Brevet FR2492338A1 — publié le 19820423

"Procédé de réduction de la résistance totale des avions." La présente invention concerne un procédé pour réduire la résistance totale des avions selon le principe de l'augmenta- tion active de l'épaisseur de la couche limite. On sait que la couche limite turbulente a pour caracté- ristique que l'augmentation de son épaisseur s'accompagne d'une diminution de la résistance ou traînée de frottement, en pré- sence d'une paroi hydrauliquement lisse. On pourrait donc ré- duire la traînée de frottement d'un avion en insérant la sur- face exposée à l'écoulement dans une couche limite épaissie à proximité du bord d'attaque. Cependant, lorsque l'augmenta- tion de l'épaisseur de la couche limite est obtenue par des moyens passifs, la résistance ou traînée de pression ou de forme due à ces moyens dépasse de plusieurs fois la réduction obtenue sur la traînée de frottement. La résistance aérodyna- mique d'un véhicule, laquelle se compose de la traînée de pression et de la traînée de frottement, ne peut par consé- quent pas être réduite par l'augmentation passive de l'épais- seur de la couche limite. La demande de brevet allemand 24 28 683 se rapporte à des véhicules non effilés ou à arêtes vives, pour lesquels la réduction de la résistance doit être obtenue par un carénage aérodynamique de la carrosserie non effilée. Ce document ne porte pas sur la traînée de frottement ni ne vise à en obte- nir la réduction. Par le brevet allemand 603 034, on connaît une turbine éolienne destinée à permettre d'obtenir une augmentation de la portance par le fait que de l'air comprimé est dirigé à travers des tuyères sur la face supérieure de la voilure. Ce- pendant, le turbo-ventilateur représenté ne peut pas provoquer une réduction de la résistance totale - et n'est du reste pas prévu à cet effet -, car la turbine de poussée est exposée à la pleine pression dynamique de l'admission libre. On ne peut donc pas obtenir une amélioration de la poussée, car le rotor de propulsion n'est pas disposé dans le sillage de la turbine éolienne. Ce n'est que dans le cas, proposé par la présente invention, que l'impulsion à l'admission et, de ce fait, la résistance à l'admission du générateur de poussée sont sensi- blement inférieures à la force de tramnée iV 0 provenant de l'impulsion à l admission en cas d'admission non perturbée. L'état actuel des connaissances techniques, auquel il y a encore lieu d'ajouter le brevet allemand 542 471, la de- mande de brevet allemand 25 06 974 et le brevet US 4 149 688, n'avait jusqu'ici indiqué aucune possibilité pour obtenir une réduction sensible de la traînée. La présente invention a pour objet d'obtenir une réduc- tion sensible de la résistance ou traînée d'un avion, par l'augmentation active de l'épaisseur de la couche limite, et de convertir en une force de propulsion la puissance sur l'arbre ainsi engendrée. La présente invention permet d'atteindre cet objectif par le fait que des turbines éoliennes sont placées devant le bord d'attaque des ailes et à la pointé du fuselage, tur- bines dans le sillage desquelles se trouvent les surfaces de l'avion exposées à l'écoulement et dont la puissance sur l'arbre est transmise, par des arbres de liaison disposés dans l'aile et dans le fuselage, et pour être convertie en une force de propulsion, à des hélices placées dans la zone du bord de fuite des ailes ou de la queue du fuselage. Selon une autre caractéristique du procédé proposé par la présente invention, et pour obtenir un rendement de pro- pulsion aussi élevé que possible, les hélices fonctionnent entièrement dans le creux du sillage, à pression totale, de l'avion, la surface des hélices étant réduite, dans la zone de la pointe des pales, par rapport à la surface située dans la zone des pieds des pales, et une répartition aussi unifor- me que possible de la vitesse étant de ce fait obtenue en aval de l'avion. Selon une autre caractéristique du procédé proposé par la présente invention, l'avion est propulsé à l'aide de grou- pes turbo-propulseurs par l'intermédiaire d'arbres d'entrai- nement, d'un mécanisme de transmission, d'un arbre de liaison et d'une hélice de queue. Selon une autre caractéristique du procédé proposé par la présente invention, les rapports des surfaces aux turbines éoliennes est choisi de telle manière que H/ry iv 7. