Brevet FR2853881A1 — publié le 20041022

ELEMENT DE VOILURE A PROFIL VARIABLE D'UN ENGIN EVOLUANT DANS UN FLUIDE, TEL QU'UNE AILE D'AVION DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne principalement le 10 domaine de l'aviation, en particulier les avions ou missiles nécessitant, pour s'adapter à différentes conditions de vol, d'être dotés d'ailes et d'empennage de queue dont le profil peut être modifié, afin de fournir à l'avion une portance suffisante à basse 15 vitesse et une traînée réduite à haute vitesse. L'invention concerne aussi le domaine des appendices immergés dans l'eau des navires de surface et des sous-marins dont le profil peut, par sa capacité à être modifié, fournir au navire ou au sous-marin un 20 accroissement des performances hydrodynamiques de ces appendices. Art antérieur et problèmes posés Il est connu que la pression s'exerçant sur 25 les parois d'un corps parcouru par un fluide tel que l'air ou l'eau est inversement proportionnelle à la vitesse d'écoulement du fluide. La vitesse d'écoulement étant plus élevée sur l'extrados que sur l'intrados, il en résulte une pression moindre sur l'extrados qui crée 30 une portance (théorème de Daniel BERNOUILLI). De plus, il est connu d'utiliser la déformation de la section d'une aile d'avion pour SP 19018 JB augmenter ou diminuer la surface portante de la voilure. En effet, lors des décollages et atterrissages à basse vitesse, on éprouve le besoin d'augmenter la surface portante de l'avion. Ainsi, il est très 5 fréquent d'utiliser des volets d'atterrissage, ou volets de bord de fuite, sur les deux ailes d'un avion pour augmenter la surface portante. C'est le cas lors de l'atterrissage et du décollage, durant lesquels la vitesse de l'avion n'est pas suffisamment élevée pour 10 que la surface totale de la voilure, sans les volets, assure la portance de l'avion. De plus, aux vitesses élevées, une trop grande surface de voilure peut générer, de façon excessive, une augmentation du coefficient de traînée aérodynamique, ce dernier 15 donnant la mesure de la force de résistance à l'avancement. Le coefficient de traînée aérodynamique est proportionnel à la surface frontale de l'aile et évolue avec le carré de vitesse. On éprouve donc le besoin de réduire, de façon conséquente, la surface de 20 portance et la section des ailes. En effet, si celle-ci est moins importante, elle a tendance à moins perturber l'écoulement de l'air le long des surfaces intrados et extrados des ailes de l'avion et réduit la traînée de l' avion. on éprouve également le besoin de réduire la vitesse des avions et d'en augmenter la portance, lorsque ceux-ci doivent atterrir et décoller sur des pistes d'aérodromes relativement courtes ou quand le rapport poids/puissance de l'avion ne permet pas un 30 décollage dans des conditions de sécurité sur la longueur de piste disponible. En effet, la longueur de ces dernières peut ne pas permettre d'atteindre la SP 19018 JB vitesse théorique conseillée pour le décollage, pour une surface de voilure déterminée. Une augmentation de la portance par allongement de la corde du profil est alors nécessaire. Indépendamment des accroissements de portance que nécessitent les phases de décollage et d'atterrissage énoncées supra, le but de l'invention est donc de proposer un système de modification du profil d'une aile destiné à accroître le domaine 10 d'évolution du véhicule, par exemple de vol d'un avion ou d'un missile. L'invention vise également à donner la possibilité de faire varier, de façon dissymétrique, voire opposée, le profil de chacune des ailes de l'avion ou du missile, permettant ainsi de provoquer, 15 un mouvement de roulis en évitant l'utilisation d'ailerons, tout en réduisant le niveau de perturbation aérodynamique non voulu dans l'écoulement de l'air autour de l'aile et, par voie de conséquence, du bruit généré. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est un élément de voilure d'aéronef à profil variable comportant: - une partie fixe constituée de * un bord d'attaque; * un intrados rigide * un extrados, légèrement flexible, solidaire, dans sa partie antérieure, du bord d'attaque; - une partie mobile coulissant par rapport à la partie fixe et se terminant, vers l'arrière, par un bord de SP 19018 JB fuite ayant une partie intrados pouvant coulisser par rapport à l'intrados de la partie fixe et une partie extrados légèrement flexible pouvant coulisser par rapport à l'extrados de la partie fixe, afin de 5 raccourcir ou rallonger la corde du profil et, par ce fait, augmenter ou diminuer la portance du profil de l'élément de voilure, et - des moyens moteurs pour faire coulisser la partie mobile constituant le bord de fuite sur l'intrados et 10 l'extrados de la partie fixe. Cette invention s'applique particulièrement à la section d'une aile de l'avion. Dans la réalisation préférentielle de l'invention, l'extrados de la partie fixe est 15 légèrement flexible par rapport à l'ensemble bord d'attaque intrados rigide, pour permettre la diminution ou l'augmentation de l'épaisseur du profil