Brevet FR2574752A1 — publié le 19860620

L'invention concerne une pale en matériau compo- site pour rotor d'hélicoptère dont la structure est particu- lièrement bien adaptée aux sollicitations tant en flexioh qu'en torsion et qui de plus est redondante; cette qualité permet de conserver l'intégrité de fonctionnement après un endommagement structural. Ce type de structure est également bien adapté aux pales dont l'emplanture est "à fourche". On sait en effet que pour constituer l'emplanture des pales et leur attache aux articulations du moyeu qui auto- risent les mouvements angulaires desdites pales en incidence, battement et traînée, particulièrement quand ces articulations sont constituées par un corps élastique déformable angulaire- ment, connu sous le nom de butée sphérique lamifiée et tel que décrit dans le brevet NO 2 427 251 déposé le 2 juin 1978 au nom de la Demanderesse, il est avantageux que le pied de pale comporte deux branches formant une fourche dont l'extrémité est directement boulonnée sur l'armature interne de la butée sphérique lamifiée. Ce type de construction apporte d'une part une simplification de la construction du rotor et son allège- ment par la réduction du nombre de pièces constitutives, et d'autre part, permet le rapprochement de la liaison pale/moyeu du centre d'oscillation de la pale, ce qui a pour conséquence une réduction importante des efforts dynamiques appliqués à l'attache. Ceci donne à cet organe une meilleure tenue à la fatigue et une durée de vie non limitée. Par ailleurs on connaît des pâles à caissons com- portant soit un unique caisson au voisinage du bord d'attaque soit un caisson multiple dans le sens de la corde de la pale. Le principal avantage de ces pales réside dans leur très gran- de rigidité en torsion permettant notamment d'éliminer les vibrations nées d'un couplage entre les déformations de flexion et de torsion de la pale. Cependant, et plus spécialement dans le cas d'un pale présentant une fourche d'attache, leur réali- satifon devient complexe tout en ne donnant pas entière satis- faction en ce qui concerne la résistance de la zone de liai- son de la partie courante de la structure à l'emplanture à fourche. En effet une structure à un seul caisson devant se diviser en deux caissons pour former les deux branches de la fourche présente une discontinuité dans la zone de transition qui est très défavorable pour le passa- ge des efforts de torsion en particulier. Pour les structu- res a caisson multiple dans le sens de la corde, il est impossible de les prolonger en caissons de branches de fourches sans solution de continuité brusque d'au moins un caisson, d'o également une zone de transition affai- blie. Bien entendu on'remédie à cet affaiblissement par la mise en place de renforts, nervures frettes et autres moyens pour tenter de reconstituer une structure continue mais cela entraîne une grande complication de fabrication. Il s'ensuit que les pales à fourche et à caisson sont pratiquement impossible à fabriquer de manière simple donc économique. La présente invention entend remédier à ces inconvénients en proposant une pale dans laquelle l'ossa- ture résistance est conformée en deux caissons superposés dans le sens de l'épaisseur de la pale afin qu'ils puissent se prolonger de manière naturelle et sans solution de conti- nuité en armature pour les branches de la fourche d'attache de la pale au moyeu de rotor. Plus précisément l'invention a pour premier objet une pale en matériau composite pour rotor d'hélicop- tère constituée au voisinage de son bord d'attaque par une ossature résistante en caissons sensiblement centrée au quart avant de sa section courante transversale. Selon l'une des caractéristiques principales de l'invention, cette ossature comprend deux caissons lbn- gitudinaux superposés, chacun d'eux s'étendant de la pointe au pied de la pale et étant constitué par un longeron avant et un longeron arrière formé d'un faisceau de stratifils en fibres préimprégnées de résine, par un noyau de remplis- sage en matériau léger disposé entre les deux longerons et par une enveloppe renfermant longerons et noyau compre- nant au moins une couche de tissus en fibres parallèles, dis- posées en biais par rapport à l'axe longitudinal de la pale, de manière à former un caisson de torsion, les deux cais- sons étant solidarisés par polymérisation simultanée des parties superposéeset jointives de leur enveloppe respec- tive, tandis qu'à l'arrière de l'ossature est disposé un élément de remplissage et qu'un revêtement extérieur enve- loppe l'ensemble de l'ossature et de