Brevet FR2878227A1 — publié le 20060526

Système de surveillance d'endommagement d'une pale de rotor d'aéronef â voilure tournante La présente invention est relative â un système de surveillance 5 d'endommagement d'une pale de rotor d'aéronef â voilure tournante, â une pale de rotor d'aéronef et â un aéronef équipé(e) d'un tel système. Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication d'aéronefs â voilure tournante. Différents dispositifs destinés â la surveillance de l'endommagement 10 d'une pale d'un rotor de sustentation et d'avance d'hélicoptère ont été proposés. Il a été décrit dans les brevets FR 2 119 182 et US 3 744 300 un dispositif de mesure du dommage du â la fatigue d'une pale d'hélicoptère qui comporte un capteur â jauges de contrainte montées en pont de Wheatstone. Le brevet US 4 106 332 décrit un dispositif de détection de la coupure d'une boucle conductrice appliquée â la surface d'une pale de rotor d'hélicoptère; le dispositif comporte une bascule servant â enregistrer, pendant un vol, un état correspondant à la détection d'un défaut provocant une ouverture de la boucle conductrice; lorsque l'aéronef est au sol, un boîtier peut être connecté à la pale pour lire l'état de la bascule et pour tester la pale au repos. Un inconvénient de ces systèmes est qu'ils ne permettent pas de connaître l'emplacement et l'étendue du défaut affectant la pale. Il a par ailleurs été décrit dans le brevet US 3 596 269 un système de détection et de surveillance de défauts structurels de la peau d'un avion. Ce système comporte un groupe de conducteurs électriques minces allongés constitués de deux feuilles métalliques connectées par une résistance; ces 2878227 2 conducteurs sont connectés en parallèle et sont placés entre deux feuilles isolantes; l'ensemble est collé en différents points de la peau d'un avion. Un interrupteur permet â un opérateur de sélectionner manuellement le groupe dont la résistance est â mesurer par un ohmmètre; une alarme visuelle ou auditive est prévue. Un inconvénient de ces systèmes est qu'ils ne sont pas ou peu adaptés â la surveillance de défauts susceptibles d'apparaître â la surface ou â l'intérieur d'une pale en matériau composite. Il a également été décrit dans le brevet US 4 524 620 un appareil de surveillance acoustique des bruits émis par une pale composite d'hélicoptère; la pale est équipée d'un ou plusieurs transducteurs acoustiques dont les signaux sont le cas échéant multiplexés, puis sont filtrés et transmis â un calculateur ou â un enregistreur; un filtre a pour fonction de discriminer et d'éliminer les bruits normaux pour ne laisser passer que les bruits critiques représentatifs de contraintes excessives dans la pale et de dommages structurels causés â la pale; l'occurrence et l'intensité de ces bruits critiques sont accumulées dans l'enregistreur ou dans l'ordinateur pour former un historique des bruits critiques d'une pale déterminée. Un tel dispositif est complexe; en outre la localisation d'un défaut dans la pale nécessite d'effectuer des calculs de triangulation, en temps différé et au sol, sur un calculateur auxiliaire. Un objectif de l'invention est de proposer une pale de voilure tournante en matériau composite équipée d'un système simple et 25 performant de surveillance de l'endommagement de la structure de la pale. Un objectif de l'invention est de proposer un système de surveillance, au cours d'un vol d'un aéronef â voilure tournante, de l'apparition et de l'évolution en temps réel d'un endommagement d'une ou plusieurs pale(s) de la voilure, qui soit amélioré et/ou qui remédie, en partie au moins, aux lacunes et inconvénients des systèmes connus. 2878227 3 Un objectif de l'invention est également de proposer un aéronef â voilure tournante comportant un tel système de surveillance. Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé une pale de rotor d'aéronef â voilure tournante, qui présente un axe longitudinal, ladite pale comporte des boucles (semi-)conductrices s'étendant selon des axes ou directions obliques par référence â l'axe longitudinal. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, il est proposé une pale de rotor principal ou auxiliaire d'aéronef â voilure tournante comportant un pied, un bord d'attaque et un bord de fuite, au moins un longeron et un revêtement enveloppant le (ou les) longeron(s) ; la pale comporte une pluralité de boucles conductrices ou semi conductrices s'étendant sous le revêtement et disposées obliquement ou transversalement (par référence â l'axe longitudinal de la pale) ; la pale comporte en outre un sélecteur de boucle, et un organe de mesure de la résistance (ou impédance) d'une boucle, qui sont intégrés dans le pied de la pale, et une pluralité de liaisons électriques reliant respectivement le sélecteur â chacune des boucles; ceci permet de transmettre â un calculateur embarqué â bord de l'aéronef, des données ou mesure d'impédance de chacune des boucles par l'intermédiaire de deux conducteurs seulement, et le cas échéant par une liaison sans fil â un seul canal. Selon un autre mode préféré de réalisation de l'invention, il est proposé une pale de voilure tournante d'aéronef qui comporte une pluralité de boucles présentant une impédance, un dispositif de mesure d'impédance conçu et agencé pour mesurer l'impédance d'une boucle et délivrant un signal de mesure d'impédance de boucle, un dispositif de balayage et de connexion conçu et agencé pour connecter successivement chacune des boucles de la pluralité de boucles au dispositif de mesure d'impédance, en balayant (ou scrutant) régulièrement et selon un ordre déterminé les boucles de la pluralité de boucle, ainsi qu'un convertisseur analogique numérique conçu et agencé pour transformer chaque mesure du dispositif 2878227 4 de mesure d'impédance en une donnée numérique d'impédance, et des moyens de transmission conçus et agencés pour transmettre ces données d'impédance à un calculateur embarqué. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une pale de rotor principal ou auxiliaire d'un aéronef à voilure tournante, en particulier d'un hélicoptère, qui présente une structure composite comportant des fibres, en particulier des fibres de verre ou de carbone, qui sont enrobées dans une matrice thermoplastique ou thermodurcissable; la pale comporte une pluralité de boucles sensiblement conductrices (comportant le cas échéant des éléments semi-conducteurs) et présentant une impédance; les boucles s'étendent parallèlement à certaines des fibres, de sorte que les performances mécaniques de la pale équipée des boucles sont sensiblement identiques à celles de même pale dénuée de boucles, que l'insertion des boucles dans la structure de la pale rie provoque pas une dégradation ou modification substantielle des caractéristiques mécaniques et aérodynamiques de la pale, et que la fabrication de la pale soit facilitée. Selon d'autres modes préférés de réalisation de l'invention: - la pale comporte, du côté de son intrados et/ou de son extrados, un premier groupe de boucles sensiblement conductrices s'étendant selon une première direction, parallèlement à des premières fibres et/ou à une première nappe de fibres de la structure de la pale composite; la pale comporte en outre un second groupe de boucles sensiblement conductrices qui s'étendent selon une seconde direction, parallèlement à des secondes fibres et/ou à une seconde nappe de fibres de la structure de la pale composite, la seconde direction étant distincte de la première direction; - la pale comporte un premier réseau de premières boucles parallèles entre elles et disposées selon une première couche, ainsi qu'un second réseau de secondes boucles parallèles entre elles, qui croise le premier réseau; 2878227 5 - la pale comporte une couche d'un matériau électriquement isolant qui sépare deux réseaux ou couches croisé(e)s et superposé(e)s de boucles conductrices; chaque boucle comporte plusieurs ponts ou éléments conducteurs 5 ou semi-conducteurs reliant les deux brins de la boucle (et/ou connectés en parallèle) ; - chacun de ces ponts ou éléments présente une impédance électrique (en particulier une résistance électrique) sensiblement identique, par