Brevet FR2502111A1 — publié le 19820924

Réservoir à carburant liquide pour avion et son procédé de fabrication La présente invention concerne un réservoir à carburant liquide pour avion, ledit réservoir constituant une partie structurelle de l'aile de l'avion et sa surface externe constituant la surface externe aérodynamique de l'aile de l'avion ou d'une partie de cette aile. L'invention concerne egalement un procédé de fabrication d'un réservoir à carburant pour avion avion selon l'invention. L'invention concerne également un outil de matriçage destiné à la fabrication d'un réservoir à carburant pour avion selon l'invention. Un réservoir à carburant pour avion est soumis à plusieurs exigences particulières qui sont les suivantes. I1 faut que l'espace structurel soit utilisé efficacement. Pour des raisons de sécurité contre l'incendie et de positionnement du centroide, les réservoirs sont habituellement disposés dans les ailes, où cependant l'espace structurel disponible est réduit. La paroi des réservoirs doit coincider de préférence avec le revêtement externe de l'aile de manière que l'on puisse utiliser l'espace le mieux possible. Le réservoir à carburant doit être résistant et léger et il doit accepter les charges de fatigue provenant des mouvements de l'avion et des mouvements du liquide; il faut donc que le réservoir soit construit en une feuille de métal épaisse qui ne soit pas susceptible de gauchissement ou de fatigue. D'un autre côté, la masse en vol constitue un élément décisif qui oblige le concepteur à avoir recours aux matériaux les plus minces possible, mais qui ont alors tendance à ne pas résister à la fatigue. I1 faut que le réservoir puisse être amovible en vue de son entretien ou du moins qu'il soit pourvu de portes de service appropriées. Les fuites provenant d'accident, de pierres projetées, etc., doivent être évitées grâce à des artifices de structure et il faut minimiser le risque de ruptures importantes au cas o l'avion s'écraserait ou aurait un accident. On tiendra compte des observations qui précèdent pour examiner l'état actuel de la technique des réservoirs à carburant pour avions. On connait des réservoirs de l'art antérieur réalisés par soudage d'une feuille de métal léger et fixés à l'intérieur de la structure à l'aide de sangles métalliques. Ce type de réservoir yui est le plus ancien est toujours utilisé dans certains avions à hélice. Ses avantages résident dans l'amovibilité du réservoir en vue de son entretien et dans sa construction peu coûteuse. L'inconvenient de ce réservoir concerne l'utilisation de l'espace: il est impossible de rapprocher les parois du réservoir du revêtement externe. Un risque est la possibilité de fuite de carburant dans le cas où l'avion viendrait à s'écraser ou aurait un accident.De plus, ce réservoir est lourd car le revêtement externe de l'avion n'apporte aucune contribution à la résistance du réservoir. On connait par ailleurs, dans l'art antérieur, des réservoirs dits "intégraux" consistant en compartiments déterminés par la feuille de revêtement et par les nervures de l'aile, et qui sont rivetés, en utilisant conjointement des composés de scellement, pour aboutir à un réservoir tanche aux liquides. Les réservoirs intégraux constituent actuellement les structures les plus répandues pour les avions commerciaux et militaires dont la peau est relativement épaisse. Leur avantage tient à leur excellente utilisation de l'espace et à leur légèreté. Les inconve- nients de ces réservoirs intégraux tiennent à leur entretien qui est assez difficile puisqu'ils ne sont pas amovibles et au fait que les composés de scellement doivent être rempla cés en cas de réparation.Ce réservoir est également susceptible de présenter des fuites provoquées par des pierres projetees ou autres projectiles venant frapper de petits avions à peau mince. I1 faut, pour obtenir l'étanchéité aux liquides, apporter une grande attention lors de la construction, car s'il en était autrement la structure interne ne serait pas lisse. On connait également des réservoirs d'avion constitués par des sacs en caoutchouc. Quand on utilise ces réservoirs, on forme à l'intérieur de l'aile un espace à parois lisses qui constitue une partie structurelle avec le revêtement externe et les nervures et cet espace n'a pas besoin d'être étanche aux liquides. On introduit dans cet espace