l'élément de remplissage. Outre l'avantage de cette disposition concernant la réalisation simple des branchesde la fourche qui sera explicitée en détail ci-après, cette structure comporte un second avantage en ce qui cOncerne la sécurité en-cas d'ava- rie ou de défaillance (caractère fail safe) de la pale pro- voquée par l'impact d'un projectile. Cet avantage est impor- tant pour des pales équipant des hélicoptères à usage mili- taire. En effet le projectile tel qu'une balle possédera dans la quasi totalité des cas une trajectoire ascendante puisque tirée du sol. L'impact du projectile sera donc situé dans le caisson inférieur. Il est certain que dans la zone d'impact la résistance en torsion du caisson inférieur sera très diminuée. Il restera cependant une résistance à la torsion importante conservée par le caisson supérieur qui reste bien réparti de part et d'autre de l'axe de pas classiquement situé sen- siblement au quart avant de la section de la pale. Cette ré- sistance est en outre confortée par le fait que la structure possède quatre longerons formant en tout état de cause une armature également bien répartie autour de l'axe de pas. Ce n'est pas le cas d'une structure en monocaisson, o la raideur en torsion devient pratiquement nulle dans la zone d'impact, ni le cas d'une structure multicaisson dans le sens de la corde de la pale o, bien qu'une raideur résiduelle soit conservée dans la zone d'impact pour le caisson non atteint, il y a déplacement de la zone résistante par rapport à l'axe de pas et changement important de la répartition des contraintes. Par ailleurs, toujours en cas d'impact la rupture d'un caisson dans la zone d'impact ne provoque un déplacement du centre de cisaillement de la section que dans le sens vertical en direction du second caisson si bien que les efforts aérodynamiques passent toujours au très proche voisinage de ce centre-de cisaillement ce qui évite la création de couplages pouvant engendrer des vibra- tions dangereuses. D'une manière générale, le caractère "fail safe" de la partie courante de la pale est amélio- ré par la multiplication des liaisons entre caissons et longerons et la qualité de ces liaisons qui résulte de la compatibilité des matériaux employés (tissus, stratifils, résines) autorisant une polymérisation en bloc dans un moule unique, sans emploi de films de colle rajoutés. Selon une autre caractéristique de l'invention, le pied de pale étant prolongé par une e:aplanture en forme de fourche à deux branches, l'armature de chaque branche de la fourche est constituée par l'extrémité des longerons de chaque caisson, l'extrémité des longerons du caisson supé- rieur divergeant angulairement de l'extrémité des longerons du caisson inférieur, à une distance appropriée des extrémités des branches de ladite -fourche, de part et d'autre d'un matériau de remplissage en forme de coin. On assure de manière naturelle et aisée la continuité de l'ossature tout au long de la pale depuis sa pointe jusqu'à son emplanture sans avoir recours à des éléments de renfort rapportés. De manière avantageuse, chaque longeron est constitué par un faisceau de fibres replié sur lui-même autour d'une douille d'attache de la pale sur le moyeu du rotor, disposée à l'extrémité de chacune des branches de la fourche susdite. Par ailleurs, dans la mesure o la pale comporte au voisinage de son pied une chape d'attache d'un organe de commande (variation de pas) ou d'amortisse- ment, dont chaque branche est pourvue d'une douille d'ar- ticulation, il est avantageux de contourner ladite douille par un petit longeron formé d'un faisceau de fibres conve- nablement orientées, accolé au longeron arrière et incorpo- ré dans l'ossature résistante au caisson sans avoir recours à des pièces rapportées. On peut également incorporer la douille de chacune des branches de la chape susdite à l'ossature de la pale par le moyen d'undrapage de la douille par un empilage de tissus (plis)formant un renfort autour de la douille, s'appuyant sur le longeron arrière du caisson correspondant et recouvert par l'enveloppe de ce caisson. Le second objet de l'invention réside dans un procédé de fabrication de la pale ci-dessus selon lequel l'assemblage de ses différents éléments constitutifs et la polymérisation des résines qui les imprègnent sont réali- sés dans un moule unique constitué de deux demi-moules ri- gides dont l'empreinte correspond au profil de la pale, cha- cun d'eux, préalablement à la fermeture du moule étant successivement: nappé des couches de peau de la pale et d'une partie des couches de fibres parallèles