Brevet FR2942453A1 — publié le 20100827

-1- L'invention concerne les aéronefs, notamment ceux dont la structure est prévue pour une utilisation de type "cargo". Il est connu de renforcer la structure d'un avion pour lui permettre de recevoir sur son plancher non pas des passagers mais des charges telles que des palettes. Il s'agit alors pour la structure de soutenir les efforts inertiels générés par les palettes soumises aux accélérations de l'avion et transmis à la structure de ce dernier. Ce problème touche particulièrement le caisson central de voilure. En effet, ce dernier est déjà fortement sollicité par les efforts provenant de la voilure. On a illustré aux figures 1 et 2 une section du caisson dans un plan vertical perpendiculaire à la direction longitudinale du fuselage. Ce caisson 2 comprend un panneau d'intrados 4 et un panneau d'extrados 6 s'étendant au-dessus du panneau d'intrados. Les deux panneaux sont généralement plans et horizontaux en étant espacés l'un de l'autre. Ils sont reliés l'un à l'autre par des cadres 8 auxquels sont fixées les ailes 10 de l'avion. Le reste du fuselage 12 s'étend au-dessus du caisson 2. La voilure soumet le panneau d'extrados 6 à des efforts de compression FE et le panneau d'intrados 4 à des efforts de traction F,. Un effort tranchant T apparaît à la jonction entre la voilure et les cadres, effort qui est équilibré par ces derniers. Chacune des ailes engendre aussi sur le caisson un moment de flexion Mf. On a illustré plus en détail à la figure 3 le panneau d'extrados 6 dans une vue analogue. La pression atmosphérique P régnant à l'intérieur de la cabine de l'avion s'applique également sur le panneau extrados. Ainsi, ce dernier se retrouve soumis d'une part à des efforts de compression F, d'autre part à la pression P uniformément répartie. Cet ensemble de sollicitations sur le panneau et ses raidisseurs rend le panneau particulièrement sensible à l'instabilité. Dans ces conditions, il est souhaitable de ne pas ajouter d'effort tranchant (un effort s'exerçant suivant l'axe vertical de l'avion) ni de moment de flexion entre les deux appuis du panneau à ses extrémités. Enfin, la déformée relative du caisson central de voilure peut être importante. On a ainsi illustré à la figure 4, à nouveau en section verticale, une moitié latérale du caisson 2, en traits pleins lorsqu'il n'est pas soumis à des sollicitations et en traits mixtes lorsqu'il est déformé sous l'effet de ces sollicitations. Le panneau d'extrados 6 a tendance à se fléchir vers le bas tout comme le panneau d'intrados 4. Toutefois, le premier voit ses extrémités se rapprocher l'une de l'autre tandis que le second voit les siennes s'éloigner l'une de l'autre. Les cadres subissent une rotation d'un angle a autour d'un axe parallèle à la direction longitudinale du fuselage. Par conséquent, les renforcements structuraux susceptibles d'être réalisés ne doivent pas ajouter trop de rigidité au caisson pour lui permettre de telles déformations, 2942453 -2- faute de quoi les déplacements imposés au caisson chargeraient de manière trop importante ces nouveaux éléments de structure ainsi que leur environnement. On peut aussi considérer la position des palettes et leurs points d'accrochage. On a ainsi illustré à la figure 5 une section, dans un plan vertical perpendiculaire à la direction 5 longitudinale du fuselage, du caisson central de voilure avec deux palettes 16 munies de leur chargement et reçues sur le plancher 14 au-dessus du caisson. Les points d'accrochage des palettes se situent généralement au niveau de leurs bords latéraux aux points gauche 18, central 20 et droit 22. A chacun de ces points d'accrochage, des efforts suivant les directions verticale et latérale sont introduits dans le plancher. Les efforts 10 introduits au niveau des points latéraux 18 et 22 peuvent être équilibrés sans difficulté. En revanche, il est difficile d'équilibrer ceux introduits au niveau du point central 20 tout en respectant les contraintes