par une fenêtre de service un mince sac de caoutchouc et les bosses de ce sac s'enfoncent dans des trous prévus dans le réser- voir interne fixe. Ce type de réservoir est devenu habituel depuis les années 1950 aussi bien dans les avions militaires que dans les petits avions. Les avantages des réservoirs constitués par des sacs de caoutchouc sont dus à une relativement bonne utilisation de l'espace et à la sécurité contre les dégâts provoqués par des pierres ou en cas d'écrasement de l'avion.Le réservoir est également résistant car l'espace interne et la structure qui l'entoure se componcnt comme un ensemble unitaire. Parmi les inconvénients, il faut mentionner que le sac de caoutchouc doit être remplacé après un certain nombre d'années, que ces sacs doivent être réalisés dans des moules spéciaux et qu'ils apportent un poids additionnel. En plus de ce qui précède, on connait divers réservoirs de conception mixte. Par exemple, des réservoirs de forme hybride à la fois intégraux et soudés sont maintenant assez répandus dans les petits avions. De façon typique, un réservoir de ce type a une structure soudée; il est relié de façon amovible par des joints à vis aux éléments qui l'entourent; et une partie de la surface du réservoir forme une partie de la surface externe aérodynamique de l'aile. Les avantages et inconvénients de ces réservoirs sont dans les grandes lignes les mêmes que ceux des réservoirs intégraux et des réservoirs soudés. Pour ce qui concerne l'état de l'art, il sera également fait référence au brevet US 3 420 477 qui décrit un réservoir à carburant d'avion de ce type. Dans ce dispositif de l'art antérieur, le réservoir à carburant est constitué par une paroi multicouche qui coincide avec le revêtement de l'aile. Cependant, dans la structure conforme à ce brevet, la paroi de l'aile, et celle du réservoir à carburant dans le même temps, n'est pas constituée par une structure en sandwich dans le même sens que celui retenu dans la présente invention, du fait qu'il faut prévoir à l'intérieur de l'aile une série d'éléments de renfort et d'entretoisement qui rendent la construction du réservoir difficile, par exemple pour la raison qu'il est nécessaire d'appliquer des joints rivés dans des emplacements d'accès difficile. Du fait des nombreux éléments de renfort et d'entretoisement qui sont internes au réservoir, celui-ci ne peut pas être fabriqué selon le procédé très avantageux de la présente invention. Un inconvénient provient également du fait que ces éléments d'entretoisement occupent une partie de l'espace réservé au carburant. On peut aussi considérer comme un inconvénient le fait que l'utilisation de joints rivetés peut être à l'origine de fuites. On évite les inconvénients exposes ci-dessus en ayant recours au réservoir à carburant de l'invention qui se caractérise principalement par le fait que les parois du réservoir consistent en une structure en feuille multicouche ou en sandwich, obtenue par collage et pourvue d'une rigidité et d'une résistance suffisantes sans aucun renforts internes ou externes, la couche interne consistant en un réservoir interne en aluminium mince ou équivalent soudé de façon étanche, l'amie etant constituée en mousse, d'un matériau plastique ou en un matériau cellulaire approprié ou en toute autre couche équivalente constituant une âme et la couche externe étant constituée par une feuille d'aluminium ou équivalent formant dans le même temps la surface externe aérodynamique de l'aile ou d'une partie de celle-ci. Le procédé de l'invention pour fabriquer un réservoir à carburant d'avion est caractérisé principalement par le fait qu'il comprend, en combinaison, les étapes suivantes: la fabrication d'un réservoir interne étanche en feuille d'aluminium mince ou équivalent, l'entourage de ce réservoir interne par une couche d'âme en une mousse d'un matériau plastique, en un matériau cellulaire approprié ou en tout autre matériau approprié pouvant constituer une âme, l'entourage de cette couche constituant une âme par une couche externe formant coquille, l'application d'un adhésif entre ces trois couches au cours d'une ou plusieurs étapes, la mise en place de l'ébauche du réservoir dans un outil de matriçage dont la surface interne de la partie creuse correspond à la configuration externe de la surface du réservoir terminé, et la production de la pression