constituant l'enveloppe du caisson, - équipé du faisceaude stratifils situé au bord d'attaque, - pourvu du moyen de remplissage du caisson en matériau léger alvéolaire, - équipé du faisceau de stratifils formant longeron arrière du caisson et de la seconde partie des tissus de fibres parallèles formant l'enveloppe du caisson, l'un d'eux étant également pourvu du matériau de remplissa- ge à l'arrière de l'ossature en caisson, de l'élément en forme de coin assurant la divergence des branches de la fourche susdite et de deux outillages de moulage pour réser- ver les espaces séparant respectivement les branches de la fourche et cellesde la chape susdite. -Selon ce procédé et de manière avantageuse on procède à une première fermeture du moule pour compacter les éléments contenus dans les deux demi-moules, puis à la mise en place d'une coiffe métallique de protection du bord d'attaque et à la fermeture du moule et son chauffage pour assurer la polymérisation des résines d'imprégnation. L'invention sera mieux comprise au cours de la description donnée ci-après à titre d'exemple non limi- tatif qui permettra d'en dégager les avantages et les carac- téristiques secondaires. Il sera fait référence aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 est une vue générale en plan de la pale selon l'invention partiellement arrachée dans sa partie courante et partiellement coupée au niveau de son emplanture. - La figure 2 est une coupe partielle de la figure 1 selon la ligne II - II. - Les figures 3 et 4 sont deux schémas de deux variantes de réalisation de la pale au voisinage de son pied. - La figure 5 illustre le remplissage du moule de réalisation de la pale par une coupe au niveau de sa section courante. - La figure 6 montre le moule de ia figure 5 fermé. - La figure 7 illustre un détail de montage au niveau de l'emplanture à fourche de la pale. - La figure 8 est une section de la partie courante de la pale. En se reportant tout d'abord à la figure 1 on voit une pale d'hélicoptère 1 en matériau composite selon l'invention dont la section de la partie courante est re- présentée en détail à la figure 8. Cette pale comporte une ossature résistante formée de deux caissons de tor- sion 2 et 3 superposés du côté du bord d'attaque 4. Cette ossature est prolongée par une partie arrière voisine du bord de fuite 5 constituée essentiellement par un maté- riau de remplissage 6 (léger et alvéolaire tel qu'une mousse) l'ossature et le matériau de remplissage étant enfermés dans une enveloppe 7 formant la peau de la pale. Pour son atta- che à un moyeu de rotor, le pied de la pale est con- formé en fourche 8 comportant donc deux branches espacées 8a et 8b (voir figure 2). Elle comporte également, à son pied, une chape 9 formée de deux branches (dont une 9a seulement est visible sur les figures 1 et 2). Elle com- porte également une plaque de protection 10 en forme de coiffe de son bord d'attaque 4 par exemple en acier inoxydable. On voit sur la figure 8 que chacun des cais- sons 2 et 3 comporte un longeron avant 11a, 11b formé exté- rieurement au profil du bord d'attaque, en un faisceau de fibres, appelés stratifils, préimprégné de résine de poly- mérisation, un longeron arrière 12a 12b dans le même maté- riau et un noyau intermédiaire13a, 13b (une mousse alvéolaire). L'ensemble des longerons et noyau de chaque caisson est enveloppé dans au moins une couche préimprégnée de résine de tissus 14a, 14b de fibres (verre ou autre) parallèles et dont l'orientation est inclinée par rapport à l'axe longitudinal de la pale. Les couches susditesdans leur partie jointive forment après polymérisation une paroi unique 15 qui constitue une liaison extrêmement stable des deux caissons entre eux. On voit sur la figure 1, dans la partie de gauche en écorché le longeron 1ia de bord d'attaque du caisson d'extrados, le noyau 13a, le longeron arrière 12a, une portion de l'enveloppe 14a qui remonte comme le montre la figure 8 au niveau de la peau de la pale pour se joindre à une autre extrémité de cette enveloppe. Cet ensemble repose sur la paroi 15 susdite sous laquelle on trouve le longeron 11b du bord d'attaque du caisson d'intrados, le noyau 13b et le longeron arrière 12b. Une portion termi- nale arrière de l'enveloppe 14b est égaiement représentée, qui reçoit avec la portion terminale arrière de l'enveloppe 14a, la partie la plus épaisse du matériau de remplissage 6. La partie de droite de la figure 2 représente le pied de pale duquel on a partiellement arraché le reve- tement de peau. On voit de ce fait que l'armature de ce pied de pale, donc l'armature