exemple voisine de quelques centaines ou milliers d'ohms; chaque boucle comporte au moins trois ponts ou éléments (semi-)conducteurs régulièrement espacés les uns par rapport aux autres le long de l'axe de la boucle; - la pale comporte plusieurs dizaines ou centaines de ponts ou éléments (semi-)conducteurs, et le cas échéant plusieurs dizaines ou centaines de boucles comportant lesdits ponts ou éléments (semi-)conducteurs; - le nombre de boucles résulte de l'écartement, ou pas , entre les boucles, qui détermine la taille des endommagements mesurables. Ce pas peut varier sur la pale suivant le degré de vulnérabilité de la zone â surveiller; - lesdites première et seconde directions selon lesquelles s'étendent des séries de boucles sont inclinées par rapport â l'axe longitudinal de la pale ainsi que par rapport â un axe transversal (orthogonal â l'axe longitudinal) de la pale, par exemple inclinées par rapport â ces axes d'un angle voisin de 45 (â plus ou moins 10 prés) ; - ladite première direction est sensiblement perpendiculaire â ladite seconde direction; 2878227 6 - lesdites boucles sont raccordées au dispositif de balayage ou sélecteur par une paire de fils (ou bandes) métalliques; - lesdits ponts ou éléments (semi-)conducteurs sont des composants montés en surface (CMS) ; l'alimentation électrique des boucles, du (des) sélecteur(s) de boucles, du (des) impédance-mètre(s), et le cas échéant du (des) convertisseur(s) analogique(s) numérique(s) intégré(s) â la pale, est réalisée par une réserve d'énergie électrique (pile ou batterie) intégrée â la pale, et/ou par un circuit d'alimentation de dégivrage de la pale; - la transmission des signaux ou données d'impédance des boucles â un calculateur embarqué est réalisée â l'aide d'un collecteur tournant reliant un palier du rotor au moyeu du rotor, et/ou par une transmission sans fil, par exemple une transmission radio; - les éléments conducteurs reliant les boucles au sélecteur de boucles sont regroupés en un faisceau ou toron s'étendant â proximité du bord d'attaque de la pale, les boucles s'étendant â partir de ce faisceau ou toron, vers le bord de fuite de la pale. En particulier, ce toron est de préférence disposé â l'intérieur ou â proximité immédiate du longeron de]la pale. Cette disposition permet de protéger le toron grâce au longeron qui reste la dernière partie endommagée de la pale après impact. Grâce â la disposition oblique des boucles dont on peut surveiller les variations d'impédance résultant d'un endommagement d'une partie de la pale, il est possible de réaliser un système simple, compact et performant pour surveiller l'état de la pale en cours de vol. Dans le cas notamment où la pale incorpore deux réseaux croisés de boucles parallèles comportant chacune plusieurs ponts de même impédance, la localisation et l'estimation d'un endommagement ayant 2878227 7 provoqué une rupture de continuité électrique dans une ou plusieurs boucles, sont grandement facilitées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent dans la description suivante, qui se réfère aux dessins annexés et qui illustre, sans aucun caractère limitatif, des modes préférés de réalisation de l'invention. La figure 1 est un schéma électrique d'une boucle â trois ponts d'un système selon l'invention. La figure 2 est un schéma simplifié de la boucle de la figure 1. La figure 3 est une vue schématique en plan d'une portion de pale de rotor, qui illustre l'implantation de cieux réseaux croisés superposés de boucles identiques ou similaires â celle des figures 1 et 2. La figure 4 est une vue schématique en plan d'une pale de rotor d'hélicoptère incorporant un système de surveillance selon l'invention. La figure 5 est un schéma synoptique simplifié des moyens de mesure séquentielle d'impédance des boucles d'une pale et de leur traitement et transmission â un calculateur embarqué â bord d'un aéronef. La figure 6 est une vue en coupe transversale schématique d'une pale selon l'invention. Par référence â la figure 1 notamment, la boucle 10 comporte deux brins 11, 12 conducteurs parallèles qui sont