nécessaire à ou aux étapes de collage de la structure multicouche en soumettant le réservoir interne à une pression, la matrice externe donnant au réservoir sa forme correcte et, si nécessaire, une température de polymérisation correcte pour l'adhésif. L'outil de matriçage destiné à la fabrication du réservoir de carburant de l'invention est de son côté caractérisé principalement en ce qu'il comprend une partie formant le corps et comprenant à l'intérieur un creux qui correspond à la forme externe finale du réservoir à carburant terminé et que l'on peut fermer au moyen de pièces terminales, et en ce qu'un système de tuyauteries de chauffage ou de résistances électriques en vue du contrôle de la température de la matrice est prévu à l'intérieur du corps de l'outil de matriçage. Une caractéristique essentielle du réservoir de l'invention consiste dans le fait que les parois du réservoir à carburant liquide sont formées par une structure en sandwich qui est suffisamment rigide et résistante sans renforts internes ou externes. Ceci rend la fabrication du réservoir de l'invention possible au moyen du procédé avantageux décrit ci-dessus, la pression nécessaire au collage étant obtenue en mettant sous pression le réservoir interne alors que la matrice externe donne au réservoir sa forme correcte. S'il fallait utiliser des éléments de renfort ou d'entretoisement internes, ces éléments auraient pour résultat d'empêcher la mise sous pression de provoquer une pression uniforme pour le collage, ct la pression nécessaire au collage présenterait des discontinuités au niveau des insertions des éléments de renfort qui réduiraient la résistance de la structure en sandwich. Le fait de ne pas avoir besoin d'éléments interne de renfort et d'entretoisement entraîne également une plus grande capacité pour le carburant, une construction plus simple ct une meilleure caractéristique d'étanchéité et de scellement du réservoir. Grâce au réservoir de l'invention, on obtient un espace utile supérieur à celui des réservoirs à sac en caoutchouc et presque aussi bon que dans le cas d'un réservoir intégral. Le réservoir de l'invention est léger et extrêmement résistant. La masse totale du réservoir de l'invention constituée par une feuille en sandwich est inférieure à celle d'un réservoir à sac en caoutchouc équivalent et la sécurité est plus élevée qu'auparavant. De même, les réservoirs soudés de l'art antérieur ty compris des surfaces respectives de la feuille de revetement de l'aile) ont habituellement une masse totale plus importante, alors qu'ils sont nettement inférieurs quant à leur resistance et à la sécurité que le réservoir de l'invention.Du fait de sa rigidité et de sa résistance, le réservoir de l'invention peut servir sans aucun renfort de surface sur laquelle on peut marcher; ce résultat ne peut être obtenu dans les autres cas que lorsqu'il s'agit d'un sac en caoutchouc. La caractéristique de sécurité du réservoir de l'invention est basez sur le fait que l'âme de la structure en sandwich et la coquille externe attenuent les chocs provenant des pierres projetées et évite des ruptures majeures pouvant survenir en cas d'écrasement de l'avion. Le scellement étanche du réservoir de l'invention ne dépend pas d'un composé de scellement. Du fait de la structure en sandwich, la forme aérodynamique de la surface externe de l'aile obtenue avec l'inventIon est supérieure à celle obtenue avec les réservoirs de l'art antérieur. En cas de dégâts majeurs du réservoir de l'invention les réparations sont difficiles du fait de sa structure en sandwich. C'est pourquoi le réservoir peut être démonté par dévissage et remplacé. Mais de petites fuites peuvent être réparées en utilisant le même compos de scellement que lorsqu'il s'agit de reservoirs intégraux. Le processus du collage des couches du réservoir de l'invention exige un certain soin et une certaine propreté lors de la fabrication. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, avec référence à un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple, et dans laquelle on se referme aux dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement l'outil de matriçage utilisé pour la fabrication d'un réservoir à carburant pour avion selon l'invention, la figure 2 représente les premières étapes de collage des couches constitutives du réservoir à carburant de l'invention, lorsque la coquille du réservoir interne est collée à l'âme, et la figure 3 représente la seconde étape de collage au cours de laquelle on colle la coquille externe sur l'âme. L'outil de matriçage 10 représenté à la figure 1 comprend un espace creux 12 ayant une forme se conformant totalement à la surface externe aérodynamique de l'aile de l'avion. L'outil de matriçage comprend des éléments de paroi démontables 13, 14 et 15, fixés par des vis 11 ou éléments de fixation équivalents qui ferment l'outil de matriçage. Naturellement, on peut utiliser, pour fermer l'outil 10, tous autres dispositifs ou structures de support que l'on peut concevoir. A la figure 1 est représenté schématique un réservoir sous pression 50 dont la pression pO est envoyée par l'intermédiaire de la vanne 51 à l'ébauche 40 du réser- voir à carburant placée dans l'outil de matriçage 10. A la figure 1 est représentée schématiquement une tuyauterie 62 insérée à l'intérieur de l'outil de matriçage 10 et dans laquelle circule un fluide à température contrôlée qui maintient l'outil de matriçage 10 à une température donnée pendant les diverses étapes de collage enseignées par l'inventlon.Les composants 60 et 61 représentent les moyens de chauffage, la pompe de circulation et les vannes de commande du fluide. Comme représenté à la figure 2, le réservoir à carburant est constitué par un réservoir interne 20 en une feuille d'aluminium léger, soudé de manière étanche et sur laquelle on fait adhérer une mousse d'un matériau plastique rigide ou tout matériau cellulaire approprié, ou couche d'âme en toute autre substance équivalente, consistant en des éléments de paroi plans 22, 23 et 24 et l'élément d'âme pré-plié 21. L'élément d'âme consiste par exemple en une mousse d'un matériau plastique léger et rigide dont l'épaisseur est d'environ 12 mm. Le procédé de l'invention prévoit qu'au cours de la première étape, on fait adhérer les éléments 21, 22, 23 et 24 de l'âme à la surface du réservoir à carburant en utilisant, pour créer la pression nécessaire au collage, un outil de matriçage tel que représenté à la figure 1 et en utilisant, à la place de la coquille externe 31 représentée à la figure 3, une feuille appropriée d'épaisseur et de dimensions équivalentes (non représentée > , fixee autour de l'élément d'âme 21. L'ébauche 30 du réservoir est réalisée au cours de la première étape de collage, suite à quoi on fait adhérer, au cours de la seconde étape de collage, les plaques minces et renforcées formant coquilles 31, 32, 33 et 34 (par exemple des feuilles d'aluminium, sur lesquelles peuvent être déjà pré-montées les pattes nécessaires 35 et 36) Au cours de la seconde étape de collage, l'ébauche du réservoir à l'état assemblé et représenté à la figure 3 est placée dans l'outil de matriçage 10, qui est alors fermi, et on envoie un fluide sous pression, tel que de l'air sous pression, dans le réservoir. Pour mettre le reservoir sous pression, on peut utiliser par exemple le reniflard déjà soudé au réservoir interne 20. Le réservoir 20 placé dans l'outil de matriçage 10 est pressurisé à environ 1 bar par exemple.On fait circuler dans la tuyauterie 62 un liquide à la température appropriée. Les deux étapes de collage séparées décrites ci-dessus peuvent être combinées pour constituer une seule étape, la pression de collage étant produite par les deux couches collées au cours d'une unique etape de mise sous pression de la matrice. Selon l'invention, il est essentiel qu'une fois l'outil de matriçage 10 fermi, on établisse une pression dans le réservoir interne 20, ce qui tend à repousser les parois de l'ébauche du réservoir contre les parois de la matrice et permet d'obtenir ainsi la forme externe exacte en conformité avec celle de l'outil de matriçage. La pression et la température sont contrôlées selon les besoins en fonction des matériaux de surface et d'âme utilisés. L'outil de matriçage 10 est réalisé par exemple en béton renforcé, en matière plastique coulée ou équivalent, et le système de tuyauteries de chauffage 62 ou le câblage de chauffage électrique équivalent sont constitués par des composants fixes noyés dans la structure coulée. Les étapes de la fabrication du réservoir de l'invention comprennent également diverses étapes de travail intermédiaires et des étapes de finition, mais qui ne sont pas essentielles du point de vue