Brevet FR2945790A1 — publié le 20101126

La présente invention concerne un procédé pour l'amélioration de l'efficacité aérodynamique de l'empennage vertical d'un aéronef, ainsi qu'un empennage vertical mettant un oeuvre un tel procédé, et un aéronef comprenant un tel empennage vertical. Elle est adaptée à tout type d'aéronef et en particulier aux avions dont les moteurs sont portés par la voilure. On sait que l'empennage vertical d'un aéronef est apte à engendrer, du fait de sa surface, une portance latérale et une traînée aérodynamique, et qu'il doit assurer audit aéronef la stabilité, la maniabilité et l'équilibrage pour toutes les conditions de vol. La surface de l'empennage vertical est dimensionnée de façon à pouvoir compenser l'effet de lacet créé à la suite de la panne de l'un des moteurs de l'aéronef, ce qui permet de garantir à l'aéronef une vitesse minimale de contrôle suffisamment faible en cas de panne moteur pour respecter les performances de décollage et d'atterrissage de l'aéronef. Les dimensions de cet empennage vertical sont calculées à faible dérapage de l'aéronef, pour une gouverne de direction présentant, par rapport à la dé-rive de l'empennage vertical, une position angulaire maximale. L'invention vise à augmenter la portance latérale de l'empennage vertical ou à maintenir la même portance latérale tout en diminuant la sur-face de l'empennage vertical. Pour ce faire, elle propose un procédé per-mettant d'améliorer l'efficacité aérodynamique locale de l'empennage ver-tical sur toute la hauteur de l'empennage vertical, c'est-à-dire de rapprocher au plus près la valeur locale du coefficient de portance latérale de la valeur maximale admissible du coefficient de portance latérale au-delà de laquelle il y a décollement de la couche d'air sur la surface de l'empennage vertical. A cette fin, selon l'invention, le procédé pour l'amélioration de l'efficacité aérodynamique de l'empennage vertical d'un aéronef compor- tant une dérive et une gouverne de direction apte à pivoter par rapport à ladite dérive autour d'un axe de charnière, est remarquable en ce que l'on fait varier le rapport entre la corde locale de gouverne et la corde locale de dérive suivant la hauteur de l'empennage vertical pour adapter la valeur locale du coefficient de portance latérale appliquée à l'empennage vertical 1 o à une valeur maximale admissible, la corde locale de gouverne étant la distance entre le bord de fuite de la gouverne et l'axe de charnière et la corde locale de dérive étant la distance entre l'axe de charnière et le bord d'attaque de la dérive. Avantageusement, la valeur maximale admissible du coefficient de 15 portance latérale est la valeur au-delà de laquelle, pour un angle donné entre la gouverne de direction et la dérive, un décollement de l'écoulement aérodynamique est observé sur la surface de l'empennage vertical. En outre, on détermine le rapport variable entre la corde locale de gouverne et la corde locale de dérive en fonction de la valeur locale du 20 coefficient de portance latérale calculée avec un angle de la gouverne de direction, par rapport à la dérive, pour lequel on observe un décollement de l'écoulement aérodynamique sur la surface de l'empennage vertical. On augmente le rapport entre la corde locale de gouverne et la corde locale de dérive comparativement à un rapport constant corde locale 25 de gouverne corde locale de dérive, à proximité de l'emplanture de l'empennage vertical, et on diminue le rapport constant entre la corde locale de gouverne et la corde locale de dérive comparativement au rapport entre la corde locale de gouverne et la corde locale de dérive, à proximité du saumon de l'empennage vertical. Dans une première forme de mise en oeuvre, le procédé permet de perfectionner un empennage vertical, de forme générale trapézoïdale, pré-sentant un bord de fuite de la gouverne de direction rectiligne et un axe de charnière et pour lequel le rapport entre la corde locale de gouverne et la corde locale de dérive est constant, le perfectionnement consistant à faire pivoter l'axe de