Brevet FR2531676A1 — publié le 19840217

- Procédé et installation de réduction du tremblement de la voilure d'un aéronef au moyen de gouvernes actives La présente invention concerne les aéronefs dont la voilure est susceptible de présenter dans certaines condi- tions de vol le phénomène de tremblement fréquemment désigné par le terme anglo-saxon de "buffeting". On sait que les surfaces portantes des aéronefs sont susceptibles d'être le siège de plusieurs phénomènes liés au couplage de la structure avec la circulation aérodyna- mique environnante, et notamment de flottement (ou flutter) et de tremblement Le tremblement résulte en particulier d'un décollement instationnaire prenant naissance sur la voilure et produisant, par un effet de couplage avec celle- ci, des vibrations de la structure de l'aéronef Le phénomène n'est pas critique pour l'aéronef Mais il limite le domaine de vol des avions civils car le niveau maximal de tremblement est fixé par des règlements Une diminu- tion de l'intensité du tremblement permet, par exemple, de voler à une altitude supérieure et d'augmenter la masse au décollage du fait d'un rendement de vol amélioré Le tremblement pénalise aussi les performances de vol des avions de combat en limitant leur manoeuvrabilité et les possibi- lités de tir. Des décollements engendrant le tremblement peuvent apparaître à tous les régimes de vol Ils sont particu- lièrement accentués en régime transonique parce qu'ils sont amplifiés par les oscillations des ondes de choc Ils apparaissent également en vol aux grandes incidences pour une forte valeur du coefficient de portance, à l'approche des conditions de décrochage de l'aile Le tremblement peut aussi être provoqué par les décollements résultant des aérofreins ou spoilers utilisés couramment sur les avions pour provoquer une perte de portance et la descente rapide de l'aéronef. L'analyse des phénomènes de décollement sur une voilure montre que leur effet est double et comporte: un phénomène stationnaire, qui se traduit par une -2 - cassure dans la courbe de variation de la portance et du moment en fonction de l'angle d'incidence, un phénomène instationnaire, constitué par une zone de pressions fluctuantes instationnaires couvrant un très large spectre de fréquences La surface de cette zone s'étend sur l'extrados et l'intensité des pulsations dans le décollement augmente avec l'incidence. Pour de faibles décollements, seul le phénomène stationnaire est sensible car la force instationnaire créée par les pressions aléatoires reste trop faible pour exciter la structure. Mais si la zone de décollement s'étend, le torseur des forces instationnaires engendre une excitation forcée de la voilure qui répond d'autant mieux que ses modes propres de vibration nécessitent une énergie minimale. Ces modes de vibration créent à leur tour leur propre champ de pressions instationnaires, étendu cette fois à l'ensemble de la voilure, qui favorise en particulier les modes basse fréquence tels que la flexion alternée de l'aile à la fréquence fondamentale de celle-ci. Divers moyens ont déjà été utilisés pour combattre le tremblement: ils tendent à éviter le décollement station- naire en améliorant les profils des voilures ou en contrô- lant l'écoulement par des générateurs de tourbillons Mais ces moyens ne procurent qu'un recul de l'instant d'apparition du tremblement Ils n'en limitent pas les effets et en général n'ont d'effet que sur le tremblement ayant une origine déterminée. L'invention vise à réduire le tremblement et, par là, à améliorer les performances et, éventuellement, le confort des aéronefs par un processus utilisable quelle que soit l'origine du tremblement. L'invention part d'une approche totalement différente, parfaitement adaptée à des aéronefs munis d'un système de contrôle automatique (C A G) consistant à limiter et/ou combattre l'influence des pressions instationnaires dues au mouvement vibratoire de la voilure. L'invention propose en conséquence un procédé de réduc- tion du tremblement de la voilure d'un aéronef, caractérisé -3- en ce qu'on mesure au moins un paramètre représentatif du tremblement et en ce qu'on fait apparaître par voie aérodynamique, dans une région localisée de la voi- lure des sollicitations alternées, dont les caractéristiques (typiquement amplitude et phase) sont déterminées automati- quement pour produire-un amortissement du mode de vibration de la voilure. On peut utiliser divers paramètres, notamment repré- sentatifs du moment de flexion dû au tremblement (contrainte dans un longeron par exemple) ou du mouvement(accélération par exemple) Les sollicitations seront généralement créées, pour chaque élément de voilure, par une gouverne (surface aérodynamique active) remplissant