Brevet FR2756253A1 — publié le 19980529

ELEMENTS RESISTIFS POUR LE CHAUFFAGE D'UN PROFIL AERODYNAMIQUE, ET DISPOSITIF DE CHAUFFAGE D'UN PROFIL AERODYNAMIQUE INCORPORANT DE TELS ELEMENTS La présente invention concerne les dispositifs de chauffage de profils aérodynamiques. Les profils concernés sont généralement ceux dont la forme aérodynamique ne doit pas être perturbée par la formation de glace, notamment des pales d'hélicoptères (rotor principal ou rotor anticouple), ou encore des ailes d'avion... Le problème du givrage des profils est bien connu dans l'industrie aéronautique. La forme des profils aérodynamiques peut être modifiée en raison de la formation de glace résultant de ce que, en vol, le profil rencontre des gouttelettes d'eau en surfusion contenues dans l'atmostphère. Ce problème est souvent traité en équipant le profil d'une structure chauffante à effet Joule. On distingue les "dégivreurs", dont les éléments résistifs dissipateurs de chaleur sont alimentés de façon intermittente pour éliminer la glace qui se forme régulièrement, et les "antigivreurs", dont les éléments résistifs sont continûment alimentés pour empêcher la formation de glace. Bien que la présente invention soit présentée ci-après dans son application aux antigivreurs, à titre d'illustration, on comprendra qu'elle est également applicable aux dégivreurs. Le plus souvent, la structure chauffante consiste en des résistances métalliques. Ces résistances métalliques posent des problèmes de tenue mécanique, particulièrement dans le cas d'un profil aérodynamique en matériau composite, de tolérance aux dommages (une redondance multiple est nécessaire pour éviter que la rupture d'une résistance métallique empêche l'ensemble du dispositif de fonctionner), d'hétérogénéité surfacique du chauffage, et de corrosion. Pour limiter l'incidence de ces problèmes, il a été proposé d'utiliser un dégivreur composite dont les éléments résistifs se composent de fibres de carbone (voir brevet français 2 578 377). Ces éléments résistifs forment des bandes de fibres de carbone qui s'étendent de préférence le long du bord d'attaque du profil. L'invention trouve une application particulière dans le domaine des pales d'hélicoptère. Plusieurs phénomènes physiques complexes entrent en jeu, de façon parfois antagoniste, dans le comportement thermique, la captation et le dégivrage d'une pale. Pour la clarté des explications, on se limitera ici à la description des phénomènes les plus simples, et on les considérera indépendants les uns des autres: a) l'échauffement cinétique généré par la rotation d'une pale dans l'air est plus important à son extrémité qu'au pied de pale. De ce fait, la puissance surfacique à fournir pour la protection thermique tend à diminuer vers l'extrémité de la pale; b) les coefficients d'échange convectif sont supérieurs à l'extrémité de la pale du fait de la vitesse de rotation plus élevée. Toutes choses égales par ailleurs, ce phénomène fait que la puissance surfacique à fournir pour la protection thermique est plus élevée en extrémité; c) le volume de captation est plus important à l'extrémité de la pale car les particules d'eau en surfusion ont moins tendance à être déviées par l'écoulement aérodynamique autour du profil quand les vitesses relatives augmentent. Considéré isolément, ce phénomène requiert une puissance thermique surfacique plus élevée à l'extrémité de la pale; d) les simulations (codes et essais) du comportement thermique d'une section de pale antigivrée montrent que, dans certaines conditions de vol (vol en air sec, antigivreur en marche), les températures atteintes dans la pale dépassent les limites admissibles pour les résines constituant cette pale. On utilise alors ces codes pour résoudre le problème inverse et calculer les puissances thermiques surfaciques admissibles pour ne pas dépasser ces températures "critiques" pour les résines. L'évolution de la puissance thermique surfacique obtenue est inversée par rapport au cas "a" ci- dessus car le phénomène en air sec est piloté par les échanges convectifs, ce qui conduit à diminuer la puissance surfacique de chauffage de manière plus importante en pied de pale qu'en extrémité. Il est à noter qu'en général, le pilote n'a pas à sa disposition un détecteur de formation de givre suffisamment fiable. Ainsi, lorsqu'il se trouve dans des conditions pouvant devenir givrantes (approche de nuages givrants,...), il met en marche l'antigivreur en anticipant: l'air peut alors être encore sec. L'antigivreur risque dans ces conditions d'être trop efficace et de provoquer sur la pale des