Brevet FR2704513A1 — publié le 19941104

S'agissant de véhicules, d'engins et turbomachines hydro- ou aéro-dynamiques, on considère généralement trois "niveaux-systèmes imbriqués : ceux du profil et de la surface active, respectivement à deux et trois dimensions, enfin celui de la cellule permettant d'équilibrer tous efforts dus à l'écoulement sur les deux premiers. La présente invention vise particulièrement des profils plus performants, mais bien entendu incorpores dans des surfaces et cellules actives. Sans rappeler en détail l'histoire théorique et constructive de tels appareils, on doit constater que leur représentation classique - à ces trois niveaux - suppose au moins implicitement que l'architecture portante fait appel à des profils indéformables, clos ou non parcourus par des écoulements naturels internes notables, et que le paramètre primordial de contrôle quasi-instantané de portance est l'incidence du ou des profils sur l'écoulement ambiant. La courbure de la ligne moyenne ou squelette de ces profils n'est qu'accessoirement et/ou temporairement utilisée pour en régler la portance.D'un point de vue constructif, la forme prédéterminée desdits profils est matérialisée une fois pour toutes par modelage, déformation y compris plastique, voire usinage, et des nervures ou renforts longitudinaux sont disposés en nombre suffisant, selon l'envergure de la surface, pour maintenir cette forme et transmettre à la cellule ou structure de l'appareil la réaction aérodynamique de 1 'écoulement. Plus précisément encore, on peut observer que la courbure locale le long des revêtements d'intrados et d'extrados des profils classiques décroît plus ou moins continûment de leur bord d'attaque jusqu'à leur bord de fuite. Ce dont résulte un inconvénient majeur : la couche limite de ltécoulement, à la paroi, présente une transition du régime laminaire d'amont à un régime d'aval plus ou moins vite turbulent, et cette transition peut se déplacer en fonction de l'incidence (entre autres), jusqu'à des décrochages locaux de l'écoulement à l'extrados, où ce phénomène est le plus marqué. L'écart fréquent et encore parfois notable entre calcul et essais donne une mesure de la difficulté rencontrée par les bureaux d'études. L'objet de l'invention est la réalisation de profils d'une définition assez simple, ce qui en facilite la construction, mais de performances améliorées et surtout plus proches de l'idéal théorique. Accessoirement, l'on peut attendre des rapports de leur efficacité à leurs poids et coût, plus élevés, voire un accroissement possible d'épaisseur de la surface portante, dont les gains induits sont notables, la notion classique de charge alaire s'estompant au profit de l'envergure pure, du moins en écoulement subsonique. Un tel perfectionnement repose sur des fondements phénoménologiques concrets plutôt qu'abstraits, directement liés à l'obtention naturelle de couches limites stables dans des zones d'habitude perturbées, surtout à l'extrados amont des profils, mais elle s'applique également à des carènes non porteuses et même à des tuyères qui en sont topologiquement symétriques, à deux ou trois dimensions. Suivant l'invention, un profil - qualifié dans ce qui suit d' "élastique" en raison de son mode d'obtentionest caractérisé en ce que la courbure locale de sa portion d'extrados amont EA, située grosso modo entre bord d'attaque A et maître-couple Mç et plus exactement encore à quelques pourcents de la corde du profil en aval de ces deux points-clé, croît continûment, ce qui est immédiatement obtensible par flexion élastique d'un revêtement ou marouflage de raideur appropriée.On notera qu'en ce cas la tangente au revêtement au point de courbure maxima, légèrement en aval de Mc, passe avantageusement sous le bord de fuite F, et que la structure résistante de la surface portante peut se voir simplifiée : la forme d'EA étant naturelle, des demi nervures amont ne sont plus nécessaires pour la définir, mais seulement pour reprendre éventuellement une partie de la portance au voisinage de A, afin de transmettre les efforts correspondant au longeron de cette surface, par exemple. En outre, à partir de la tangente-limite ci-dessus et sur la matérialisation de laquelle on reviendra, le même mode de réalisation peut s'étendre à la partie aval d'extrados EF On note alors l'intérêt d'une courbure locale, cette fois-ci décroissante, quoique toujours continûment, et d'une