également d'autres fonctions; on peut cependant, bien que cette solution -soit généralement beaucoup moins avantageuse, affecter une surface aérodynamique supplémentaire à la réduction du tremblement. L'invention propose également une installation de réduction de tremblement d'un élément de voilure d'aéronef comprenant des moyens de mesure locale fournissant un signal représentatif de la valeur instantanée d'un para- mètre lié (généralement une contrainte dynamique) au trem- blement dans l'élément et des moyens de filtrage et de traitement dudit signal pour fournir un signal de commande d'une gouverne active placée sur ledit élément de voilure dans un sens tel qu-'il amortisse les vibrations d'au moins un mode de tremblement. Les moyens de mesure peuvent être de nature très diverses et localisés en un seul point ou distribués: on peut notamment utiliser un pont de jauges de contrainte, un accéléromètre, un capteur de pression instationnaire La gouverne intervenant localement sur l'aile sera généra- lement un élément oscillant à mouvement de rotation (volet par exemple) ou de translation (élément émergeant sur une hauteur variable de l'élément de voilure) Dans le premier cas, il s'agira généralement d'une gouverne intervenant de façon qu'on peut qualifier de "statique" dans le pilotage. 4 - L'installation fonctionnant en boucle fermée, les moyens mis en oeuvre doivent évidemment être prévus pour répondre aux critères connus de stabilité des automatismes. Dans la pratique, les moyens de filtrage et de traitement peuvent être de nature analogique ou numérique Ils seront généralement prévus pour filtrer le signal détecté et y sélectionner au moins un mode de vibration de la voilure, _ n-t 1-r 4 er lees-i-na 1-btentm-e-t-liv-r, partir du signal intégré, le signal de commande de la gouverne active et qui est envoyé à des moyens moteurs actionnant la gouverne active pour lui donner une oscillation alternée amortissant les vibrations de la voilure. La gouverne actionnée pour réduire le tremblement peut changer suivant le régime de vol et l'origine du tremblement. Toutefois, lorsque la voilure est en flèche, on mettra de préférence en oeuvre une gouverne située près de l'emplan- ture de l'élément de voilure car la répartition de portance, en fonction de l'envergure, intéresse toute la voilure et l'efficacité des sollicitations engendrées se trouve mieux répartie. Parmi les gouvernes existantes, on peut citer les volets de bord de fuite (ailerons internes, utilisés pour la commande en roulis à grande vitesse notamment, flaperons), les aérofreins et même les becs de bord d'attaque - Les aérofreins ne seront généralement utilisés comme gouvernes pour réduire le tremblement que lorsqu'ils sont sortis pour réduire la portance Ils seront alors actionnés simultanément suivant deux lois une loi stationnaire pour provoquer des déportances importantes (par exemple déflexion de O à 600) et une loi dynamique instationnaire capable de provo- quer des oscillations d'amplitude faible, ne dépassant pas + 1 environ, à des fréquences fonction des fréquences à atténuer, pouvant aller d'une fraction de Hz à 15 Hz-envi- ron, autour de la position imposée par la loi stationnaire. On voit qu'un des avantages apportés par l'invention réside dans le fait que les oscillations suivant la loi dynamique instationnaire sont toujours de faible amplitude -5- et ne nécessitent qu'un très faible prélèvement d'énergie sur les circuits de bord. Enoutre, le fait que les oscillations de la surface aérodynamique sont faibles permet d'équiper la commande de butées mécaniques limitant sondéplacement en cas de panne du système. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exécution de celle-ci, donnés à titre d'exemples non limitatifs La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: -_ la figure 1 A est un schéma de principe montrant un aéronef équipé conformément à un mode particulier d'exécution de l'invention, les moteurs n'étant pas repré- sentés, la figure 1 B est un diagramme représentant la répar- tition, le long de l'envergure de l'aile, des sollicitations alternées engendrées par une gouverne oscillante, c'est-à- dire la variation de portance instationnaire; la figure 2 est un schéma de principe montrant les fonctions remplies par le circuit de traitement du signal dans le dispositif de mise en oeuvre de l'invention montré en figure 1 A; la figure 3 est un diagramme tracé à partir d'essais comparatifs effectués en soufflerie aérodynamique, montrant la densité spectrale du moment de flexion sur l'aile en fonction de la fréquence, sans mise en oeuvre de l'invention (courbe en tirets) et avec mise en oeuvre (courbe en trait plein); la figure 4, similaire à la figure l A, montre un