de l'essence de l'invention. I1 convient de mettre l'accent, enfin, sur le fait que, dans la présente invention, une "structure à feuilles en sandwich" désigne une structure suffisamment rigide et résistante, sans renforts internes ou externes (et surtout externe); il en résulte que l'invention, aussi bien en ce qui concerne le réservoir à carburant liquide que son procédé de fabrication, ne peut être mise en oeuvre si on utilise une structure mince en sandwich obligeant à avoir recours également à des éléments spéciaux de renfort et d'entretoisement, et en particulier des éléments d'entretoisement internes au réservoir. Ces structures multicouches pourvues d'éléments de renfort et/ou d'entretoisement n'appartiennent pas aux structures en sandwich dans le sens utilise dans la présente invention. Le réservoir à carburant de l'invention est de préfé- rence disposé au niveau du rebord avant de la racine des deux ailes de l'avion. Le réservoir a un contour (vu perpendiculairement au plan principal de l'avion) qui est de préférence celui d'un trapèze. Cette forme a même tendance à renforcer le réservoir. Comme il va de SOi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus specia- lement envisagées; elles en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Réservoir à carburant liquide pour avion, ce reser- voir constituant une partie structurelle d'une aile de l'avion et ses surfaces externes formant la surface aero- dynamique externe de l'aile de l'avion ou d'une partie de cette aile, caractérisé en ce que les parois du réservoir à carburant consistent en une structure en sandwich produite par collage et ayant une rigidité et une résistance suffisantes sans renforts internes ou externes, cette structure en sandwich étant constituée, pour sa couche interne, par un réservoir interne (20) en aluminium mince ou équivalent et soudé de manière étanche, par une couche moyenne consistant en une couche d'âme (21, 22, 23, 24) en mousse plastique, en un matériau cellulaire approprié ou équivalent, et par une couche externe en une couche formant coquille (31, 32, 33, 34) en une feuille d'aluminium ou équivalent, cette dernière constituant dans le même temps la surface externe aérodynamique de l'aile de l'avion ou d'une partie de cette aile. 2. ProcédÉ de fabrication d'un réservoir à carburant liquide pour avion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, les étapes suivantes: - la réalisation d'un réservoir ou conteneur étanche (20) au moyen d'une fine feuille d'aluminium ou équivalent, - l'entourage de ce réservoir interne (20) par une couche d'âme (21, 22, 23, 24) en mousse plastique ou en matériau cellulaire approprié ou équivalent, - l'entourage de cette couche d'âme (21, 22, 23, 24) par une couche formant coquille (31, 32, 33, 34), - l'application d'adhésif entre les trois couches au cours d'une ou de plusieurs étapes, - la mise en place de l'ébauche du réservoir dans un outil de matriçage (10) dont la partie creuse (12! a une surface interne se conformant à la forme externe du réser- voir terminé, et - l'application d'une pression de collage nécessaire pendant la ou les étapes de collage de la structure en sandwich qui est produite en mettant sous pression le réservoir interne (20), la matrice externe (10) donnant au réservoir sa forme correcte et, si nécessaire, l'apport de la température de polynérisation. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche d'âme est constituée par l'assemblage d'éléments sensiblement plans (22, 23, 24) et d'un élément en matériau d'âme pré-plié (21) de section sensiblement en V ou en U, ces éléments étant placés autour du réservoir interne (20). 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la couche externe est constituée par l'assemblage d'éléments sensiblement plans (32, 33, 34) et d'un élément en feuille pré-plié (31). 5. Outil de matriçage destiné à la fabrication d'un réservoir à carburant liquide selon la revendication 1 par mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un corps présentant un creux (12) conforme à la forme externe du réservoir à carburant à l'état terminé et pouvant être fermé par des éléments terminaux (13, 14, 15), et en ce qu'à l'intérieur du corps de l'outil de matriçage il est prévu un système de tuyauteries de chauffage (62) ou de résistances électriques, pour contrôler la température de la matrice.