de l'aile. De préférence, un vérin est fixé par une 20 première extrémité à un longeron portant l'intrados de la partie fixe et, par une deuxième extrémité, à l'intérieur de l'extrados de cette même partie fixe. Liste des figures L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'une réalisation de l'invention. Elle est accompagnée de trois figures représentant respectivement: - figure 1, en coupe, l'invention appliquée 30 à une aile d'avion, lorsqu'elle est déployée; SP 19018 JB - figure 2, en coupe, l'invention appliquée à cette même aile d'avion, lorsque celle-ci est en position repliée; et - figure 3, en coupe, l'invention appliquée 5 à un profil hybride, par exemple la gouverne d'un avion. Description détaillée d'une réalisation de l'invention La réalisation décrite de l'invention est 10 relative à son application à une aile d'avion. En d'autres termes, les deux figures 1 et 2 montrent la section de l'aile de l'avion, coupée parallèlement à l'axe de l'avion. L'aile comprend principalement deux parties, une partie fixe 10 et une partie mobile 20. La 15 partie fixe 10 comprend un bord d'attaque 1, par lequel l'air est partagé des deux côtés de celle-ci, une partie inférieure constituant l'intrados 4 et une partie supérieure constituant l'extrados 3. L'intrados 4 est plutôt plan, de son côté extérieur de l'aile, 20 tandis que l'extrados 3 est plutôt de forme convexe. Ces deux éléments sont renforcés, par une structure du type longeron 6 pour l'intrados 4, parcourant toute l'aile, et par un renforcement intérieur 5 pour l'extrados 3. Ce dernier est monté plus ou moins 25 flexible par rapport au bord d'attaque 1, de manière à pouvoir s'abaisser, c'est-à-dire se rapprocher substantiellement de l'intrados 4. Cette partie fixe 10 a été représentée en étant constituée de pièces différentes distinguables grâce aux hachures qui sont 30 différentes pour symboliser deux matériaux différents. Ceci permet de montrer que cette partie fixe 10 est fabriquée à partir de deux pièces au moins. SP 19018 JB La partie arrière de l'aile est constitué principalement de la partie mobile 20 constituant le bord de fuite 2 de l'aile. Elle est montée, par ses deux parties extrados 21 et intrados 22, coulissante 5 par rapport à la partie fixe 10, respectivement sur les extrados 3 et intrados 4 de la partie fixe 10. Le fait que l'extrados 3 de la partie fixe 10 soit plus ou moins flexible permet de conserver la jonction de l'extrados 3 de la partie fixe 10 avec l'extrados 21 de 10 la partie mobile 20. Un premier vérin 11 est utilisé comme moyen moteur pour permettre à la partie mobile 20 de coulisser par rapport à la partie fixe 10. Une première extrémité de ce premier vérin 11 est alors fixée à l'intérieur de l'intrados 4, plus précisément 15 au longeron 6 de la partie fixe 10 qui porte l'intrados 4 et, par une autre extrémité, à l'intérieur du bord de fuite 2 de la partie mobile 20. Un deuxième vérin 12 est fixé par une première extrémité, au renforcement intérieur 5 de 20 l'extrados 3 et par une autre extrémité au longeron 6 fixé à la partie intérieur de l'intrados 4. L'actionnement de ce deuxième vérin 12 permet donc de rapprocher ou d'écarter, un temps soit peu l'extrados 3 de l'intrados 4. Il contribue également au renforcement 25 de la structure de la voilure. Les moyens moteurs comprennent ici un troisième vérin 13 peut être éventuellement utilisé entre le deuxième vérin Il et la partie intérieure du bord de fuite 2 pour faire intervenir un mouvement 30 indépendant de celui provoqué par le premier vérin 11, mais agissant dans la même direction. En effet, pour compenser ou ajuster la position en roulis de l'avion, SP 19018 JB il est possible de moduler, d'une aile par rapport à l'autre, la longueur de la section d'une aile, afin d'agir sur la stabilité en roulis de l'appareil. Dans cette réalisation, des vérins 11 et 13 5 sont utilisés pour symboliser les moyens moteurs. Des moteurs électriques peuvent être également avantageusement utilisés. Alors que sur un avion classique, le mouvement de roulis est provoqué par un mouvement 10 opposé des ailerons (vers le bas, à l'extérieur du virage, vers le haut, à l'intérieur), le mouvement d'un avion doté d'ailes à profil variable pourra résulter d'une variation de portance sur l'une ou l'autre des ailes (diminution de la portance à l'intérieur ou 15 augmentation à l'extérieur). Cette limitation des mouvements des appendices des ailes contribue à atténuer les perturbations aérodynamiques autour des ailes. Elle doit en outre réduire, voire éliminer, le phénomène dit de lacet inverse induit, sur un avion 20 traditionnel, par le déplacement vers le bas de l'aileron de l'aile située à l'extérieur du virage. La figure 2 permet de montrer comment l'action des premier et deuxième vérins 11 et 12 agit sur la partie mobile 20 par rapport à la partie mobile 25 10 fixe. On constate que l'intrados 3 de la partie fixe s'est affaissé et que la corde du profil de l'aile s'est raccourcie. Ainsi, l'épaisseur de l'aile, par rapport à l'écoulement de l'air en