inflexion, car si les filets fluides ou lignes de courant s'écartent les uns des autres dans cette zone de recompression, leur inertie les dirige vers le revêtement. Ces considérations phénoménologiques locales n'enlevant rien à celles, plus globales, qui tablent sur la continuité fluide tout autour du profil. En accord avec les spécialistes de la théorie de l'aile et notamment von Karman, l'écoulement restera sain dans toute la zone d'extrados EA + EF' où la déviation angulaire du fluide porteur se trouve accusée selon l'invention. Toutes proportions gardées, la zone du bord d'attaque A est beaucoup moins sensible que le voisinage du maître-couple Mc. Rien n'empêche donc de prévoir un rayon en A suffisant pour en faciliter le contournement fluide et le déplacement du point d'arrêt amont suivant l'incidence, de façon usuelle. Les moments de flexion du revêtement étant maxima au voisinage de Mc où se trouve la tangente d'inflexion entre E A et EFR sa réalisation appelle des précautions structurales. Mais cette zone se prête également à une action - toujours naturelle et c'est là l'originalité de l'invention - sur la couche limite d'extrados, que ce soit par soufflage ou par aspiration, mais au moyen d'un léger redan d'extrados créé par dédoublement de son revêtement. Une telle combinaison de fonctions s'obtient avantageusement en intercalant entre E A et E F une bande transversale à deux peaux, reliées par de multiples cloisons perpendiculaires et définissant des tuyères tangentielles, ces peaux pouvant former un léger dièdre longitudinal. Suivant un premier mode de réalisation, une prise de pression dynamique située dans la portion amont du profil, près de A ou un peu en aval à l'intrados, vient alimenter lesdites tuyères en échelle (vu de l'aval). Bien entendu, la section d'entrée est de préférence réglable par tous moyens classiques, dont un exemple est donné plus loin. En variante et supposant que la survitesse liée à la courbure d'extrados soit suffisante, l'écoulement externe en aval du redan induit un flux interne auxiliaire, puisé par toutes perforations de E F et remis en vitesse au travers des tuyères. L'intrados n'a jusqu'ici pas été précisé, tant dans son architecture que dans ses fonctions locales. Il sera, avantageusement aussi, à courbure continue à partir du bord d'attaque. I1 est tout, sauf évident, qu'une telle famille de profils à zone de survitesse concentrée autour du M c - au demeurant définie par trois points : A, M c et F, et une tangente ou deux seulement - soit aussi sensible à l'incidence et aux rafales que les profils classiques, mais elle se prête également, dès lors qu'on a admis la possibilité d'un écoulement interne naturel ou non motorisé, à divers autres modes de pilotage de portance par réglage manuel ou automatisé du débit interne (dûment dégivré, thermiquement par exemple) agissant sur la couche limite en EF et/ou sur la courbure instantanée de sa ligne moyenne. La constitution élastique des profils est en effet compatible avec un "gauchissement", aussi dépassé que ce dernier ait pu paraître un temps. Par exemple, l'intrados flexible et la structure interne de la surface portante peuvent se prêter à la réalisation d'une chambre inférieure dont la pression soit régulée. Le seul inconvénient est de superposer à la courbure décroissante, dans les limites d'élasticité du matériau, une seconde courbure avec flèche maxima à miportée. Dans le cas des cellules d'avion à deux appuis aérodynamiques plus ou moins spécialisés - aile générant l'essentiel de la portance et empennage aux fonctions primordiales de stabilisation/gouverne -, on peut penser qu'une aile perfectionnée suivant l'invention pourrait voir son maître-couple reculer jusqu a mi-corde et sa traînée de frottement réduite d'autant. Il s'agit ici des cellules "à la Blériot", dont l'allongement de l'aile avant porteuse est primordial. Pour les "canards", éventuellement "tandems", si l'envergure de leur aile arrière est égale à celle de l'avant les deux surfaces actives sont porteuses ; si l'arrière est aussi stabilisatrice (il y a analogie patente avec le cas du guidage des automobiles). Aussi on peut concevoir que les gouvernes se situent sur l'une et/ou l'autre surface. Une commande fluidique par demiaile avant paraît de ce point de vue particulièrement avantageuse : différentielle en roulis et simultanée en tangage (selon le brevet français N" 2.255.211 du 20 décembre 