Brevet FR2906786A1 — publié le 20080411

Procédé et dispositif de dégivrage d'une paroi d'aéronef La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif de dégivrage d'une paroi d'aéronef. Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication d'hélicoptères. La présente invention est plus particulièrement relative à un procédé et à un dispositif de chauffage de la face externe d'une paroi d'un giravion pour éviter la formation et/ou l'accumulation de givre sur cette face, et à une paroi - en particulier une pale de rotor d'avance et de sustentation - d'un giravion équipée d'un tel dispositif. I1 est bien connu que la formation et l'accumulation de givre sur une surface externe d'un aéronef peut très rapidement modifier les caractéristiques aérodynamiques de cette surface ; notamment lorsque cette surface est une aile tournante de giravion, ce givrage peut être à l'origine de la chute du giravion. De nombreuses recherches ont aussi été menées pour empêcher ou combattre la formation du givre. Selon les brevets US-4060212 et FR-2346217, il a été proposé un dispositif de dégivrage par micro-ondes ; selon les brevets US-4399967, US-4458865 et US-4501398, il a été proposé de dégivrer la peau d'une aile en déformant la peau à l'aide d'impulsions électromagnétiques. Il a été proposé dans le brevet US-1819497 d'équiper une aile d'avion d'une boucle conductrice qui est alimentée par une source de courant haute fréquence pour induire des courants dans la structure métallique de l'aile, chauffer cette structure et par conséquent combattre le givre. Le même principe a été proposé dans le brevet US-2547934 pour dégivrer les pales du stator d'un compresseur d'air. 2906786 2 Cependant, le chauffage par induction d'une paroi d'aéronef n'a jusqu'à ce jour pas pu être mis au point de façon efficace, notamment en ce qui concerne le chauffage des pales du rotor d'un giravion ; ces pales sont donc généralement chauffées par conduction, par exemple comme décrit 5 dans les brevets US-2005-184193 et FR-2863586. Le chauffage par conduction (par effet Joule) d'une paroi d'aéronef en matériau composite comportant des fibres ou tissus de renfort noyés dans une résine thermoplastique ou thermodurcissable, est cependant susceptible de provoquer l'apparition, au sein de la paroi, de points ou 10 zones chaud(e)s , et de provoquer par conséquent une détérioration de la structure composite. Un objectif de l'invention est de proposer un procédé et un dispositif de dégivrage d'une paroi d'aéronef, et une paroi d'aéronef intégrant un tel dispositif, qui soi(en)t améliorés(es) et/ou qui remédie(nt), 15 en partie au moins, aux lacunes ou inconvénients des systèmes de dégivrage connus, tout en conférant un rendement optimisé. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de dégivrage pour une paroi d'aéronef comportant une structure composite et une couche ou peau constituée d'un matériau électriquement conducteur, 20 en particulier un métal ou alliage métallique à base de fer (tel que de l'acier), de nickel, ou de titane, qui comporte plusieurs éléments inducteurs minces, en particulier en forme de plaque ou de coque, qui sont prévus pour s'étendre sensiblement parallèlement à la couche ou peau de matériau conducteur, à une distance suffisamment faible de celle-ci pour provoquer, 25 lorsque l'inducteur est alimenté par une source de courant alternatif de fréquence adaptée, un échauffement rapide et homogène de la couche ou peau, sans échauffement notable de la structure composite. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une pièce d'aéronef, et en particulier une pale de rotor de giravion, qui comporte une structure composite comportant des renforts noyés dans une résine, ainsi qu'une peau électriquement conductrice recouvrant une partie de la 2906786 3 structure composite, et des inducteurs placés au sein de la structure composite, électriquement isolés de la peau par de la résine, et prévus pour provoquer l'échauffement de la peau par induction lorsqu'ils sont alimentés. 