Brevet FR2485654A1 — publié le 19811231

GENERATEUR DE CHAMP FLUIDIQUE REDUCTEUR DE TRAINEE AERODYNAMIQUE ET SES APPLICATIONS. L'invention s'applique notamment à la réduction de la trainee aerodyna- maque des engins propulsés ou non et plonges dans un fluide en mouvement relatif et principalement dans l'air. On ne connaâ pas actuellement de générateur de champ fluidique de ce genre applicable à la réduction de la traînée aérodynamique. L'écoulement. d'un fluide autour d'un corps, quelque soit celui qui est en mouvement, détermine une résistance à cet écoulement que l'on appelle trainée. L'importance de celle-ci dépend de la configuration géomètrique du corps, de la vitesse d'écoulement, du maître-couple et des turbulences engendrées en amont et en aval de l'écoulement autour du corps ainsi que de lasurface de celui ci dans le lit de l'écoulement. D'où la recherche de profils optimisés compte tenu de ces divers paramètres et dont le re- sultat est un compromis en présence d'inévitables imperatifs de structure. Pour vaincre la traînée, symbolise par Cx, il faut dépenser une énergie d'autant plus réduite que la finesse de l'engin est grande. Les études poussées en aerodynamique et hydrodynamique ont conduit à des conditions limites de finesse compte tenu des caractéristiques des appareils et de leurs missions et d'exploitation économiques. En particulier, il est un type d'aéronef, pour ce qui concerne ceux-ci, dont l'exploitation et le développement est actuellement limité en raison de sa morphologie entrainant des difficultés de pilotage et d'autres servitudes; il s'agir du dirigeable dont pourtant l'on cherche à utiliser les proprietés d'allégement dues à la présence de gaz plus légers que liair contenu dans une enveloppe et entraînant une poussée archimédienne re- sultante de la densité relative entre le gaz inslu et l'air. En effet, l'obstacle majeur est la trainee due au volume de l'enveloppe contenant le gaz d'allégement; ceci indépendamment du choix des profils. Dans le cadre d'une invention précédente du même auteur concernant preci- sément une nouvelle configuration géométrique et d'une nouvelle notion d'utilisation d'un aéronef allégé, une étude sur le problème de la traînée a permis d'aboutir à la présente invention dont il se trouve que les applications ne se limitent pas à l'amélioration des performances de l'ap- pareil pour lequel elle a éte conçue mais s'étend à tous systèmes ou un gain de traînée peut être économiquement recherché. L'invention a pour objet, notamment, de réduire la trainée aérodynamique des engins propulsés ou non, plongés dans un fluide en mouvement tel que l'air, pour les exemples qui sont figures. L'invention, telle qu'elle est caractérisée dans les revendications, resoud le problème des trainées par la création d'un générateur de champ fluidique autour des engins se déplaçant dans un fluide en mouvement relatif de vitesse subsonique.Le dispositif est principalement constitué par une rampe tubulaire à l'intérieure de laquelle est envoyé de l'air comprimé et qui est munie de fentes ou éjecteurs de largeur appropriée; l'air comprimé s'école à une vitesse relativement élevée et controlée à travers les fentes en forme de nappes fluidique; un engin équipe de telles rampes judicieusement placées se trouve enveloppé par la ou les nappes de fluide de telle manière que la vitesse d'éjection de l:air à travers la ou les fente(s) étant supérieure au courant relatif, les filets d'air soient alors déviés dans le sens d'écoulement de la nappe sans toucher l'engin. L'expérience prouve qu'il faut une faible énergie cinétique du courant déviateur pour changer la direction d'un courant important à condition que la vitesse du courant déviateur soit supérieure à celle du courant dévié. Suivant les dispositions des profils à entourer il sera nécessaire de donner aux rampes une forme appropriée lesquelles comporteront une ou deux fentes, soit circulaires soit droites, afin de créer des nappes courbes, planes ou autres formes appropriées au maitre-couple. Afin de contrôler le fonctionnement du générateur de champ fluidique le dispositif comporte un ou des capteur(s) qui par des moyens de servocommandes règles les pressions, débits et vitesses des nappes fluides. en fonction des paramètres extérieurs à l'engin et notamment au courant relatif proche de celui-ci dévié par la ou les nappe(s) fluides. Les avantages obtenus par cette invention sont les suivants 1 - Réduction de la traînée aérodynamique dans une proportion,dans certains cas, dans le rapport de 10 à 1. 2 - Création résultante d'une portance à très faible charge alaire pouvant radicalement modifier les conditions de pilotage des dirigeables et pouvant entrainer une nouvelle configuration des avions. 