1973 du demandeur, par exemple). Le cas des ailes volantes et autres deltas non empennés est plus complexe et ne sera cité ici que pour mémoire. En matière de tuyères - qu'on peut considérer découler de profils porteurs, par symétrie plane ou de révolution -, il est du domaine public également de préconiser une "divergence croissante" de leur portion aval d'extrados (voir brevet français N" 1.254.416 de BERTIN & Cie). S'il existe d'évidence d'autres spirales mathématiques à courbure continûment variable que celles construites par flexion élastique, si donc rien n'empêcherait de mettre aussi celles-là en oeuvre, il reste que l'obtention immédiate et naturelle des profils élastiques leur confère un avantage de simplicité et de coût notable. Cela est probablement dû au passage, via la résistance des matériaux. du domaine de la géométrie abstraite à celui de la mécanique des fluides réels, ou d'une trajectoire à la paroi, imposée, aux accélérations normales du fluide ambiant influencé.On notera enfin que la notion de profil hydro- ou aéro-dynamique, ici plus mécanique que géométrique, a été étendue à tous mâts carénés et carènes navales, aux éjecteurs femelles et même mâles dérivés de la tuyère de Venturi etc.. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, ainsi que les revendications, permettront à l'Homme de l'Art de réaliser l'invention avec les moyens de sa spécialité. La figure 1 schématise un profil classique, avec ses divers points-clé. La figure 2A représente, toujours schématiquement pour comparaison, un profil porteur suivant l'invention, élastique et doté à l'extrados d'une aspiration naturelle de couche limite, tandis que la figure 2B illustre un détail, vu de l'aval, du profil de la figure 2A. Les figures 3A et 3B sont, en élévation d'épaisseur exagérée, et en vue par dessus de la structure seule, une variante de profil élastique à soufflage naturel. La figure 4 montre en demi-coupe une carène élastique (soufflée). La figure 5 est une élévation schématique coupée de l'appui avant d'une cellule d'avion tandem ultra-léger. L'extrados amont est à flexion élastique alors que l'extrados aval comme l'intrados sont de simples films tendus avec reprise externe d'efforts, par la cellule. La figure 6 donne un détail de réalisation possible du longeron macro-composite et précontraint correspondant. En référence à la figure 1, on peut voir en demicoupe un profil d'apparence classique et symétrique pour simplifier. Son bord d'attaque A est arrondi - les rayons de courbure usuels valant de 1 à 3% de la corde AF -; le bord de fuite F présente un dièdre léger; le matre-couple M c se situe généralement entre 30 et 50% de la corde, la valeur supérieure correspondant aux profils dits "laminaires. On note que la courbure locale décroît de A à F et, notamment, à l'extrados EA r EF . D'ailleurs, un V élastique à sommet arrondi ou "pince de photographie" (représenté en pointillés), dont on force les deux extrémités à se rejoindre en F, stavère très proche des profils NACA mais s'écarte des laminaires. Quel que soit son mode de réalisation et notamment par déformation, coulée et/ou usinage, un tel profil est réputé clos, à quelques évents près, aux fins d'équilibrage des pressions externe et interne et d'évacuation de toute entrée d'eau intempestive. Il est réputé solide ou indéformable, le revêtement étant généralement raidi par des nervures rigides (non représentées, mais parallèles au plan de figure et en nombre suffisant en envergure). La figure 2 montre comparativement et toujours schématiquement un exemple de profil suivant l'invention. Ses particularités essentielles et distinctives sont les suivantes - la portion d'extrados amont EA, dépassant légèrement le maître-couple M c vers 11 aval, présente une courbure continûment croissante (et non plus décroissante) à partir d'un éventuel arrondi en A, et la tangente la plus aval T E de cette portion d'extrados passe sous F; - la portion aval d'extrados EF présente une courbure réflexe ou inverse, tant par sa concavité vers le haut que par sa décroissance continue dans le sens de 1 'écoulement; - l'intrados I est également à courbure continûment variable, et ici décroissante à partir d'une tangente T1 voisine du bord d'attaque A;; - la structure est réduite à un longeron 2, de section générale trapézoïdale pour fixer TE, et à des nervures planes 3 équicontraintes joignant respectivement les zones Mc, A et F. Les