Brevet FR2600720A1 — publié le 19871231

Entrée d'air automatique notamment pour moteur d'aéronef La présente invention concerne une entrée d'air pour moteur aérobie et notamment, pour alimenter un moteur d'avion ou d'engin spécial, tel que missile, pour lesquels le domaine de vol est très étendu. Les avions ou missiles aérobies actuels ont en effet un domaine de vol de plus en plus étendu se traduisant par une évolution importante de l'incidence et de la vitesse, exprimée en nombre de Mach, de plus en plus élevée. Pour réaliser une mission au cours de laquelle l'altitude et la vitesse de l'aéronef varient considérablement, il est nécessaire de conserver une alimentation correcte en air du moteur. Pour ces raisons, il est connu d'adapter les entrées d'air des moteurs de ces aéronefs au nombre de Mach amont, c'est-à-dire à la vitesse de déplacement de l'aéronef dans l'air. Si l'optimum est d'adapter à tout instant l'entrée d'air, un bon compromis est obtenu en ne considérant que deux points distincts du plan du vol de l'aéronef, correspondant par exemple à une accélération à basse altitude et à une croisière à haute altitude constante. L'entree d'air à laquelle se rapporte l'invention, est du type de celle fonctionnant par déplacement d'une rampe de compression. Plus précisément, une telle entrée d'air comprend une enveloppe externe, un corps fixé centralement dans l'enveloppe, une rampe de compression déplaçable par rapport au corps dans une ouverture de prise d'air de l'enveloppe, et un piège interne ménage entre la rampe de compression et le corps central pour capter les couches limites d'air qui se sont développées sur la rampe de compression et les évacuer à travers le corps vers l'extérieur de l'enveloppe. Les éléments principaux de l'entrée d'air ont les fonctions essentielles suivantes - la rampe de compression, généralement en pointe ou en ogive, ralentit l'écoulement d'air au niveau de l'ouverture de prise d'air de l'entrée d'air pour limiter les pertes de pression d'arrêt - l'enveloppe extérieure constituant la carène de l'entrée d'air, et parfois du moteur, détermine la section du tube de captation d'air qui subit la compression - le piège interne capte des couches limites d'air développées sur la rampe de compression. Dans les entrées d'air à géométrie variable connues, l'entrée d'air comprend des moyens motorisés pour déplacer la rampe de compression par rapport au corps afin de modifier l'adaptation en débit et la forme du piège à couche limite et parvenir à limiter les interactions chocs-couches limites et ainsi augmenter l'efficacité de l'entrée d'air pour une récupération convenable de la pression génératrice utilisée par le moteur, en fonction de la vitesse et de l'altitude de l'aéronef. Ces moyens sont constitués par exemple par des verins à commande pneumatique ou hydraulique, ou par d'autres systèmes motorisés, asservis par des capteurs de position. De tels moyens créent un surcoût et une complexité technique importante et surtout une augmentation considérable du poids de l'aéronef. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités en fournissant un déplacement naturel de la rampe de compression, libre de quelconques moyens motorisés. L'invention fait appel à la différence de deux forces opposées appliquées en permanence sur la rampe de compression pour déplacer celle-ci. L'une de ces forces résulte de la pression d'air extérieur appliquée sur la face amont de la rampe. L'autre force résulte de la pression due à l'écoulement des couches limites dans le piège et de la pression statique prise en un point de l'extérieur de l'enveloppe appliquées respectivement sur une portion de la face aval de la rampe. A cette fin, une entrée d'air telle que définie dans l'entrée en matière, est caractérisée en ce que la rampe est montée à coulissement libre sur une portion du corps central, et en ce que l'entrée d'air comprend des moyens pour appliquer entre le corps central fixe et une portion aval de la rampe, d'une part, une pression statique prise à l'extérieur de l'enveloppe et, d'autre part3 une pression exercée par les couches limites captées par le piège, ces deux pressions s'opposant à la pression moyenne exercée par l'air extérieur sur la rampe. Comme on le verra dans la suite, la force résultant de la pression statique appliquée sur la face aval de la rampe de