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre du présent procédé, pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue en plan d'un avion conçu selon la présente invention; - la figure 2 est un croquis illustrant le principe de l'augmentation active de l'épaisseur de la couche limite, à l'aide d'un rotor réalisé sous forme de turbine éolienne; - la figure 3 est un diagramme donnant une comparaison des profils de vitesse en aval de la turbine éolienne avec le profil de la couche limite présentant une même épaisseur de quantité des mouvements; - la figure 4 est un diagramme indiquant l'influence du rapport des surfaces aux turbines éoliennes sur le rapport des puissances d'entraînement, pour le cas o il y a identité entre la poussée et la traînée ou résistance; - la figure 5 est un diagramme qui montre la relation entre le rapport des puissances d'entraînement et le paramètre "augmentation de l'épaisseur de la couche limite"; - la figure 6 est un diagramme qui indique l'influence des trois rendements X T' t P et, TW sur le rapport des puissances dans le cas o il y a identité entre la poussée et la traînée, et - la figure 7 est un diagramme indiquant le rapport des valeurs de traînée ou de résistance, pour le cas d'une identi- té entre la puissance de la turbine et la puissance de l'hé- lice, et le rapport des puissances pour le cas o il y a iden- tité entre la poussée et la traînée. Le concept général de la présente invention prévoit d'ob- tenir, avec des moyens actifs, sous la forme d'une turbine éolienne, une augmentation de l'épaisseur de la couche limite, la puissance excédentaire de ces turbines éoliennes, placées dans la zone du bord d'attaque des ailes d'un avion, étant transmise, par l'intermédiaire d'arbres de liaison, à des hélices placées dans la zone du bord de fuite, et utilisée pour la propulsion. La figure 1 représente un exemple de réalisation. Un avion , propulsé par deux turbo-propulseurs 13, comporte, à son nez lOa, une turbine éolienne 14, dont le rotor est relié, par l'intermédiaire d'un arbre de liaison 14a, à une hélice 15, placée à la queue lOb de l'avion. La puissance sur l'arbre des deux groupes turbo-propulseurs est transmise, par l'intermé- diaire d'arbres transversaux 14b, d'un mécanisme de transmis- sion 16, et de l'arbre de liaison 14a, à l'hélice de propul- sion 15. Des dispositifs à rotors similaires sont disposés des deux côtés du fuselage de l'avion sur les voilures 11, à sa- voir sur le bord d'attaque lia des ailes les turbines éolien- nes 14, et sur le bord de fuite llb des ailes les hélices 15, chaque turbine et chaque hélice étant respectivement reliées par un arbre de liaison 14a. Dans ce cas, aucune puissance d'entrainement supplémentaire n'est cependant apportée aux paires de rotors. En partant du fait que la couche limite turbulente a pour caractéristique que l'augmentation de son épaisseur s'ac- compagne d'une diminution de la traînée de frottement, en présence d'une paroi hydrauliquement lisse, les conditions suivantes peuvent être appliquées à la plaque plane >5 g W (1v = 0,012 y v 2 ( V)1 4 (1) ou avec J (X) = 0,036 x 0,8 (V/Voo)0'2 (2) J W(>) = 0,0288ç V-2 () 0,2 (3) Dans ces équations, r W désigne la tension de poussée à la paroi, J l'épaisseur de quantité de mouvement de la cou- che limite, etY9 =,ulp la