3 - Accroissement de la vitesse de propulsion des engins, particulièrement ceux offrant un important-maitre-couple et une importante surface au vent relatif. 4 - Réduction dans d'importantes proportions, de la consommation d'énergie.pouvant aller de la moitié au cinq sème et plus du taux habituel. 5 - Application du dispositif aux aéronefs, dirigeables, avions volant a des vitesses subsoniques et aux véhicules au sol, particulierement aux voitures de course. 6 - Conditions nouvelles permettant de créer des effets aérodynamiques au moyen de nappes fluides pouvant remplacer des dispositifs matériels tels que des aérofreins,volets de gauchissement , sustentateurs auxiliaires en remplacement de dispositifs à géométries variables sur les mobiles aériens et autres. Dans ce qui suit, l'invention est exposée plus en détail avec les références aux dessins annexés représentant divers modes d'exécution et dans lesquels : - La figure 1 montre un exemple de réducteur de trainée appliqué à une forme quelconque; une sphère sur le dessin. - Les fig. 2 et 3 montrant l'application d'un montage de réducteurs de trainée à un hélidirigeable torique. - Les fig. 4 et 5 représentent une coupe et vue de dessus, un exemple de forme de générateur à double nappes fluidiques. - Les fig. 6 et 7 représentent des variantes, en coupe,de forme de générateur à double nappes fluidiques comportant une ou des entrée(s) d'air de surpression à section continue. - Les fig. 8 et 9 montrent vues en élévation et dessus l'application d'un générateur fluidique à double nappe équipant une voiture automobile. - Le fig. 10 montre le générateur de nappe fluide suivant un profil associé à une forme fuselée, applicable aux automobiles et aux avions. - Les fig. 11 et 12 montrent l'application de générateurs appliqués aux avions. Tel qu'il est représenté sur la fig.la, le générateur réducteur de trainée appliqué à une sphère 1, par exemple, comporte un anneau frontal 2 (fig 1b) munis d'un éjecteur formant une nappe circulaire enveloppant le maîtrecouple situé sur le plan Z,Z'; le centre 3 de l'anneau 2 permet le passage d'une certaine quantité d'air nécessaire pour créer une surpression dans le volume 4 de manière à éviter l'épanouissement intérieur de la nappe fluide dans un volume en dépression; nappe repérée en 5.6. On a représenté le sens de déplacemant relatif de la sphére par la flèche 7 et les filets d'air extérieur en déplacement à la périphérie de la nappe 5,6 vue en coupe.A l'arrière du maître-couple Z,Z' on a disposé un autre générateur 8 dont la forme intégrée au profil; ce second anneau a pour objet de supprimer les turbulences arrières qui seraient créées par le décollement de la couche limite en prolongeant artificiellement le profil aérodynamique. La fente d'éjection de la nappe est orientée dans les deux cas selon un angle &alpha; par rapport au plan tangent de la sphére. Sous l'ef- fet de la pression du vent relatif la nappe est rabattue vers le maîtrecouple; cette pression étant fonction de la vitesse de l'air à proximité du mobile.ou du déplacement de celui-ci. Pour que le systeme fonctionne efficacement il est nécessaire que la vitesse d'écoulement de la nappe soit nettement supérieure à la vitesse du vent relatif. dans des conditions telles que la nappe reste appuyée sur le profil au maitre-couple en étant ni enfoncée ni décollée. Pour obtenir ce résultat on règle la vitesse de sortie du jet de la nappe en faisant varier le débit éventuellement à pression constante. Les variations de vitesse du vent relatif sont mesurées par des capteurs (tube de pitot,par exemple) placés à l'avant du générateur c'est à dire en amont du lit du vent. Les écarts mesurés pilotent les paramètres d'ajustement pressions-débitsvitesses de la nappe. Le principe de la réduction de trainée a pour objet d'envelopper entièrement le mobile à l'intérieur de la nappe fluide. en optimisant les conditions d'ecoulement aérodynamiques. Les fig 2 et 3 montrent.un exemple d'application du générateur à double nappe à un hélidirigeabie torique - la section du générateur sera donné sur les fig 4,5,6 et 7. Le générateur est constitué par un anneau périphérique 9 entourant l'appareil et solidarisé à celui-ci par des bras ou rayons 10 reliés à la structure et utirisesen même temps pour alimenter en air comprimè l'anneau divisé en sections séparées d'alimentation dans le but de créer des variations différentielles de vitesses-pressionsdébits en fonction des vents relatifs qui atteignent l'appareil. En propulsion normale, seuleune partie frontale de l'anneau couvrant le maître-couple de l'appareil est principalement alimentés dans le cas de vents de dérive les secteurs intéréssés sont automatiquement alimentés selon les informations électroniques donnés par les capteurs.Cet exemple typique nécessite un cu des générateur(s) à double nappe, inférieure et supérieure 11,12 et de générateurs