températures trop élevées. Ces conditions doivent donc être prises en considération dans la conception de l'antigivreur. En tenant compte des différents phénomènes pertinents, les aérodynamiciens et thermiciens énoncent des spécifications sur l'évolution de la puissance thermique surfacique à fournir sur la surface du profil. Pour obtenir une variation de la puissance thermique par unité de surface perpendiculairement à la direction des bandes, on peut prévoir des épaisseurs de carbone différentes d'une bande à l'autre. Pour obtenir une variation parallèlement à une bande, la pratique courante est d'interrompre certaines des nappes de fibres constituant la bande en certaines positions le long de la bande, ce qui conduit à des épaisseurs et des résistances électriques différentes sur des tronçons successifs. Cette façon de procéder provoque des variations brusques de la puissance surfacique et ne permet pas de respecter aisément les spécifications thermiques. Un but de la présente invention est de proposer une structure composite de chauffage permettant de faire évoluer progressivement la puissance thermique surfacique dissipée parallèlement au bord d'attaque. L'invention propose ainsi un élement résistif pour le chauffage d'un profil aérodynamique, comprenant plusieurs nappes superposées de fibres électriquement conductrices, les nappes et les fibres conductrices s'étendant parallèlement à un bord d'attaque du profil aérodynamique. Au moins une première des nappes superposées a une largeur constante, tandis qu'au moins une seconde des nappes superposées a une largeur continûment variable le long du bord d'attaque et inférieure à la largeur constante de la première nappe. Un dispositif de chauffage du profil pourra ainsi comprendre un ou plusieurs éléments résistifs de ce type disposés parallèlement au bord d'attaque et alimentés électriquement pour dissiper de la chaleur par effet Joule. Les nappes de carbone de largeur variable assurent une progressivité de la résistance de l'élément résistif le long du bord d'attaque, qu'on peut aisément adapter à la variation requise de la puissance thermique surfacique. Les nappes de largeur constante permettent de conserver un intervalle constant entre éléments adjacents, ce qui évite l'apparition de points froids susceptibles de capter le givre. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un profil aérodynamique équipé d'un dispositif selon l'invention; - la figure 2 montre une section transversale d'un tapis chauffant d'un dispositif selon l'invention, représenté à plat, prise selon le plan II-II indiqué sur la figure 3; - la figure 3 est une vue en plan des éléments résistifs du tapis chauffant de la figure 2, représenté à plat; - la figure 3A montre une variante du tapis de la figure 3; et - les figures 4 à 9 sont des vues de dessus schématiques d'éléments résistifs selon l'invention. La figure 1 montre schématiquement en coupe transversale un profil aérodynamique 10 constitué par une pale d'hélicoptère, par exemple de rotor anti-couple, et équipé d'un antigivreur selon l'invention. Les références numériques 12, 14 et 16 désignent respectivement l'intrados, l'extrados et le bord d'attaque de la pale 10. La pale est réalisée en matériau composite, et le voisinage de son bord d'attaque 16 est couvert par un blindage métallique 20 de protection contre les impacts. Immédiatement derrière le blindage 20 se trouve un tapis chauffant en matériau composite constituant l'antigivreur. Ce tapis chauffant comporte plusieurs éléments résistifs 24, 26 constitués par des bandes de fibres conductrices (carbone) s'étendant longitudinalement selon l'envergure de la pale, c'est-à-dire parallèlement au bord d'attaque 16. Les figures 2 et 3 montrent un exemple de tapis chauffant utilisable dans un dispositif selon l'invention. Les éléments résistifs en carbone 24, 26 s'étendent sur la plus grande partie de l'envergure de la pale. A son extrémité proximale (vers le moyeu du rotor), chaque élément résistif 24, 26 est relié à un conducteur d'alimentation 28, 29 au moyen d'une gaine 30, 31 en forme de treillis métallique (cf. FR-A-2 578 377). La gaine 30, 31 entoure l'extrémité proximale de l'élément résistif en carbone sur une longueur d'environ 50 mm par exemple, et elle emprisonne le conducteur 28, 29 pour assurer le contact électrique. A leurs extrémités distales, les éléments résistifs 24, 26 sont en contact électrique de façon à être associés par paires. Chaque paire comporte une bande 24, 26 pour la circulation du courant vers l'extrémité de la pale et une bande 24, 26 pour le