de la fourche d'attache 8 qu'il comporte, est constituée par, pourchaque branche de fourche telle que 8a, la prolongation des longerons 1-la et 12a susdits du caisson correspondant.On remarquera que ces longerons sont en fait chacun constitués par un faisceau - de stratifils replié sur lui-même autour d'une douille 16, 17 prévue à l'extrémité des branches de la fourche. Chaque branche de fourche 8a, 8b (voir figure 2) possède une ar- mature qui est la prolongation naturelle de chacun des caissons 2 et 3 de la partie courante de la pale. Il n'y a donc aucune discontinuité de structure entre lapartie cou- rante de la pale et sa partie d'attache, la zone de transi- tion étant encore en forme de caisson de torsion tout à fait adapté au passage des efforts. Sur la figure 2 on voit que les faisceaux 12a et 12b qui sont le long de la partie courante,(de même que les faisceaux 1ia et 11b) adjacents à la paroi 15, divergent de chaque coté d'un élément 18 en forme de coin pour former les branches de fourche. Il en est de même pour les enveloppes 14a et 14b qui forment la paroi 15. Le schéma de la figure 3 illustre le fait que chaque branche 9a, 9b de la chape 9, qui comporte, de manière connue, une douille d'articulation 19, peut être intégrée au caisson de pied de pale. En effet, un faisceau supplémentaire 20 constitué de fibres repliées autour de la douille 17 est accolé au brin 21 du longeron arrière et la rend solidaire de l'ensemble. Bien entendu, le drapage par tissus de fibres parallèles en biais enveloppe égale- ment la douille. La figure 4 représente une variante de réalisation de la figure 3 dans laquelle les branches de la chape 9 sont constituées par un empilage de tissus préimprégnés conformé en une plaque épaisse 22 qui forme un renfort autour de la douille 19 et s'appuie sur le brin arrière 21 du faisceau 12a de stratifils correspondant. Cet empilage est comme dans la figure précédente, enfermé dans l'enveloppe du caisson. Les figures 5, 6 et 7 montrent schématiquement les différentes phases du procédé de moulage de la pale selon l'invention. Dans deux demi-moules 23 et 24 on met en place successivement: - les tissus 25 préimprégnés de revêtement extérieur de la pale formant sa peau 7 avec les couches 25a de tissus à fibres parallèles orientées en biais sur l'axe longitudinal de la pale. (formant unepartie des enveloppes 14a et 14b susdites), - les faisceaux de stratifils 26 également préimprégnés formant respectivement les longerons avant 11a et 11b, - les pains 27 de mousse alvéolaire taillés au profil désiré qui forment les noyaux 13a et 13b, - les faisceaux de stratifils 28 préimprégnés formant les longerons arrière 12a, 12b des caissons 2 et 3, - les couches de tissus de fibres parallèles 29 préimprégnés qui forment la seconde partie des enveloppes 14a et 14b à l'intérieur de la pale et dont la plus grande surface sera réunie par polymérisation en une paroi unique formant semelle médiane pour la pale, enfin dans l'un des demi-moules, un pain de mousse 30 qui forme le matériau de remplissage 6. Avant de fermer le moule on aura également mis en place tous les autres éléments de remplissage né- cessaires notamment ceux disposés entre les brins de chaque faisceau au droit des douilles 16 et 17 de la fourche d'atta- che, l'élément de coin 18 de chaque côté duquel les fais- ceaux de stratifils divergent, les éléments constituant la chape 9, les inserts métalliques et les pièces mobiles de moulage (noyaux) formant les réserves nécessaires à la constitution des espaces séparant les branches de la four- che 8 et de la chape 9. L'une de ces pièces mobiles de montage est représentée à la figure 7 par la référence 31. Elle sert également au maintien en place de la pièce en coin 18 séparant les deux branches 8a, 8b de la fourche 8. Le moule ainsi équipé est ferme une première fois comme le montre la figure 6 pour procéder à un compac- tage des divers éléments mis en place. Ouvert ensuite pour y mettre en place la coiffe 10 profilée de protection du bord d'attaque, il est à nouveau fermé pour l'exécution de la polymérisation par apport de chaleur. La pale obtenue par ce procédé présente de - nombreuses qualités quant à la résistance aux efforts à laquelle elle est soumise car son ossature résistante pré- sente quatre longerons disposés autour de l'axe de pas (qui se situe en général au quart avant de sa corde), trois semelles (extrados, intrados et paroi mé- diane 15) et des liaisons nombreuses continues et homogènes (exemptes de tout apport de colles ou film de nature différen- te des résines) entre ces