Brevet FR2951434A1 — publié le 20110422

La présente invention concerne un empennage horizontal pour aéronef, en particulier pour un avion de transport. On sait que, pour des raisons de simplicité, les empennages horizontaux des avions sont des surfaces aérodynamiques qui présentent des formes de trapèze à bord d'attaque quasiment rectiligne, munies de gouvernes de profondeur au niveau du bord de fuite. Sur les avions de grande taille, l'empennage horizontal possède généralement, de plus, une capacité de débattement de bord d'attaque, permettant d'améliorer les qualités de vol et de performance de l'avion. Sur les avions de petite taille, le bord d'attaque de l'empennage horizontal est souvent fixe. L'empennage horizontal est une surface aérodynamique qui a pour but d'assurer de bonnes qualités de vol (stabilité, maniabilité, équilibrage, et ceci quelles que soient les conditions de vol). Toutefois, sa présence engendre une traînée aérodynamique qui agit négativement sur les performances de l'avion. Afin d'améliorer ces performances, on peut chercher à diminuer la surface de l'empennage horizontal, sans pour autant dégrader les qualités de vol de l'avion. On sait que sur la plupart des avions court-courriers de type « mo- teurs sous voilure », plusieurs critères dimensionnent la surface de l'empennage horizontal en fonction de la position du centre de gravité de l'avion, à savoir : ù des critères d'équilibrage (l'empennage horizontal doit toujours pouvoir assurer l'attitude souhaitée de l'avion) : a) la capacité à équilibrer l'avion dans tout son domaine de vol à centre de gravité avant ; b) la capacité à équilibrer l'avion dans tout son domaine de vol à centre de gravité arrière ; des critères de stabilité (l'avion doit être stable quelle que soit la phase de vol) : c) le point de manoeuvre : limite de stabilité de l'avion à centre de gra- vité arrière ; et des critères de maniabilité (l'avion doit pouvoir fournir le tangage nécessaire aux manoeuvres souhaitées) : d) une manoeuvre dite « pushover », dont le but est de faire décrocher l'empennage horizontal à des incidences très négatives à centre de gravité avant ; et e) une manoeuvre dite « CEV », dont le but est de faire décrocher l'empennage horizontal à des incidences très positives à centre de gravité arrière. Ces critères peuvent être classés en deux catégories : des critères linéaires et des critères non linéaires. Plus précisément : ù les critères a) et b) précités sont directement régis par la pente linéaire de l'empennage horizontal pour une incidence fixe et donnée par les braquages minimal et maximal dudit empennage horizontal. A cette in- cidence donnée, plus la pente est grande, plus la portance créée est grande en valeur absolue et plus le critère est amélioré ; et ù le critère c) précité est un critère de stabilité, qui est également directe-ment lié à l'efficacité linéaire de l'empennage horizontal. Plus cette pente est grande, plus la stabilité est importante et moins le critère est dimensionnant. Aussi, l'efficacité linéaire de l'empennage horizontal est définie par la forme en plan de celui-ci, principalement par son allongement et sa flèche. En outre, les critères d) et e) précités font appel à des caractéristiques non linéaires du plan. Ainsi, la manoeuvre de « pushover » est liée au décrochage de l'empennage horizontal aux incidences négatives. Quant à la manoeuvre « CEV », elle est déduite de la portance maximale positive que l'empennage horizontal est capable de fournir avec un braquage de gouverne positif. Ces caractéristiques non linéaires et de décrochage sont principalement liées aux profilés aérodynamiques utilisés. Les incidences de décrochage sont également sensibles à la caractéristique linéaire du plan. Or, le fait d'augmenter l'efficacité de l'empennage horizontal conduit à dégrader les incidences de décrochage du plan. Les critères linéaires et non linéaires sont donc antagonistes et la conséquence sur la taille du plan horizontal est quasiment neutre. Aussi, pour pouvoir réduire la taille de l'empennage horizontal, il convient d'améliorer les caractéristiques non linéaires du plan, tout en maintenant constantes les caractéristiques linéaires et donc la forme en plan de ce dernier. La présente invention concerne un empennage horizontal pour aéronef, comprenant un bord d'attaque et un bord de fuite, qui permet de remédier aux inconvénients précités. A cet effet, selon l'invention, ledit empennage est remarquable en ce qu'il comporte un apex qui représente une surface aérodynamique pré-sentant une forme générale plane définissant un bord d'attaque