Brevet FR2659936A1 — publié le 19910927

__ DISPOSITIF D'ENTREE D'AIR POUR AVION SUPERSONIQUE OU HYPERSONIQUE L'invention concerne un dispositif d'entrée d'air pour des avions supersoniques ou hypersoniques pour l'admission d'air dans des turboréacteurs ou des stato- réacteurs, le dispositif d'entrée d'air étant muni d'une rampe d'entrée d'air en forme de caisson orientable. On connaît divers modes de réalisation de disposi- tifs d'entrée d'air pour des avions supersoniques, comme par exemple dans les documents US-PS 37 17 163 et 44 18 879 Il s'agit, dans tous ces modes de réalisa- tion, d'entrées d'air de turboréacteur ou de stato- réacteur dans lesquelles l'air nécessaire au fonctionne- ment du réacteur est amené au moyen d'un volet ou d'un caisson de rampe. Ces modes de réalisation ne conviennent cependant pas pour des dispositifs d'entrée d'air dans lesquels une entrée d'air de turboréacteur est disposée en paral- lèle avec une entrée d'air de statoréacteur Ceux-ci ne permettent en effet ni une commande différenciée de l'admission d'air vers l'entrée d'air concernée combinée à une commande de l'admission d'air totale dans la zone d'entrée d'air commune, ni une évacuation de la couche limite d'air. De plus, les dispositifs d'entrée d'air proposés selon l'état de la technique actuelle ne peuvent pas être utilisés dans le domaine hypersonique compris entre 4,5 Mach et 6,8 Mach, ne serait-ce qu'en raison des pressions et des températures élevées qui apparaissent. Les sollicitations de la rampe d'entrée d'air les plus importantes apparaissent au niveau du col et la pression en aval de la section du col augmente d'environ 4 à 5,5 bar Cela signifie que la structure du dispositif d'entrée d'air doit être adaptée pour des exigences dif- ficiles. Le but de la présente invention est de créer un dispositif d'entrée d'air du type indiqué, qui permette, avec des conditions optimales du point de vue aéro- dynamique, dimensionnel et du point de vue du poids, de sélectionner par des moyens simples le mode de fonction- nement turboréacteur et/ou statoréacteur, qui permette simultanément de contrôler la pression d'entrée globale ainsi que l'évacuation de la couche limite d'air, le dispositif d'entrée d'air étant rigide à la flexion et à la torsion et résistant à la température. Le problème est résolu par le fait que la rampe d'entrée d'air permettant de faire varier la section d'entrée se compose de plusieurs éléments de caisson creux mobiles les uns par rapport aux autres et orienta- bles ainsi que d'un volet d'entrée orientable, et que le dispositif d'entrée d'air comporte un élément de commu- tation orientable communiquant avec la rampe d'entrée d'air, à l'aide duquel peut être réglée l'admission d'air vers des entrées d'air de turboréacteur et de statoréacteur disposées en parallèle. Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments de caisson creux munis d'éléments de rigidifi- cation présentent au niveau des bords de leurs surfaces inférieures d'un côté ouvert une rainure et de l'autre côté ouvert une languette, qui s'engagent dans une forme conjuguée de l'élément de caisson creux voisin, ou deux éléments de caisson creux voisins ou l'élément de cais- son creux et le volet d'entrée d'air sont reliés entre eux avec possibilité de mouvement au moyen d'une articu- lation. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les éléments de caisson creux sont munis d'un élément en tôle à ressort fixé au moins sur le bord supérieur ou d'un cadre en tôle à ressort, qui s'engage dans la cavité de l'élément de caisson creux voisin ou dans l'entrée d'air du statoréacteur. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément de commutation est monté pivotant au moyen d'une articulation centrale entre l'entrée d'air du turboréacteur et l'entrée d'air du statoréacteur dans la structure de l'avion. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément de commutation est composé d'un segment infé- rieur adapté par conjugaison de formes à l'entrée d'air du turboréacteur et d'un segment de conduit correspon- dant à l'entrée d'air du statoréacteur ainsi que de lèvres d'étanchéité orientables côté rampe d'entrée d'air. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément de commutation est amené dans les positions correspondant aux différents nombres de Mach en synchro- nisme avec la rampe d'entrée d'air et son volet d'entrée d'air au moyen d'une unité de commande ou de réglage commune à tous les éléments de réglage. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le pivotement de l'élément de commutation, de la rampe d'entrée d'air et du volet d'entrée d'air l'un par rap- port à l'autre ou de manière isolée est réalisé au moyen d'une ou de plusieurs unités de commande ou de réglage. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la rampe d'entrée d'air et l'élément de commutation ainsi que tous les autres éléments individuels sont réa- lisés en matériaux métalliques et en matériaux à base de poudres métalliques résistant aux températures élevées ainsi qu'en matériaux composites renforcés par fibres, renforcés par fibres de carbone et par céramique. Les avantages de l'invention sont notamment que la rampe d'entrée d'air, grâce à ses segments indépendants mobiles, forme toujours un profil d'entrée favorable du point de vue de l'écoulement jusqu'à la section du col, c'est-à-dire jusqu'au point le plus étroit de l'entrée d'air, et que l'on peut faire varier de manière précise sa section d'ouverture en fonction de la vitesse de vol. Cela permet d'éviter les phénomènes dits de pompage et de ronflement néfastes pour le fonctionnement du réac- teur. La construction en caisson de la rampe d'entrée d'air constitue une structure extrêmement rigide à la flexion et à la torsion vis-à-vis des contraintes très élevées qui apparaissent aux vitesses supersoniques et hypersoniques élevées, laquelle structure conserve par sa stabilité de forme la précision de profil exigée. Parallèlement la construction en caisson de la rampe d'entrée d'air permet d'évacuer de manière avanta- geuse à plusieurs titres, dans le statoréacteur, par l'intermédiaire de l'entrée d'air du statoréacteur, la couche limite d'air chargée en énergie qui se forme au niveau de la cellule de l'avion en amont de l'entrée d'air, le volume de la couche limite d'air à évacuer étant réglé au moyen d'un volet orientable monté sur la rampe d'entrée d'air. Par ailleurs l'élément de commutation orientable placé entre l'entrée du turboréacteur et l'entrée du statoréacteur est, comme tuyauterie de commutation, d'un grand intérêt dans le dispositif d'entrée d'air, étant donné que son orientation est réglée en général de manière synchrone avec la rampe d'entrée d'air, mais peut également être réglée de manière indépendante, pour l'admission d'air vers l'entrée d'air concernée ou simultanément vers les deux entrées d'air La géométrie intérieure de l'élément de commutation est adaptée par conjugaison de formes à la géométrie intérieure corres- pondante de l'entrée d'air du turboréacteur ou du stato- réacteur afin d'éviter les pertes d'écoulement. En ce qui concerne les sollicitations élevées en température et en pression, qui peuvent atteindre jus- qu'à 1800 'C et 5,5 bar en fonctionnement avec stato- réacteur, la géométrie de l'élément de commutation est optimisée de manière telle que ledit élément, par sa forme géométrique, n'a à supporter que la différence de pression entre l'entrée du turboréacteur et l'entrée du statoréacteur, et que sa surface exposée thermiquement peut être maintenue relativement réduite La situation du point d'articulation sur l'élément de commutation constitue également un optimum, en ce qui concerne les forces de commutation résultant par exemple de l'impul- sion d'écoulement, ce qui permet d'obtenir un processus de commutation très rapide et par suite un coefficient de sécurité élevé au plan de la technique des fluides. En outre, le volet d'entrée d'air, la rampe d'entrée d'air et l'élément de commutation peuvent être commandés ou réglés en tant qu'ensemble ou séparément au moyen d'une unité de commande ou de réglage. L'ensemble du dispositif d'entrée d'air a par ail- leurs une forme géométrique simple de manière telle, qu'il peut être réalisé par exemple en n'importe quel matériau métallique ou à base de poudre métallique résistant aux températures élevées, ainsi qu'en matériau composite renforcé par fibres, renforcé par fibres de carbone, et à base de céramique. Des exemples de réalisation sont décrits dans ce qui suit en se référant aux figures du dessin. La Figure 1 représente une vue éclatée des compo- sants du dispositif d'entrée d'air. La Figure 2 a représente une vue en perspective d'un élément de caisson creux muni d'un élément en tôle à ressort de la rampe d'admission d'air. La Figure 2 b représente une vue en perspective d'un élément de caisson creux muni d'un cadre en tôle à res- sort. La Figure 3 représente une vue en perspective de l'élément de commutation. La Figure 4 représente une vue de côté schématique du dispositif d'entrée d'air, dans laquelle sont repré- sentées différentes positions de la rampe d'entrée d'air et de l'élément de commutation correspondant à diffé- rents nombres de Mach. La Figure 1 montre une vue éclatée de l'ensemble du dispositif d'entrée d'air 1, le repère 10 désignant la rampe d'entrée d'air, le repère 30 l'entrée d'air du turboréacteur munie d'une lèvre d'entrée 31, le repère l'entrée du statoréacteur s'étendant parallèlement à l'entrée du turboréacteur et le repère 100 l'élément de commutation Ce dernier est monté avec possibilité de pivotement dans la structure de l'avion 41 représentée ici sous forme de cloison entre d'autres entrées d'air. L'élément de commutation 100 a une forme géométri- que telle, que par son pivotement vertical, l'air entrant puisse être amené soit vers l'entrée d'air 30 inférieure du turboréacteur, soit vers l'entrée d'air 20 supérieure du statoréacteur ou simultanément vers les deux, ainsi que nous le verrons plus loin. Par ailleurs la disposition au-dessus au-dessous des entrées d'air n'est qu'un exemple ici, étant donné que les