Brevet FR2719182A1 — publié le 19951027

L'invention se rapporte d'une tanière générale aux dégivreurs chauffants du type à résistance électrique et elle concerne, plus particulièrement, un dispositif destiné à assurer le dégivrage des surfaces externes d'aéronefs comme, par exemple, les pales des rotors d'hélicoptères, notamment les pales en matériaux composites. L'emploi de pales en matériaux composites s'est généralisé car elles présentent, par rapport aux pales métalliques utilisées antérieurement, de nombreux avantages et notamment, pour certains matériaux composites, un très bon pouvoir d'absorption des ondes électromagnétiques, ce qui entraine une diminution importante de la surface équivalente radar des pales et donc une réduction de la "signature" électromagnétique globale de l'appareil. Pour éliminer la glace se formant en vol sur les pales des rotors d'hélicoptères on peut utiliser des dégivreurs chauffants par effet joule, se présentant sous forme de feuilles, ou de nappes, disposées longitudinalement autour du bord d'attaque de la pale. Les nappes chauffantes comprennent généralement soit des fils ou des bandes métalliques, soit des fibres de carbone ou de bore ou, encore, des particules métalliques noyées dans un matériau souple, par exemple un élastomère. Ces éléments sont fixés à la pale au moyen d'un adhésif approprié ou peuvent meme faire partie intégrante de la pale. L'énergie électrique nécessaire au dégivrage est habituellement fournie par l'alternateur de l'hélicoptère. Ces dispositifs connus de dégivrage comprennent des éléments à forte ou moyenne conductivité électrique qui présentent l'inconvénient d'augmenter notablement la signature radar des pales. Cet inconvénient peut meme constituer un défaut rédhibitoire lorsqu'on est amené, pour augmenter la durée de vie des pales, à recouvrir les éléments de dégivrage d'une piece supplémentaire métallique de protection contre l'érosion, appelée aretier de bord d'attaque. Par conséquent, le demandeur a cherché à réaliser des dispositifs de dégivrage constitués de matériaux non métalliques présentant une bonne résistance électrique aux signaux électriques très basse fréquence de dégivrage, des propriétés maximales d'absorption des ondes éaectromagné- tiques, notamment aux hautes fréquences, compatibles avec celles des matériaux utilisés pour la fabrication des pales, et des propriétés mécaniques permettant de supprimer l'arêtier métallique de protection contre l'érosion. Ces conditions obligent à mettre en oeuvre des dispositifs constitués de matériaux de grande résistance mécanique et qui peuvent atteindre des conductivités électriques à haute et à basse fréquence beaucoup plus faibles que celles des matériaux utilisés jusqu'à présent pour la fabrication des éléments de dégivrage. Le dispositif de dégivrage électrique selon l'invention comprend au moins un élément chauffant constitué d'un matériau composite ayant une résistance mécanique élevée et principalement formé d'une matrice diélectrique renforcée par des fibres non métalliques conductrices de l'électricité, dont la conductivité à basse et haute fréquence, très faible, est inférieure à lOQ t.m:, et des moyens de connexion pour relier les fibres à une source d'énergie électrique. Pour fixer les idées on précise qu'on entend par conductivité électrique à basse et à haute fréquence la conductivité d'une fibre mesurée dans le sens de sa longueur lorsqu'elle est alimentée par des signaux dont la fréquence se situe, respectivement, autour de quelques dizaines de hertz, typiquement 400 Hz, et autour de quelques gigahertz, soit pratiquement la gamme de fréquence des ondes radar. L'élément chauffant peut comprendre des tissus de feutres de fibres courtes ou des fibres longues. Les fibres longues peuvent être agencées dans la matrice parallèlement les unes aux autres mais il est aussi possible, avec ces fibres, de confectionner des tissus bidirectionnels ou multidirectionnels. Avec ces tissus, on dispose alors de produits semi-ouvrés que l'on peut découper puis empiler en couches multiples en choisissant l'orientation des fibres et que l'on imprègne avec une résine synthétique ou une matière céramique pour former un produit composite conducteur de l'électricité, capable de