liées à l'environnement du caisson central de voilure. Un but de l'invention est d'améliorer la capacité de la structure de l'aéronef à encaisser des efforts, notamment au niveau du caisson central de voilure et, par exemple, 15 au niveau du point central, par exemple en cas d'utilisation de type "cargo" A cet effet, on prévoit selon l'invention un aéronef qui comprend : - un plancher, - un panneau d'extrados de caisson central de voilure, - au moins deux rails et au moins deux poutres, les rails et les poutres s'étendant 20 entre le plancher et le panneau, et - au moins un renfort apte, indépendamment des rails, à reprendre un effort s'exerçant au niveau du plancher et à transmettre cet effort aux poutres et/ou au panneau d'extrados. De préférence, le renfort est apte, indépendamment du panneau, à reprendre un 25 effort vertical s'exerçant au niveau du plancher et à transmettre cet effort aux poutres sans le transmettre au panneau. Ainsi, l'effort est transmis aux poutres qui sont des pièces aptes à l'encaisser. La transmission se fait sans solliciter le panneau, lequel serait particulièrement instable s'il était soumis à ce type d'effort. Les efforts verticaux sur le plancher sont donc repris sans 30 risque pour la stabilité du panneau. De préférence, le renfort est apte, indépendamment des poutres, à reprendre un effort latéral s'exerçant au niveau du plancher et à transmettre cet effort au panneau sans le transmettre aux poutres. Ainsi, les efforts latéraux sont transmis sans que les poutres ni les rails soient 35 sollicités, lesquels sont peu aptes à encaisser ce type d'effort. Avantageusement, le renfort est solidaire des poutres suivant la direction verticale. 2942453 -3- Ainsi, le renfort transmet les efforts verticaux aux poutres qui sont à même de le supporter. Avantageusement, le renfort présente un jeu latéral avec les poutres. Ainsi, on évite toute transmission d'effort latéral aux poutres qui, en général, ne sont 5 pas aptes à encaisser de tels efforts. De préférence, le renfort est relié au panneau d'extrados par deux bielles inclinées en directions opposées l'une de l'autre, de préférence convergentes en direction du panneau. Ainsi, les efforts latéraux se trouvent décomposés sur les deux bielles. Les 10 composantes verticales résultant de cette décomposition s'annulent mutuellement. Quant aux composantes horizontales, on favorise leur reprise au niveau du panneau, et ce indépendamment des poutres qui sont peu aptes à encaisser de tels efforts. De préférence, le panneau est raidi par au moins un raidisseur et les bielles définissent des droites ayant un point d'intersection situé au niveau d'une fibre neutre de 15 l'ensemble formé par le panneau et son raidisseur. Ainsi, on optimise la transmission des efforts en réduisant au minimum les risques d'instabilité du panneau. Avantageusement, l'aéronef comprend, pour chaque renfort, une chape unique reliant les bielles au panneau. 20 De préférence, l'aéronef présente une liaison rotule à au moins une extrémité de chaque bielle. Ainsi, on ne bride pas la liberté de mouvement des rails suivant la direction longitudinale du fuselage par rapport au caisson central de voilure. Avantageusement, le renfort ou au moins l'un des renforts intercepte un plan vertical 25 longitudinal médian de l'aéronef. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante d'un aéronef selon un mode préféré de réalisation de l'invention, donnée en référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 5 sont des vues en section, suivant un plan vertical perpendiculaire 30 à la direction longitudinale du fuselage, d'un caisson central de voilure d'un avion selon l'art antérieur ; - la figure 6 est une vue partielle en perspective, avec arrachement, de la structure d'un avion selon l'invention au niveau du caisson central de voilure ; et - les figures 7 et 8 sont des vues partielles en perspective de la partie centrale de la 35 structure de la figure 6. 