modes d'assemblage avec le revêtement, de raideur appropriée à sa flexion purement élastique, sont de tout type classique ou détaillé plus loin sur des exemples, ce qui n' exclut toutefois nullement une consolidation du revêtement, notamment par moussage interne sans pression de tout matériau à pores ouverts;; - enfin, un léger redan peut être situé à l'extrados, juste en aval du maître-couple Mc et/ou du point de courbure maxima de EA I1 est alors constitué avantageusement par une bande transversale 1 à double peau (qui ressemble à une embouchure d'harmonica comme le montre la figure 2B), combinant des fonctions structurales et aérodynamiques. Du point de vue de la résistance des matériaux, cette bande 1, qui peut s'obtenir par filage ou injection sous pression d'alliages ou tous polymères rigides et légers, sert à relier au longeron 2 les portions amont EA et aval E F du revêtement d'extrados, avec reprise des moments de flexion correspondants. Cela, par tous procédés d'assemblage continu ou discontinu comme : clipsage avec bord tombé, collage, épinglage par rivets ou boulons,soudage par points ou haute fréquence, etc.. Aérodynamiquement, sa peau supérieure étant solidarisée avec EA et l'inférieure avec EF, elle crée un léger redan. Celui-ci peut être mis à profit pour améliorer la stabilité de la couche-limite d'extrados, selon deux modalités classiques dont la figure 2 représente la première, par aspiration. Dans ce cas, l'écoulement externe pariétal orienté selon T E est supposé assez énergétique pour induire une dépression interne et pour stabiliser définitivement la couche limite d'extrados, de façon connue en soi, via des perforations ou toute porosité de EF (voire de EA). Les figures 3A et 3B apportent des précisions d'ordre structural, mais illustrent également un soufflage tangentiel et surtout naturel de couche limite, en aval de la bande 1. Cette fois-ci, c'est l'écoulement interne qui est inducteur et vient souffler naturellement EF, parachevant ainsi la déviation angulaire le long de E A - exagérée sur la figure mais pouvant être considérable -, étant entendu que la variation continue de la courbure propre aux revêtements élastiques et surtout sa croissance tout au long de E A contribue pour une bonne part à la stabilité de la couche limite d'extrados. Les passages internes de la bande 1 (en échelle vu de l'aval) sont globalement tangentiels. Encore peuventils avantageusement et sans trop de complication de fabrication présenter une section variable d'amont vers l'aval, que ce soit par existence d'un dièdre entre les peaux supérieure et inférieure de ladite bande (en élévation), et/ou par variation d'épaisseur en plan des cloisons joignant ces deux peaux, de manière à former des tuyères élémentaires bidimensionnelles genre Venturi. Ainsi, le fluide ambiant capté en 4 dans une zone de surpression relative, notamment grâce à une fente transversale du revêtement d'intrados, dont les deux lèvres sont reliées par un compas à toute charnière d'axe 41 déporté en aval, met en surpression une chambre interne au profil, avant d'être éjecté tangentiellement à l'amont de E F via 1. Cette prise de pression 4 évoque une gueule de raie et quelques précisions fonctionnelles éclairent sa conception. Les bords de la fente s'étendant selon une portion au moins de l'envergure seront avantageusement renforcés par tout matériau de moindre module d'élasticité que le revêtement proprement dit, et le bâillement des lèvres formant prise dynamique de fluide, facilité par usage de vérins plats en élastomère ou d'une technique courante en matière de freinage de véhicules. Structurellement, le longeron et la nappe de nervures, ainsi que le procédé d'assemblage final de l'aile, peuvent être décrits comme suit. Le longeron 2 peut être qualifié de "macrocomposite" dans la mesure où il met en oeuvre divers matériaux ou demi-produits, chacun spécialisé selon la contrainte principale locale et au besoin précontraint. Par exemple, la semelle supérieure et la ou les âmes 21, 22 peuvent consister en tous profilés en U ou en S d'alliage léger plié ou de composite filamentaire, comme d'ailleurs une semelle inférieure 24 travaillant principalement en traction suivant l'envergure, mais on peut concevoir qu'un renfort de compression 23 soit ajouté sous la semelle supérieure, par exemple en bois debout ou même en empilement céramique, et/ou qu'au moins un tube composite interne