5 De préférence, les inducteurs comportent des bobines de fil conducteur qui sont plates (minces) et comportent un grand nombre de spires ou boucles. L'inducteur peut également se présenter sous la forme d'un tissu ou d'un tricot à base de fibres de verre isolant et fils de Litz conducteur qui est imprégné d'une matrice organique. Le tissu peut être 10 poudré, et peut présenter un maillage de type sergé, taffetas ou satin. Selon un mode préféré de réalisation, l'épaisseur d'une bobine et/ou d'un inducteur est inférieure à son diamètre - ou diamètre équivalent -, en particulier inférieure au dixième de son diamètre - ou diamètre équivalent-. Grâce à leur minceur, les bobines et les inducteurs peuvent être 15 conformés pour s'étendre le long d'une surface - plane ou en forme de portion de cylindre ou de coque - qu'épouse la peau à chauffer, de sorte que l'efficacité de l'induction est augmentée au travers de la répartition des lignes de champs et donc de la densité de courant plus homogène pour rendre plus efficace le chauffage de l'élément métallique, inox, titane, 20 nickel et ses alliages - cobalt par exemple (NI-CO). Le courant induit produit chauffe alors par effet Joule l'élément métallique soumis au champ magnétique. Selon un mode préféré de réalisation, chaque bobine d'inducteur comporte plusieurs dizaines ou centaines de spires ou boucles 25 accolées/imbriquées de fil conducteur, pour augmenter également l'efficacité de l'induction Selon d'autres caractéristiques préférentielles de l'invention : - chaque bobine présente une forme allongée selon un axe et comporte deux nappes de fil de Litz (nappes de fils tressés ou 30 toronnés) qui s'étendent sensiblement parallèlement à l'axe de la 2906786 4 bobine, les deux nappes étant séparées par un espace dénué de fils d'induction ; - chaque inducteur comporte deux telles bobines juxtaposées, chaque nappe de chaque bobine comportant plusieurs dizaines ou centaines 5 de portions (ou tronçons) de fil tressé ; - le diamètre du fil conducteur utilisé pour former les inducteurs est inférieur ou égal à 2 mm environ, en particulier de l'ordre de 0,2 mm environ à 1 mm environ, ce qui facilite l'intégration du fil au sein des fibres ou du tissu des couches d'un matériau composite et limite 10 les pertes dans les inducteurs ; - un maillage de type sergé équilibré ou de type hybride (fibre de verre/carbone/fil de Litz) peut permettre d'augmenter la tenue mécanique du tissu rentrant dans la constitution de l'inducteur ainsi que la déformabilité de l'ensemble après tissage ; 15 -un grand nombre de fils de Litz permet d'augmenter la densité du courant, d'obtenir un recouvrement des lignes de champ et un chauffage homogène sur le bord d'attaque ; - on peut effectuer un poudrage de ces tissus et appliquer un cycle de conformage de façon à réaliser la forme définitive de l'inducteur 20 et/ou avoir la possibilité d'injecter en infusion une résine d'imprégnation et polymériser l'ensemble de façon à obtenir une pièce finie prête à être collée entre le bord d'attaque et la pale de giravion. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de 25 dégivrage d'une telle paroi d'aéronef dans lequel on alimente les inducteurs avec un courant dont la fréquence est située entre 10 et 100 kHz, de préférence entre 40 et 70 kHz, en particulier voisine de 50 kHz environ. D'autres aspects, caractéristiques, et avantages de l'invention apparaissent dans la description suivante, qui se réfère aux dessins annexés 2906786 5 et qui illustre, sans aucun caractère limitatif, des modes préférés de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre schématiquement un inducteur constitué de deux bobines minces juxtaposées. 5 La figure 2 illustre schématiquement, en vue en perspective, un inducteur à deux bobines juxtaposées et les conducteurs pour le raccordement de l'inducteur à une source de courant. La figure 3 illustre schématiquement, en vue en coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe des nappes des bobines d'un inducteur, la 10 disposition des fils conducteurs formant les nappes et noyés dans la résine et/ou intégrés à une structure composite ; la figure 3 est une vue selon III-III de la figure 2. La figure 4 illustre schématiquement, en vue en coupe transversale (par référence à l'axe longitudinal d'une pale), l'implantation des nappes 15 d'un inducteur à proximité d'un insert métallique intégré à la pale d'un rotor de giravion, au voisinage de son bord d'attaque. La figure 5 illustre schématiquement, en vue en perspective, un inducteur similaire à celui des figures 2 et 3, dont la forme des bobines épouse celle d'un insert de bord d'attaque de pale de rotor d'hélicoptère, 20 comme dans la configuration illustrée figure 4. Les figures 6 à 8 illustrent respectivement trois configurations d'implantation d'inducteur au sein d'une pale de rotor d'hélicoptère ; la figure 6 montre sept inducteurs répartis le long du bord d'attaque, et le long de l'extrados - ou de l'intrados ; la figure 7 montre sept inducteurs 25 tels que celui illustré