2942453 -4- Nous allons décrire en référence aux figures 6 à 8 un avion constituant un mode de réalisation de l'aéronef selon l'invention. L'invention n'est toutefois pas limitée aux avions. L'avion comprend un fuselage, deux ailes, des moteurs et des trains d'atterrissage non illustrés. En référence à la figure 6, le fuselage comprend un caisson central de 5 voilure 2 auquel sont raccordées les deux ailes. Dans la suite, on utilise le repère X, Y et Z dans lequel les directions X et Y sont les directions horizontales respectivement parallèle et perpendiculaire à la direction longitudinale du fuselage, et la direction Z est la direction verticale. Le caisson 2 comprend un panneau d'intrados 4 et un panneau d'extrados 6 10 horizontaux, parallèles l'un à l'autre et s'étendant à distance et en regard l'un de l'autre. L'un et l'autre sont chacun raidis par un ou plusieurs raidisseurs. L'avion comprend des cadres 8 verticaux et parallèles à la direction X, reliant les extrémités latérales des panneaux d'intrados et d'extrados. L'avion comprend des arceaux plans coaxiaux 20 de forme circulaire, s'étendant chacun dans un plan perpendiculaire à la direction X et reliés 15 chacun à leur base au caisson central de voilure. Le caisson comprend des poutres longitudinales 12 parallèles à la direction X. Les poutres s'étendent parallèlement les unes aux autres, à distance et en regard les unes des autres. Elles sont globalement disposées dans un même plan horizontal et sont toutes en appui par leur semelle inférieure 14 sur la face supérieure du panneau 20 d'extrados 6. L'avion comprend des rails longitudinaux 16, en même nombre que les poutres. Les rails présentent la même disposition que les poutres, mais s'étendent au-dessus de celles-ci, en coïncidence avec les poutres respectives. Chaque rail est fixé à la poutre correspondante au moyen de manilles qui assurent leur positionnement mutuel dans les 25 directions latérale Y et verticale Z, mais autorise toutefois leur mouvement relatif suivant la direction X. Cette liaison entre les rails et les poutres permet de ne pas transmettre de l'un à l'autre des déplacements suivant la direction longitudinale X. Les manilles n'ont pas ici été illustrées sauf en ce qui concerne les manilles particulières qui seront décrites plus bas. Chaque manille est par exemple reliée au rail au moyen d'un arbre non-illustré 30 parallèle à la direction latérale Y. Cet arbre solidarise la manille au rail suivant la direction verticale Z mais laisse libre la manille en rotation par rapport au rail autour de cet arbre. La manille est reliée à la poutre au moyen d'un autre arbre analogue parallèle au premier. L'avion comprend un plancher 14 horizontal et parallèle au panneau 6. Le plancher repose sur une face supérieure 21 des rails 16. Des sièges peuvent être fixés aux rails à 35 travers le plancher. Les sièges sont engagées pour cela dans une goulotte 23 du rail, qui traverse le plancher. 2942453 -5- On suppose que l'avion selon l'invention est prévu pour embarquer des charges telles que les palettes 16 munies de leur chargement, déjà présentées en référence à la figure 5. Pour cela, on cherche à décomposer les efforts qui peuvent être introduits au point central 20 de la figure 5 dans le plan de la figure, d'une part en composantes 5 orientées suivant la direction verticale Z et d'autre part en composantes orientées suivant la direction latérale Y. En effet, à ce point central, des efforts orientés suivant au moins l'une ou l'autre de ces deux directions peuvent être introduits dans le plancher. On cherche ici à introduire les efforts verticaux dans les poutres 12 qui sont des éléments de structure capables d'encaisser ce type d'effort alors qu'elles ne présentent pas de rigidité 10 substantielle suivant la direction latérale Y. De même, on cherche à introduire les efforts latéraux dans le panneau d'extrados raidi 6 au niveau de la fibre neutre de l'ensemble formé par le panneau et son raidisseur (ou ses raidisseurs), fibre qui est située au