plein vol, a moins d'influence sur le comportement de l'avion. On peut noter que les trois vérins 11, 12 et 13 peuvent être remplacés chacun par un moteur électrique. SP 19018 JB Le bord de fuite 2 de la partie mobile 20 doit présenter une résistance suffisante à la déformation longitudinale. Le coulissement de la partie mobile 20 sur 5 la partie fixe 10 peut être réalisé par simple ajustement, le frottement matière/matière pouvant être éventuellement facilité grâce à une légère couche de lubrifiant. D'autres moyens mécaniques de coulissement peuvent être également envisagés. On comprend ainsi qu'il est possible de modifier la géométrie de la voilure de l'avion, et notamment les ailes, par une transition régulière du profil de cette même voilure. Cette variation dissymétrique, ou opposée, 15 du profil de chacune des ailes, s'appliquant, contrairement aux ailerons, non pas sur une fraction mais sur l'ensemble de l'envergure de l'avion ou du missile, accroit les capacités de manoeuvre de ces derniers. Il est possible d'appliquer ce principe à plusieurs types d'avions ou aéronefs différents, civils et militaires, tels que les planeurs, les avions civils et militaires, les missiles, mais aussi aux pales des hélicoptères, et aux drones et modèles réduits. Le principe peut également être appliqué aux gouvernes de direction et de profondeur des avions, c'est-à-dire les empennages verticaux et horizontaux placés à la queue de l'avion. La figure 3 montre une telle application. 30 Pour ce faire, on utilise deux éléments analogues à celui qui a été décrit précédemment. Une différence persiste entre les deux éléments 30A et 30B, qui sont SP 19018 JB utilisés sur cette figure 3. En effet, compte tenu du fait qu'ils sont accolés par leurs intrados respectifs 34A et 34B, ils ne peuvent pas être totalement identiques, mais ont une forme symétrique. De plus, sur cette figure 3, l'élément de gauche 30A est représenté en position dépliée, c'est-à-dire que la partie mobile 31A est sortie par rapport à la partie fixe constituée de l'intrados 34A et de l'extrados 35A. En revanche, l'élément de droite 10 30B est en position repliée, c'est-à-dire que sa partie mobile 31B est enfoncée dans la partie fixe constituée par l'intrados 34B et l'extrados 35B. De ce fait, une dissymétrie de l'ensemble apparaît. Ceci provoque donc une augmentation de la portance aérodynamique 15 s'exerçant dans la direction de la moitié du profil déplié. Cette réalisation peut être appliquée à tout appendice évoluant dans un fluide et, notamment, à la gouverne de direction d'un avion. En remarquant que ce dernier peut être 20 coiffé à son avant d'un bord d'attaque 32, coiffant les deux bords d'attaque 33A et 33B, on constate qu'on peut construire une gouverne de profondeur et, éventuellement, de direction, pouvant se déformer en cours de vol, de manière à créer une force 25 aérodynamique en mesure d'agir sur la position de l'avion et, par ce fait, sur sa trajectoire. Ce principe associant deux éléments analogues peut éventuellement être appliqué aux ailes d'un avion ou d'un missile dont le profil pourrait être 30 ainsi profondément modifié jusqu'à inverser la direction de la portance aérodynamique. SP 19018 JB Il est également possible d'étendre l'application de ce principe à l'hydrodynamique en l'installant sur des foils ou quilles de voiliers ou sur les appendices directionnels de véhicules ou 5 d'engins évoluant sous la surface de l'eau, tels que les sous-marins ou les torpilles. Le principe pourrait aussi être appliqué aux voiles de voiliers expérimentaux dotés de profils d'aile d'avion, ainsi qu'aux dispositifs destinés à 10 capter l'énergie des courants marins. SP 19018 JB REVENDICATIONS 1. Elément de voilure à profil variable d'un véhicule évoluant dans un élément fluide, comprenant: - une première partie fixe (10), elle-même constituée de: * un bord d'attaque (1) * un intrados (4), rigide; et * un extrados (3), légèrement flexible, solidaire, dans sa partie antérieure, du bord d'attaque (1) ; - une partie mobile (20) coulissant par rapport à la partie fixe (10) se terminant, vers l'arrière, par le bord de fuite (2) de l'aile, constituée elle-même 15 d'une partie intrados (22) pouvant coulisser par rapport à l'intrados (4) de la partie fixe (10) et d'une partie extrados (21), légèrement flexible pouvant coulisser par rapport à l'extrados (3) de la partie fixe (10), pour raccourcir ou rallonger la 20 corde du profil de l'élément de voilure; et - des moyens moteurs pour faire coulisser la partie mobile (20) constituant le bord de fuite (2) par rapport à l'intrados (4) et l'extrados (3) de la partie fixe (3). 2. Elément de voilure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue une aile d'avion. 3. Elément de la voilure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un 30 vérin (12) dont une première extrémité est fixée à un longeron (6) portant l'intrados (4) de la partie fixe SP 19018 JB (10) et une deuxième extrémité est fixée à l'intérieur de l'extrades (3) de cette même partie fixe (10). SP 19018 JB