Brevet FR2783499A1 — publié le 20000324

- i - La présente invention concerne un nouveau concept de véhicule supersonique ne produisant pas de bang sonique gênant et ayant une faible traînée d'onde. Ce concept est caractérisé par l'éjection, en divers endroits, 5 d'un dard de gaz très léger. Les véhicules supersoniques actuels (avions de transport, avions de combat, missiles, lanceurs spatiaux, véhicules terrestres et aussi, par extension du mot "véhicule" dans la suite de ce texte, projectiles, etc...) ont en général une pointe avant conique effilée dont l'angle est inférieur à celui du cône de l'onde de choc qui a son sommet juste sur cette pointe. Cette onde de choc et celles accrochées plus en aval se traduisent au sol par le front de compression du bang sonique. La gêne produite15 par le bang sonique sur les populations survolées par des véhicules supersoniques est telle que le survol des terres habitées par les avions de transport supersoniques est interdit. Cette obligation de voler en subsonique sur une fraction plus ou moins importante de leur trajet fait perdre20 aux avions de transport supersoniques une grande partie de leurs avantages. L'essentiel des recherches sur la réduction du bang sonique, depuis environ trente ans, concerne l'optimisation de formes relativement classiques. Une communication de25 synthèse récente, telle que celle de R. Seebass et al., au dernier "2nd AIAA Theoretical Fluid Mechanics Meeting", Albuquerque, 15-18 juin 1998 (AIAA Paper n 98- 2956), permet de retrouver toutes les principales publications antérieures. Un premier ensemble de dispositifs réducteurs de bang déjà proposés peut être qualifié d'écrans à chocs, tels que ceux revendiqués dans les brevets "France 1 569 489 (Preuss)" ou "USA 5 358 156 (Rethorst)". Un deuxième ensemble peut être qualifié de corps précurseurs comme des aéronefs auxiliaires ou des réacteurs amont tels qu'ils apparaissent déjà dans le brevet "France 1 558 295 (Bertin et Duthion)". Dans ce même brevet apparait aussi le troisième ensemble de dispositifs, qui regroupe les éjecteurs de gaz - 2 - ou de fluides sous pression, non spécifiés. Les éjections peuvent être continues ou pulsées; elles sont pratiquées sur les bords d'attaque ou à la pointe du véhicule, dans ce dernier cas suivant l'axe, vers l'amont, ou de façon5 annulaire radialement. Le quatrième ensemble de dispositifs de réduction du bang sonique est basé sur un apport d'énergie en amont du véhicule, destiné à diminuer la masse volumique et à "écarter" l'air. Les brevets "USA 4 917 335 (Tidman)" et "France 2 001 895 (Schoppe)" revendiquent des éjections de produits faisant une combustion en amont de la pointe du véhicule supersonique (boule de feu). Il a été indiqué par ailleurs qu'un résultat semblable (en continu ou en impulsions répétées) peut être obtenu par une torche à15 plasma, une focalisation de faisceau laser ou micro-ondes, une décharge électrique, etc... (voir par exemple le brevet "USA 5 263 661 - Riley"). L'efficacité de tous ces dispositifs n'a jamais été démontrée en pratique, soit que les effets attendus n'aient pas été observés, soit que les moyens à mettre en oeuvre (coût, fiabilité ou énergie) soient dissuasifs. Il apparait aussi qu'il n'a jamais été proposé d'éjecter un gaz ulta-léger sans élévation notable de température. De plus, il n'a jamais été proposé de modification de la forme en plan des ailes, basée sur l'utilisation des éjecteurs de gaz ou des élévateurs de température en amont de la pointe ou des profils portants de l'avion. On notera toutefois, bien qu'elle ne soit pas associée à un dispositif réducteur de chocs, la forme en plan des ailes décrites dans le brevet "France 1 195 11030 (Boisson)". Si l'on cherche à réduire localement, pour une vitesse de véhicule donnée, le nombre de Mach, il faut localement augmenter la vitesse du son. Celle-ci ne dépend que de deux paramètres, la température et la masse moléculaire35 du gaz local. Cette dépendance étant en racine carrée, il apparaît que pour, par exemple, doubler la vitesse du son, il faut, soit quadrupler la température, c'est-à-dire la porter à plus de 420 C (si l'on part de -100 C), soift diviser -3 - par 4 la masse moléculaire, c'est-à-dire la rendre inférieure à 7, ce qui n'est possible qu'avec de fortes proportions d'hélium (masse moléculaire de 4) ou d'hydrogène (masse moléculaire de 2).5 L'originalité de la présente invention consiste effectivement à éjecter, à partir de divers endroits du véhicule supersonique, un