et un bord de fuite, en ce que ledit apex est solidaire par son bord de fuite du bord d'attaque de l'empennage horizontal au niveau de l'emplanture, et en ce que le bord d'attaque dudit apex présente, au niveau de la jonction dudit bord d'attaque avec le bord d'attaque de l'empennage horizontal, une flèche qui est supérieure à 45°. Ainsi, grâce à l'invention, et comme précisé ci-dessous, on est en mesure de réduire la surface dudit empennage horizontal et ainsi de réduire la traînée de l'aéronef sur lequel il est monté. En effet, ledit apex permet de retarder l'apparition de décrochages aérodynamiques sur certai- nes zones de l'empennage horizontal dans le cas où ce dernier est dimensionné par sa capacité à produire du tangage à forte incidence. On sait que, pour garantir un nombre de Mach élevé en vol de croisière et une masse structurale faible, les empennages horizontaux des avions modernes présentent généralement une flèche non négligeable et un effilement inférieur à 1. Dès lors, la portance aérodynamique locale liée à l'incidence, que voit le plan, est plus forte en extrémité d'empennage qu'à l'emplanture. Ainsi, la portance locale pour chaque envergure étant limitée à un niveau maximal fixé par les caractéristiques du profil utilisé, pour des grandes incidences, l'empennage décroche en premier lieu sur la partie externe de son envergure, puis le décrochage s'étend progressive-ment vers l'emplanture. Or, si les phénomènes non linéaires débutent sur la partie externe, le décrochage est obtenu par la propagation de ce décollement vers la partie interne de l'empennage. Or, l'apex tel que défini précédemment présente une flèche à l'emplanture qui est bien plus importante que celle de l'empennage horizontal. Cet apex permet de créer des tourbillons à forte incidence (positive ou négative) qui empêchent la propagation des décollements (de la partie externe) vers la partie interne de l'empennage. Ainsi, on obtient des caractéristiques de plan horizontal inchangées dans la zone linéaire et modifiées dans les zones d'apparition de phénomènes non linéaires. Par conséquent, même si l'apparition des phénomènes non linéaires (fin de la zone linéaire) n'est pas modifiée, les comportements sont améliorés à forte incidence, ce qui permet d'augmenter, en valeur absolue, les coefficients de portance minimale et maximale. L'amélioration des critères de qualité de vol non linéaire permet de diminuer la taille de l'empennage horizontal. Dans le cadre de la présente invention, l'apex peut être réalisé selon différentes formes et tailles. En particulier, le bord d'attaque dudit apex peut être rectiligne ou courbe. En outre, la présente invention peut être appliquée à tout type d'empennage horizontal. Par ailleurs, on notera que la solution conforme à la présente invention permet, de plus : ù de réduire les efforts à l'emplanture en raison d'une charge aérodynamique plus importante en interne ; et û de réduire les semelles de longerons destinées à la tenue des moments de flexion, en raison de l'élargissement de la corde à l'emplanture. Les deux avantages précédents permettent de réduire la masse de l'empennage horizontal. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 montre schématiquement la queue d'un avion qui est muni d'empennages horizontaux conformes à l'invention. La figure 2 montre schématiquement la génération de tourbillons à forte incidence, qui sont créés au niveau de la queue de la figure 1. La figure 3 est une figure semblable à celle de la figure 1, sur la-quelle les empennages horizontaux sont munis d'apex particuliers. Sur la figure 1, on a représenté la partie arrière 1 d'un aéronef A, en particulier d'un avion de transport, d'axe longitudinal L, qui est muni : ù d'une dérive usuelle 2 agencée le long dudit axe longitudinal L ; et ù de part et d'autre dudit axe longitudinal L, d'un empennage horizontal 3. Chaque empennage horizontal 3 présente un bord d'attaque 4 et un bord de fuite 5 qui est pourvu, de façon usuelle, d'une gouverne de pro-fondeur 6. En particulier pour réduire la traînée de l'aéronef A, chaque empennage horizontal 3 comporte, selon l'invention, un apex 7 qui repré- sente une surface aérodynamique présentant une forme générale plane comprenant trois sommets qui définissent un bord d'attaque 8, un bord de fuite 9 et un bord 10 destiné à l'emplanture. Chaque apex 7 est solidaire par son bord de fuite 9 du bord d'attaque 4 de l'empennage horizontal 3 au niveau de l'emplanture 14, c'est-à-dire sur le côté interne au niveau du fuselage 11 de l'aéronef A. De plus, selon l'invention, l'apex 7 présente, à l'emplanture 14, une flèche qui est beaucoup plus importante que celle de l'empennage horizontal 3. Le bord d'attaque 8 de l'apex 7 présente, au niveau de la jonction 12 dudit bord d'attaque 8 avec le bord d'attaque 4 de l'empennage horizontal 3, une flèche qui est supérieure à 45°. 