auxiliaires 13,14,15 et 16 à simple nappe destinés à assurer l'enveloppement total de l'appareil. En effet. cette disposition de nappes enveloppantes crée des conditions de portance en intrados dans les limites inférieures de la charge alaire de l'engin par rapport au flux des nappes; ce qui n'échappe pas aux lois de l'aero- dynamique qui veulent que la portance soit d'autant p'us efficace que la vitesse est grande. Dans un modèle opérationnel d'hélidirigeable la charge alaire sera de l'ordre de 10 kgm-2. Un tel dispositif permet une propulsion rapide dans des conditions particulièrement économiques, notamment en consommation d'énergie. Dans le cas de ce modèle, d'un diamètre de l'ordre de 40 mètres offrant un maître-couple d'environ 600 m2, avec une trainée donnant un Cx = 0,16, la puissance nécessaire à un déplacement relatif de 30 ms-1 (108 kmh-1) est de 1600 kW.Dans le cas où le même appareil est muni du dispositif de réduction de trainée tous calculs faits, la puissance nécessaire pour la même vitesse est de l'ordre de 200 kW ou pour 1600 kW une vitesse de 216 kmh=1 . La création de portance artificielle engendrée par le flux des nappes fluides entraine pour conséquence,pour ce type d'appareil,la suppression en vol horizontal de la sustentation dynamique au moyen du rotor R (fig 2 et 3) nécessaire pour le décollage ou l'atterrissage vertical ou le vol stationnaire. Dans le cas calculé, le vol de l'appareil se traduit, toutes choses égales,par une économie d'énergie dans le rapport de 8 à 1 et/ou des performances accrues. Les fig 4 et 5 représentent un exemple de générateur à double nappe. Sur la coupe fig 4 le générateur est constitué par un tube 17 sur lequel sont montés les éjecteurs de nappes 1 & et 19 les fentes d'ejection 18a et 19a ont un profil calculé de telle sorte/ une portée maximale en divergent le moins possible. Les angles de sortie 1 et 2 par rapport au plan Z,Z' sont calcules de manière à enve'opper le maitre-couple du mobile compte tenu de l'angle de rabattement (fig la); le tube 17 est renforcé par des nervures intérieures 20; La nappe est figurée par des traits rapprochés sur la fig 5; le sens de déplacement est figuré par la flèche 21.Le tube 17 comporte de place en place des tubes insérés 22 ouverts aux extrémités pour permettre une entrée d'air dans le volume 4 délimité par les nappes (fig 1 et 2) afin de creer une surpression comme il a été indiqué a la description de la fig 1. Ces tubes 22 ont un profil de convergent-divergent pour faciliter l'entrée d'air. La fig 6 represente une variante d'éléments d'assemblage de tubes constituant le générateur; soit ici deux tubes parallèles 23,24 superposés et dont l'écartement 25 est maintenu par des entretoises 26 lequel est calculé en fonction du volume d'air à maintenir en surpression. Chaque tube 23,24 comporte les fentes d'éjection 27,28 et sont solidarisés à la structure de l'appareil de la même manière que décrit pour la fig 3. La fig 7 est une autre variante du générateur, identique a la fig 6 mais auquel est ajoute un tube auxiliaire 29 destiné à réduire la traînée du générateur par rapport à la fig 6 Des entretoises maintiennent les tubes à écartement constant comme précédemment. Les fig 8 et 9 montrent en élévation et vue dessus l'application du générateur à un vehicule automobile; voiture de course par exemple. Le generateur 30 place à l'avant est à simple nappe; il est intègre au profil du carénage de la carosserie et genere une nappe fluide enveloppant l'ensemble du véhicule. La fig 10 montre un mode de montage du genera- teur de nappe fluide au profil de la tblerie. La partie inférieure de 0'éjecteur repére en 31, disposé à l'avant du véhicule débite dans un conduit délimité par le fond du véhicule et une tôle perforée 32 fixée dans un plan parallèle au fond du véhicule.Les perforations de la tôle sont obtenues par poinçonnage avec une languette emboutie de telle sorte que son orientation provoque une aspiration de l'air exterieur au niveau du sol par effet de succion provoqué par le passage de la nappe fluide à grande vitesse dans l'espace interparoi entre le fond et la tôle perforée. Cette appel d'air sous le véhicule provoque une dépression qui accroit son adhérence au sol entrainant par conséquent une meilleurestabilite aux grandes vitesses et une meilleure tenue dans les virages; ceci avec une faible depense d'énergie compensée par une réduction de la traînée générale. Les fig 11 et 12 montrént l'application de générateurs aux avions. le générateur de fuselage est placé à l'avant de l'appareil comme indiqué en 34 en forme annulaire, les générateurs d'ailes sont placés en bords d'attaque en 35 pour l'extrados et 36 pour l'intrados. A l'extrémité des ailes ils se terminent en forme de pipe 37 pour annuler les tourbillons marginaux.. Eventuellement