constituer l'élément de dégivrage. Le choix du tissu, du nombre de couches et de leur conductivité permet d'ajuster à la fois les propriétés électromagnétiques du produit obtenu, telles que la bande de fréquence d'absorption et l'atténuation des ondes, et l'efficacité de dégivrage souhaitée. En ce qui concerne les fibres non métalliques utilisables, elles sont, par exemple, obtenues à partir d'un polymère précurseur de carbone tel que le poyacrylonitrile (PAN), un polyamide aromatique ou une résine phénolique, dont la conductivité a été ajustée par un traitement de pyrolyse sous atmosphère contrôlée. Des fibres de carbure de silicium (SiC), obtenues à partir d'un polymère organique à base de silicium, peuvent également être utilisées. La conductivité des fibres variant de façon monotone en fonction de la température de pyrolyse, on peut choisir de façon précise la température finale du traitement thermique en fonction de la conductivité désirée. Toutes ces fibres se présentent de preférence sous forme de fibres longues et leur conductivité peut hêtre réglée de façon précise, à des valeurs comprises entre 0,1 et l01L.m-' et ceci avec une variation de la conductivité inférieure ou égale à 58. Selon un mode de réalisation de l'invention les fibres utilisées sont des fibres de carbure de silicium (SiC) ou de polyacrylonitrile (PAN) ayant subi un traitement thermique approprié permettant d'obtenir d'une conductivité électrique inférieure à 2AL.m!. Parmi les matrices diélectriques utilisables pour la fabrication du dispositif de dégivrage, on trouve les résines organiques thermodurcissables, telles que des résines de type époxyde ou des résines de type phénol. On peut aussi utiliser des résines thermoplastiques se présentant sous forme pâteuse ou pulvérulente, le matériau obtenu étant ensuite durci selon un procédé classique par bombardement par un faisceau d'électrons accélérés. Les moyens de connexion des fibres à la source d'énergie électrique comprennent deux bandes métalliques en contact avec les extrémités des fibres. Le dispositif de dégivrage peut se présenter sous forme de nappes souples et peut alors être utilisé en tant que revêtement pour s'adapter facilement aux formes complexes, un traitement final approprié permettant de durcir la matrice et donc d'accroitre la résistance à l'érosion. A cet effet, et en cas de besoin, la nappe est revetue d'une couche de peinture à base de néoprène ou de polyuréthane. Selon une variante de réalisation de l'invention, la nappe en matériau composite est préformée, par exemple par moulage suivi d'un traitement thermique, et, de plus, présente une section transversale en forme de U pour pouvoir être montée sur la surface à dégivrer et constituer un élément interchangeable facile à remplacer en cas de dommage. Lorsque cet élément en forme de U doit equiper une surface externe d'aéronef telle que le bord d'attaque d'une pale de rotor d'hélicoptère il comprend avantageusement une partie profilée destinée à former le bord d'attaque de la pale. Selon une disposition préférée de l'invention, dans le but de réduire la tension électrique de dégivrage à fournir, le dégivreur est partagé en plusieurs tronçons chauffants de petites dimensions qui sont juxtaposes le long du bord d'attaque de la pale. Ces tronçons sont séparés les uns des autres par des bandes en un matériau à conductivité plus faible, une mince couche d'un revêtement diélectrique etant auparavant appliquée sur toute la partie externe de la pale destinée à recevoir les éléments de dégivrage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description d'un exemple de réalisation faite en référence aux dessins annexés dans lesquels ia figure 1 est une vue perspective d'une pale de rotor d'hélicoptère équipée d'un dispositif de dégivrage selon l'invention ; la figure 2 est une vue en perspective et en coupe suivant la ligne AA' de la figure 1, à grande échelle, d'une partie du dispositif de dégivrage la figure 3 est un schéma montrant les connexions des nappes chauffantes à la source d'énergie électrique. Sur la figure 1 on a représenté schématiquement une pale 10 de rotor d'hélicoptère qui comprend une zone de portance 11 s'étendant, sur toute la longueur de la pale, du bord d'attaque 12 au