viscosité cinématique de l'air. L'équation (3) montre que le frottement à la paroi, au bord de fuite de la plaque, n'est que de 87 % de la valeur correspondante pour x = 0,5 L et de 63 % de la tension de poussée à la paroi pour x = 0,1 L. Il en ressort que la traînée de frottement d'un avion se trouve considérablement réduite lorsque, conformément à la proposition selon la présente invention, la surface exposée à l'écoulement est insérée dans une couche limite épaissie dans la zone du bord d'attaque. Si, cependant, cette augmentation de l'épaisseur de la couche limite est obtenue à l'aide de moyens passifs, la traînée de pression ou de forme due à ces moyens dépasse alors de plusieurs fois le gain ou l'économie que l'on réalise sur la traînée de frottement. Par les mesures proposées suivant la présente invention, la traînée de frottement se trouve ré- duite, dans le cas des avions, de 35 à 50 % avec un supplément de poids relativement minime. Une analyse, qui fait l'objet d'une représentation sché- matique à la figure 2, permet d'expliquer plus clairement la présente invention. L'étude porte sur l'écoulement incompres- sible et uniforme autour d'une plaque mince, sans incidence, de longueur L, sur le bord d'attaque de laquelle se trouve une turbine éolienne 14, non carénée, de hauteur 2H, la pres- sion totale se trouvant abaissée, dans la turbine éolienne 14, de la valeur 1/2 P&V2 - (V.0 - Dans le plan du rotor de la turbine, la vitesse d'écou- lement est égale à: V = V00 - Au/2. La masse d'air tT cède, par unité de temps, une quantité d'énergie déterminée, de sorte que, pour la puissance PT sur l'arbre l'équation sui- vante est applicable: PT = pH Au (V00 - Cu/2).T (4) IT désignant le rendement de la turbine. A partir du théorè- me de la conservation de la quantité de mouvement, on obtient alors, pour la résistance du rotor WT = ihT Su = fH LSu(V -Cu/2) (5) En aval de la turbine éolienne, la vitesse d'écoulement baisse à la valeur V00 -b u. A cet endroit, le sillage de la turbine éolienne a une hauteur de H. (VOO - Du/2)/(Voo - u). Le creux du sillage présente une épaisseur de quantité de mouvement de: VK =.2V1_ u ) H. Si l'on néglige la transition du profil de la couche limite de la forme rectangulaire directement en aval de la turbine éolienne (figure 2) à la forme connue de la couche limite turbulente pleinement constituée, u(y) ç y) 1/7 V - -O (6) Vo o on peut admettre, pour le calcul ultérieur de la couche limi- te, que celle-ci se comporte, entre le bord d'attaque et le bord de fuite, comme si son origine se situait au point x = -L = - (2"VK O 0,036 3 0 Au bord de fuite de la plaque, l'épaisseur de quantité de mou- vement est alors de: - K = 0, 036 (L + L)' ( / Voo) 0,2 (7) HK =006 L0 A partir de cette valeur, on calcula la traînée de frotte- ment WR: WR = 2 v(HK -vK) (8) Le profil de vitesse de la couche limite selon l'équation (6) est donné par: SHK 7 HK et l'on peut calculer, à partir des équations (6) et (9), la répartition des vitesses, directement avant l'hélice de queue, 15. L'hélice unique est conçue de telle manière que l'air qui s'écoule dans le "tube de courant" prend une vitesse de V loin en aval de l'avion. L'augmentation de la vitesse est obtenue par une élévation de la pression totale dans le rotor, élévation qui est égale à: - 1p E 2V u2 (y) 2P oo uHK (Y)^ On calcule à partir de là l'accroissement d'énergie de l'air par unité de temps et l'élévation de la quantité de mou- vement de l'air, et l'on peut alors calculer la poussée Sp et la puissance Pp absorbée par l'hélice. A partir de la résis- tance de la turbine WT, de l'épaisseur de quantité de mouve- ment-3 VK, de la traînée de frottement WR, de la poussée de l'hélice Sp et de la puissance Pp absorbée par l'hélice, on peut déterminer la force de propulsion résultante SRES pour PT = P ou la puissance