on pourrait aussi équiper les voilures d'empénage. Ce dispositif peut être particulièrement efficace pour les gros porteurs permettant des décollages et atterissages courts grâce à l'accroissement de portance et à la suppression du décollement de la couche limite sur les parois soumises à l'écoulement relatif particulièrement sensible au vent de dérive. Dans certaines conditions on peut supprimer sur les ailes les organes auxiliaires tels quelles ailerons de gauchissement,les aérofreins,compensateurs et autres gouvernes aux mécanismes parfois compliqués, en equipant les planswaux endroits judicieusement choisis, de générateurs de compensation aérodynamique apportant les mêmes effets. D'une maniere générales ce dispositif a pour premier avantage d'accroitre la portance des aéronefs par suite d'améliorer la sécurité indépendamment des avantages d'éco@omie d'énergie par la réduction de trainée. REVENDICATIONS 1 -Générateur de champ fluidique reducteur de traînée aérodynamique destine à equiper les engins propulsés ou soumis à un déplacement relatif dans un fluide, caractérisé en ce qu'il comporte une rampe formée par un ensemble de buses ou fentes d'éjection d'au moins une nappe fluide, disposée selon une forme géométrique convenable de manière à obtenir l'effet d'enveloppement fluidique de l'engin pour le soustraire au contact directe du courant relatif du fluide dans lequel il est plongé et en ce que la rampe est fractionnée en secteurs dont les conditions de debit-pression-vitesse sont modulés par secteur en fonction du vent relatif pour former une surface fluidique enveloppante et en ce qu'il comportedes moyens pour générer les nappes fluides en fonction de la vitesse relative du fluide environnant et en ce que ce dispositif s'applique aux- ae-rônefs et plus généralement à tous les objets au sol ou dans les airs que l'on desire isoler aerodynamiquement du vent relatif. 2 - Générateur selon 1, caractérisé en ce que les nappes fluides forment un angle de rabattement par rapport à l'engin. 3 - Générateur selon 1,2 ,caractérisé en ce que les fentes d'éjection des nappes fluides sont disposées en forme d'anneau frontal (34) pour émettre un jet annulaire qui enveloppe un corps de forme fuselee. 4 - Générateur selon 1,2 et 3, caractérisé en ce qutil est de forme annulaire (9) dans le plan de l'appareil, un hélidirigeable notamment, de manière à ce que les fentes d'ejection supérieures et inférieures par rapport au plan de vol soient orientees radialement en enveloppant le maitre-couple. 5 - Générateur selon 1 caractérisé en ce que des capteurs de mesuré de pression des vents relatifs sont disposes à l'extérieur du champ des nappes fluides pour et en ce que les mesures d'écarts de pression des vents relatifs pilotent autmatiquement les paramètres d'ajustement de la vitesse d'éjection des nappes fluides, section par section, en fonction de la force et de la vitesse du vent relatif local. 6 - Générateur selon 1 et 2, caractérisé en ce que, dans le cas de la double nappe fluide ou simple mais entièrement fermée, on prévoit une entrée d'air (22,25) ppur créer une surpression dasn le volume délimit par la ou les nappes) et en coque pour reduire la trainée du générai lui-même, on dispose un tube frontal (29) en avant et parallèlement a: tubes (23,24) de telle sorte que soient ménagés les espaces (25a,25b) d'entrée d'air. 7 - Generateur-selon 1 caractérisé en ce qu'il est prévu un ou plusiet générateurs auxiliaires destinés à être monte autour des charges suspe dues transportées par hélidirigeables en vue de réduire également la traînée de ces charges. 8 - Générateur selon 1 caractérisé en ce qu'il s'applique a la créati@ d'une portance de faible charge alaire. 9 - Générateur selon 1 et 9 D caractérisé en ce qu'il est disposé à l'avant des véhicules automobiles pour générer des nappes fluides diri gées vers le maître-couple. 10 - Générateur selon 1 et 9, caractérisé en ce qu'il est associe à dispositif dépresseur comportant une plaque de tôle perforée fixée pat lèlement sous le fond du véhicule de telle manière que le courant flui passe entre les deux parois et en ce que les perforations sont embouti en formant une languette orientant les @ouvertures de manière à ce que nappe fluide provoque un effet de dépression entre la plaque et le soi 11 - Générateur selon 1 caractérisé en ce qu'il est placé annulairemer sur le nez du fuselage des avions (34) et aux bords d'attaque des aile en extrados et intrados (35,36) se terminant au bout des ailes par une forme en pipe (37). 12 - Générateur selon 1 et 11, caractérisé en ce que des dipositifs gé rateurs auxiliaires équipent les bords de fuite des ailes d'avion et prevus orientables pour faire fonction de volets de gauchissement etc d'aérofreins et en ce que des équipements semblables sont montés sur empennage.