reliés par trois résistances 13, 14, 15 identiques. Lorsque la résistance des trois ponts résistifs 13, 14, 15 est identique et nettement supérieure â la résistance des brins 11, 12, l'impédance de la boucle 10 vue des pôles 16 et 17 est égale au tiers de la résistance commune des ponts, en l'absence de dégradation; lorsqu'une dégradation de la pale provoque une rupture de l'un au moins des brins 11, 12 dans une zone d'extrémité telle que la zone 12c d'extrémité du brin 12 (et de la 2878227 8 boucle 10), la résistance de la boucle est alors égale â la moitié de la résistance commune des ponts; lorsqu'une dégradation de la pale provoque une rupture de l'un au moins des brins 11, 12 dans une zone médiane telle que la zone 12b médiane du brin 12 (et de la boucle 10), la résistance de la boucle est alors égale â la résistance commune des ponts; lorsqu'une dégradation de la pale provoque une rupture de l'un au moins des brins 11, 12 dans une zone de tête telle que la zone 12a de tète du brin 12 (et de la boucle 10), la résistance de la boucle est alors sensiblement infinie, la boucle étant alors ouverte. Lorsque les ponts 13 â 15 sont régulièrement répartis le long de l'axe longitudinal 19 de la boucle 10, les longueurs 18 respectives des zones 12a, 12b, 12c de la boucle sont égales. Par référence aux figures 2 et 3 notamment, pour la simplification des dessins, et compte tenu du fait que la longueur 20 d'une boucle 10 est très grande par rapport â la distance 21 séparant les brins 11, 12 de la boucle, les ponts 13 â 15 sont schématiquement représentés par des disques noircis tangents aux deux brins parallèles 11, 12 de la boucle 10. Par référence â la figure 3 notamment, la pale 23 s'étend selon un axe longitudinal 26 et présente un bord d'attaque 24 et un bord de fuite 25 20 qui sont sensiblement parallèles â l'axe 26. La pale comporte un premier réseau de boucles comportant trois boucles 10A, 10B, 10C sensiblement rectilignes, s'étendant respectivement selon des axes 19A, 19B et 19C parallèles entre eux; ces axes 19A â 19C forment, avec l'axe longitudinal 26 de la pale, un angle 22 voisin de 45 , qui correspond â l'inclinaison, par rapport â l'axe 26, de fibres d'une nappe de fibres (non représentées) constitutive de la structure de la pale. La pale 23 comporte en outre un second réseau de boucles comportant quatre boucles 10W, 10X, 10Y, 10Z, sensiblement rectilignes, s'étendant respectivement selon des axes 19W, 19X, 19Y et 19Z parallèles 2878227 9 entre eux; ces derniers axes sont sensiblement perpendiculaires aux axes 19A à 19C. Ainsi, les boucles du premier réseau croisent les boucles du second réseau, ce dernier étant superposé au premier réseau. Les boucles du premier réseau sont disposées en une première couche ou nappe tandis que les boucles du second réseau sont disposées en une seconde couche ou nappe qui est séparée de la première couche ou nappe par une couche (non représentée) d'un matériau électriquement isolant, en particulier la résine thermoplastique ou thermodurcissable imprégnant les fibres de la structure composite de la pale 23. De la sorte, aucun contact électrique n'existe au croisement de deux boucles se chevauchant, telles que les boucles 10C et 10X. Les boucles 10A à 10C et 10W à 10Z étant identiques, et leur espacement mutuel 27 mesuré le long de l'axe 26 étant nettement inférieur au produit de leur longueur commune (20 figure 2) par', chaque boucle du premier groupe ou réseau croise (en superposition) au moins deux boucles du second groupe ou réseau de boucles. Grâce à ce maillage des réseaux de boucles et ponts résistifs, dans l'occurrence d'une brisure ou cassure atteignant les réseaux et s'étendant selon la zone hachurée 28 figure 3, la position et l'étendue approximative de cet endommagement de la pale peuvent être facilement déterminées. En effet, en supposant que tous les ponts résistifs présentent une impédance de 1 kQ, cette cassure provoquant l'ouverture des boucles 10C et 10Y dans leur zone médiane, l'impédance de ces deux boucles sera alors de 1 kû, tandis que l'impédance des autres boucles