrados pour alimenter éventuellement en eau la cavité susceptible de se former en arrière du redan d'extrados aux vitesses intermédiaires, ce passage étant obturé pour le fonctionnement aux vitesses élevées. Une telle aile présente donc une géométrie qui reste pure et immuable, de sorte que les problèmes posés traditionnellement dans les ailes à volets rabattables par le raccordement entre deux surfaces mobiles pour le vol à grande vitesse, et qui sont source de cavitation, ne se posent pas ici. Une telle aile permet, avec une géométrie fixe, deux régimes de vitesse de déplacement, à savoir un vol à grande vitesse jusqu'à 80 noeuds, en régime supercavitant avec soufflage de l'air au niveau des redans, la cavité enveloppant completement la partie arrière de l'ale, un vol à vitesse intermédiaire, de l'ordre de 45 noeuds, avec soufflage partiel et, éventuellement, ouverture du passage de corr-.uri cati on dans l'avant corps, pour garantir un écoulement partout continu sur l'extrados de l'sale, une faible injection d'air au niveau du redan inférieur permettant de réaliser une cavité de courte longueur recollant rapidement à la paroi et n'ayant aucun effet dommageable sur la structure ou les caractéristiques hydrodynamiques de l'aile. Le décollage est par ailleurs obtenu par les moyens classiques utilisés avec les ailes subcavitantes actuellement employées. D'autre part, une telle aile supercavitante fonctionnant à grande vitesse avec un extrados noyé autorise un domaine libre de cavitation s'étendant jusqu'à la valeur & = 0,1 (en écoulement bi- diinensioeel) alors qu'avec unprofiIde subcavitant a section plan-convexe le domaine libre de cavitation ne peut descendre au-dessous de la valeur r= 0,3, cette aile offrant en outre la possibilité d'obtention d'une grande finesse à vitesse de croisière intermédiaire. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faits en relation avec les dessins annexes, sur lesquels : La figure I représente de façon schématique un bâtiment de navigation du type hydroptère; La figure 2 représente en vue en coupe une aile suivant l'invention; La figure 3 représente plus en détail l'aile de la figure 2; La figure 4 représente un autre mode de réalisation de l'aile selon la présente invention; La figure 5 est une vue partielle à plus grande échelle du redan C des ailes des figures 3 et 4; La figure 6 représente une variante de l'aile représentée sur la figure 2; et La figure 7 est une vue en plan d'un mode de réalisation préféré de l'aile de la présente invention. Comme représenté de façon schématique sur la figure 1, un hydroptere comporte essentiellement une coque 1 du fond de laquelle partent trois jambes de force ou mâts 2 terminés par des ailes à profil hydrodynamiques 3 permettant le déjaugeage de l'hydroptbre et son déplacement à grande vitesse. Une aile pour hydroptère selon la présente invention est représentée en coupe transversale sur la figure 2. Cette aile se détaille essentiellement par une partie de corps avant, générale- ment référencée 4, présentant un bord d'attaque mince et arrondi 5 et une partie de corps arrière, généralement référencée 6, à bord de fuite effilé , formant une unité rigide avec la partie de corps avant 4, et se raccordant à ce dernier par des zones de décrochement ou redans référencés A sur l'extrados 20 et C sur l'intrados 30, respectivement.En ramenant à l'unité la corde géométrique OB entre le bord d'attaque 5 et le bord de fuite 7, la zone de décrochement A se trouve dans un mode de réalisation préféré, à une distance du bord d'attaque égale à 1/2, la zone de décrochement C se trouvant à une distance du bord d'attaque égale à 2/3. La partie de l'aile représentée AOC a une longueur de corde sur l'extrados égale aux 3/4 de la longueur de corde sur l'intrados, et une épaisseur relative mesurée au bord de fuite supérieur en écoulement à grande vitesse1 c'est dire au niveau du décrochement As égale à 9,5 t0 Le calcul de cette section est effectué dans l'hypothèse dUune aile se trouvant immergée à une profondeur d'une corde sous la surface libre et avec une cavité infinie Par ailleurs, la partie de l'intrados CB entre le décrochement C et le bord de fuite 7 est parallèle à l'axe de définition de l'aile Ox, la longueur totale de la corde de la section subcavitante étant déterminée pour correspondre à deux fois la longueur de la partie d'extrados OA.Les coordonnées des points de décrochement A et C, dans le système d'axe centré sur le bord d'attaque 5 sont respectse- ment xA = 0,5000c; yA = 0,0466c; xC = 0,6666c; yC = O,0271c. Selon un caractéristique de la présente invention, les zones de décrochements A et C forment chacune un redan, référencé respectivement 8 et 9, de façon à réaliser à grande vitesse un point de décrochement stable pour la cavité, fixant ainsi le point de départ des lignes 10 du jet de la partie de corps avant 4, le corps arrière 6 étant alors entièrement inscrit à l'intérieur de ces lignes de jet. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, l'extrados AB entre le redan 8 et le bord de fuite 7 de h partie de corps arrière 6 est tracé suivant un arc de cercle de ce rayon R = 1,57 c, c étant la oorde géométrique de la section subcavitante, et le centre du cercle étant situé légèrement en aval de l'aplomb du point A, de façon à réaliser un redan 8 ayant une hauteur # =0,038c. Dans ces conditions, l'épais- seur relative de l'aile subcavitante devient égale à 6,33 % au point de plus forte épaisseur. Comme on l'a représenté sur la figure 3, l'aile comporte en outre des moyens de ventilation comprenant une chambre d'alimentation ll communiquant par des conduits 12, 12' avec le pied des redans 8 et 9. La chambre d'amenée 11 peut être reliée directement à l'air libre drns le sillage du mât de l'aile correspondante, ou reliee aux prises de pression de servitude de turbines de l'hydroptère. Comma on le voit mieux sur la figure 5, le redan infÉrieur 9 forme un epaulem=nt dont la face intérieure dirigoe vers le bord de fuite est orientéede 600 par rapport à l'axe d'orientation de l'aile, la face extérieure 13 constituée par l'extrémité de l'intrados de la partie de corps avant 4 étant inclinée de 60. Comme dans le cas du redant 8, l'épaisseur du redant 9 est d'environ 0,038c. Sur la figure 5 on a en outre représenté la ligne de séparation 14 de la cavité formée à vitesse intermédiaire, de l'ordre de 40 à 45 noeuds, en arrière du redant 9, la longueur d cette cavité étant limitée à environ 0,038c par soufflage d'air par le conduit 12'. Pour obtenir une longueur de cavité égale à celle représentée sur la figure 5, il faut régler le nombre de ventilation local à unevaleur d'environ 0,19. Pour garantir un écoulement subcavitant convenable à des vitesses de l'ordre de 40 à 45 noeuds, et selon une autre caracté- ristique de la présente invention, l'aile peut présenter en outre comme représenté sur la figure 4, un passage traversant, généralement référencé 13, mettant en communication l'intrados 30 de la partie de corps avant 4 et la base du décrochement A, qui se présente cette fois sous la forme d'un bec 8' défini par la paroi supérieure 14 du passage et laparoi d'extrados 2Q, de la partie de corps avant 4. Le passage de communication 13 est normalement- incliné vers l'avant de l'aile de façon que la paroi arrière 15 de passage forme avec l'intrados 30 de l'aile un bec collecteur 16. Avec l'utilisation d'un tel passage 13, il est possible à vitesse intermédiaire, d'alimenter en eau l'espace laissé par l'écoulement derrière le décrochement A, le passage étant dimensionné de façon que la vitesse de l'écoulement du fluide dans ce passage ne soit pas trop réduite par rapport à la vitesse de l'écoulement principal sur l'extrados de l'aile. Pour le vol à grande vitesse, l'extrémité supérieure du passage 13 est fermez par. une vanne cylindrique quart de tour à passage integral 17 actionnee parun moyen de vérin 18 disposé dans le corps avant de l'aile.Pour garantir la rigidité de l'aile et obtenir un bon écoulement de l'eau à travers le passage 13, celui-ci peut présenter un grand nombre de cloisonnements longitudinaux 19 solidarisant les parties de corps 4 et 6 l'une à l'autre et définissant entre deux des passages de li- quide diensionnés de telle sorte que les oourants de-recirculation soient ininits. En variante, comme représente sur la figure 6, et pour effacer le décrochement A aux vols à basse vitesse il est également possible de substituer au redan fixe 8 un petit volet 19 de facture connue en soi, pour provoquer le décollement sur 1' extrados par l'action localisée de ce volet. La section de l'aile ainsi définie, et le coefficient de portance à 45 noeuds étant choisi égal à 0,23, on parvient à 80 noeuds à une valeur de coefficient de portance égale à 0,109, ce qui peut être obtenu avec une aile de forme en plan rectangulaire ayant un allongement A=2. Il est toutefois avantageux, pour diminuer les efforts au niveau de l'emplanture de l'aile, de donner à celle-ci un certain effilement. Dans le mode de réalisation repré- sente sur la figure 7, une aile tridimensionnelle présente un allon gementg = 3 et un effilement # = 2 avec une flèche ss d'environ 270. Dette flèche est déterminée de façon que le coefficient de portance Cz=O,109 , soit inclus