autre mode d'exécution de l'invention, dans lequel les sollicitations alternées appliquées pour réduire le-tremble- ment sont obtenues à l'aide des aérofreins internes, les figures 5 et 6 montrent deux exemples de réali- sation de la commande hydraulique d'une gouverne oscillante en vue de la mise en oeuvre de l'invention. Un avion de transport de passagers actuel comporte généralement une voilure constituée de deux ailes en flèche -6 lia et llb munies de nombreuses surfaces mobiles Une disposition fréquente consiste à prévoir au bord de fuite, de l'emplanture au bout de l'aile, successivement, un jeu de volets de bord de fuite ou flaperons, un aileron de commande en vol rapide, un second jeu de volets, puis un aileron de commande d'assiette en roulis en vol lent. L'extrados de l'aile porte de plus des aérofreins destruc- teurs de portance, fréquemment disposés en avant du jeu de volets Seuls les volets internes 10 ont été représentés sur la figure 1 A, avec l'incidence 6 par rapport au plan moyen des ailes lia, 11 b qui leur est donnée au cours de certaines phases du vol. Au cours de ces mêmes phases, une zone de décollement pulsatoire 12 peut apparaître et provoquer une oscillation de l'aile représentée, pour l'aile lia, par la flèche double 13 sur la figure 1 A Ce mouvement de l'aile induit un mou- vement vibratoire de l'ensemble du fuselage 14 de la dérive et de l'empennage 16 de l'avion, schématisé sur la fi- gure l A par le tracé en tirets 'La vibration suivant le mode d'ensemble qui en résulte constitue le tremblement. Le dispositif suivant l'invention comporte, pour chaque aile, un détecteur 17 de mesure d'un paramètre repré- sentatif de la contrainte dynamique due aux déformations de la voilure Ce détecteur 17 est,par exemple,constitué par une jauge de contrainte collée sur la structure de l'aile, par exemple sur un longeron, au voisinage de l'emplanture. Cette jauge est placée dans un pont de mesure qui fournit un signal de sortie électrique Ce détecteur fournit un signal représentatif de l'ensemble des contraintes (statiques et dynamiques) existant dans l'aile D'autres types de détecteurs peuvent être utilisés, par exemple un accéléro- mètre ou un capteur de pression instationnaire dont le signal de sortie n'est pas affecté d'une composante conti- nue. Le signal de sortie du capteur est traité par un système de traitement du signal et de calcul, qui peut être de nature analogique, numérique ou hybride Ce système peut notamment comporter un circuit 18 à seuil réglable -7. R, qui ne fournit un signal de sortie que lorsque l'am- plitude du signal fourni par le capteur 17 dépasse un niveau supérieur au seuil de vibration normal de l'aile. Le seuil R peut être ajustable-, éventuellement de façon automatique, pour tenir compte de divers paramètres, par exemple la masse de l'avion. Le signal provenant du-circuit à seuil 18 est traité par des moyens de calcul 19 qui, dans le mode de réalisation montré en figure 2, comportent un filtre de bande 19 a dont la bande passante correspond au mode de flexion de l'aile à corriger En règle générale, il s'agira de la fréquence fondamentale d'oscillation en flexion autour d'un axe paral- lèle à l'axe de roulis de l'avion Le filtre 19 a est suivi d'un circuit pseudo-intégrateur 19 b destiné à élaborer un signal représentatif de la vitesse du mouvement d'oscilla- tion Enfin, un circuit de réglage de phase 19 c élabore un signal représentant la phase correcte pour amortir le mouvement, avec l'amplitude adaptée compte tenu des carac- téristiques propres de la surface aérodynamique utilisée pour réduire le tremblement. La figure 1 B représente, pour une aile en flèche à grand allongement du genre montré en figure 1 A, la répartition de la force d'amortissement Cz découlant des forces de portance instationnaire engendrées par les oscillations d'une gouverne en fonction de la distance à l'emplanture y à la demi-envergure totale b/2 L'efficacité est la mieux répar- tie en envergure pour des gouvernes proches de l'emplanture. Cette caractéristique-est utilisée, dans le cas illustré en figure-4 A, en utilisant les flaperons 10, commandés en incidence selon une loi stationnaire lors du pilotage normal, pour amortir le tremblement en juxtaposant une loi instation- naire à la loi stationnaires Q On voit sur la figure 1 B, qui correspond à une situation représentative des conditions réelles de vol sur un av- ion commercial actuel ( A = 1 radian, M = 0,78, W R = 0,18) que les flaperons internes 10 se trou- vent dans la zone d'efficacité maximale. Chacun des flaperons internes 10 est muni d'un -8 organe normal de commande représenté en 21, constitué par exemple par un vérin hydraulique, associé à une vanne pilo- tée par des électrovannes