figure 5, qui sont régulièrement repartis le long du bord d'attaque ; la figure 8 montre une pale équipée d'un seul inducteur s'étendant le long d'une partie substantielle de la longueur de la pale. Conformément à un aspect de l'invention, le système de dégivrage par induction de pales d'hélicoptère comporte des inducteurs noyés dans la 2906786 6 pale qui, une fois soumis à un courant alternatif à haute fréquence, émettent un champ magnétique du centre de la pale vers l'extérieur. Le champ magnétique crée alors des courants induits dans la coiffe métallique de protection du bord d'attaque (constituée d'un matériau électriquement 5 conducteur). En soumettant le matériau conducteur électrique (coiffe de bord d'attaque) à un champ magnétique variable, la variation du flux magnétique induit au sein du matériau (loi de Lentz) des forces électromotrices qui donnent naissance à des courants induits (courants de Foucault). Ces 10 courants de Foucault échauffent alors le matériau de la coiffe par effet Joule. A haute fréquence, un phénomène nuisible appelé effet de peau vient perturber la répartition des densités de courant au sein des inducteurs : les courants dans le matériau à chauffer ne pénètrent souvent que 15 partiellement à l'intérieur de celui-ci ; en pénétrant dans le matériau, l'intensité du champ décroît en suivant une loi exponentielle et oblige la densité des courants induits à se concentrer dans la couche superficielle ; ce phénomène est atténué/évité en réalisant les inducteurs avec des fils de Litz (fil en brins torsadés) qui permettent d'obtenir une densité de courant 20 uniforme au sein des nappes des bobines/inducteurs grâce à une définition et une maîtrise des formes de circuits des fils de Litz pour obtenir des lignes de champ uniformément réparties sur la coiffe métallique. Lorsque la fréquence du courant d'induction augmente d'une valeur voisine de 10 kHz à une valeur voisine de 70 kHz et plus, les lignes de 25 champ se concentrent autour de l'inducteur. Pour rendre homogène cette répartition, afin qu'il n'y ait pas de zone de la coiffe qui ne soit pas traversée par les lignes de champs, il est préférable d'utiliser un inducteur comportant deux bobines dont les quatre nappes forment trois conducteurs (éléments inducteurs) plats qui sont placés, pour l'un en bec de bord 30 d'attaque, et pour les deux autres sur les ailes opposées (intrados et extrados) du bord d'attaque, chaque nappe et/ou bobine présentant une épaisseur de l'ordre de un ou plusieurs millimètre. 2906786 7 Dans certaines configurations, on a observé que la puissance dissipée dans la plaque ou feuille d'induit (coiffe) décroît avec le nombre de nappes de l'inducteur. En effet, lorsque l'on passe d'un système à une nappe à un système à deux nappes, l'une conduisant le courant dans un sens positif 5 et l'autre dans un sens opposé ( négatif ), les nappes induisent des courants respectivement négatifs et positifs dans la plaque. Ces deux courants se rencontrent dans la plaque au dessus de l'interface entre les deux nappes et ils s'annulent dans cette zone qui présente une densité de courant nulle, ce qui réduit la puissance dissipée dans la plaque 10 Plus on éloigne les nappes de l'induit, plus la puissance dissipée dans celui ci est faible. Il est donc préférable de placer les nappes de l'inducteur au plus près de la coiffe. On peut ainsi obtenir un chauffage efficace de la coiffe permettant par exemple, pour une température initiale de la coiffe de -40 C d'atteindre 15 10 C en surface après quelques secondes de chauffage avec une densité de courant de 4.106 A/m2. L'alimentation des inducteurs par quelques brins (par exemple 3 brins) des fils de Litz permet de réduire l'intensité du courant d'alimentation des boucles à moins de 100 ampères, en particulier à 20 quelques ampères, par exemple de l'ordre de 5 à 10 ampères environ, alors que l'intensité totale circulant dans chaque nappe de l'inducteur est bien supérieure, par exemple de l'ordre de 400 ampères environ. Afin de permettre un dégivrage localisé et cyclique du bord d'attaque, on peut disposer plusieurs inducteurs le long du bord d'attaque, 25 comme illustrée par exemple figure 6 ou 7. Le système de chauffage par induction inclus dans la pale peut également servir de dispositif d'enlèvement de la coiffe de protection de bord d'attaque lorsque ce dernier présente un niveau d'érosion conséquent ou d'impact et doit être remplacé. Le bord d'attaque étant retenu par un 30 adhésif thermofusible dont la température de ramollissement est inférieure 2906786 8 à la température maximum que la plaque peut atteindre sous l'effet du système à induction électromagnétique, on peut échauffer le bord d'attaque jusqu'à pouvoir arracher ce dernier par pelage pour la maintenance des pales, par exemple comme décrit plus en détail dans le brevet FR-2787366. 