à l'intérieur du domaine de non-cavitation à 80 noeuds. La sustentation d'un hydroptère de deuxième génération de tordre de 200 tonnes est ainsi assurée avec un rapport portance,trainée de l'ordre de dix. Avec une telle aile, on peut obtenir une accélération vercicale maximale de l'ordre de 0,9 g, valeur qu'il est impossible d'atteindre avec une aile à extrados dénoyé. De préférence, l'aile présente à ses extrémités latérales des saumons faisant saillie par rapport à l'extrados 30 du corps arrière 6 de façon à bien maîtriser la cavité s'y formant à grande vitesse.Les caractéristiques générales de l'aile présentées sur la figure 7 sont reprises dans le tableau suivant,ot : Cz est le coefficient de portance, # est le nombre de cavitation, F r est le nombre de Froude, K le coefficient de ventilation. TABLEAU écoulement subcavitant Ecoulement supercavitant Vitesse 35 noeuds 45 noeuds 80 noeuds CL (en fonction de la 0,38 0,23 0,109 corde mouillée infe- rieure) Epaisseur du profil 6,33 % 6,33 % 9,5 % torde inférieure moyenne Cen m) 2,30 2,30 1,53 ordre supérieure moyenne (en m) 2,30 2,30 1,15 Plongement 2 2 3 Effilement 0,5 0,5 0,5 Charge moyenne (en kg/m) 6290 6290 9433 # 0,760 0,457 0,146 Fr (en fonction de la longueur de la corde mouillée) 3,79 4,87 10,6 K 0,02 à 0,05 FI* (en fonction de la longueur de la ca vité) 3,3 à 5,0 La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Aile supercavitante comportant une partie de corps avant à bord d'attaque pseudo-parabolique et une partie de corps arrière formant une unité rigide avec la partie de corps avant, et à bord de fuite effile, un premier moyen générateur de décollement définissant un point de décrochement à haute vitesse étant prévu sur l'extrados de l'aile au niveau du raccordement entre la partie de corps avant et la partie de corps arrière, et des moyens de ventilation, carac térisée en ce qu'elle comprend un second moyen générateur de décollement sur l'intrados au niveau du raccordement entre la partie de corps avant et la partie de corps arrière, ce second moyen générateur de décollement étant ménagé en arrière du premier moyen générateur de décollement, les moyens de ventilation débouchant sur la surface extérieure de l'aile au droit de ces premier et second moyens générateurs de décollement. 2 - Aile supercavitante selon la revendication 1, caracté risée en ce que les premier et second moyens générateurs de ddcolle ment sont constitués d'un décrochement dans la surface de 1'aileFfommmt un premier et un second redans de raccordement entre les surfaces d'extrados et d'intrados des parties de corps avant et des parties de corps arrière, respectivement. 3 - Aile supercavitante selon la revendication 2, caractérisée en ce que le premier redan se trouve situé environ a la moitié de la corde géométrique du profil, le second redant étant situé environ aux 2/3 de la corde géométrique du profil à partir du bord d'attaque. 4 - Aile supercavitante selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisée en ce que la surface de l'intrados de la partie de corps amené entre le deuxième redant et le bord de fuite est sensiblement plane. 5 - Aile supercavitante selon llune quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que l'extrados de la partie de corps arrière entre le premier redan et le bord de fuite a un profil sensiblement circulaire. 6 - Aile supercavitante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la longueur de corde sur l'extrados est sensiblement egale aux 3/4 de la longueur de corde sur l'intrados. 7 - Aile supercavitante selon l'une quelconque des revendications I à 6,carctérisee en ce qu t elle comporte un passage obturable mettant en communication 1'intrados de la partie de corps avant et le premier moyen générateur de décollement. 8 - Aile supercavitante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente une flèche et un effilement égal à environ 0,5 9 - Aile supercavitante selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que la hauteur des redans est sensiblement égale à O,038c, c etant la corde géométrique moyenne du profil. 10 - Aile supercavitante selon la revendication I, caractérisée en ce gue le premier moyen générateur de décollement est constitué dlun volet escamotable pour présenter un extrados d'aile, en position escamotée, exempt de discontinuité, le second moyen générateur de décollement étant constitué d'un redan raccordant l'intrados de la partie de corps avant et l'intrados de la partie de corps arrière. Il - Bâtiment de navigation, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une aile selon I 'une quelconque des revendications précédentes.