retour du courant vers le pied de pale. Pour chaque paire, une ou plusieurs nappes de fibres conductrices en carbone 32 s'étendent transversalement au bord d'attaque et sont en contact avec les extrémités distales des éléments résistifs 24, 26 de la paire. Dans le cas particulier montré sur les figures 2 et 3, les paires d'éléments résistifs sont montées en série au moyen des gaines 31 et des conducteurs 29, et reliées au moyen des gaines 30 et des conducteurs 28 à une alimentation électrique 34 de l'hélicoptère. Les bandes 24 situées sur le bord d'attaque 16 et l'extrados 14 de la pale ont une largeur inférieure à celle des bandes 26 situées sur l'intrados 12. Dans la variante de réalisation de la figure 3A, le montage en série des paires d'éléments résistifs est assuré non pas par des systèmes connecteurs de type gaine 31/conducteur 29, mais par des nappes de fibres de carbone 33 de même nature que les nappes 32 situées à l'extrémité distale. Bien entendu, il serait encore possible d'assurer les contacts électriques à l'extrémité distale au moyen de systèmes connecteurs de type gaine/conducteur. Une autre possibilité est de raccorder les éléments résistifs ou les paires d'éléments résistifs en parallèle plutôt qu'en série. Chaque bande de carbone 24, 26 constituant un élément résistif se compose d'une ou plusieurs nappes 34, 36 de fibres de carbone de largeur constante le long de l'envergure de la pale, et d'une ou plusieurs nappes 44, 46 de fibres de carbone de largeur continûment variable le long de l'envergure de la pale. Sur la figure 3 ou 3A, les nappes de carbone de largeur constante sont représentées par des hachures simples, et les nappes de carbone de largeur variable sont représentées par des hachures croisées. La même convention de représentation sera utilisée sur les figures 4 et suivantes. Dans chaque bande 24, 26, les nappes de carbone sont superposées, et les nappes de largeur variable 44, 46 ont partout une largeur inférieure à la largeur constante des nappes 34, 36, de manière à ne pas déborder latéralement de celles-ci. Ceci assure un intervalle constant entre les bandes le long de l'envergure de la pale, ainsi que le montre la figure 3 ou 3A. Dans l'exemple des figures 2 et 3 ou 3A, les bandes 24 du côté extrados comprennent chacune deux nappes 34 de largeur constante et une nappe 44 de largeur variable, tandis que les bandes 26 du côté intrados comprennent seulement deux nappes, l'une 36 de largeur constante et l'autre 46 de largeur variable. Le tapis chauffant est par exemple fabriqué à plat selon un procédé tel que celui décrit dans le brevet français 2 578 377. Dans une première étape, on dispose sur un support une enveloppe inférieure du tapis constituée par exemple par trois couches 50 de tissu de fibres de verre d'orientations différentes, ainsi qu'une couche supplémentaire 52 de tissu de fibres de verre, couvrant seulement la partie intrados du tapis pour compenser la moindre épaisseur des bandes de carbone dans cette partie (voir figure 2). On place ensuite sur cette enveloppe inférieure la moitié des bandes de carbone 24, 26 (une bande sur deux selon la largeur du tapis), ainsi que leurs gaines métalliques de raccordement 30 et/ou 31. Les nappes de largeur constante 34, 36 de ces bandes peuvent être dévidées à partir de bobines de fibres de carbone. Pour les nappes 44, 46 de largeur variable, on procède d'abord à une découpe des bords latéraux de ces nappes pour obtenir la forme désirée. Cette découpe peut être effectuée par poinçonnage, les fibres de la nappe étant supportées par une feuille plastique pendant cette opération. Après avoir placé la moitié des bandes de carbone, on positionne sur celles-ci (sauf à leurs extrémités distales) une ou plusieurs couches de tissu de fibres de verre 54 servant à isoler les bandes entre elles et à assurer leur bon positionnement. On met alors en place la moitié restante des bandes de carbone 24, 26 selon le même processus que précédemment. Aux extrémités des bandes, les nappes transversales 32 et/ou 33 peuvent être placées avant et/ou après les nappes constituant les bandes longitudinales. L'ensemble est finalement recouvert par une enveloppe supérieure constituée par exemple par une couche 56 de tissu de fibres de verre. On passe ensuite un rouleau compacteur sur le tapis ainsi assemblé pour lui conférer une certaine tenue mécanique (les tissus de verre , 52, 54, 56 sont pré-imprégnés de résine), et pour assurer un bon contact électrique des éléments résistifs 24, 26 avec leurs gaines métalliques respectives 30, 31 et avec les nappes transversales 