éléments résistants. L'invention trouve une application intéressante dans le domaine de la construction aéronautique. REVENDfCATIONS 1. Pale (1) en matériau composite pour rotor d'hélicoptère constituée au voisinage de son bord d'atta- que par une ossature résistante en caissons (2, 3) sensi- blement centrée au quart avant de sa section courante transversale, caractérisée en ce que cette ossature com- prend deux caissons -longitudinaux (2, 3) superposés,chacun d'eux étant constitué par un longeron (11a, 11b) avant et un longeron (12a, 12b) arrière formé d'un faisceau de stratifils en fibres préimprégnées de résine, par un noyau (13a, 13b) de remplissage en matériau léger disposé entre les deux longerons et par une enveloppe (14a, 14b) renfer- mant longerons et noyau comprenant au moins une couche de tissus en fibres parallèles, disposées en biais par rapport à l'axe longitudinal de la pale, de manière à former un caisson de torsion, les deux caissons (2, 3) étant solida- risés par polymérisation simultanée des parties 15 super- posés et jointives de leur enveloppe respective, tandis qu'à l'arrière de l'ossature est disposé un élément de remplissage 6 et qu'un revêtement extérieur 7 enveloppe l'ensemble de l'ossature et de l'élément de remplissage. 2. Pale selon la revendication I caractérisée en ce que, le pied de pale étant pr0longé par une emplan- ture, en forme de fourche (8)-à deux branches (8a, 8b), l'armature de chaque branche de la fourche est constituée par l'extrémité des longerons (11a, 11b, 12a, 12b) de chaque caisson, l'extrémité des longerons du caisson supérieur (2) divergeant angulairement de l'extrémité des longerons du caisson inférieur (3), à une distance appropriée des ex- trémités des branches de ladite fourche, de part et d'autre d'un matériau de remplissage (18) en forme de coin. 3. Pale selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque longeron (11a, 11b, 12a, 12b) est consti- tué par un faisceau de fibres replié sur lui-même autour d'une douille (16, 17) d'attache de la pale (1) sur le moyeu du rotdr, disposée à l'extrémité de chacune des branches (8a, 8b) de la fourche susdite. 4. Pale selon la revendication 3 caractérisée en ce que, la pale (1) comportant au voisinage de son pied une chape (9) d'attache d'un organe de commande ou d'amor- tissement dont chaque branche (9a, 9b) est pourvue d'une douille (19) d'articulation, un faisceau supplémentaire (20) entourant ladite douille et étant accolé au brin arrière (21) du longeron arrière (12a,12b) de chaque caisson (2, 3). 5. Pale selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisée en ce que, la pale (1) comportant au voisinage de son pied une chape (9) d'attache d'un organe de commande ou d'amortissement, dont chaque branche (9a, 9b) est pourvue d'une douille (19) d'articulation, chacune des douilles est drapée dans un empilage de tissus (22) de fi- bres prenant appui contre le longeron (12a, 12b) arrière correspondant et recouvert par l'enveloppe du caisson. 6. Procédé de fabrication d'une pale d'héli- coptère selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'assemblage de ses différents éléments constitutifs et la polymérisation des résines qui les imprègnent sont réalisés dans un moule unique constitué de deux demi-moules rigides (23, 24) dont l'empreinte cor- respond au profil de la pale, chacun d'eux, préalablement à la fermeture du moule,étant successivement: - nappé des couches de peau (25) de la pale et d'une partie (25a) des couches de fibres parallèles constituant l'enveloppe du caisson, - équipé du faisceau de stratifils (26) situé au bord d'attaque, - pourvu du noyau de remplissage (27) du caisson en matériau léger alvéolaire, - équipé du faisceau de statifils (28) formant longeron arrière du caisson et de la seconde partie (29) des tissus de fibres parallèles formant l'enveloppe du caisson, l'un d'eux étant également pourvu du matériau de remplissa- ge (3b) à l'arrière de l'ossature en caisson, de l'élément en forme de coin (18) assurant la divergence des branches de la fourche susdite et de deux outillages (31) de montage pour réserver les espaces séparant respectivement les bran- ches de la fourche et celle de la chape susdite. 7. Procédé de fabrication selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce que l'on procède à une première fermeture du moule pour compacter les éléments contenus dans les deux demi-moules, puis à la mise en place d'une coiffe (10) de protection du bord d'attaque et à la fermeture du moule et son chauffage pour assurer la poly- mérisation des résines d'imprégnation.