charnière dans une position donnée, d'un angle orienté de façon à augmenter le rapport entre la corde locale de gouverne et la corde locale de dérive à proximité de l'emplanture et à diminuer le rapport entre la corde locale de gouverne et la corde locale de dérive à proximité du saumon. Dans une deuxième forme de mise en oeuvre, on réalise l'empennage vertical de façon que le rapport entre la corde locale de gouverne et la corde locale de dérive permette une valeur locale du coefficient de portance latérale constante, inférieure ou égale à la valeur maximale admissible, le long de la hauteur de l'empennage vertical, entre l'emplanture et une hauteur donnée de la dérive, et une valeur locale du coefficient de portance latérale décroissante, entre la hauteur donnée de la dérive et le saumon. Dans cette deuxième forme de mise en oeuvre, le procédé peut perfectionner un empennage vertical de forme générale trapézoïdale et présentant un bord de fuite de la gouverne de direction rectiligne et un axe de charnière pour lequel le rapport entre la corde locale de gouverne et la corde locale de dérive est constant, le perfectionnement consistant à faire pivoter l'axe de charnière dans une position donnée, d'un angle orienté de façon à augmenter le rapport entre la corde locale de gouverne et la corde locale de dérive à proximité de l'emplanture et à diminuer le rapport entre la corde locale de gouverne et la corde locale de dérive à proximité du saumon, et à donner au bord de fuite de la gouverne de direction une forme courbe concave. De préférence, on fait pivoter la gouverne de direction autour de l'axe de charnière d'un angle compris entre 0 et 45° relativement à la dé-rive pour déterminer le rapport variable entre la corde locale de gouverne et la corde locale de dérive. Bien entendu, il résulte de ce qui précède que la présente invention concerne également un empennage vertical qui met en oeuvre le procédé décrit précédemment, et un aéronef qui comporte un tel empennage vertical. Les figures des dessins annexés feront bien comprendre comment io l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 représente schématiquement la queue du fuselage d'un aéronef avec un empennage vertical de l'état de la technique. La figure 2 est une vue agrandie en coupe, suivant la ligne II-II de 15 la figure 1, de l'empennage vertical. La figure 3 représente un graphique traçant l'évolution du rapport Al entre la valeur locale du coefficient de portance latérale Ky et la valeur constante du coefficient de portance latérale Cy calculé pour une vitesse minimale de contrôle, en fonction de la hauteur, relativement à 20 l'envergure, de l'empennage vertical de la figure 1. La figure 4 représente un premier mode de réalisation de l'empennage vertical selon l'invention. La figure 5 représente un graphique traçant l'évolution du rapport Al en fonction de la hauteur, relativement à l'envergure, de l'empennage 25 vertical de la figure 4. La figure 6 représente un deuxième mode de réalisation de l'empennage vertical selon l'invention. La figure 7 représente un graphique traçant l'évolution du rapport Al suivant la hauteur, relativement à l'envergure, de l'empennage vertical de la figure 6. La queue 1 de fuselage d'aéronef, représentée sur les figures 1, 4 et 6, porte un empennage vertical 2 de forme sensiblement trapézoïdale et un empennage horizontal 3. L'empennage vertical 2 est délimité par un bord de fuite 4, un bord d'attaque 5, une extrémité supérieure ou saumon 6 et une extrémité inférieure ou emplanture 7. L'empennage vertical 2 comporte une dérive 8 et une gouverne de direction 9 articulée sur la dérive 8 par un axe de charnière 10 légèrement en avant des bords d'extrémité arrière 1 1 de la dérive 8. L'envergure de l'empennage vertical 2 entre le saumon 6 et l'emplanture 7 est désignée par E. A une hauteur h de l'empennage vertical 2 correspondant à la dis- tance de la ligne II-II à l'emplanture 7, on considère la corde locale de gouverne I qui est la distance entre le bord de fuite 4 et l'axe de charnière 10, et la corde locale de