compression, en addition à la force résultant de la pression régnant dans le piège permet de surmonter les forces de frottement dues au poids de la rampe en deux points du plan de vol de l'aéronef. A l'un de ces points du vol au cours de trajectoire ascendante de l'aéronef, défini par un premier nombre de Mach de transition prédéterminé, la rampe se deplace vers l'amont et s'éloigne du corps central fixe. A l'autre de ces points du vol au cours de la trajectoire descendante de l'aéronef, défini par un second nombre de Mach de transition prédéterminé, la rampe se deplace vers l'aval et se rapproche du corps central. Cette adaptation variable confère un fonctionnement de l'entrée d'air proche de l'optimum. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, les moyens pour appliquer la pression statique comprennent un tube communiquant avec l'extérieur de l'enveloppe et traversant un mât creux entre l'enveloppe et le corps central3 et un conduit ménagé dans le corps et communiquant avec ledit tube et ladite portion de la rampe, à travers ladite portion du corps du central, et la portion de rampe consiste en un chambrage coulissant librement autour de ladite portion du corps central entre des première et seconde contre-butees solidaires de ladite portion du corps central. Les moyens pour appliquer la pression statique et l'assemblage à coulissement de la rampe et du corps central sont ainsi simples et peu onéreux et ne confèrent pratiquement aucun poids supplémentaire. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparattront plus clairement à la lecture de la description suivante de réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexes correspondants dans lesquels - la Fig.l est une vue en coupe axiale d'une entrée d'air à section circulaire selon l'invention, une rampe de compression étant montrée à des positions rapprochée et éloignée d'un corps central respectivement dans des moitiés supérieure et inférieure de la Fig.1 - la Fig.2 est un schéma montrant l'application des diverses pressions auxquelles est soumise la rampe de compression - la Fig.3 est un graphe montrant une variation de l'altitude en fonction du nombre de Mach au cours des trajectoires de montée et descente d'un missile - les Figs.4 et 5 sont des tableaux de valeurs de rapport de pression en fonction de la vitesse, de l'altitude et de la pression statique selon le plan de vol du missile respectivement pour deux nombres de Mach d'adaptation d'une entrée d'air du missile selon l'invention afin de déduire des valeurs de force appliquée sur la rampe de compression de l'entrée d'air - la Fig.6 est un graphe montrant les variations du rapport de pression dans le piège à couche limite a la pression génératrice en fonction de la vitesse du missile pour les deux nombres de Mach d'adaptation respectivement - la Fig.7 est un graphe montrant les variations du rapport de la force globale exercée sur la rampe de compression au produit de la pression statique par le martre couple de la rampe en fonction de la vitesse du missile pour les deux nombres de Mach d'adaptation respectivement ; et - la Fig.8 est un graphe montrant une variation de l'altitude en fonction de la force globale exercée sur la rampe de compression au cours des trajectoires de montée et descente du missile afin de déduire deux couples de vitesse et altitude pour lesquels la rampe de compression se déplace relativement au corps central. Selon la réalisation illustre à la Fig.I, une entrée d'air a une structure de révolution autour d'un axe longitudinal de symétrie X'X. L'entrée d'air est située à l'avant d'une enveloppe de forme générale cylindrique, constituant une carène 1 d'un moteur d'un aéronef, tel qu'un. statoréacteur de missile par exemple. A l'intérieur de la carène 1, l'entrée d'air comprend essentiellement un corps central 2 pointant vers le moteur de l'aéronef, et une rampe de compression 3. Le corps central a une forme ogivale située en aval par rapport à l'entrée d'air suivant la direction d'écoulement de l'air opposée a celle du déplacement de l'aéronef. La rampe de compression 3 est localisée en amont du corps central 2 et au niveau d'une ouverture frontale amont de prise d'air extérieur 10 de la carène. Le corps central 2 comporte une calotte externe ogivale creuse 20 et une broche de forme générale cylindrique 21 coaxiale à