qui reçoivent le signal de sortie du circuit 19 On peut également utiliser des moyens électriques, bien que cette solution soit moins fréquente actuellement. En général, l'amplitude des oscillations nécessaires pour réduire le tremblement est très faible, de l'ordre de + 10 Ces oscillations peuvent être obtenues soit en utili- sant les moyens moteurs 21 qui servent à la commande station- naire, soit en ajoutant un moyen moteur supplémentaire en cascade avec le premier. Les circuits 18 et 19 indépendants peuvent être prévus pour chaque aile ou au contraire on peut prévoir un système global permettant d'élaborer les ordres nécessaires pour les deux ailes et éventuellement de les combiner avec les ordres de commande suivant une loi stationnaire Ce même système centralisé peut être prévu pour actionner simulta- nément ou en fonction des conditions de vol plusieurs sur- faces aérodynamiques différentes, notamment pour tenir compte des conditions de vol On voit en particulier que l'invention peut notamment être intégrée à un système de contrôle automatique généralisé. Des essais menés en soufflerie pour vérifier la validité du procédé suivant l'invention ont notamment permis de tracer le diagramme de la figure 3, qui donne la variation de la densité spectrale d du moment de flexion en fonction de la fréquence f. La courbe 22 donne les résultats des essais sur une aile classique en flèche La courbe 23 montre les résul- tats d'un essai effectué en combattant le tremblement de la même aile par des sollicitations engendrées par un flaperon oscillant, commandées par un circuit retenant uniquement les vibrations limitées au premier mode de vibration de l'aile en flexion On constate un applatissement de la courbe de densité spectrale, avec notamment suppression quasi complète de la pointe correspondante à la fréquence f O du premier mode de vibration de la voilure en flexion. De façon plus générale, les résultats obtenus lors des essais montrent que l'invention permet d'obtenir une -9- réduction de 70 à 80 % de l'amplitude dynamique de vibration de l'aile due au tremblement, d'o réduction de la fatigue dynamique de la structure de l'avion, amé- lioration du confort et augmentation du domaine de vol. Ce résultat est atteint sans modification du phénomène de décollement, par réduction de la réponse dynamique de la voilure. Dans le mode de réalisation montré en figure 4, la réduction du tremblement est obtenue par commande des aéro- freins Sur cette figure 4,on a représenté sur chaque aile des aérofreins ou "spoilers" 301 î 302 ' 303 montrés en position ouverte, c'est-à-dire faisant avec le plan moyen de la voilure un angle de 30 à 600 en général Lorsque les aérofreins sont ainsi ouverts, ils provoquent fréquemment un phénomène de tremblement qui se répercute sur la voilure et sur l'ensemble de la structure de l'avion Pour tenir compte de la répartition d'efficacité, telle qu'elle est illustrée en figure 1 B, il sera généralement avantageux d'utiliser uniquement les deux aérofreins internes 303 pour combattre le tremblement Le circuit en boucle fermée de commande peut avoir une constitution similaire à celle montrée en figure 1 A et comporter encore un détecteur 17, un circuit à seuil 18 et un circuit de traitement de signal du circuit 19 Le servomoteur de commande 21 de l'aéro- frein interne 303 reçoit, par la ligne 20, le signal élec- trique de commande, élaboré par le circuit 19 Encore une fois, l'amplitude Aô à donner aux volets autour de l'incidence moyenne ô est faible, de l'ordre du degré. Les moyens moteurs de commande suivant une loi insta- tionnaire et leur mode de commande peuvent être de nature très diverse, comme cela a déjà été indiqué plus haut La transmission des signaux de détection et de commande s'effectuer 8 généralement par voie électrique, sous forme analogique puis numérique, bien que l'on puisse également utiliser une transmission par voie optique, par exemple comme indiqué dans le document EP-A-0046 875. De même, les moyens moteurs de commande des gouvernes peuvent avoir des constitutions très diverses Les figures - et 6 montrent deux variantes qui, l'une et l'autre,ont l'avantage de limiter l'amplitude du mouvement d'oscilla- tion destiné à combattre le tremblement, de sorte qu'une panne éventuelle du système n'a pour conséquence que le retour aux conditions de vol sans amortissement du tremble- ment, sans conséquence dangereuse pour l'avion. Dans le cas illustré en figure 5, le dispositif 40 de commande du mouvement oscillant d'amplitude Aô est inséré en cascade avec le vérin 21 de commande station- naire de la gouverne 41 Le dispositif 40 comporte un vérin dont le cylindre est solidaire d'un tronçon 421 de la bielle de commande de la gouverne 