Brevet FR2489245A1 — publié le 19820305

i.& 8Li4 i Procédé pour augmenter la force de propulsion résultante dans les avions. L'invention a pour objet un procédé pour augmenter la force de propulsion résultante d'une combinaison groupe propulseur- aile dans les avions. L'interaction entre les jets de poussée d'un avion et la cellule a été étudiée dans de nombreuses expériences effec- tuées en soufflerie aérodynamique et également au moyen de lations par ordinateur. Mais, d'une façon générale, ces travaux portent sur les effets exercés sur la portance ou 1o force sustentatrice, sur la composante latérale et sur les comiposantes de couple d'une configuration d'avion. Par contre, jusqu'à maintenant, on n'a pratiquement pas porté attention à l'interaction aérodynamique entre un jet de poussée et les surfaces poLtan.%- et empennages voisins sur le plan de la résistance à l'avancement ou de la traînée. On est bien par- venu à élaborer une théorie suivant laquelle la force de pro- pulsion résultante d'une combinaison groupe propulseur-aile p-it être augmentée si on prend des dispositions pour que le jet issu du groupe propulseur se mélange au-dessus de l'aile avec l'air d'environnement, mais d'une part, cet effet a été r Cn attribué à l'augmentation de la circulation sur l'aile sous l'effet du jet et, d'autre part, il a été expliqué par la diminution de l'étendue du décollement, de la couche limite dans la zone du bord de fuite de l'aile. Dans la pratique, les groupes propulseurs sont disposés jusqu'à présent de façon que le mélange des jets s'effectue soit dans la zone de surpression en dessous de l'aile por- tante, soit d'une façon générale à l'extérieur de la zone d'influence de la cellule. Mais l'influence de l'interaction sur le plan de la résistance ou de la trainée de ces dispo- sitions est soit défavorable, soit négligeable. C'est donc dans un but de l'invention d'éliminer ces incon- vénients et de créer un procédé qui augmente notablement le rendement d'exploitation des avions, notamment des avions de transport. Ce résultat est obtenu de façon surprenante avant tout grâce au fait que le fuseau-moteur est disposé sur l'avion et la tuyère d'éjection conformée de telle sorte que le jet de propulsion se mélange avec l'air environnant dans la zone de dépression en avant et au-dessus de l'aile et en ce qu'il se produise en outre une intensification du mélange de jet du côté de l'aspiration. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ré- sultent de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 représente en coupe partielle schématique la combinaison groupe propulseur-aile proposée par l'invention; - la figure 2 montre un mélange de jet effectué au moyen dunc tuyère en étoile, - la ficure 3 est une vue en coupe partielle d'un système de tubes multiples sur une tuyère de poussée de groupe propulseur; - la figure 3a montre le dispositif selon la figure 3 vu suivant la direction de la flèche A; - la figure 3b est une vue à plus grande échelle de la moi- tié supérieure de la figure 3a; - la figure 4 représente schématiquement un mélange de jet avec un système de générateurs de tourbillons disposés à l'extrémité de tuyères de poussée d'un groupe propulseur; - la figure 5 montre la répartition des nombres de Mach lo- caux pour un profil d'aile de type ancien; - la figure 6 est un diagramme des calculs pour l'augmentation *de poussée d'une tuyère de type multitube; - la figure 7 est une vue perspective d'un modèle permettant de calculer les conditions d'écoulement incompressibles lors de la propagation d'un jet dans le champ de pression d'une aile portante. Les mesures effectuées en soufflerie aérodynamique, les essais et les calculs ont montré que la force de propulsion résultan- te d'une combinaison groupe propulseur-aile, désignée ci-après par le signe "S-W" dépend dans une très large mesure de la disposition relative de ces deux éléments. Il s'est avéré que, plus le jet s'approche de l'extrados de l'aile portante et plus la portance de l'aile et le rapport des vitesses de jet VS/V. sont grands, plus l'interaction entre le jet et la surface portante est favorable sur le plan de la résistance