32, 33. Pour mettre en forme le tapis ainsi pré-compacté, on dispose de deux options. La première option consiste à mettre en forme le tapis sur un mandrin reproduisant la forme du voisinage du bord d'attaque, et à faire polymériser la résine sur ce mandrin, éventuellement avec le blindage 20. La pièce ainsi obtenue peut être ensuite collée sur la pale réalisée par ailleurs. La seconde option consiste à faire polymériser la résine directement lors du moulage de la pale, dans le même moule. Les figures 4 à 7 montrent différentes configurations possibles des bandes de fibres de carbone pour procurer une puissance thermique surfacique évolutive de l'extrémité proximale de la bande 24, 124, 224, 324 (bas des figures 4 à 7) vers l'extrémité distale de la bande 24, 124, 224, 324 (haut des figures 4 à 7). Dans chacune de ces quatre configurations, les nappes de carbone de largeur variable 44, 144, 244, 344 ont une forme symétrique par rapport à un plan contenant l'axe médian des nappes de largeur constante 34, 134, 234, 334. Ceci permet d'obtenir une dissipation thermique homogène entre les différents intervalles inter-bandes. L'exemple de la figure 4 correspond au cas déjà représenté sur les figures 3 et 3A, o la largeur des nappes 44 décroît du pied de pale vers l'extrémité, ce qui correspond à une croissance de la puissance thermique surfacique. Une telle configuration sera adoptée dans les cas o les échanges convectifs constituent le phénomène dominant dans le comportement thermique de la pale. La configuration de la figure 5 correspond au cas inverse o l'échauffement cinétique tend à dominer les phénomènes d'échange convectif. Dans ce cas, on fait croître la largeur des nappes 144 vers l'extrémité distale de la pale. Les configurations des figures 6 et 7 correspondent à des cas intermédiaires, pour lesquels on souhaite que la largeur des nappes 244, 344 présente un extremum entre les deux extrémités de la bande 224, 324. Cet extremum est un minimum dans le cas de la figure 6 et un maximum dans le cas de la figure 7. Les figures 8 et 9 se distinguent des figures 4 à 7 par la forme dissymétrique des nappes de carbone de largeur variable, qui permet de privilégier le chauffage dans certains des intervalles inter-bandes. Dans les deux cas, les nappes de largeur variable 444 de chaque élément résistif 424 ont un bord latéral 445 parallèle au bord d'attaque et aligné sur un bord latéral des nappes de largeur constante 434 de cet élément. L'intervalle inter- bandes adjacent à un tel bord latéral 445 de la bande 424 aura tendance à recevoir davantage de puissance thermique surfacique par conduction depuis cette bande 424, qu'un intervalle adjacent au bord latéral opposé. Ainsi, l'inter- bande i recevra une puissance thermique surfacique plus faible dans le cas de la figure 8 que dans le cas de la figure 9. REVENDICATIONS 1. Element résistif (24; 26; 124; 224; 324; 424) pour le chauffage d'un profil aérodynamique (10), comprenant plusieurs nappes superposées de fibres électriquement conductrices, les nappes et les fibres conductrices s'étendant parallèlement à un bord d'attaque (16) du profil aérodynamique, caractérisé en ce qu'au moins une première des nappes superposées (34; 36; 134; 234; 334; 434) a une largeur constante, tandis qu'au moins une seconde des nappes superposées (44; 46; 144; 244; 344; 444) a une largeur continûment variable le long du bord d'attaque (16) et inférieure à la largeur constante de la première nappe. 2. Elément résistif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur de la seconde des nappes superposées (244; 344) présente un extremum entre les extrémités de l'élément. 3. Elément résistif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la seconde des nappes superposées (44; 144; 244; 344) a une forme symétrique par rapport à un plan contenant l'axe médian de la première nappe (34; 134; 234; 334). 4. Elément résistif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la seconde des nappes superposées (444) a un bord latéral (445) parallèle au bord d'attaque et aligné sur un bord latéral de la première nappe (434). 5. Dispositif de chauffage d'un profil aérodynamique (10), comprenant, incorporés au profil aérodynamique au voisinage d'un bord d'attaque du profil aérodynamique, plusieurs éléments résistifs (24, 26) constitués chacun par des fibres électriquement conductrices, des moyens étant prévus pour faire circuler un courant électrique dans les éléments résistifs, caractérisé en ce qu'au moins un des éléments résistifs est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4.