41 reliée à l'organe mobile du vérin 21 et dont le piston est relié à l'autre tronçon 422 de la bielle L'admission et l'échappement de liquide vers et à partir des compartiments du vérin à double effet 40 peuvent être commandés par des servovalves SV 1 et SV 2 Les fonds du cylindre peuvent constituer butée limitant les déplacements. Dans le cas illustré en figure 6, on retrouve un vérin de commande stationnaire de la gouverne dont l'organe mobile attaque la gouverne par l'intermédiaire d'une bielle 42, cette fois d'une seule pièce L'admission et l'échappe- ment de fluide dans les compartiments du vérin s'effectuent par des conduites 45 reliées à au moins une vanne, généra- lement pilotée par servovalves Le corps du vérin 21 est monté coulissant, avec un faible débattement, dans l'alésage 44 d'un boîtier supplémentaire solidaire de la structure de l'aile La conduite instationnaire est obtenue par l'admission et l'échappement de fluide par l'intermédiaire de canalisations 46 commandées par servovalves. L'invention est susceptible de nombreuses variantes encore de réalisation, permettant de combattre un seul ou plusieurs modes de vibration de la voilure Dans tous les cas, la solution originale apportée par l'invention est de mise en oeuvre aisée, peu onéreuse et très efficace. 1 il o Elle s'applique aux aéronefs existants sans'nécessité de modification importante de la structure et, en particulier, sans adjonction de surfaces mobiles supplémentaires. 57,. 12 - REVENDICATIONS 1 Procédé de réduction du tremblement de la voilure d'un aéronef, caractérisé en ce qu'on mesure au moins un paramètre représentatif du tremblement et en ce qu'on fait apparaître, dans une région localisée de la voilure, des sollicitations d'origine aérodynamique alternées dont l'am- plitude et la phase sont déterminées automatiquement pour produire un amortissement d'au moins un mode de vibration de la voilure. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mesure une contrainte mécanique dans un élément de structure de la voilure. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mesure une accélération. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mesure une pression aérodynamique instationnaire à la surface de la voilure. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on fait apparaître les sollici- tations alternées par action sur au moins une surface aéro- dynamique active constituée par une gouverne remplissant également d'autres fonctions. 6 Installation de réduction du tremblement d'un élément de voilure d'aéronef, comprenant des moyens ( 17) de mesure locale fournissant un signal représentatif de la valeur instantanée d'un paramètre lié au tremblement dans l'élément, tel qu'une contrainte dynamique, et des moyens de filtrage et de traitement dudit signal pour fournir un signal de commande d'une gouverne active ( 10, 303) placée sur ledit élément de voilure dans un sens tel que les dé- placements alternés de la gouverne amortissent les vibra- tions d'au moins un mode de tremblement. 7 Installation suivant la revendication 6, caracté- risée en ce que ladite gouverne est placée à proximité de l'emplanture de l'élément de voilure. 8 Installation suivant la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que ladite gouverne ( 10, 303) est une gouverne remplissant une fonction propre e t en ce que les- dits moyens de filtrage et de traitement dudit signal 13 - fournissent à ladite gouverne un signal de commande selon une loi instationnaire se juxtaposant à la loi stationnaire de commande statique. 9 Installation suivant la revendication 8, caracté- risée en ce que la gouverne est constituée par un aérofrein ou un volet de bord de fuite et en ce que les moyens de filtrage et de traitement dudit signal sont prévus pour donner à ladite gouverne une oscillation d'amplitude maxi- male de l'ordre du degré. 10 Installation suivant l'une quelconque des revendi- cations 6 à 9, caractérisée en ce que les moyens de mesure locale sont constitués par un pont de jauges de contrainte. 11 Installation suivant -l'une quelconque des reven- dications 6 à 9, caractérisée en ce que les moyens de mesure locale sont constitués par un accéléromètre. 12 Installation suivant l'une quelconque des revendi- cations 6 à 9, caractérisée en ce que les moyens de mesure locale sont constitués par un capteur de pression instation- naire. 13 Installation selon l'une quelconque des revendi- cations 6 à 12, caractérisée en ce que les moyens de fil- trage et de traitement dudit signal sont prévus pour effectuer un filtrage passe bande destiné à sélectionner les signaux dans une bande de fréquence correspondant au mode de vibra- tion à combattre, un pseudo-intégrateur et des moyens de réglage de phase.