l'intérieur de la calotte 20. L'extrémité ogivale aval de la calotte 20 est fixée à la carène I par trois mâts profilés creux 22. Les mâts traversent en biais un conduit de révolution 4 delimité entre la carène 1 et la calotte 2 pour amener l'air comprimé de l'ouverture frontale 10 vers le moteur. La broche 21 comporte un about aval cylindrique fileté 211 vissé axialement à l'intérieur du sommet de la calotte 201, un tronçon cylindrique allongé creux 212 traversant longitudinalement la majeure partie de la calotte 20, et un about cylindrique aval 213 saillant d'une ouverture frontale aval 202 de la calotte 20. L'about 211, le tronçon 212 et l'about 213 ont des sections circulaires croissant de l'aval vers l'amont. A l'extrémité aval du corps central 2, une cavité annulaire interne 203 est formée entre d'une part, un double épaulement interne au sommet de la calotte 20 et, d'autre part3 un épaulement de la broche 21 entre le tronçon 212 et l'about fileté 211, butant contre le double épaulement. La cavité annulaire 203 communique avec l'extérieur par l'intermédiaire d'un tube coudé de faible section 5 fixé à la carène et à la calotte, et avec un conduit cylindrique axial 214 dans la broche 21 par l'intermédiaire d'un trou radial 215 ou de plusieurs trous radiaux A l'extrémité amont du corps central 2, dans l'about cylindrique 213 de Ia broche 21, est prévue un alésage axial 216 ayant un diamètre nettement plus grand que celui du conduit 214 et formant avec celui-ci un double épaulement interne 217. La rampe de compression 3 comprend une pointe conique 30 orientée vers l'amont avec un angle au sommet typiquement de 50C environ. La pointe est en majeure partie à l'extérieur de la carène devant l'ouverture 10, et a une base 31 située entre l'ouverture 10 de la carène et l'ouverture 202 de la calotte 20. La base 31 est surmontée d'un bossage cylindrique 32 pénétrant dans une portion sensiblement cylindrique large amont 205 de la calotte 20. La base 31 et le bossage 32 forment ainsi avec l'ouverture frontale 202 de la calotte ogivale un piège annulaire 6 écoulant les couches limites d'air développées à la surface de la pointe 30 vers l'extérieur, à travers un conduit longitudinal annulaire 60 entre la calotte 20 et la tige 21, et les mâts tubulaires 22. Dans la base 31 et le bossage 32 de la pointe 3 est pratiqué un alésage 33 formant chambrage dans lequel est monté à coulissement l'about amont 213 de la broche 21. L'alésage 33 est prolongé dans la pointe par un trou taraudé borgne dans lequel est vissée une extrémité amont d'un axe 34 dont la majeure partie plonge dans l'alésage 216 de la broche. Des joints toriques 35 sont encastrés dans des gorges de l'alésage 33 pour rendre étanche la. jonction entre le conduit annulaire 60 et le piège 6, d'une part, et l'alésage 216 et le conduit cylindrique 214 dans la broche, d'autre part. L'extrémité aval de l'axe 34 comporte une butée 341 sous la forme d'une clavette diamétrale selon la réalisation illustrée, ou d'un collet, coulissant dans l'alésage 216 de l'about de broche 213, entre des première et seconde contre-butées. La première contre-butée est formée par l'épaulement 217 entre l'alésage 216 et le conduit 214. La seconde contre-butée est constituée par une bague 218 vissée dans un lamage pratiqué à l'embouchure amont de l'alésage 216, la bague 218 recevant à coulissement l'axe 34. Comme on le verra dans la suite, la rampe de compression 3 est déplaçable naturellement le long de l'axe X'X entre des première et seconde positions déterminées en fonction de l'adaptation de l'entrée d'air à des premier et second nombres de Mach de l'aéronef.A une première position, comme montré en partie haute dans la Fig.1, la clavette 341 bute contre la première contre-butée 217 de la broche 21, la base 31 de la pointe 30 est proche de l'ouverture 202 de la calotte 20, et la largeur du piège 6 est petite. A une seconde position, comme montré en partie basse dans la Fiv.1, la clavette 341 bute contre la seconde contre-butée 218, la base 31 de la pointe est éloignée de l'ouverture 202 et est sensiblement dans le plan de l'ouverture aval 10 de la carène 1, et la largeur du piège 6 est grande. Le déplacement naturel de la rampe de compression 3 de l'une des deux positions vers l'autre résulte de différence de pressions exercées sur les surfaces de la rampe. Du côté