gaz très léger, tel que de l'hélium ou de l'hydrogène, à un débit suffisant permettant la disparition ou l'atténuation des chocs et, par conséquent,10 du bang sonique au sol. Cinq modes de réalisation de l'invention sont maintenant exposés en détail avec référence aux figures. Les valeurs numériques mentionnées résultent de l'état de l'art antérieur et des activités de recherche de l'inventeur;15 elles correspondent à un avion de transport supersonique. La figure 1 représente la pointe avant (à axe de symétrie) d'un véhicule supersonique, avec son conduit d'éjection de gaz léger. La figure 2 est semblable à la précédente mais avec une variante de la géométrie d'éjection. La figure 3 est identique à la première mais, dans une géométrie bidimensionnelle, le contour extérieur représente la section d'un profil, portant ou non, et l'amenée de gaz léger est alors une fente.25 La figure 4 représente une vue de dessus en coupe d'un véhicule supersonique avec des éjections de gaz léger à partir du fuselage, en amont du bord d'attaque d'une aile et en aval de son bord de fuite. La figure 5 est semblable à la précédente mais, l'aile présentant deux angles de flèche, l'éjection de gaz léger est pratiquée en amont de la section peu inclinée à partir du bord d'attaque de l'aval de la section plus inclinée. La figure 6 est analogue à la précédente mais la forme en plan de la voilure est différente. Le premier mode de réalisation de l'invention est une pointe avant de véhicule supersonique (1) schématisée sur la figure 1. Le contour extérieur de cette pointe, à symétrie de révolution ou peu éloignée d'une telle symétrie, est - 4 - interrompu à l'extrême avant pour permettre l'éjection de gaz léger (tel que de l'hélium ou de l'hydrogène) à contrecourant de l'écoulement ambiant de vitesse U. Cet orifice d'éjection (2) comporte éventuellement une tuyère (3)5 faisant suite au conduit (4). Les moyens de stockage et de compression du gaz léger peuvent être des bouteilles industrielles sous pression (préférées pour l'hélium) ou des réservoirs de gaz liquéfié qui, dans le cas de l'hydrogène pourraient être éventuellement aussi les réservoirs de10 carburant. A titre d'exemple non limitatif, le diamètre extérieur de la pointe peut être de 1 cm et le diamètre du col de 7 mm. La pression génératrice du gaz léger est supérieure à la pression d'arrêt, c'est-à-dire supérieure à environ 30 kPa si le vol est à Mach 2 dans une pression15 statique ambiante d'environ 10 kPa. De préférence, le col sonique (3) est amorcé mais l'écoulement de gaz léger à l'orifice (2) n'est pas nécessairement fortement supersonique, de même que la température du gaz léger n'est pas spécifiée; il est simplement recommandé qu'il soit20 chaud. Il est également recommandé d'éviter une combustion du gaz éjecté. Le dard de gaz léger et son mélange au gaz ambient évitent la formation du choc en amont et autour de la pointe qui, ainsi, n'est pas génératrice de bang sonique. Avec une vitesse au col de25 1250 m/s, le débit d'hydrogène est d'environ 0,7 g/s; il faut donc prévoir d'éjecter environ 5 kg d'hydrogène pour un vol supersonique de 2 heures. La poussée négative due au dard de gaz léger est de l'ordre de 0,5 N. Le débit volumique d'air ambient intercepté par la pointe de 1 cm30 de diamètre est à peu près égal au débit volumique d'hydrogène éjecté. Une variante de ce premier mode de réalisation est représenté sur la figure 2. L'orifice d'éjection (2) n'est plus un cercle mais une couronne circulaire située entre la paroi (1) et un corps central conique (5). Un deuxième mode de réalisation de l'invention est présenté sur la figure 3 qui montre la section longitudinale du bord d'attaque d'un profil aplati tel qu'une aile, un aileron d'incidence (canard), un empennage ou une dérive. Le contour extérieur du profil (11) est interrompu à l'amont du bord d'attaque pour permettre l'éjection de gaz léger (tel que de l'hélium ou de l'hydrogène) à contre- courant de l'écoulement ambient de vitesse U. Cette fente d'éjection (12) comporte éventuellement une tuyère (13) 5 faisant suite au conduit (14). A titre d'exemple non limitatif, l'épaisseur du bord d'attaque peut être de 1 cm et la largeur de la fente de 5 mm. Les autres recommandations sont les mêmes que pour le premier mode de réalisation mais le débit d'hydrogène est de l'ordre10 de 87 g/s par mètre d'envergure; pour une fente de 10 m de long et un vol supersonique de 2 heures, la masse d'hydrogène à éjecter est de plus de 6 tonnes. La