niveau du centre de gravité de la section totale du panneau et du raidisseur associé. On minimise ainsi l'impact de cette surcharge sur ce panneau. Ce panneau raidi 6 est en effet très 15 sensible à l'instabilité. Ainsi, l'introduction d'efforts verticaux sur ce panneau constituerait un effort tranchant pour ce panneau raidi. De même, un effort suivant la direction latérale Y, introduit loin de la fibre neutre, générerait un moment de flexion pouvant avoir des conséquences néfastes sur la stabilité du panneau raidi. Les figures 7 et 8 illustrent l'agencement prévu en l'espèce entre les deux poutres 20 12 situées de part et d'autre du plan vertical longitudinal médian de l'avion, désigné par la référence P. C'est en effet dans ce plan qu'est situé le point central 20. On prévoit un renfort 24 ou adaptateur comprenant en l'espèce un cadre rigide. Le cadre comprend deux traverses horizontales 26 s'étendant suivant la direction latérale Y et deux montants 28 reliant l'une à l'autre les extrémités des traverses et s'étendant 25 globalement selon la direction verticale. Le cadre est évidé en son centre de sorte que les deux traverses 26 s'étendent à distance l'une de l'autre, de même que les deux montants 28. Deux manilles 30 sont rigidement fixées aux montants 28 respectifs. Chaque manille relie le rail 16 à la poutre 12 correspondante comme indiqué précédemment. Ainsi, au moyen des manilles, l'adaptateur 24 repose sur les poutres 12. On prévoit un jeu suivant 30 la direction Y dans les liaisons entre l'adaptateur 24 et les rails 20, ainsi que dans les liaisons entre l'adaptateur 24 et les poutres 12. On prévoit également deux bielles rectilignes 32 reliant l'adaptateur 24 au panneau d'extrados 6. A cette fin, la traverse inférieure de l'adaptateur présente deux lobes 34 recevant les extrémités supérieures respectives des bielles. Dans le présent exemple, les 35 extrémités inférieures des bielles sont fixées au panneau 6 au moyen d'une double chape unique 37 recevant ces extrémités. En l'espèce, les bielles sont reliées chacune à 2942453 -6- l'adaptateur 24 et au panneau 6 au moyen de liaisons rotules, ce afin de ne pas brider la liberté de mouvement des rails 16 suivant la direction longitudinale X par rapport aux poutres et au caisson central de voilure. Les bielles 32 s'étendent dans le même plan général que l'adaptateur 24, plan qui 5 est parallèle aux directions Y et Z. Les bielles sont rectilignes, inclinées en directions opposées l'une de l'autre, et ici convergent en direction du panneau. La direction longitudinale de chaque bielle définit une droite 36. Les deux droites présentent un point d'intersection 38 qui s'étend dans la fibre neutre 40 du panneau d'extrados raidi. (Pour ne pas nuire à la clarté de la représentation, sur les figures 7 et 8, le raidisseur n'est pas 10 représenté). La fibre neutre se trouve hors du panneau en lui-même. L'ensemble de l'agencement formé par l'adaptateur 34, les bielles 32 et la double chape 37 a le plan P comme plan de symétrie. On prévoit sur le renfort 24 au moins un support 40 traversant le plancher 14 afin que les palettes 16 puissent être fixées directement au renfort 24 à travers le plancher. 15 De préférence, on prévoira que plusieurs agencements de ce type, avec chacun un renfort 24, sont disposés le long de la direction X en étant espacés les uns des autres. Grâce à cet agencement, la transmission des efforts se fait comme suit. Si l'on considère tout d'abord un effort vertical FZ en référence à la figure 7, introduit au niveau du support 40 par au moins l'une des palettes 16, cet effort est repris par 20 l'adaptateur 24 et transmis aux poutres 12 et à elles seules. Cet effort se transmet au niveau des poutres sous la forme de deux efforts verticaux FZ/2, où il est équilibré. Les poutres 12 ayant une rigidité importante suivant la direction verticale, elles ont une bonne capacité à encaisser ces efforts. L'effort n'est donc transmis ni aux rails 16, ni aux bielles 32, ni au