d'entraînement Pp PT pour Sp = WT + WR. i 249Z338 Pour la puissance d'entraînement de l'avion de référence classique, l'équation suivante est applicable: P = A. Voo / o TW (10) équation dans laquelle WR désigne la résistance de la plaque plane sans augmentation de l'épaisseur de la couche limite, P la puissance d'entraînement correspondante, et X TW le ren- dement d'entraînement du propulseur. Le rapport des puissances d'entraînement, avec et sans augmentation de l'épaisseur de la couche limite, est donc, en vol horizontal non accéléré, égal à: Pavec 0,9 H/K 1P 4T9 H/, VK et ReL. I1 faut souligner la différence fondamentale qui existe entre les rendements '9 T et ' p, d'une part, et 2 TW' d'autre part. Alors que le rendement d'entralnement VTW ne prend pas seulement en compte les pertes de puissance dues au frot- tement, aux ondes de choc et à la rotation dans le sillage, mais aussi la perte de jet, cette perte n'est pas incluse dans les rendements des rotors T et p. Le rendement I TW des propulseurs sera donc en général sensiblement plus faible que X T et ' p. Lors du calcul de la force de résistance ou de traînée résultante WREs, pour le cas o la puissance absorbée par l'hélice est égale à la puissance de sortie de la turbine, il faut établir l'équation déterminaire pour la surface de l'hélice Hp. La figure 3 donne une comparaison des profils de vitesse en aval de la turbine éolienne, pour plusieurs valeurs du rapport des surfaces H/ 3VK, avec le profil de couche limite de meme épaisseur de quantité de mouvement, profil en lequel se transforme le profil rectangulaire après une certaine lon- gueur d'écoulement. Pour tenir compte d'un rendement de tur- bine extérieur élevé " jet = 1 - SUc/2Voo, il faudrait que H/ - VK soit choisi aussi grand que possible. Voir aussi à ce sujet la figure 4. Par ailleurs, le passage au profil de couche limite favorable du point de vue traînée demande une longueur d'écoulement d'autant plus grande que le bord extérieur du sil- lage s'éloigne davantage de la paroi. Un rapide passage au profil de couche limite est assuré, par exemple, par un rap- port de surface de H/,$VK = 7. La figure 5 montre la relation entre le rapport des puis- sances et le paramètre d'augmentation de l'épaisseur de la couche limite 19VK/L pour deux combinaisons des rendements 'IQ T' 'J p et ITW On constate que, même sans augmentation active de l'épaisseur de la couche limite, un gain de puissan- ce se trouve de ce fait réalisé, étant donné que l'hélice, disposée dans le "creux du sillage" de la cellule, présente, par suite de la faible vitesse d'admission, un rendement de propulsion très élevé. Au fur et à mesure qu'augmente l'épaisseur de la couche limite, on enregistre un gain de puissance supplémentaire, qui atteint une valeur maximale pour un rapport déterminé des épaisseurs. Lorsque l'augmentation de l'épaisseur se pour- suit, la puissance d'entraînement recommence cependant à s'accroître, étant donné qu'alors les pertes de puissance dans les deux rotors se font sentir, dans une mesure toujours pmus forte. D'une façon générale, il faut dire que le rapport des épaisseurs le plus favorable, du point de vue puissance ( 5 VK/L)opt. est d'autant plus grand que les pertes dans les rotors sont plus faibles. La figure 6 montre l'influence décisive du rendement de la turbine q Tl du rendement de l'hélice p. et rendement des propulseurs Y TW' sur le gain de puissance, qui peut être réa- lisé avec les mesures proposées par la présente invention et selon le principe appliqué. Les courbes en traits pleins in- diquent pour chaque cas le gain de puissance maximal, tandis que les courbes en traits discontinus s'appliquent au cas limite 4 VK = 0, c'està-dire sans turbine éolienne. Ainsi qu'on le voit, on peut compter sur un gain de puissance pour tous les rendements imaginables. Le