entrées d'air peuvent également être situées côte à côte, dans des plans différents et ne doivent pas nécessairement être parallèles entre elles, l'élément de commutation 100 et la rampe d'entrée d'air 10 devant alors pouvoir pivoter dans la direction correspondante. La rampe d'entrée d'air 10, orientable verticale- ment dans le présent exemple, se compose d'un ou de plu- sieurs éléments de caisson creux montés mobiles les uns par rapport aux autres, trois éléments repérés lia, llb et lin étant représentés dans le présent exemple de réa- lisation Un volet d'entrée d'air 12 est associé à l'élément de caisson creux antérieur lia, volet qui peut être orienté au moyen d'éléments positionneurs 13 hydrauliques ou autres pour contrôler la quantité d'air évacuée de la couche limite comme cela sera décrit plus loin. La Figure 2 a montre la construction en forme de caisson qui selon le cas peut également avoir une forme circulaire d'un élément de caisson creux lla à lin caractéristique de la rampe d'entrée d'air 10, élé- ment qui est muni intérieurement d'éléments de rigidifi- cation 51 ou d'éléments de traction offrant une faible résistance à l'écoulement Le bord supérieur de l'élé- ment de caisson creux lla à lin est en outre muni d'un élément en tôle à ressort 14, qui s'engage dans l'élé- ment de caisson creux lla à lin voisin, afin d'obturer les fentes qui apparaissent lors du pivotement récipro- que des éléments de caisson creux D'autre part le bord inférieur 52 de l'élément de caisson lla à lin est muni par exemple d'une rainure 53 et l'élément de caisson lia à lin, selon la Figure 2 b, est muni d'une languette 54 s'engageant dans la rainure, et assurant une liaison réciproque Une articulation 55 peut également être pré- vue sur les éléments de caisson creux lla à lin à la place de la liaison à languette et rainure. L'élément de caisson creux selon la Figue 2 b dif- fère de celui selon la Figure 2 a par le fait qu'il com- porte ici un cadre en tôle à ressort 15, qui s'engage d'un élément de caisson creux dans l'autre pour obturer les fentes, et couvre ainsi de manière avantageuse la fente supérieure et les fentes latérales. La Figure 3 montre pour une meilleure compréhension différentes vues de l'élément de commutation 100 orien- table (tuyère de commutation), dont le segment inférieur 101 s'adapte exactement à la forme intérieure de l'entrée d'air du turboréacteur 30 et forme ainsi sa partie supérieure rapportée Le repère 102 désigne le segment supérieur correspondant, dont la forme tubulaire correspond exactement à l'entrée d'air 20 du stato- réacteur Une articulation centrale 40 est en outre mon- tée sur l'élément de commutation 100, articulation au moyen de laquelle l'élément de commutation 100 est monté pivotant dans la structure de l'avion 41 L'élément de commutation 100 présente encore à sa partie avant des lèvres d'étanchéité 103 mobiles ou orientables, qui cou- vrent automatiquement les fentes apparaissant lors de la commutation avec les entrées d'air 20, 30 et avec l'élé- ment de caisson creux lla de la rampe d'admission d'air La forme de l'élément de caisson creux lin peut s'adapter en position pivotée de manière précise à la forme de la lèvre d'entrée 31. La Figure 4 montre les différentes positions de la rampe d'entrée d'air 10, du volet d'entrée d'air 12 et de l'élément de commutation 100 pour différents nombres de Mach allant du subsonique à Mach 6,8. En fonctionnement subsonique selon a), la rampe d'entrée d'air 10 et l'élément de commutation 100 sont basculés vers le haut au moyen des éléments de réglage 13 hydrauliques ou d'autres moyens de commande, ce qui ouvre en grand la section du col 2 de l'entrée d'air 30 du turboréacteur dans la zone de le lèvre d'entrée 31, pour le fonctionnement du turboréacteur 33 La position supérieure de l'élément de commutation 100 ferme l'entrée d'air 20 du statoréacteur par rapport à la sec- tion du col 2 L'accès à l'entrée d'air 20 du stato- réacteur est néanmoins possible par l'intermédiaire de la rampe d'entrée d'air 10 en forme de caisson pour l'évacuation de la couche limite d'air qui se forme en avant de celle-ci sur le profil extérieur 32 de l'avion non représenté A cet effet le volet d'entrée d'air monté sur ou à proximité de l'élément de caisson creux lla est tiré vers le haut en direction du profil de l'avion 32 au moyen de l'élément de réglage 13. La Figure b) montre la rampe d'entrée d'air 10 pour la plage Mach 1,5, en position légèrement pivotée vers le bas, afin de réduire la section du col, l'élément de commutation 100 pour le fonctionnement avec le turbo- réacteur ainsi que le volet d'entrée d'air 12 pour l'évacuation de la couche limite d'air par l'intermé- diaire de l'entrée d'air 20 du statoréacteur se trouvant toujours dans la position supérieure. On voit par ailleurs les lèvres d'étanchéité 103 en contact avec la rampe d'entrée 10, dont la lèvre infé- rieure couvre, plus loin à la Figure d), une fente dans la position inférieure, c'est-à-dire à proximité de la lèvre d'entrée 31. Les deux Figures c) et d) représentent l