bord de fuite 13. Un pied de paie 14 sert à fixer la pale à un rotor (non représenté). Un dispositif de dégivrage 15 constitué d'éléments chauffants conforme à l'invention équipe le bord d'attaque et s'étend sur la majeure partie de la longueur de la pale. La pale est constituée de matériaux présentant de bonne propriétés mécaniques (figure 2), agencés en couches correctement profilées et dimensonnées 21, 22, 23, 24. La permittivité et la conductivité de ces couches sont déterminées pour absorber correctement les ondes électromagnétiques, de faible et de forte incidence, avec des niveaux d'atténuation qui peuvent être élevés dans une large bande de fréquence prédéterminée pour, en définitive, présenter une faible surface équivalente radar. Le dispositif de dégivrage comprend avantageusement une série de nappes de dégivrage rectangulaires 25 juxtaposées et espacées de bandes étroites 26 en un matériau à très faible conductivité. On peut ainsi mettre en oeuvre des tronçons de dégivrage de puissance électrique faible, de valeur choisie, avantageusement décroissante de l'emplanture de la pale vers l'extrêmité. Enfin, il est aussi possible de partager chacune des nappes en bandes parallèles au bord d'attaque et de connecter ces bandes à la source d'énergie électrique, en série ou en parallèle et/ou selon un cycle de dégivrage prédéterminé ou adaptable en fonction des conditions atmosphériques. Selon la forme de réalisation présentée, chacune des nappes est constituée de fibres de polyacrylonitrile (PAN) 27, unidirectionnelles et orientées sensiblement parallèlement à la direction du bord d'attaque de la pale. La conductivité des fibres est préréglée à une valeur comprise entre 0,1 et iO=L-! m~l On peut prévoir que le bord d'attaque de la pale présente des parties évidées longitudinalement dont la profondeur est déterminée pour loger des éléments dégivreurs 25 préformés en U et qui constituent, une fois disposés et fixés sur la pale, une surface lisse assurant la continuité du profii de la pale. Comme représenté sur la figure 3, les nappes chauffantes 25 sont reliées, au moyen de bandes de cuivre 31, 32 noyées dans la pale, à une source de courant électrique 33, par exemple l'alternateur de l'hélicoptère. Pour réduire au maximum la signature radar les bandes 31 et 32 sont, dans la partie de la pale proche des nappes1 disposées perpendiculairemement au bord d'attaque. La résistance électrique et donc la capacité calorifique du dispositif de dégivrage. selon l'invention, pour une valeur donnée du courant électrique, est déterminée par le nombre de fibres de PAN ou de SiC par nappe et par la valeur préréglée de la conductivité des fibres. En pratique, la quantité de chaleur nécessaire au dégivrage varie sur toute la longueur de la pale et la présente invention peut favoriser l'obtention d'effets thermiques localisés, de valeurs différentes, puisqu'il suffit de choisir le nombre de fibres par unité de surface et/ou la conductivité des fibres utilisées. Cette disposition permet d'assurer une élimination régulière de la glace le long de la pale et de maintenir ainsi l'intégrité aérodynamique du profil. En variante chacune des nappes de dégivrage 25 peut être alimentée par des sources de tensions de valeurs différentes et/ou pendant des intervalles de temps ajustables, par exemple selon des cycles de chauffage préétablis. Le mode de réalisation qui vient d'être décrit vise un dispositif de dégivrage utilisable sur les pales du rotor principal et du rotor anticouple d'un hélicoptère. Il est fabriqué au moyen de matériaux dont les propriétés, notamment pour l'absorption des ondes électromagnétiques, sont compatibles avec celles des matériaux composites utilisés pour la fabrication de la pale elle-seme. Bien évidemment1 le dispositif s'applique au dégivrage de toute surface externe d'aéronefs telles que les bords d'attaque d'ailes d'avions, des stabilisateurs, des dérives, et des surfaces de commandes. Il convient également pour le dégivrage des pales d'hélices propulsives d'aéronefs ou de navires à effet de surface ainsi que pour le dégivrage des pales de compresseurs. Le dispositif selon l'invention convient encore pour le dégivrage des bords d'attaque des entrées d'air des moteurs. Dans cette