Brevet FR2918638A1 — publié le 20090116

SYSTEME DE LIMITATION DES OSCILLATIONS EN TANGAGE APPLIQUE A UN AERONEF La présente invention concerne un système visant à limiter la charge verticale appliquée sur le train avant d'un aéronef ainsi que les oscillations de cet aéronef lorsqu'il effectue un freinage au sol, et particulièrement un freinage d'urgence à basse vitesse. L'invention trouve des applications dans le domaine de l'aéronautique et est plus précisément destinée aux aéronefs de masse importante dotés d'un train avant. Généralement, un aéronef est muni de plusieurs trains d'atterrissage dont les fonctions essentielles sont premièrement de permettre à l'avion de manoeuvrer au sol, ce qui inclut les fonctions de roulage, de virage et de freinage, et deuxièmement d'absorber l'énergie cinétique verticale de l'avion à l'atterrissage. Chaque train comprend une ou plusieurs roues et est équipé d'un amortisseur qui assure le confort au roulage et amorti l'impact à l'atterrissage. Sur les avions modernes de masse importante, on peut distinguer deux groupes de trains : les trains principaux d'une part, accrochés sous la voilure et/ou sous le fuselage, et le train avant (dans de rares cas constitué de deux trains avant juxtaposés) accroché sous le fuselage en avant des trains principaux. L'avion ayant besoin d'au moins trois points d'appui au sol pour être stable, la configuration la plus simple, dite configuration tricycle, consiste en deux trains principaux gauche et droit montés de manière symétrique sous la voilure ou le fuselage et en un train avant. Le rôle des trains principaux est de supporter la plus grande partie des charges transmises entre le sol et l'avion, au roulage comme à l'atterrissage. Les trains principaux assurent également la fonction de freinage, chacune de leurs roues, ou parfois seulement une partie des roues, étant équipée d'un frein. Le train avant quant à lui, dont le rôle premier est de fournir le point d'appui supplémentaire indispensable à la stabilité de l'avion au sol, reprend beaucoup moins de charge que les trains principaux. En général, sa fonction principale est de diriger l'avion au sol; à cet effet, la ou les roues du train avant sont orientables. De par la configuration des avions modernes, telle que décrite ci-dessus, le train avant subit des charges beaucoup plus faibles que les trains principaux pour la majorité des manoeuvres au sol, incluant les roulages à vitesse faible ou moyenne, les virages et l'atterrissage. Il n'en est pas de même lorsque l'avion effectue un freinage violent. Sous l'effet de l'application brutale et maintenue d'un effort de freinage sur les trains principaux, l'avion effectue un rapide mouvement à piquer autour de son axe de tangage qui comprime l'amortisseur du train avant et engendre une charge verticale élevée sur ce train ainsi que des charges importantes dans la structure de l'avion (par exemple effort tranchant et moment de flexion du fuselage avant). D'autre part, lorsque la compression de l'amortisseur du train avant atteint son maximum, il se produit une détente de l'amortisseur, celui-ci restituant une partie de l'énergie emmagasinée lors de la compression. L'effort de freinage sur les trains principaux continuant dans le même temps à être appliqué, son effet piqueur finit par stopper la détente du train avant et par provoquer une nouvelle compression. Le phénomène se répète et il se produit donc une succession de compressions et de détentes du train avant, ce qui se traduit par une oscillation en tangage de l'avion (à la fréquence propre de l'avion posé sur ses trains soit de l'ordre de 1 Hz sur les avions les plus lourds) et par des oscillations à la même fréquence des charges sur le train avant et dans la structure avion. Ces oscillations peuvent perdurer assez longtemps car l'amortissement et les frottements internes de l'amortisseur du train avant sont en général trop faibles pour les amortir rapidement. Les phénomènes décrits ci-dessus présentent les inconvénients suivants : -Premièrement, les charges et contraintes maximum atteintes sur le train avant et dans la structure peuvent être dimensionnantes et pénalisantes en terme de masse structurale - Deuxièmement, les oscillations des charges et des contraintes à des niveaux élevés sont de nature à engendrer une fatigue importante de la structure et du train avant ainsi qu'une usure interne du train sous l'effet des frottements. - Enfin, les oscillations en tangage peuvent provoquer un inconfort de l'équipage et des passagers. L'objectif de la présente invention est de proposer un système, simple dans sa conception et son mode opératoire, permettant de limiter significativement l'amplitude des oscillations et de réduire les charges et contraintes maximum, atténuant ou supprimant de ce fait les inconvénients énumérés au paragraphe précédent. L'invention concerne un système de limitation des oscillations en tangage et s'applique à un aéronef doté d'un train avant et de trains principaux eux-mêmes équipés de freins. Selon l'invention, le système comprend des moyens pour appliquer un freinage différé dans le temps entre certaines roues des atterrisseurs au début d'un freinage d'urgence, dans le but de réduire l'amplitude du mouvement de tangage de l'aéronef. Dans différents modes de réalisation possibles, la présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortent au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons possibles : - sur un même train, certaines roues, par exemple les deux roues d'un 15 essieu, sont freinées avec un certain retard