conservera sa valeur normale de 333 S2 environ. En fonction des mesures d'impédance de boucles reçues du système incorporé à la pale, un calculateur embarqué piloté par un programme spécifique de surveillance d'endommagement, peut, compte tenu de 2878227 10 données représentatives de la géométrie du maillage qui sont enregistrées dans une mémoire du calculateur, déterminer une zone 29 maximale d'endommagement (qui englobe la zone effective 28 d'endommagement) correspondant â ces mesures d'impédance; on peut ainsi facilement déterminer non seulement la position de l'endommagement, mais aussi déterminer - par excès - l'étendue de celui-ci. Par référence aux figures 3 â 5, chaque boucle résistive est reliée par une paire de conducteurs 30 â un boîtier 34 intégré â la pale, au voisinage de la zone 33 de pied par laquelle la pale est solidarisée (articulée) au rotor (non représenté). Les conducteurs 30 sont regroupés en un faisceau 31 qui s'étend longitudinalement (parallèlement â l'axe 26), â proximité du bord d'attaque 24 de la pale 23, et â proximité du longeron 230 de la pale 23 (cf. figure 6). Afin de réduire le nombre de conducteurs, il peut être établi un fil d'alimentation commun pour plusieurs boucles voisines ou pour toutes les boucles d'une zone comme par exemple un revêtement intrados ou un revêtement extrados de la pale. Les boucles 10 s'étendent â partir de ce faisceau, jusqu'au voisinage du bord de fuite 25. Par référence â la figure 4, le faisceau 31 présente une portion d'extrémité 31a, au voisinage de l'extrémité libre 32 de la pale 23, qui suit l'inclinaison du bord d'attaque dans cette zone. Au voisinage du pied 33 de la pale 23, des boucles résistives s'étendent également entre le faisceau 31 et le bord d'attaque 24. Pour ne pas surcharger la figure 3, les conducteurs 30 ont été représentés pour les boucles 10W â 10Z; une paire de conducteurs (non représentée) est cependant nécessaire pour le raccordement des boucles 10A â 10C au boîtier 34 (figures 4 et 5) ; ce dernier comprend un multiplexeur 40 ou analogue pour scruter successivement toutes les boucles 2878227 11 de la pale, un impédance-mètre 41 pour mesurer l'impédance de chaque boucle, et un convertisseur 42 analogique numérique, pour convertir en données numériques les signaux de mesure délivrés par l'impédance-mètre. Des moyens 43 de liaison (filaire ou sans fil) permettent le transport des données d'impédance délivrées par le convertisseur 42, jusqu'au calculateur 44 embarqué à bord de l'aéronef, pour chaque pale du rotor de ce dernier. Le cas échéant, le transport des données d'impédance des boucles et/ou l'alimentation des composants logés dans le boîtier peut transiter par des conducteurs électriques d'alimentation et/ou de transport de données utilisés par un autre système incorporé à la pale, tel qu'un système de dégivrage de cette pale. Une pile (non représentée) incorporée au boîtier 34 alimente les composants 40 à 42. L'invention peut s'appliquer notamment aux pales composites décrites dans les brevets FR 2 740 379, FR 2 699 498 et/ou FR 2 699 499. 12 REVENDICATIONS 1. Pale (23) de rotor d'aéronef à voilure tournante, qui présente un axe longitudinal (26), caractérisée en ce qu'elle comporte des boucles (10) (semi-)conductrices s'étendant selon des axes (19, 19A à 19C, 19W à 19Z) ou directions obliques par référence à l'axe longitudinal (26). 2. Pale selon la revendication 1, qui comporte un premier groupe ou réseau de premières boucles (semi-)conductrices s'étendant selon un premier axe ou direction (19A à 19C) oblique, ainsi qu'un second groupe ou réseau de secondes boucles (semi-)conductrices s'étendant selon un second axe ou direction (19W à 19Z) oblique ou transversal et distinct du premier axe (de la première direction). 3. Pale selon la revendication 2, dans laquelle la première direction est sensiblement perpendiculaire à la seconde direction. 4. Pale selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle les groupes ou réseaux de boucles sont séparés par une couche de matériau isolant. 5. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, qui comporte en outre un dispositif (41) de mesure d'impédance conçu et agencé pour mesurer l'impédance d'une boucle et délivrant un signal de mesure d'impédance de boucle, un dispositif (40) de balayage et de connexion conçu et agencé pour connecter successivement chacune des boucles de la pluralité de boucles au dispositif de mesure d'impédance, en balayant régulièrement et selon un ordre déterminé les boucles de la pluralité de boucle, ainsi qu'un convertisseur (42) analogique numérique conçu et agencé pour transformer chaque mesure du dispositif de mesure d'impédance en une donnée numérique d'impédance, et des moyens (43) de transmission conçus et agencés pour transmettre ces données à un calculateur (44) embarqué. 2878227 13 6. Pale selon la revendication 5, dans laquelle chaque boucle est raccordée au dispositif (40) de balayage et de connexion par une paire de fils ou bandes (30) métalliques. 7. Pale selon la revendication 6, dans laquelle les fils ou bandes (30) métalliques s'étendent â proximité du bord d'attaque (24) de la pale. 8. Pale selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle les fils ou bandes métalliques sont regroupé(e)s en un faisceau ou toron (31). 9. Pale selon la revendication 8, dans laquelle les boucles s'étendent du faisceau ou toron (31) vers le bord de fuite (25) de la pale. 10. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 â 9, qui présente une structure composite comportant des fibres, et dans laquelle au moins une partie des boucles (semi-)conductrices s'étend parallèlement aux fibres. 11. Pale selon la revendication 10, qui comporte du côté de son intrados et/ou de son extrados, un premier groupe de boucles sensiblement conductrices s'étendant selon une première direction, parallèlement â des premières fibres et/ou â une première nappe de fibres de la structure de la pale composite, la pale comportant en outre un second groupe de boucles sensiblement conductrices qui s'étendent selon une seconde direction, parallèlement â des secondes fibres et/ou â une seconde nappe de fibres de la structure de la pale composite, la seconde direction étant distincte de la première direction. 12. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, qui comporte un premier réseau de premières boucles parallèles entre elles et disposées selon une première couche et un second réseau de secondes boucles parallèles entre elles, qui croise le premier réseau. 13. Pale selon l'une quelconque des revendications 2 ou 12, dans laquelle les réseaux sont superposés et séparés par une couche de matériau isolant. 14. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans laquelle chaque boucle comporte plusieurs ponts ou éléments conducteurs ou semiconducteurs reliant les deux brins de la boucle et/ou connectés en parallèle. 15. Pale selon la revendication 14, dans laquelle chacun des ponts ou éléments présente une impédance électrique sensiblement identique. 16. Pale selon la revendication 14 ou 15, dans laquelle chaque pont ou élément est essentiellement constitué par une résistance CMS. 17. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, dans laquelle chaque boucle comporte au moins trois ponts ou éléments (semi-) conducteurs régulièrement espacés les uns par rapport aux autres le long de l'axe (19, 19A à 19C, 19W à 19Z) de la boucle. 18. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, qui comporte plusieurs dizaines de boucles (semi-)conductrices. 19. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, dans laquelle l'angle (22) d'inclinaison des boucles par rapport à l'axe longitudinal (26) de la pale est de l'ordre de 45 . 20. Aéronef à voilure tournante comportant un rotor équipé de plusieurs pales selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, ainsi qu'un calculateur (44) dans une mémoire duquel sont enregistrées des données représentatives de la géométrie du maillage des boucles incorporées à chaque pale du rotor, et un programme de détermination d'une zone (29) maximale d'endommagement d'une pale en fonction de données d'impédance des boucles de cette pale.