contre- poussée du gaz léger sur ces 10 m de fente est d'environ 750 N. Comme dans le premier mode de réalisation, le débit volumique d'air intercepté par le bord du profil de 1 cm d'épaisseur est égal au débit volumique de gaz léger éjecté. Un troisième mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 4. Le véhicule supersonique, avion lanceur ou missile, comprend un fuselage (20) et une20 voilure (21) devant laquelle se formerait un choc en l'absence du dispositif proposé. En amont du bord d'attaque de l'aile à son emplanture et, de préférence, en amont du point d'attache du choc de l'aile sur le fuselage, un orifice (22) permet d'éjecter, à travers un conduit (24) et une tuyère (23), un jet de gaz léger (tel que de l'hélium ou de l'hydrogène) à peu près orthogonalement à l'écoulement ambient de vitesse U. Aussi bien qu'une aile, le profil (21) peut être un aileron d'incidence (canard), un empennage ou une dérive. Dans une variante de cette réalisation, le30 dard de gaz léger n'est pas orthogonal à l'écoulement ambient mais plus ou moins incliné empiriquement vers l'amont ou l'aval de façon à améliorer son effet. A titre d'exemple non limitatif, le diamètre de l'orifice (22) est de 10 cm et la vitesse d'éjection de l'hydrogène de 1250 m/s, donc le débit massique est voisin de 0,1 kg/s. En complément éventuel à ce qui vient d'être décrit, le véhicule supersonique peut aussi comprendre des dispositifs d'éjection de gaz léger (25) placés sur le fuselage juste en aval du bord de fuite de l'aile (21). Cette dernière - 6 - éjection est destinée à supprimer l'onde de détente et donc le front de décompression du bang sonique au sol. Les orifices (25) peuvent éventuellement être complétés par un orifice (26) situé à la pointe arrière du véhicule5 supersonique. Un quatrième mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 5. A la différence du cas précédent, le profil (21) comprend deux parties ayant des bords d'attaque (27) et (28) d'angles de flèche différents. La10 première partie (27) a un angle de flèche évitant les chocs alors que le choc se formerait sur la deuxième partie (28) en absence du dispositif suivant. Il est donc proposé d'éjecter en (29) du gaz léger (tel que de l'hélium ou de l'hydrogène) à travers l'aval du bord d'attaque (27), en15 amont du bord d'attaque (28). La direction d'éjection du gaz léger peut être a peu près orthogonale à l'écoulement ambient de vitesse U ou optimisée pour améliorer l'efficacité du dispositif. A titre d'exemple non limitatif, le diamètre de l'orifice (29) est de 5 cm (mais il peut être non20 circulaire et d'une surface équivalente comme d'ailleurs tous les orifices (2) et (22) décrits précédemment), la vitesse d'éjection de l'hydrogène de 1250 m/s, et donc le débit massique voisin de 30 g/s. Comme pour le troisième mode de réalisation, le véhicule supersonique peut25 comporter des orifices d'éjection de gaz léger (25) et (26) destinés à réduire ou à éliminer les ondes de détente. Un cinquième mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 6. Les éjecteurs de gaz léger (22) sont placés, comme dans le troisième mode de réalisation,30 sur le fuselage en amont du bord d'attaque à l'emplanture des profils (21). Ce bord d'attaque comprend essentiellement deux parties, une à faible flèche (28) et une à plus grande inclinaison (27) mais,à la différence du quatrième mode de réalisation, c'est la partie la moins inclinée (28) qui est proche du fuselage et la plus inclinée (27) qui en est éloignée. Ceci permet d'avoir un débit de gaz léger modéré, par exemple de 30 g/s comme dais le quatrième mode de réalisation au lieu de 100 g/s dans le troisième. Un autre avantage considérable est que, la forme -7- en plan de la voilure étant convexe au lieu d'être concave comme dans le cas précédent, la structure de cette voilure (21) en est très allégée à portance égale, l'envergure pouvant être réduite. Le véhicule supersonique de la figure 6 peut aussi comporter éventuellement des éjecteurs (25) et (26) destinés à réduire ou à éliminer les ondes de détente. En variante, le bord d'attaque du profil (21) peut comporter deux parties rectilignes (28) et (27) d'angles de flèche différents raccordées entre elles par une partie10 courbe ou, même, pas de partie rectiligne. Cette forme d'aile originale, en plan convexe, peut aussi être mise en oeuvre si les éjecteurs de gaz léger sont remplacés par des dispositifs d'apport d'énergie tels que des jets combustibles, des faisceaux laser ou micro-ondes, des