à l'avancement. Or, grâce aux mesures proposées par l'invention, on a pu prou- ver que l'augmentation de la force de propulsion doit être attribuée à un accroissement de l'impulsion de jet qui résulte du fait que le mélange du jet s'effectue dans une zone de dé- pression. La force d'interaction aérodynamique se manifeste sous la forme d'une diminution de la résistance ou de la traînée de la surface voisine et est provoquée par l'effet d'aspiration du jet en train de se mélanger ou par l'effet éjecteur de l'aile sur le jet. Pour parler plus simplement, on pourrait dire que l'aile "planes' en quelque sorte dans le champ de courants ascendants auxquels le jet du groupe pro- pulseur donne naissance par suite du phénomène de mélange qui s'effectue dans son entourage. On a constaté que, pour une puissance de groupe propulseur constante, l'augmentation de la force de propulsion S-W par rapport à la poussée nette S peut être calculée suivant la A (S-W) _( - V Ueff -(1 V)* Vos VC = vitesse de l'avion Vs = vitesse de sortie du jet ueff _ xA q(x) * U(x) dx Sx q(x)dx XA q (x) u (x) dans laquelle: = force locale des dépressions disposées dans l'axedejet = induction X de l'aile sur l'axe de jet; par le terme "induction" on -entend les pressions, tensions ou charges aérodynamiques sur une aile qui se meut dans le champ de forces du courant de telle façon qu'elle est chargée par les lignes de forces de ce champ et produit unerésistance XA = position arrière de la sortie de jet. On constate que la plus grande augmentation de la force de pro- pulsion est obtenue lorsque le mélange du jet s'effectue dans la zone de l'induction ou d'aspiration maximale de l'aile, c'est-à-dire de dépression maximale. Partant de cette consta- tation, le procédé selon l'invention propose de disposer le fuseau-propulseur 10 sur l'avion et d'agencer la tuyère d'éjec- tion de telle sorte que le jet du propulseur se mélange avec l'air environnant dans la zone de dépression en avant et au- dessus de l'aile et qu'en outre il se produise une intensifi- cation du mélange de jet du côté de l'aspiration ou de l'extra- dos. formule: L'intensification du mélange de jet en question peut s'effec- tuer selon la figure i grâce à la disposition de générateurs de tourbillons à l'extrémité il de la tuyère. La figure 4 montre schématiquement à cet effet la façon dont s'effectue le mélange de jet. Selon une autre proposition de l'invention, il est prévu d'utiliser des tuyères en étoile 20 (figure 2), ou de disposer sur la tuyère d'éjection un système de tuyère multitube 30 (figure 3). On peut également prévoir d'autres variantes de forme de tuyères, c'est-à-dire que ces tuyères peuvent avoir une section transversale ovale ou conique, comme le montre la figure 3b. Avec cette disposition, on a constaté que le mélange de jet est déjà effectué au bout de 1 à 2 diamètres de jet. En ce qui concerne la dépression moyenne dans la zone de mé- lange, on sait qu'en vol de croisère, l'extrados de l'aile est noyé dans une zone supersonique de large extension.. A ce sujet, la figure 5 montre la façon dont les nombres de Mach sont répartis, pour l'un des profils d'aile anciennement connus, pour un nombre de Mach en vol de croisière égal à 0,72, les profils modernes présentant une extension sensible- ment plus grande du domaine supersonique et de la dépression moyenne. Les résultats de calculs que présente la figure 6 se basent sur l'hypothèse que l'induction d'aile effective dans la direction de l'axe est Ueff VsonV) Vson étant la vitesse du son, ce qui revient à dire que le mélange de jet s'effectue pour une vitesse moyenne de Vson' Si on considère que, d'une part, la plus grande partie du mélange de jet est accomplie sensiblement à une demi-profon- deur d'aile et que, d'autre part, en vol de croisière, l'in- duction d'aile atteint localement une valeur effectivement égale à 2. (V son-V), cette évaluation peut être considérée comme conservatrice. Avec cette évaluation ou cette estima- tion, et en admettant qu'il s'agit d'un turbo-réacteur à à double flux moderne, on obtient une augmentation de poussée relative telle que représentée à la figure 6 en fonc- tion du nombre de