dérive L qui est la distance entre l'axe de charnière 10 et le bord d'attaque 5, comme illustré sur la figure 2. Dans l'état de la technique décrit sur les figures 1 à 3, le rapport I/L est constant quelle que soit la hauteur h. Sur le graphique de la figure 3, sont représentées trois courbes Cl, C2 et C3 en forme de cloche correspondant chacune à l'évolution du rapport Al défini ci-avant en fonction de la hauteur h relativement à l'envergure E, pour trois angles différents de la gouverne de direction 9 par rapport à la dérive 8. Une droite C4, horizontale, correspond au rapport Al maximal au-delà duquel un décollement 12 de l'écoulement de l'air sur l'empennage vertical 2 est observé. Comme on peut le voir, pour chaque courbe Cl , C2 et C3, le rapport Al augmente jusqu'à une hauteur limite, pour diminuer ensuite jusqu'à devenir nulle à l'envergure E. La hauteur limite est située plus près du saumon 6 que de l'emplanture 7, car l'écoulement de l'air subit le plus de perturbations aérodynamiques sur cette partie de l'empennage vertical 2. L'angle de la gouverne de direction 9 par rapport à la dérive 8 est de 10°, 20°, 45°, respectivement pour les courbes C1, C2 et C3. Le rapport Al des trois courbes Cl , C2 et C3 est proportionnel à l'angle de la gouverne de direction 9. Ainsi, quelle que soit la hauteur h relativement à l'envergure E, la courbe C3 est au-dessus de la courbe C2 qui est au- dessus de la courbe C1. La position des deux courbes Cl et C2 en dessous de la droite C4 pour toute hauteur h comprise dans l'intervalle [0, E], illustre que, pour les angles 10° et 20°, la portance locale latérale de l'empennage vertical 2 est inférieure à la portance latérale maximale admissible sans décollement de la couche d'air, quelle que soit la hauteur h. La courbe C3 est en dessous de la droite C4 pour une hauteur h comprise dans les intervalles [0, h1 ] et [h2, E], et est au-dessus de la droite C4 pour une hauteur h comprise dans l'intervalle [h1, h2]. En d'autres termes, pour l'angle de 45°, la portance locale latérale de l'empennage vertical 2 est : ù inférieure à la portance latérale maximale pour une hauteur h comprise dans les intervalles [0, hl] et [h2, E] ; supérieure à la portance latérale maximale pour une hauteur h comprise dans l'intervalle [h1, h2]. Les écarts entre la portance locale latérale de l'empennage vertical 2 et la portance latérale maximale indiquent que le rapport I/L constant dans l'état de la technique, quelle que soit la hauteur h, n'est pas adapté. L'invention consiste à rendre variable le rapport I/L pour rapprocher le rapport Al des courbes Cl, C2 et C3, désormais désignées C'1, C'2 et C'3, du rapport Al maximal de la droite C4. Le rapport I/L variable est déterminé en fonction du rapport Al calculé pour un angle de la gouverne de direction 9, par rapport à la dérive 8, entraînant un décollement 12, ce qui correspond à la courbe C'3 des figures 5 et 7. Par exemple, cet angle est de 45°. Un premier mode de réalisation de l'empennage vertical 2 selon l'invention et le graphique traçant l'évolution du rapport Al de la courbe C'3 en fonction de la hauteur h, relativement à l'envergure E, sont respectivement représentés sur les figures 4 et 5. Dans ce premier mode de réalisation, le bord de fuite 4a de la gouverne de direction 9 correspond au bord de fuite 4 rectiligne de l'empennage vertical 2 de la figure 1. L'axe de charnière 10a a pivoté au- tour d'un point V, par rapport à l'axe de charnière 10 de la figure 1, d'un angle 8 orienté dans le sens antihoraire. Le rapport I/L variable est augmenté relativement au rapport I/L constant, à proximité de l'emplanture 7, quelle que soit la hauteur h comprise dans l'intervalle [0, hv], pour permettre d'augmenter le rapport Al de la courbe C'3, comparativement au rapport Al de la courbe C3, à proximité de l'emplanture 7. II est diminué relativement au rapport I/L constant, à proximité du saumon 6, quelle que soit la hauteur h comprise dans l'intervalle [hv, E], pour permettre de diminuer le rapport Al de la courbe C'3, comparativement au rapport Al