5 Le système de chauffage par induction inclus dans la pale peut également servir de chauffage pour polymériser rapidement les bords d'attaque dans le cas d'une réparation rapide, en contrôlant l'échauffement en fonction de la cinétique de polymérisation de l'adhésif. Par ailleurs, l'activation du système d'induction à des niveaux 10 d'intensité assez faible, le cas échéant en l'absence de givre, peut permettre de réaliser un brouillage électromagnétique afin d'éviter que le giravion ne soit détecté par un appareil adverse. Par référence à la figure 1 notamment, l'inducteur 11a comporte deux bobines 12 et 13 qui sont électriquement raccordées en parallèle aux 15 bornes 14 et 15 d'une source (non représentée) de courant alternatif. La bobine 12 comporte une première nappe 16 de brins 17 électriquement conducteurs dans lesquels le courant circule dans le sens 18, et une seconde nappe 19 de brins 20 conducteurs du courant dans le sens 21 opposé au sens 18. 20 De la même façon, la bobine 13 comporte une première nappe 22 de brins conducteurs 23 dans lesquels le courant circule dans le sens 24, ainsi qu'une seconde nappe 25 de conducteurs 26 dans lesquels le sens du courant est repéré 27. Les brins 17 et 20 sont reliés et forment des boucles ou spires de la 25 bobine 12 ; les brins 23 et 26 sont également reliés et forment les boucles de la bobine 13. Les brins 17, 20, 23, 26 et les nappes 16, 19, 22, 25 s'étendent parallèlement à l'axe 28. 2906786 9 En empilant trois inducteurs 11 a minces tels que celui de la figure 1, on obtient un inducteur lib tel qu'illustré figure 2, dans lequel chaque bobine est alimentée par trois conducteurs 29, 30. On observe figures 1 et 2 que les deux nappes centrales 19 et 22 sont 5 jointives, tandis que les nappes 16 et 25 sont respectivement séparées des nappes 19 et 22 par deux espaces 31 et 32. Lorsque les nappes sont enrobées de résine 39 et/ou noyées dans trois structures 33, 34, 35 en matériau (isolant) composite schématiquement représentés par des parallélépipèdes rectangle (cf. figure 10 3), ces trois éléments (33 à 35) d'inducteurs sont placés à faible distance 40 de la plaque/coiffe 41 ferromagnétique à chauffer par induction ; cette distance est de préférence de l'ordre de 0,1mm environ à 3 mm environ, en particulier de l'ordre de 0,1 mm environ à l mm environ. L'épaisseur 36 de chaque bobine 12, 13 et de chaque élément 33, 34, 15 35 peut être de l'ordre de 1 mm environ à 2 mm environ ; la largeur 37 de chaque bobine et de chaque élément 33, 34, 35 peut être de l'ordre de 10mm environ à 50mm environ ; la longueur 38 peut varier de quelques mm à plusieurs mètres selon la configuration choisie (cf. figures 6 à 8). Par référence aux figures 4 et 6 à 8, la pale 42 présente un intrados 20 43, un extrados 44, un bord d'attaque 45 et un bord de fuite 46. Par référence à la figure 4 notamment, une coiffe 41 métallique recouvre le bord d'attaque et une partie avant des intrados et extrados 43, 44 qu'elle protège contre les chocs. Les éléments 33 à 35 d'un inducteur sont logés dans la structure 25 composite 47 de la pale, et s'étendent en regard et à faible distance de la coiffe 41. L'inducteur est relié à deux conducteurs 49, 50 d'alimentation qui s'étendent longitudinalement par référence à l'axe longitudinal 48 de la pale 42, par les conducteurs 29 et 30 respectivement. 2906786 10 Par référence aux figures 4 et 5 notamment, alors que les deux éléments 33, 35 d'inducteur ont une forme de plaque mince sensiblement plane ou faiblement incurvée, l'élément central 34 d'inducteur présente une forme de plaque mince cintrée ou coque qui épouse la forme de la partie 5 avant de la coiffe 41. Alors que dans le mode de réalisation illustré figure 6, les nappes des inducteurs s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal 48 de la pale, les nappes des inducteurs s'étendent parallèlement à cet axe dans les modes de réalisation illustrés figures 7 et 8. 10 Dans ces trois modes de réalisation, les inducteurs s'étendent ù de façon continue figure 8 et de façon discontinue figures 6 et 7 ù le long du bord d'attaque 45 et de l'axe 48, sensiblement régulièrement, sur une grande partie de la longueur de la pale, entre ses deux extrémités (pied de pale 52 et saumon 51). 