gonflé vienne stabiliser l'ensemble. La nappe de nervures 3 ou de demi-nervures avant 31 et arrière 32, de forme en plan quasi triangulaire afin d'en faire des poutres équicontraintes en flexion, est solidarisée avec le longeron 2 par tous moyens classiques et sur les figures par deux lignes de boulons ou rivets 27. Tout matériau lamellé ou sandwich convient pour 3. Le mode de réalisation d'une aile ou surface portante, supposant seulement que sa forme en plan et son vrillage en envergure restent compatibles avec une développabilité élastique du revêtement, débute par découpage à plat des trois portions EA, E F et éventuellement I (si la nappe 3 n'est pas continue afin de constituer elle-même l'intrados), puis par assemblage, toujours à plat et de préférence continu, de la bande 1 sur EA et EF Par ailleurs, le longeron 2 et la nappe 3 sont rendus solidaires. I1 convient alors d'assembler, au bord d'attaque A, EA et éventuellement I sur les becs des demi-nervures avant 31. Tous bords tombés (voir figures 3A) ou renforts transversaux servent à améliorer la continuité en envergure. Puis de fixer 1 sur la semelle supérieure du longeron 2 et, enfin, de parachever le bord de fuite F, un épinglage 52 y suffit et peut même comporter à l'intrados des boutonnières longitudinales 53. Afin de satisfaire à la loi de courbure élastique de EA, il faut éviter d'introduire en A tous moments parasites, aussi le bord tombé d'assemblage doit avoir un angle bien choisi, à moins qu'une charnière ou équivalent mécanique incorporant éventuellement la "gueule de raie" 41 et sa commande n'y supplée. Le fonctionnement d'une surface portante selon l'invention ne diffère de celui modélisé par la théorie classique que par accentuation de la déviation locale de l'écoulement ambiant à l'extrados, résultat de la loi spécifique de courbure adoptée. Si l'on étend à l'aile le langage propre aux turbomachines, on peut dire qu'un tel profil "spiralé ou élastique" présente un "degré de réaction" moins élevé que son homologue classique de même épaisseur. La zone de dépression maxima étant plus localisée aux alentours du maître-couple, on peut en attendre divers avantages directs et indirects. Tout d'abord, une atténuation des variations du moment aérodynamique sur la surface portante et probablement aussi de sa sensibilité à l'incidence ; mais également, sans détérioration notable de traînée car une réduction de longueur de E F est envisageable, une augmentation d'épaisseur avec les gains induits correspondants : envergure accrue, à masse et/ou résistance donnée, rapprochement de la Blaire théorique, etc.. A part l'aspect zoomorphe et l'économie de moyens évidents de l'invention, on peut noter qu'elle illustre une conception-système des interactions solide/fluide. Tant par le lien direct qu'elle met en oeuvre entre géométrie, mécanique des solides et mécanique des fluides, via le concept de courbure élastique ou continue; que par le passage de celui de profil solide/clos à déformable/parcouru par un écoulement interne naturel. Le cas des carènes bi- ou tri-dimensionnelles est illustré par la figure 4. Ici, c'est un gain sur le rapport des traînées de forme et de frottement et une possibilité d'accroissement du maître-couple qui sont visés. La symétrie permet de réduire la structure de carénage au seul longeron 2, les efforts de fermeture en A et F s'équilibrant mutuellement. La gueule de raie de bord d'attaque est optionnelle, en cas de soufflage naturel. Les figures 5 et 6 décrivent toujours schématiquement une application de l'invention à une cellule du genre avion, mais tandem et ultraléger. On peut penser que le recours assez poussé à la précontrainte doit procurer un gain de masse structurale complémentaire notable, donc que les planeurs "pour petits temps" et les avions d'observation télécommandés en seraient premiers bénéficiaires. (Sans insister sur une matérialisation non métallique à écho radar très réduit). On retrouve principalement le revêtement EA, encastré sur la semelle supérieure du longeron 2 et à courbure élastique. Un renfort tubulaire 7 est prévu en A, mais le revêtement suivant EF et I est ici purement tendu, par exemple au moyen (connu en soi) d'un câble de bord de fuite 9 mis sous tension en forme de chaînette, par tous moyens 10 le reliant à la cellule hors du profil. Bien entendu, le revêtement entier peut constituer une manche enfilée sur l'ensemble 2, EA Il est également