15 Un tel apex 7 permet la création de tourbillons 13 à forte incidence, comme représenté sur la figure 2. Généralement, les décollements apparaissent sur la partie externe de l'empennage horizontal 3, illustrée par une zone Z1 sur la figure 2, puis s'étendent progressivement sur des zones Z2 et Z3, et ceci jusqu'à l'emplanture 14. Le décrochage est obtenu 20 lorsque ce décollement s'est propagé jusqu'au niveau de la partie interne de l'empennage horizontal 3. Or, les tourbillons 13 créés par un apex 7 à forte incidence empêchent la propagation des décollements vers la partie interne de l'empennage 3 en créant une zone protégée Z4. Ainsi, grâce à l'apex 7 conforme à l'invention, l'empennage horizontal 3 présente des 25 caractéristiques de plan horizontal inchangées dans la zone linéaire et modifiées dans les zones d'apparition de phénomènes non linéaires. Par conséquent, même si l'apparition des phénomènes non linéaires (fin de la zone linéaire) n'est pas modifiée, les comportements sont améliorés à forte incidence, ce qui permet d'augmenter, en valeur absolue, les coeffi- cients de portance minimale et maximale. L'amélioration des critères de qualité de vol non linéaire permet de diminuer la taille de l'empennage horizontal 3. Dans le cadre de la présente invention, un apex 7 peut présenter des formes et des tailles variées. En particulier, le bord d'attaque 8 d'un apex 7 peut : soit être rectiligne, comme représenté sur la figure 1 ; soit être courbe (tout en conservant une flèche présentant les caractéristiques précitées au niveau de la jonction 1 2), comme représenté sur la figure 3. En outre, la présente invention peut être appliquée à tout type d'empennage horizontal 3, et en particulier : à un empennage horizontal fixe, qui est monté sur le fuselage de l'aéronef ; 15 à un empennage horizontal à partie mobile (gouverne 6), qui est égale-ment monté sur le fuselage de l'aéronef A, comme représenté sur les figures 1 à 3 ; à un empennage horizontal fixe ou mobile qui est monté au sommet de la dérive de l'aéronef ; ou 20 à un empennage horizontal fixe ou mobile qui est monté en position in- termédiaire sur la dérive. Par conséquent, grâce à l'agencement d'un apex 7 tel que précité, on est en mesure de réduire la surface dudit empennage horizontal 3 et ainsi de réduire la traînée de l'aéronef A sur lequel il est monté. En effet, 25 ledit apex permet de retarder l'apparition de décrochages aérodynamiques sur certaines zones de l'empennage horizontal 3 dans le cas où ce dernier est dimensionné par sa capacité à produire du tangage à forte incidence. De plus, la solution conforme à la présente invention permet également : de réduire les efforts à l'emplanture 14 en raison d'une charge aérodynamique plus importante en interne ; et de réduire les semelles de longerons destinées à la tenue des moments de flexion, en raison de l'élargissement de la corde à l'emplanture 14. Les deux avantages précédents permettent de réduire la masse de l'empennage horizontal 3. REVENDICATIONS1. Empennage horizontal pour aéronef, comprenant un bord d'attaque (4) et un bord de fuite (5), caractérisé en ce qu'il comporte un apex (7) qui représente une surface aérodynamique présentant une forme générale plane définissant un bord d'attaque (8) et un bord de fuite (9), en ce que ledit apex (7) est solidaire par son bord de fuite (9) du bord d'attaque (4) de l'empennage horizontal (3) au niveau de l'emplanture, et en ce que le bord d'attaque (8) dudit apex (7) présente, au niveau de la jonction (12) dudit bord d'attaque (8) avec le bord d'attaque (4) de l'empennage horizontal (3), une flèche qui est supérieure à 45°. 2. Empennage horizontal selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bord d'attaque (8) de l'apex (7) est rectiligne. 3. Empennage horizontal selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bord d'attaque (8) de l'apex (7) est courbe. 4. Empennage horizontal selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est mobile. 5. Empennage horizontal selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est fixe. 6. Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte deux empennages horizontaux (3) tels que celui spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 5, qui sont agencés de part et d'autre d'un axe longitudinal (L) de l'aéronef (A).