décharges15 électriques, etc... Pour tous les modes de réalisation et ainsi qu'il a été dit dès le premier, la température du gaz léger peut être modifiée avant l'éjection pour optimiser le résultat mais toute combustion doit, de préférence, être évitée. Selon des20 variantes non illustrées et non décrites en détail des cinq modes de réalisation précédents, les éjecteurs de gaz léger peuvent être différents dans leur nombre, leur position, leur forme ou dans leurs autres caractéristiques. L'invention s'applique principalement aux avions de transport supersoniques. Du fait de la suppression ou de la forte diminution de leur bang sonique, elle leur permet de survoler des terres habitées à vitesse supersonique. - 8 - Revendications 1) Véhicule supersonique (avion de transport, avion de combat, missile, lanceur spatial, véhicule terrestre, projectile, etc...), à faible bang sonique et à faible trainée d'onde, caractérisé par la présence d'éjecteurs de gaz 5 ultra-léger (tel que de l'hélium ou de l'hydrogène) destinés à supprimer ou à réduire les ondes de choc. 2) Véhicule supersonique selon la revendication 1 caractérisé par l'utilisation d'un éjecteur de gaz léger à la pointe avant du véhicule.10 3) Véhicule supersonique selon les revendications i et 2 caractérisé en ce que l'orifice d'éjection (2) comporte un corps central (5). 4) Véhicule supersonique selon la revendication 1 caractérisé par l'utilisation d'éjecteurs de gaz léger (12) le long du bord d'attaque d'un profil tel qu'une aile, un aileron d'incidence (canard), un empennage ou une dérive. ) Véhicule supersonique selon la revendication 1 caractérisé par l'utilisation d'éjecteurs de gaz léger (22) placés sur le fuselage (20) en amont de l'emplanture du20 bord d'attaque des profils (21) tels qu'une aile, un aileron d'incidence (canard), un empennage ou une dérive. 6) Véhicule supersonique selon les revendications i et caractérisé en ce que le ou les éjecteurs (22) sont placés juste en amont du point d'accrochage, sur le fuselage, du choc du profil, produit lorsque le gaz léger n'est pas éjecté. 7) Véhicule supersonique selon la revendication 1 caractérisé par l'utilisation d'éjecteurs de gaz léger (25) placés sur le fuselage (20) juste en aval de l'emplanture du bord de fuite de profils (21) tels qu'une aile, un aileron30 d'incidence (canard), un empennage ou une dérive. 8) Véhicule supersonique selon la revendication 1 caractérisé par l'utilisation d'un éjecteur de gaz léger (26) placé sur le fuselage au culot (pointe arrière). 9) Véhicule supersonique selon la revendication 1 caractérisé par l'utilisation d'éjecteurs de gaz léger (29) placés dans le bord d'attaque du profil (21) près de l'extrémité aval de sa partie à forte flèche (27) et donc en amont de sa partie à moindre flèche (28). 10) Véhicule supersonique selon les revendications 1 et 5 caractérisé en ce que le bord d'attaque du profil (21) est à faible flèche (28) près du fuselage (20) et à forte flèche (27) plus loin, de façon à avoir, en plan, un contour de voilure convexe réduisant l'envergure et le poids de la structure pour une portance donnée. 11) Véhicule supersonique caractérisé en ce que le bord d'attaque du profil (21) est à faible flèche (28) près du fuselage et à forte flèche (27) plus loin, de façon à avoir, en plan, un contour de voilure convexe réduisant l'envergure et le poids de la structure pour une portance donnée, cette configuration étant associée à (et permise par) un apport15 d'énergie en amont du bord d'attaque à faible flèche (28) selon un procédé déjà connu (combustion,faisceau laser ou micro- ondes, décharge électrique...). 12) Procédé d'élimination ou de réduction du bang sonique d'un véhicule supersonique caractérisé en ce qu'une ou des ondes de choc sont supprimées ou réduites par l'éjection, en divers endroits du véhicule, de gaz ultra- léger tel que de l'hélium ou de l'hydrogène. 13) Procédé d'élimination ou de réduction du bang sonique d'un véhicule supersonique selon la revendication 12 caractérisé en ce que le débit volumique du gaz léger est de l'ordre de grandeur du débit volumique du gaz ambient intercepté par la section droite du bord d'attaque ou de fuite du profil (1), (11) ou (21) sur lequel le choc amont ou aval est réduit ou supprimé.30 14) Procédé d'élimination ou de réduction du bang sonique d'un véhicule supersonique selon la revendication 12 caractérisé en ce que le ou les débits d'éjection de gaz léger est ou sont contrôlés par un ou des cols soniques (3).