possible de différencier EF, qui gagne à être poreux pour une éventuelle aspiration de couche limite, de E A et I étanches. La maîtrise de la pression interne au profil (mise dans le domaine public par le brevet français No. 2 255 211), est ici assurée au moyen d'une gueule de raie 4 et d'un éjecteur mâle il à cloison d'extrémité 12 (du genre illustré par la figure 4). Sous la simplicité apparente de réalisation s'analyse une combinaison de fonctions assez complexe, rendue possible par les profils élastiques et le choix d'une cellule tandem dont on peut espérer une stabilité et une robustesse considérables. Non seulement, l'allongement relatif réduit de l'aile avant, par rapport à l'arrière, et le centrage avant de la cellule sont-ils garants d'une stabilité marquée ; mais encore le pilotage par commande d'une gueule de raie par demi-aile avant permet-il à la fois d'agir différentiellement en roulis et simultanément en tangage (par action sur l'épaisseur de la surface avant, donc sur la courbure de sa ligne moyenne). Enfin, on peut attendre de la forme même du profil une moindre sensibilité aux rafales, que le montage élastique du bord de fuite vient encore renforcer. En "mode dégradé", on peut noter qu'une panne de commande de gueule de raie s'accompagne d'un accroissement de courbure et de portance, permettant un atterrissage à vitesse réduite. Le longeron (figure 6) est avantageusement macrocomposite. Un profilé de section générale en H couché, par exemple d'alliage léger filé, voit sa semelle supérieure renforcée par nervurage clos et/ou insertion d'une pile d'éléments céramiques 82. Un tube composite 25, au moins, est inséré avant gonflage entre les ailes du H et par exemple positionné de proche en proche par sanglage externe. Ce qui n' empêche pas l'assemblage quasi-continu de EA sur sa semelle supérieure, grâce par exemple à un bord tombé ou toutes agrafes en U que le gonflage de 25 vient renforcer encore. Bien entendu, toutes variantes entièrement non-métalliques sont concevables et l'invention s 'étend à toutes solutions équivalentes, dans le cadre des revendications. REVENDICATIONS 1. Profil aéro- ou hydro-dynamique perfectionné, comprenant une structure interne rigide sur laquelle est assemblé, principalement dans les trois zones du bord d'attaque, du bord de fuite et légèrement en aval du maître-couple à l'extrados, un revêtement en tout matériau capable de flexion élastique, caractérisé en ce que la courbure élastique de la portion d'extrados amont dudit revêtement croit continûment du voisinage du bord d'attaque à celui du maître-couple, de manière à maintenir la couche limite en accélération donc stable. 2. Profil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la portion aval d'extrados est également à courbure continûment variable par flexion élastique. 3. Profil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la courbure de sa portion aval d'extrados décroît vers l'aval. 4. Profil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intrados est également à courbure élastique. 5. Profil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la tangente au raccordement des portions amont et aval d'extrados coupe sa ligne moyenne en amont du bord de fuite. 6. Profil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le revêtement d'extrados est dédoublé et renforcé, à quelques pourcents de la corde en aval du maître-couple, par solidarisation de sa portion amont sur et de sa portion aval sous une bande transversale à deux parois reliées par des cloisons multiples et formant vu de l'aval des tuyères tangentielles. 7. Profil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux parois de ladite bande et les tuyères présentent en élévation une convergence vers l'aval. 8. Profil selon la revendication 6, caractérisé en ce que la bande est combinée avec une entrée de fluide éventuellement réglable, située près du bord d'attaque et notamment à l'intrados, pour un soufflage naturel de couche-limite. 9. Profil selon la revendication 6, caractérisé en ce que la bande est combinée avec toute porosité de l'extrados, afin d'y créer une aspiration naturelle de couche limite. 10. Profil selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la portion amont d'extrados est combinée avec une portion aval et un intrados faits de tous films souples, simultanément tendus au moyen d'un câble transversal de bord de fuite et par tous moyens externes.