par rapport aux autres roues du même train ; - dans le cas d'un aéronef muni de trains principaux sous voilure et de trains principaux sous fuselage, les trains montés sous la voilure sont freinés après les trains montés sous fuselage, ou le contraire ; 20 - plus généralement, toutes les roues équipées de freins ne sont pas freinées simultanément. On distinguera au moins deux groupes de roues, et éventuellement plus. Les roues du premier groupe seront freinées en premier, puis ce sera le tour des roues du second groupe après un certain délai, puis de celles du troisième groupe s'il y en a un, après un second délai, etc. Selon les 25 deux exemples ci-dessus, un groupe peut correspondre à un essieu ou à un train mais cela n'est nullement limitatif. - le freinage différé repose sur tout moyen électronique, électrique, mécanique, etc., permettant de le réaliser. Il peut reposer par exemple sur un calculateur qui envoie l'ordre de freiner aux différentes roues à différents instants. 30 Il peut aussi reposer sur le circuit hydraulique de freinage qui par sa conception et de manière mécanique ne transmet pas la pression en même temps à tous les freins ; -le ou les délais entre les différents groupes de roues peuvent être figés ou bien calculés en temps réel au moyen d'un calculateur de temps de retard pour minimiser les oscillations, par exemple sur la base des informations en provenance de la centrale inertielle de l'aéronef. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont données qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Figure 1 : la figure 1 représente schématiquement une vue en perspective d'un aéronef comportant quatre trains principaux dont deux sous le fuselage et deux sous la voilure et un train avant sous le nez de l'aéronef, la ligne représentant l'axe de tangage de l'avion ; Figures 2A et 2B : Les figures 2A et 2B représentent schématiquement une vue de profil de l'aéronef effectuant un mouvement de tangage vers le bas et vers le haut autour d'un axe de tangage et provoquant une compression et une détente de l'amortisseur du train avant ; Figure 3 : la figure 3 représente deux courbes de charge verticale subie par le train avant de l'aéronef en fonction du temps, le première courbe (6) étant obtenue en absence de délai de freinage entre les roues et la deuxième courbe (7) étant obtenue en présence d'un freinage retardé des roues des trains sous voilure par rapport aux roues des trains sous fuselage, et un tableau de valeurs donnant la charge maximale qui peut être lue sur chacune des deux courbes correspondantes ; Figure 4 : la figure 4 représente schématiquement un exemple de réalisation d'un système de freinage permettant l'application d'un freinage différé. Comme vu précédemment, l'invention concerne un système permettant de limiter significativement l'amplitude des oscillations en tangage d'un aéronef lors d'un freinage et de réduire les charges qui en découlent. Le système comprend des moyens pour appliquer un freinage différé dans le temps entre certaines roues des trains. La figure 1 représente schématiquement une vue en perspective d'un tel aéronef, comportant à titre d'exemple quatre trains principaux dont deux sous le fuselage 1 et deux sous la voilure 2, ainsi qu'un train avant sous le nez de l'aéronef 3. La ligne 4 représente l'axe de tangage de l'avion. Selon l'art antérieur, lors d'un freinage d'urgence au sol, tous les freins des roues des trains principaux sont freinés simultanément. Cet effort de freinage représenté sur la figure 2 par la référence Fx induit un moment piqueur My et provoque un mouvement à piquer de l'avion autour de son axe de tangage 4. Ce mouvement à piquer provoque une compression du train avant qui voit donc dans le même temps sa charge verticale augmenter. Si l'application du freinage était lente et progressive, la charge sur le train avant irait en croissant régulièrement de manière à équilibrer par son effet cabreur le moment piqueur causé par le freinage. Dans le cas d'un freinage d'urgence, la brutalité du mouvement à piquer de l'avion et l'élan ainsi procuré amène le train avant à se comprimer davantage et à subir plus de charge qu'il ne serait nécessaire pour équilibrer le moment piqueur dû au freinage. Etant allé au delà de la valeur nécessaire à l'équilibre en tangage, la compression du train avant fini par atteindre un maximum ; dès lors, par un effet de rebond, le train se détend; puis sous l'effet du freinage qui continue à être appliqué cette détente est stoppée et une nouvelle compression commence. En conséquence, la charge sur le train avant subit des oscillations pseudo- périodiques plus ou moins amorties autour d'une valeur moyenne telle que l'avion serait équilibré en tangage. A titre d'exemple, une courbe de simulation de charge verticale Tz subie par le train avant d'un aéronef de type A340-600 ou A380 est représentée sur la figure 3, courbe 6. On peut y voir les oscillations pseudo-périodiques amorties autour d'une valeur moyenne (6b) qui serait celle nécessaire pour équilibrer l'avion en tangage à chaque instant. On constate que, bien que les oscillations soient amorties, c'est le deuxième pic qui est le plus élevé, à cause de la valeur moyenne qui continue d'augmenter. L'invention propose des moyens permettant de perturber et de réduire les 25 oscillations. Ces moyens comprennent un freinage différé dans le temps entre les différentes roues des trains de l'aéronef. Dans un mode de réalisation particulier, donné à titre d'exemple non limitatif de l'invention, le freinage différé consiste à freiner