amont, la surface conique de la pointe 30 est soumise à une pression d'air moyenne p3 variable avec l'altitude Z et la vitesse de l'aéronef exprimée en nombre de Mach amont. Du côté aval, la face aval de la pointe est soumise à deux pression p p et po. La pression p p est celle régnant dans le piège 6 et le conduit annulaire 60 entre la calotte ogivale et la broche et est appliquée sur une couronne de surface S p délimitée par la périphérie externe de la base 31 et l'alésage 33. La pression p p est celle due aux couches limites développées sur la surface de la pointe, captées par le piège 6 et évacuées par les mâts creux 22. L'autre pression po est la pression statique de l'écoulement d'air amont prise à l'extérieur de la carène et variable en fonction de l'altitude Z. La pression po est captée par le tube 5 et appliquée sur la surface circulaire S délimitée par o l'alésage 33, à travers la cavité annulaire aval 203, le trou radial 215, et le conduit longitudinal 214. Si on désigne par S3 le maitre-couple de la rampe de compression 3, c'est-à-dire la surface de la section de celle-ci âu niveau de la base 31, la rampe de compression est soumise à une force F déduite du schéma de la Fig. 2, en supposant qu'une force orientée vers l'aval est positive F = p3S3 - ppSp PO S o ou , en posant R = 5p153 et So = S3 (1 - R) F/(poS3) (P3/Po) = R(pp/po) - (1 - R) A titre d'exemple non limitatif, on décrit ci-après un exemple d'utilisation de l'entrée d'air selon l'invention pour un engin spécial, tel que missile sol-sol, en choisissant deux nombres de Mach d'adaptation à M1 = 2,15 et M2 = 2,9 pour lesquels la rampe mobile 3 est aux première et seconde positions respectivement. Ce missile est doté d'un moteur associé à des entrées d'air circulaires ayant un diamètre de section de carène de D = 180 mm, un diamètre de base de rampe 31 de 1)3 = 110 mm et un diamètre d'alésage 33 de D = 78,55 mm. Le maltre-couple est donc égal à S3 o = v (0,055)2 = 0,0095 m2, et le rapport des surfaces S et S3 est p égal à R = 0,49. Le poids de la rampe mobile, typiquement en acier, est d'environ 19 N. En admettant un coefficient de frottement de 0,25 environ entre l'alésage 33 et l'about de tige 213, la force nécessaire pour déplacer la rampe 3 est de 4,8 N. Le plan de vol du missile est indiqué à la Fig. 3. Le missile est largué à Mach 2,0 à une altitude de Z - O m, et monte en accélérant jusqu'à une altitude de Z = 21500 m où il atteint un Mach do croisière de 3,4. Puis après un palier à altitude constante, le missile descend en décélérant en raison de l'augmentation de la masse volumique de l'air. Les tableaux des Figs.4 et 5 indiquent différentes valeurs de rapport de pressions p io /p0, Pp/Pio, Pp/Po et p3/p0 et F/(poS3) en fonction de la vitesse en nombre de Mach, de l'altitude Z en mètre, et de la pression statique p en Pascal, afin de déduire la force F exprimée en Newton appliquée sur la rampe de compression 3, pour les adaptations à M1 = 2,15 et M2 = 2,9 respectivement. La pression Pi est la pression génératrice à l'infini de l'écoulement capté par l'entrée d'air et susceptible d'être récupérée par le moteur. Le rapport Pio/Po ainsi que le rapport p3/po, indépendants de l'adaptation, sont calculés en fonction du nombre de Mach de vol et de la géométrie de la rampe 3. Le rapport P /Pi est obtenu par des capteurs de pression logés dans le piège 6 lors d'essais en soufflerie. Les deux courbes dans la Fig.6 montrent l'évolution de ce rapport P /Pi en fonction du Mach de vol pour les deux nombres 10 de Mach d'adaptation M1 et M2 .Des rapports Pi /P et Pp 1io' est déduit le produit (Pio/Po)-(Pp/Pio) = Pp/P . A partir des rapports 10 O o de pression p3/po et pp/po est calcule selon l'équation précédente, le paramètre F/(p S3) dont l'évolution en fonction du Mach de vol est montrée à la Fig. 7 pour les deux nombres de Mach d'adaptation M1 et M2. Les variations de la force F appliquée sur la rampe mobile 3 sont indiquées dans la Fig. 8 en fonction du plan de vol de la Fig. 3, c'est-à-dire en fonction de l'altitude, au cours de la montée et de la descente du missile. Sachant que la rampe 3 est déplaçable de l'une des deux positions predéterminées à l'autre dès qu'elle est soumise à une force F opposée à la force de 4,8 N, on en déduit d'après la Fig.8 que la rampe passe de la première position à la seconde position