de la courbe C3, à proximité du saumon 6. II est égal au rapport l/L constant pour hv, le rapport Al de la courbe C'3 étant égal au rapport Al de la courbe C3. Ainsi, la valeur absolue de la différence C'3(h)-A1 maximal est inférieure à la valeur absolue de la différence C3(h)-A1 maximal pour toute hauteur h de l'empennage vertical 2. La valeur locale du coefficient de portance latérale Ky de la courbe C'3 est donc rapprochée de la valeur du coefficient de portance latérale Ky maximal de la droite C4, pour toute hauteur h, la valeur du coefficient de portance latérale Cy étant une cons-tante. Un deuxième mode de réalisation de l'empennage vertical 2 selon l'invention et le graphique traçant l'évolution du rapport Al de la courbe C'3 en fonction de la hauteur h, relativement à l'envergure E, sont respectivement représentés sur les figures 6 et 7. Dans ce deuxième mode de réalisation, le bord de fuite 4b de la gouverne de direction 9 présente une forme courbe concave. Il pourrait présenter une autre forme concave qui ne soit pas courbe. L'axe de charnière 1Ob est pivoté autour d'un point W, par rapport à l'axe de charnière 10 de la figure 1, d'un angle e' orienté dans le sens antihoraire. Le rapport variable I/L est déterminé de telle sorte que le rapport Al de la courbe C'3 soit égal au rapport Al maximal pour toute hauteur h comprise dans l'intervalle [0, hi], et diminue dans l'intervalle [hi, b]. Les valeurs Al des courbes C'l et C'2, calculées avec le rapport I/L variable déterminé et pour des angles de 10° et 20°, sont deux cons-tantes inférieures au rapport Al maximal pour une hauteur h comprise dans l'intervalle [0, hi], et diminuent pour une hauteur h comprise dans l'intervalle [hi, E]. Pour chacune des trois courbes C'l , C'2 et C'3, la valeur absolue de la différence C'3(h)-Al maximal intégrée sur la hauteur h décrivant l'intervalle [0, E], est inférieure à la valeur absolue de la différence C3(h)- Al maximal intégrée sur la hauteur h décrivant l'intervalle [0, E]. La valeur locale du coefficient de portance latérale Ky des courbes C'l, C'2 et C'3 est donc rapprochée � en moyenne � de la valeur du coefficient de portance latérale Ky maximal de la droite C4, la valeur du coefficient de portance latérale Cy étant une constante. Le deuxième mode de réalisation a l'avantage de diminuer la taille de l'empennage vertical et donc la traînée qui s'y applique, comparative-ment au premier mode de réalisation, tout en optimisant le rapprochement entre la valeur locale du coefficient de portance latérale de la valeur maximale admissible. En variante, il serait possible de modifier le bord d'attaque à la place du bord de fuite, ou de les modifier tous les deux, de façon à rapprocher ou à faire coïncider le rapport Al de la courbe C'3 et le rapport Al maximal de la droite C4. Ainsi, les deux modes de réalisation permettent de rapprocher la valeur locale du coefficient de portance latérale de la valeur maximale admissible du coefficient de portance latérale. De plus, avantageusement, ils permettent de rendre les efforts de flexion dus aux positions angulaires de la gouverne de direction par rapport à la dérive, plus faibles que ceux ré- sultant de la configuration de l'empennage vertical de l'état de la technique, étant donné que la portance latérale appliquée à l'empennage vertical est plus distribuée vers l'emplanture que vers le saumon. Il en résulte des gains de masse importants pour la réalisation de l'empennage vertical de l'aéronef. REVENDICATIONS1. Procédé pour l'amélioration de l'efficacité aérodynamique d'un empennage vertical (2) d'aéronef comportant une dérive (8) et une gouverne de direction (9) apte à pivoter par rapport à ladite dérive (8) autour d'un axe de charnière (10, 10a, 1Ob), caractérisé en ce que l'on fait varier le rapport entre la corde locale de gouverne (I) et la corde locale de dérive (L) suivant la hauteur (h) de l'empennage vertical (2) pour rapprocher la valeur locale du coefficient de portance latérale appliquée à l'empennage vertical (2) d'une valeur maxi- male admissible, la corde locale de gouverne (I) étant la distance entre le bord de fuite (4, 4a, 4b) de la gouverne (4) et l'axe de charnière (10, 10a, 1Ob) et la corde locale de dérive (L) étant la distance entre l'axe de charnière (10, 10a, 1Ob) et le bord d'attaque (5) de la dérive (8). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur maximale admissible du coefficient de portance latérale est la valeur au-delà de laquelle, pour un angle donné entre la gouverne de direction (9) et la dérive (8), un décollement (12) de l'écoulement aérodynamique est observé sur la surface de l'empennage vertical (2). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on détermine le rapport variable entre la corde locale de gouverne (I) et la corde locale de dérive (L) en fonction de la valeur locale du coefficient de portance latérale calculée avec un angle de la gouverne de direction (9) par rapport à la dérive (8) pour lequel on observe un décollement de l'écoulement aérodynamique sur la surface de l'empennage vertical (2). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on augmente le rapport entre la corde locale de gouverne (I) et la corde locale de dérive (L) comparativement à un rapport constant corde locale de gouverne (I) / corde locale de dérive (L), à proximité de l'emplanture (7) de l'empennage vertical (2), et en ce que l'on diminue le rapport entre la corde locale de gouverne (I) et la corde locale de dérive (L) comparativement au rapport constant entre la corde locale de gouverne (I) et la corde locale de dérive (L), à proximité du saumon (6) de l'empennage vertical (2). 5. Procédé selon la revendication 4, appliqué à un empennage ver-tical (2) de forme générale trapézoïdale présentant un bord de fuite (4) de la gouverne de direction (9) rectiligne et un axe de charnière (10) et pour lequel le rapport entre la corde locale de gouverne (I) et la corde locale de dérive (L) est constant, caractérisé en ce que l'axe de charnière (10) est pivoté dans une position donnée (10a), d'un angle (0) orienté de façon à augmenter le rapport entre la corde locale de gouverne (I) et la corde locale de dérive (L) à proximité de l'emplanture (7) et à diminuer le rapport entre la corde locale de gouverne (I) et la corde locale de dérive (L) à proximité du saumon (6). 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on réalise l'empennage vertical (2) de façon à ce que le rapport entre la corde locale de gouverne (I) et la corde locale de dérive (L) permette une valeur locale du coefficient de portance latérale constante, inférieure ou égale à la valeur maximale admissible, le long de la hauteur de l'empennage vertical (2), entre l'emplanture (7) et une hauteur donnée de la dérive (8), et une valeur locale du coefficient de portance latérale décroissante, entre la hauteur donnée de la dérive (8) et le saumon (6). 7. Procédé selon la revendication 6, appliqué à un empennage ver-tical (2) de forme générale trapézoïdale présentant un bord de fuite (4) de la gouverne de direction (9) rectiligne et un axe de charnière (10) et pour lequel le rapport entre la corde locale de gouverne (I) et la corde locale de dérive (L) est constant, caractérisé en ce que le bord de fuite (4) de la gouverne de direction (9) est agencé de façon à présenter une forme courbée concave (4b) et en ce que l'axe de charnière (10) est pivoté dans une position donnée (10b), d'un angle (0') orienté de façon à augmenter le rapport entre la corde locale de gouverne (I) et la corde locale de dérive (L) à proximité de l'emplanture (7) et à diminuer le rapport entre la corde locale de gouverne (I) et la corde locale de dérive (L) à proximité du saumon (6). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on fait pivoter la gouverne de direction (9) autour de l'axe de charnière (10, 10a, 10b) d'un angle compris entre 0 et 45° relativement à la dérive (8). 9. Empennage vertical (2), caractérisé en ce qu'il met en oeuvre le procédé spécifié selon l'une des revendications 1 à 8. 10. Aéronef (1), caractérisé en ce qu'il comporte un empennage vertical (2) selon la revendication 9.