les roues des trains sous voilure après les roues des trains sous fuselage. Dans ce cas particulier, le fait de ne 30 freiner d'abord qu'un groupe de roues réduit la violence du mouvement à piquer et par là même la valeur du premier pic de charge sur le train avant; idéalement, les autres roues sont ensuite freinées peu après que le train avant ait amorcé sa détente, de façon à contrer cette détente et à neutraliser autant que possible le phénomène oscillatoire; ce faisant, le deuxième pic de charge sur le train avant va également s'en trouver limité. Donc, dans ce mode de réalisation particulier, le délai optimal entre les deux groupes de roues freinées est de l'ordre de grandeur de la pseudo-période des oscillations. Ce mode de réalisation, qui n'est qu'un mode particulier et simple de réalisation, s'avère très efficace pour réduire l'amplitude des oscillations et le pic de charge sur le train avant, ainsi que le montre la figure 3. La courbe 6 représente, pour un avion de type A340-600 ou A380, la charge verticale Tz sur le train avant obtenue en absence de freinage différé et la courbe 7 représente ce même effort vertical obtenu en appliquant un freinage différé de 0.8s sur les trains sous voilure (par rapport au train sous fuselage qui est freiné en premier). Les courbes 6b et 7b représentent les valeurs d'équilibre autour desquelles oscille l'effort sur le train avant. La charge maximale sur le train avant atteint 201 000 daN en absence de freinage différé et seulement 155 000 daN avec freinage différé, soit une réduction de 22%. Une réduction du même ordre est obtenue sur les charges du fuselage en effort tranchant et en moment de flexion. La figure 4 représente schématiquement un exemple de structure de circuit de freinage d'aéronef. Sur la base de cet exemple, on décrit ci-après une façon de réaliser le freinage différé. Les instructions de freinage provenant des commandes de freinage 8 situées dans la cabine de pilotage de l'aéronef ne sont pas envoyées directement aux freins mais passe d'abord par un calculateur de freinage 9. Avantageusement un calculateur de temps de retard de freinage est intégré directement dans le calculateur de freinage 9. Ce calculateur de temps de retard permet ainsi d'introduire en temps réel un temps de retard de freinage At optimisé entre certaines roues des trains. Ce temps de retard At est compris entre 0,5 secondes et 1,1 secondes, le temps de retard optimal étant de 0, 8 secondes. Hors la présente invention, ce calculateur intègre usuellement des fonctions d'anti-patinage de roues et de limitation du taux de montée en couple de freinage; il peut également être utilisé dans le cadre de la présente invention pour introduire un retard de freinage entre roues. En cas de freinage d'urgence, c'est à dire en cas de sollicitation brutale des commandes de freinage 8, le calculateur envoie dans un premier temps l'ordre aux électrovannes 12 et 13 de s'ouvrir, ce qui a pour effet de transmettre la pression provenant du circuit hydraulique 11 dans les conduites hydrauliques 10 reliées aux freins 16 et 19 du train 21. Ainsi, le train 21 est freiné, tandis que le train 20 ne l'est pas encore. Après un délai At, le calculateur envoie l'ordre aux électrovannes 14 et 15 de s'ouvrir, ce qui a pour effet de transmettre la pression du circuit 11 dans les conduites 10 reliées aux freins 17 et 18 du train 20. Ainsi le train 20 est freiné avec un retard At par rapport au train 21. Le fonctionnement décrit dans le présent paragraphe n'est qu'un exemple de réalisation d'un freinage différé, qui ne doit pas être considéré comme limitatif de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système de limitation des oscillations en tangage, appliqué à un aéronef comportant des trains principaux vers le centre de l'aéronef et un train avant sous le nez de l'aéronef, caractérisé en ce que le système comprend des moyens pour appliquer automatiquement en cas de freinage brutal un freinage différé dans le temps entre certaines roues des trains en vue de réduire l'amplitude du mouvement de tangage de l'aéronef. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aéronef comportant des trains principaux sous fuselage et sous voilure, ledit freinage différé consiste à freiner le(s) train(s) sous voilure après le(s) train(s) sous fuselage. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'aéronef comportant des trains principaux sous fuselage et sous voilure, ledit freinage différé consiste à freiner le(s) train(s) sous voilure avant le(s) train(s) sous fuselage. 4. Système selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le temps de retard At est compris entre 0,5 secondes et 1,1 secondes, le temps de retard optimal étant de 0, 8 secondes. 5. Système selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens pour appliquer un freinage différé comprennent un calculateur de temps de retard de freinage nécessaire à appliquer. 6. Aéronef comportant un système de limitation de limitation des oscillations en tangage au freinage selon l'une quelconque des revendications précédentes. 7. Aéronef selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des commandes de freinage (8) situées dans le poste de pilotage et reliées au système de freinage comportant un calculateur de freinage (9) et des conduits hydraulique de freinage (10, 11) munis d'électrovannes (12, 13, 14, 15) commandées par le calculateur (9). 8. Aéronef selon les revendications 5 et 7, caractérisé en ce que le calculateur de temps de retard de freinage est intégré directement dans le calculateur de freinage.