grâce à une force négative F 4,8 N, dirigée vers l'aval, lorsque le missile, en décélération, atteint le Mach de transition M'2= 2,5 Mach . Dans ces conditions, l'entrée d'air est utilisée pour un fonctionnement proche de l'optimum. Bien que l'invention ait été décrite selon une réalisation préférée, d'autres réalisations entrant dans l'objet de la présente demande de brevet peuvent en être déduites notamment quelle que soit la section de l'entrée d'air qui peut être elliptique, rectangulaire, triangulaire ou, d'une manière générale, polyèdrique, et quelle que soit la géométrie de la rampe de compression qui peut être par exemple en forme de paraboloide. En outre, la limitation de la course de coulissement de la rampe 3 peut être obtenue par d'autres agencements que ceux illustrés par les alésages 33 et 216, les butées 341 et contre-butées 217 et 218. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Entrée d'air, notamment pour moteur d'aéronef, comprenant une enveloppe externe (1), un corps (2) fixé centralement dans l'enveloppe3 une rampe de compression (3) déplaçable par rapport au corps dans une ouverture de prise d'air (10) de l'enveloppe, et un piège interne (6) ménagé entre la rampe de compression (3) et le corps central (2) pour capter des couches limites d'air sur la rampe de compression et les évacuer à travers le corps vers l'extérieur de l'enveloppe3 caractérisée en ce que la rampe (3) est montée à coulissement libre sur une portion (213) du corps central (2) , et en ce que l'entrée d'air comprend des moyens (5, 214) pour appliquer, entre le corps central fixe (2) et une portionCaval (33) de la rampe (3), d'une part, une pression statique (pO) prise à l'extérieur de l'enveloppe (1) et, d'autre part3 une pression (p ) p exercée par les couches limites captées par le piège (6), ces deux pressions (pO, pp) s'opposant à la pression moyenne (p3) exercée par l'air extérieur sur la rampe (3). 2 - Entrée d'air conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour appliquer comprennent un tube (5) communiquant avec l'extérieur de l'enveloppe (1) et traversant un mât creux (4) entre l'enveloppe (1) et le corps central (2), et un conduit (214) ménagé dans le corps (2) et communiquant avec ledit tube (5) et ladite portion aval (33) de la rampe (3) à travers ladite portion (213) du corps du central. 3 - Entrée d'air conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite portion (213) de la rampe (3) consiste en un chambrage (33) coulissant librement autour de ladite portion (213) du corps central (3) entre des première et seconde contre-butées (217, 218) solidaires de ladite portion (213) du corps central. 4 - Entrée d'air conforme à la revendication 1, caractérise en ce que le corps central (2) comprend une calotte creuse (20) ouverte en regard de la rampe de compression (3) et une broche creuse (21) traversant axialement la calotte et fixée dans le sommet (201) de la calotte, la broche (21) ayant un conduit longitudinal (214) intercommuniquant avec un tube de captation de pression statique (5) fixé au sommet de la calotte et avec un alésage (216) dans une extrémité (213) de la broche située dans une ouverture de piège (202) de la calotte, et en ce que la rampe (3) comporte un alésage (33) dans lequel coulisse hermétiquement ladite extrémité de broche (213), et une butée (241) saillante dans l'alésage de rampe (3) coopérant avec deux contre-butées (217, 218) situées aux extrémités dudit alésage de broche (216) pour limiter le coulissement de la rampe (3). 5 - Entrée d'air conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que des portions aval (33 ; 31 et 32) de la rampe sur lesquelles sont exercées la pression statique (po) et la pression de couches limites (p ), ont des sections transversales au coulissement (X'X) de la rampe (3) dont la somme des surfaces (S + S ) est sensiblement égale à la p surface de section transversale (53) de la rampe (3). 6 - Entrée d'air conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la rampe (3) se déplace d'une première position à une seconde position en s'éloignant d corps central (2) pour un Mach de vol (M'1) à une altitude prédéterminée de l'aéronef, et se déplace de la seconde position à la première position en se rapprochant du corps central (2) pour un autre Mach de vol (M'2) à une altitude prédéterminée de l'aéronef.