panneau 6. La transmission de l'effort aux poutres 12 se fait indépendamment 25 des rails, des bielles et du panneau. On a présenté ici un effort FZ orienté vers le haut mais tout se passe de la même façon avec un effort orienté vers le bas. Considérons maintenant le cas d'un effort FY s'exerçant suivant la direction latérale Y (vers la droite comme dans cet exemple, ou vers la gauche) au niveau du support 40. Cet effort n'est équilibré que par les bielles 32. En effet, grâce au jeu suivant la direction Y 30 dans les liaisons entre l'adaptateur 24 et les rails 20, ainsi que dans les liaisons entre l'adaptateur 24 et les poutres, aucun effort suivant la direction latérale Y n'est introduit dans ces éléments à ce niveau. (Sachant que les poutres 12 ni les rails n'ont de rigidité latérale, ils ne doivent pas être sollicitées suivant cette direction.) Par conséquent, l'effort FY se trouve transmis par l'adaptateur 24 seulement aux deux bielles 32 sous la forme 35 d'un effort latéral FY/2. 2942453 -7- On décompose ce dernier effort FY/2 au niveau de chaque bielle en une composante verticale Fv et une composante Fbl et Fb2 parallèle à la bielle. Les deux composantes verticales Fv sont orientées en directions opposées l'une de l'autre et s'annulent. Les deux composantes Fbl et Fb2 s'additionnent et produisent, après 5 transmission par la chape, au niveau de la fibre neutre du panneau raidi 6 un effort résultant Fresult identique à l'effort FY. Ainsi, les deux bielles sont chargées, l'une en compression et l'autre en traction avec des efforts Fbl et Fb2. Ces efforts sont introduits dans le panneau d'extrados par l'intermédiaire de la double chape. Grâce à l'agencement et à l'orientation des bielles, la résultante de ces efforts s'applique au niveau de la fibre 10 neutre du panneau raidi 6. Ce dernier avec son raidisseur ne reçoit donc qu'un effort égal à FY, purement orienté suivant la direction latérale Y. L'impact de cette transmission sur le panneau 6 est modéré car on n'ajoute que de l'effort suivant la direction latérale. On n'ajoute pas d'effort tranchant ni de moment de flexion susceptible de menacer la stabilité du panneau. 15 On voit ainsi que le renfort 24 est apte, indépendamment des rails 16 et du panneau 6, à reprendre un effort vertical s'exerçant au niveau du plancher 14 et à transmettre cet effort aux poutres 12 sans le transmettre au panneau. Le renfort est également apte, indépendamment des rails et des poutres, à reprendre un effort latéral s'exerçant au niveau du plancher et à transmettre cet effort au panneau d'extrados sans 20 le transmettre aux poutres. Sachant que toute sollicitation dans un plan parallèle aux directions Y et Z peut se décomposer en une composante verticale FZ et une composante latérale FY, on voit que toute composante verticale est transmise aux poutres et à elles seules, tandis que toute composante latérale est transmise au panneau raidi, et à lui seul. Ainsi, les efforts 25 résultant des palettes sont introduits dans ceux des éléments qui présentent la meilleure capacité à les soutenir et à les encaisser. On voit aussi que seuls les efforts issus des accrochages des palettes sont introduits par le renfort dans le caisson central de voilure. En effet, l'orientation des bielles n'engendre pas l'introduction d'effort supplémentaire. On évite aussi d'introduire des 30 rigidités antagonistes par rapport à la déformation potentielle du caisson. Dans ces conditions, la structure ajoutée par rapport à la structure de base ne se charge pas elle-même au gré des déformations du caisson liées aux efforts provenant de la voilure. De préférence, on abaissera autant que possible les lobes 34 afin que les points d'articulation des bielles au cadre soient le plus bas possible, afin d'approcher au maximum les bielles 35 de la direction horizontale en réduisant leur angle a avec cette direction. De la sorte, on 2942453 -8- diminue la rigidité verticale du système de bielles, éventuellement jusqu'à la rendre