présent principe devient particulièrement intéressant dans la gamme 'QT' l p t 0, 9 et 36 %. Sur ce pourcentage, 11 % sont à attribuer à l'augmen- tation active de l'épaisseur de la couche limite, 10 % au ren- dement de propulsion favorable de l'hélice fonctionnant dans le sillage et 15 % au faible rendement de propulsion du propul- seur à réaction comparable. Le rendement des rotors devrait pouvoir, avec des profils modernes, être augmenté à 0,96. Il serait possible, dans ce cas, à l'aide du procédé proposé par la présente invention, de réduire de 47 % la consommation de puissance nécessaire pour surmonter le frottement de la couche limite. Comme le montre la figure 5, on obtiendrait l'économie de puissance maximale dans le cas d'un rapport d'augmentation de l'épais- seur de la couche limite de m VK/L = 0,0035. Avec H = 7 4VK' ceci correspond à une hauteur de turbine éolienne de H/L = 0,0245. La figure 7 donne une comparaison des rapports des va- leurs de résistance ou de traînée pour PT = Pp et du rapport des puissances pour SRES = 0, chaque fois pour le rapport optimal d'augmentation de l'épaisseur de la couche limite 25.3 VK/L. On voit que la diminution relative de la traînée est en général légèrement plus faible que le gain de puissance relatif. Ceci est dû au fait que le rendement de propulsion de l'hélice, qui est sensiblement plus favorable que le sys- tème de propulsion par jet classique, n'est pas pleinement utilisé dans le cas des rotors libres. Grâce à la proposition formulée par la présente inven- tion, à savoir d'augmenter artificiellement l'épaisseur de la couche limite de l'écoulement, à l'aide de turbines éolien- nes disposées devant le bord d'attaque des ailes et la pointe de fuselage, on est parvenu à réduire la traînée de frottement des avions de façon tout à fait considérable. La puissance sur l'arbre de chacun des rotors des turbines éoliennes est transmise, par le fuselage et les ailes, à une hélice disposée dans la zone du bord de fuite de l'aile ou à la'queue du fu- selage, et y est convertie en une force de propulsion. Il va de soi que la réduction de 35 à 50 % obtenue sur la traînée de frottement peut se traduire, soit par une augmentation du rayon d'action, soit par un accroissement correspondant de la charge utile. REVENDICATIONS 1.- Procédé de réduction de la résistance totale des avions selon le principe de l'augmentation active de l'épais- seur de la couche limite, caractérisé en ce que des turbines éoliennes (14) sont placées devant le bord d'attaque (la) des ailes et à la pointe (10a) du fuselage, turbines dans le sil- lage desquelles se trouvent les surfaces de l'avion exposées à l'écoulement, et dont la puissance sur l'arbre est transmi- se, par des arbres de liaison (14a) disposées dans les ailes (11) et dans le fuselage (10), pour être convertie en une force de propulsion, à des hélices (15) placées dans la zone du bord de fuite (llb) des ailes et dans la queue (lob) du fuselage. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour obtenir un rendement de propulsion aussi élevé que possible, les hélices (15) fonctionnent entièrement dans le creux du sillage, à pression totale, de l'avion, la surface des hélices étant réduite, dans la zone de la pointe des pales, par rapport à la surface située dans la zone des pieds des pales, et une répartition aussi uniforme que possible de la vitesse étant de ce fait obtenue en aval de l'avion. 3.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'avion est propulsé à l'aide de groupes turbo-propulseurs (13) par l'intermédiaire d'arbres d'entraînement (14b), d'un mécanisme de transmission (16), d'un arbre de liaison (14a) et d'une hélice de queue (15). 4.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport des surfaces aux turbines éoliennes est choisi de telle, manière que H/$ VK À- 7.