Mach de conception ou de référence. Etant donné qu'au fur et à mesure que le nombre de Mach en vol aug- mente la dépression critique diminue, le gain qui peut être réalisé grâce au mélange de jet du côté aspiration ou de l'ex- trados devient rapidement de plus en plus faible lorsque s'accroit le nombre de Mach de conception ou de référence. Avec un angle de flèche de 400 et un nombre de Mach en vol de croisière de 0,85, on peut compter obtenir une diminution d'au moins 11% de la consommation de carburant. Si le nombre de Mach de conception ou de référence s'abaisse à M = 0, 7, la force d'interaction s'élève alors presqu'à 20% de la poussée nette. On obtient-des augmentations de poussée analogues au dé- collage et à l'atterrissage. Ces valeurs sont obtenues grâce à la disposition représentée à la figure 1 dans laquelle le groupe propulseur 10 est rac- cordé à la structure de l'avion au longeron avant et au lon- geron arrière de l'aile 14, par l'intermédiaire d'un pylône 12 de forme aérodynamique comportant un support 13 fusiforme rigide à la flexion et à la torsion, de telle sorte que le jet du groupe propulseur se mélange à l'air d'environnement dans la zone de.dépression en avant et au-dessus de l'aile 14. Dans le cas choisi et représenté, l'intensification pro- posée du mélange de jet s'effectue au moyen de générateurs de tourbillons. La figure 7 montre encore de façon schématique et théorique le problème d'écoulement incompressible de la propagation d'un jet dans.le champ de pression de l'aile portante. On a représenté sans son montage le fuseaumoteur par un tube F long de section constante. Au moyen d'une soufflerie sans pertes, le courant volumique est aspiré dans la zone de soufflagesans perturbation, soumis à une augmentation de pression d'ensemble et expulsé à l'extrémité de la tuyère avec une vitesse Vs et une pression correspondante. Les signes utilisés dans la figure 7 ont les significations suivantes: S = Poussée nette du groupe propulseur XF,YFOZF Coordonnées d'un point sur la face dorsa- le de l'aile XA'YA'ZA Coordonnées du centre de la surface de sortie de la tuyère u - Induction de la surface portante à l'em- placement du jet dans la direction des X W = Résistance de l'aile à l'avancement ou traînée xy,z - Coordonnées cartésiennes ayant pour ori- gifne le bout d'aile avant, l'axe des x étant parallèle à Vèt l'axe des z étant dirigé perpendiculairement au plan de l'aile a Angle d'attaque de l'aile d. - Circulation d'un élément de la nappe tour- billonnaire liée. Le procédé selon l'invention apporte une amélioration considé- rable au rendement d'utilisation des avions grâce au mélange intense du jet du groupe propulseur dans la zone de dépression en avant et au-dessus de l'aile, celle-ci agissant comme un éjecteur unilatéral par rapport au groupe propulseur. Revendications. 1. Procédé pour augmenter la force de propulsion résultante d'une combinaison groupe propulseur-aile dans les avions, caractérisé en ce que le fuseau-moteur (10) est disposé sur l'avion et la tuyère d'éjection (11) conformée de telle façon que le jet émis par le groupe propulseur se mélange avec l'air d'environnement dans la zone de dépression en avant et au-dessus de l'aile (14), et qu'il se produise en outre une intensification du mélange de jet du côté de l'aspiration. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intensification du mélange de j.et est effectuée en avant et au-dessus de l'aile (14) grâce à des générateurs de tour- billons (15) disposés à l'extrémité de la tuyère (11). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intensification du mélange de jet est effectuée grâce à l'utilisation de tuyères en étoile (20). 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intensification du mélange de jet est effectuée grâce à un dispositif à tuyère multitube (30) associé à la tuyère d'éjection (11). 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le groupe propulseur (10) est raccordé à la structure de l'avion au longeron avant et au longeron arrière de l'aile (14) par l'intermédiaire d'un pylône (12) de forme aérodyna- mique muni d'un support 13 fusiforme rigide en flexion et en torsion.