application, il remplace avantageusement les systèmes connus avec lesquels on prélève de l'air chaud dans l'étage de compression pour assurer le dégivrage et qui nécessitent l'usinage de passages, conduits, valves de commande, complexes et couteux. A titre d'exemple d'utilisation de l'invention, pour dégivrer une pale d'hélicoptère de 5 mètres de long, on prévoit de disposer, le long du bord d'attaque, 55 nappes rectangulaires de 3sn d'épaisseur, de 9 cm environ de large et de 20 cm environ de long réalisées au moyen d'un matériau constitué de fibres de PAN s'étendant sensiblement parallèlement au bord d'attaque. La conductivité des fibres est de 1A:t.m., lesdites fibres étant liées par une matrice époxyde phénolique. Pour assurer le dégivrage de la pale entière, une puissance électrique de 5 kv est suffisante. Le dégivreur ainsi présenté est ensuite recouvert d'une couche de peinture à base de polyuréthane. Il résiste bien à l'érosion et aux contraintes mécaniques produites lors de la rotation de la pale. REVENDICATIONS 1) Dispositif de dégivrage électrique caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément chauffant constitué d'un matériau composite ayant une résistance mécanique élevée et formé d'une matrice diélectrique renforcée par des fibres non métalliques conductrices de l'électricité, dont la conductivité, très faible, est inférieure & 10 O'.m', et des moyens de connexion pour relier les fibres å une source d'énergie électrique. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérise en ce que la matrice est une matrice thermodurcissable choisie parmi celles de type époxyde ou phénolique 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que des fibres sont des fibres longues et forment un tissu bidirectionnel, le matériau composite comprenant au moins une couche de ce tissu. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que des fibres sont des fibres longues et forment un tissu multidirectionnel, le matériau composite comprenant au moins une couche de ce tissu. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que des fibres sont des fibres courtes et forment un tissu de feutre, le matériau composite comprenant au moins une couche de ce tissu. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les fibres sont des fibres longues agencées parallèlement les unes aux autres dans le matériau composite. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les fibres sont choisies parmi les fibres de carbure de silicium ou les fibres de polyacrylonitrile. 8) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que la conductivité des fibres est réglée & une valeur comprise entre 0,1 et 2 O'.m'. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caracterisO en ce que les moyens de connexion comprennent deux bandes métalliques (31, 32) en contact avec les extrémités des fibres. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 caractérisé en ce qu'il équipe une surface externe d'aRronef 11) Dispositif selon la revendication 10 caracterise en ce que la surface externe est le bord d'attaque (12) d'une pale (10) de rotor d ' hélicoptère. 12) Dispositif selon la revendication 10 caractérisé en ce que la surface externe est en matériaux composites. 13) Dispositif selon la revendication 11 ou la revendication 12 caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs élément chauffants juxtaposês (25) et indépendants disposés le long du bord d'attaque et sépares par des bandes (26) de matériau non conducteur de l'électricité. 14) Dispositif selon la revendication 13 caractérisé en ce que les éléments chauffants ont des conductivités différentes. 15) Dispositif selon la revendication 13 ou la revendication 14 caractérisé en ce que les éléments chauffants sont alimentés en parallèle 16) Dispositif selon la revendication 13 ou la revendication 14 caractérisé en ce que les liements chauffants sont alimentés individuellement et selon un cycle prédéterminé. 17) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 16 caractérisé en ce que chaque élément chauffant est partagé en bandes indépendantes parallèles au bord d'attaque. 18) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 & 17 caractérisé en ce que les éléments chauffants ont une section transversale en forme de U.