15 Les conducteurs 49 et 50 sont rassemblés en un bus 53 qui, au travers d'un collecteur tournant non représenté, permet l'alimentation des inducteurs par une source d'énergie embarquée à bord du giravion. REVENDICATIONS 1. Dispositif de dégivrage d'une paroi d'aéronef comportant une structure composite (47) et une couche ou peau (41) constituée d'un matériau électriquement conducteur, en particulier un métal ou alliage métallique, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs éléments inducteurs minces (33 à 35) qui sont prévus pour s'étendre sensiblement parallèlement à la couche ou peau de matériau conducteur, à une distance (40) suffisamment faible de celle-ci pour provoquer, lorsque l'inducteur est alimenté par une source de courant alternatif de fréquence adaptée, un échauffement rapide et homogène de la couche ou peau, sans échauffement notable de la structure composite. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel les inducteurs sont en forme de plaque ou de coque et comportent des bobines (12, 13) de fil conducteur qui sont plates et comportent un grand nombre de spires ou boucles, et dans lequel l'épaisseur d'une bobine et/ou d'un inducteur est inférieure au dixième de son diamètre - ou diamètre équivalent -. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel chaque bobine d'inducteur comporte plusieurs dizaines ou centaines de spires ou boucles accolées et/ou imbriquées. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel chaque bobine présente une forme allongée selon un axe (28) et comporte deux nappes (16, 19, 22, 25) de fils tressés ou toronnés qui s'étendent sensiblement parallèlement à l'axe de la bobine, les deux nappes étant séparées par un espace (31, 32) dénué de fils d'induction. 5. Dispositif selon la revendication 4 dans lequel chaque inducteur comporte deux bobines juxtaposées, chaque nappe de chaque bobine comportant plusieurs dizaines ou centaines de portions de fil tressé. 2906786 12 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel les inducteurs comportent un tissu ou tricot de fibres isolantes et de fils conducteurs, dont le maillage peut être de type sergé, taffetas, satin, ou hybride. 5 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel le diamètre du fil conducteur utilisé pour former les inducteurs est de l'ordre de 0,2 mm environ à 1 mm environ. 8. Pièce (42) d'aéronef qui comporte une structure composite comportant des renforts noyés dans une résine, ainsi qu'une peau (41) 10 électriquement conductrice recouvrant une partie de la structure composite, caractérisée en ce qu'elle comporte des inducteurs (33 à 35) placés au sein de la structure composite, électriquement isolés de la peau par la résine, et prévus pour provoquer l'échauffement de la peau par induction lorsqu'ils 15 sont alimentés. 9. Pièce selon la revendication 8 dans laquelle les inducteurs présentent les caractéristiques de l'une quelconque des revendication 1 à 7. 10. Pièce selon la revendication 8 ou 9 dans laquelle les bobines et les inducteurs sont conformés pour s'étendre, pour partie le long d'une 20 surface plane et pour partie le long d'une surface en forme de portion de cylindre ou de coque qu'épouse la peau à chauffer. 11. Pale (42) de rotor de giravion, qui incorpore un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou qui présente les caractéristiques de l'une quelconque des revendications 8 à 10. 25 12. Pale selon la revendication 11 qui comporte un seul inducteur s'étendant sur une partie substantielle de la longueur de la pale, le long du bord d'attaque (45). 2906786 13 13. Pale selon la revendication 11 qui comporte plusieurs inducteurs espacés s'étendant sur une partie substantielle de la longueur de la pale, le long du bord d'attaque. 14. Procédé de dégivrage d'une paroi d'aéronef dans lequel on utilise 5 un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, et dans lequel on alimente les inducteurs avec un courant dont la fréquence est située entre 10 et 100 kHz, de préférence entre 40 et 70 kHz, en particulier voisine de 50 kHz environ. 15. Procédé selon la revendication 14 dans lequel on alimente les 10 inducteurs avec un courant dont l'intensité est inférieure à 100 Ampères. 16. Procédé de réparation d'une paroi d'aéronef dans lequel on utilise un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 17. Procédé de modification de la signature électromagnétique d'un aéronef dans lequel on utilise un dispositif selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 7.