négligeable. Un tel agencement est particulièrement adapté au transport de fret ou de charges telles que des palettes, par l'avion, c'est-à-dire lorsque le plancher ne reçoit pas des 5 sièges de passager mais fait l'objet d'une utilisation en mode cargo. Cet agencement peut aussi être utilisé plus généralement lorsqu'il est nécessaire de disposer d'un point de reprise d'effort supplémentaire non prévu lors de la conception initiale de l'avion. C'est le cas par exemple lorsque l'aménagement commercial de l'avion fait l'objet d'adaptations, par exemple pour des utilisations de type VIP (réception de personnalités) avec des 10 meubles spéciaux à installer. Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. Bien que les renforts 24 soient particulièrement utiles dans le plan médian P de l'avion pour la reprise d'efforts au point central 20, il est tout à fait possible de les prévoir à 15 distance de ce plan, entre d'autres paires de poutres que celles illustrées à la figure 7, lorsqu'on souhaite reprendre des efforts apparaissant entre ces poutres. Bien que l'agencement illustré aux figures 7 et 8 assure une très bonne transmission des efforts, on pourrait prévoir de se dispenser des bielles 32 de sorte que le renfort 24 n'assure que la transmission des efforts verticaux aux poutres 12, sans assurer la reprise 20 des efforts latéraux indépendamment de ces dernières. Alternativement, on pourrait se dispenser de prévoir une solidarisation du renfort aux manilles 30 de sorte que le renfort n'assurera que la transmission des efforts latéraux au panneau, sans assurer la reprise des efforts verticaux indépendamment du panneau. On pourrait prévoir que les bielles divergent en direction du panneau. 25 REVENDICATIONS1. Aéronef caractérisé en ce qu'il comprend : - un plancher (14), - un panneau d'extrados (6) de caisson central de voilure, - au moins deux rails (16) et au moins deux poutres (12), les rails et les poutres s'étendant entre le plancher et le panneau, et - au moins un renfort (24) apte, indépendamment des rails, à reprendre un effort (FZ, FY) s'exerçant au niveau du plancher et à transmettre cet effort aux poutres et/ou au panneau d'extrados. 2. Aéronef selon la revendication précédente dans lequel le renfort (24) est apte, indépendamment du panneau, à reprendre un effort vertical (FZ) s'exerçant au niveau du plancher et à transmettre cet effort aux poutres (12) sans le transmettre au panneau. 3. Aéronef selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le renfort (24) est apte, indépendamment des poutres, à reprendre un effort latéral (FY) s'exerçant au niveau du plancher (14) et à transmettre cet effort au panneau (6) sans le transmettre aux poutres (12). 4. Aéronef selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le renfort (24) est solidaire des poutres (12) suivant la direction verticale. 5. Aéronef selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le renfort (24) présente un jeu latéral avec les poutres (12). 6. Aéronef selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le renfort (24) est relié au panneau (6) par deux bielles (32) inclinées en directions opposées l'une de l'autre, de préférence convergentes en direction du panneau. 7. Aéronef selon la revendication précédente dans lequel le panneau est raidi par au moins un raidisseur et les bielles (32) définissent des droites ayant un point d'intersection (38) situé au niveau d'une fibre neutre (40) de l'ensemble formé par le panneau et son raidisseur (6). 8. Aéronef selon l'une quelconque des revendications 6 à 7, qui comprend, pour chaque renfort (24), une chape unique (37) reliant les bielles (32) au panneau (6). 9. Aéronef selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 qui présente une liaison rotule à au moins une extrémité de chaque bielle (32). 10. Aéronef selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le renfort (24) ou au moins l'un des renforts intercepte un plan vertical longitudinal médian (P) de l'aéronef.