Brevet FR2973774A1 — publié le 20121012

La présente invention concerne un procédé d'amélioration de l'efficacité aérodynamique de l'empennage vertical d'un aéronef, en particulier d'un avion de transport, et un empennage vertical dont l'efficacité aérodynamique est améliorée, ainsi qu'un aéronef comprenant un tel empennage vertical. La présente invention est adaptée à tout type d'aéronef muni d'un empennage vertical, 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 dérive 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 surface de l'empennage vertical. Pour ce faire, elle propose un procédé permettant d'améliorer l'efficacité aérodynamique locale de l'empennage vertical 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 comportant une dérive et une gouverne de direction apte à pivoter par rapport à ladite dérive, est remarquable en ce que l'on fait varier l'épaisseur du bord de fuite de la gouverne de direction suivant l'envergure de l'empennage vertical, pour approcher la valeur locale du coefficient de portance latérale appliquée à l'empennage vertical à une valeur maximale admissible. Avantageusement, 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 et la dérive, un décollement de l'écoulement aérodynamique est observé sur la surface de l'empennage vertical. En outre, on détermine l'épaisseur variable du bord de fuite de la gouverne de direction, en fonction de la valeur locale du 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. Grâce à l'invention, et comme précisé ci-dessous, on augmente l'efficacité intrinsèque du profil, en augmentant l'épaisseur du bord de fuite de la gouverne de direction sur la partie interne de l'empennage vertical et en la diminuant sur sa partie externe, afin d'obtenir la loi de charge souhaitée. Dans une première forme de mise en oeuvre simplifiée du procédé conforme à l'invention, on fait varier l'épaisseur du bord de fuite de la gouverne de direction en fonction de l'envergure de l'empennage vertical, selon une loi linéaire de variation d'épaisseur, avec une épaisseur décroissante de l'extrémité interne vers l'extrémité externe de l'empennage vertical. En outre, dans une deuxième forme de mise en oeuvre optimisée et préférée du procédé conforme à l'invention, on fait varier l'épaisseur du bord de fuite de la gouverne de direction en fonction de l'envergure de l'empennage vertical, avec une épaisseur décroissante de l'extrémité interne vers l'extrémité externe de l'empennage vertical, selon une loi de variation d'épaisseur optimisée permettant de faire correspondre (sensiblement) ladite valeur locale du coefficient de portance latérale à ladite valeur maximale admissible. La présente invention concerne également un empennage vertical d'aéronef, comportant une dérive et une gouverne de direction apte à pivoter par rapport à ladite dérive. Selon l'invention, ledit empennage vertical est remarquable en ce que ladite gouverne de direction présente une épaisseur variable du bord de fuite suivant l'envergure de l'empennage vertical, permettant d'approcher la valeur locale du coefficient de portance latérale appliquée à l'empennage vertical à une valeur maximale admissible. Dans un premier mode de réalisation simplifié, l'épaisseur du bord de fuite de la gouverne de direction varie en fonction de l'envergure de l'empennage vertical, selon une loi linéaire de variation d'épaisseur, avec une épaisseur décroissante de l'extrémité interne vers l'extrémité externe de l'empennage vertical. En outre, dans un second mode de réalisation optimisé et préféré, l'épaisseur du bord de fuite de la gouverne de direction varie en fonction de l'envergure de l'empennage vertical, avec une épaisseur décroissante de l'extrémité interne vers l'extrémité externe de l'empennage vertical, selon une loi de variation d'épaisseur optimisée permettant de faire correspondre (sensiblement) ladite valeur locale du coefficient de portance latérale à ladite valeur maximale admissible. La présente invention concerne en outre un aéronef, en particulier un avion de transport, qui est muni d'un empennage vertical tel que celui précité. Les figures des dessins annexés feront bien comprendre comment 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 de derrière de l'empennage vertical usuel de la figure 1. 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 l'envergure, de l'empennage vertical de la figure 1. La figure 4 montre un premier mode de réalisation de l'empennage vertical selon l'invention. ~o Les figures 5 et 6 représentent des graphiques traçant l'évolution, respectivement, de l'épaisseur de bord de fuite et du rapport Al, en fonction de la hauteur relativement à l'envergure, de l'empennage vertical de la figure 4. La figure 7 montre un deuxième mode de réalisation de l'empennage 15 vertical selon l'invention. Les figures 8 et 9 représentent des graphiques traçant l'évolution, respectivement, de l'épaisseur de bord de fuite et du rapport Al, en fonction de la hauteur relativement à l'envergure, de l'empennage vertical de la figure 7. 20 La queue 1 de fuselage d'aéronef, représentée sur la figure 1, 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 (qui est externe par 25 rapport au fuselage) et une extrémité inférieure ou emplanture 7 (qui est interne par rapport au fuselage). L'empennage vertical 2 comporte une dérive 8 et une gouverne de direction 9 qui est articulée sur la dérive 8 par un axe de charnière 10 légèrement en avant des bords d'extrémité arrière 11 de la dérive 8 et qui est pourvue du bord de fuite 4. L'envergure de l'empennage 30 vertical 2 (ou de la gouverne de direction 9) entre le saumon 6 et l'emplanture 7 est désignée par E. Dans l'état de la technique décrit sur les figures 1 à 3, l'épaisseur EPO du bord de fuite 4 de la gouverne de direction 9 (c'est-à-dire la largeur horizontalement de ce bord de fuite 4, vu de l'arrière) est constante quelle que soit la hauteur h, comme montré notamment sur la figure 2. 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 15 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 Cl, C2 et C3. Le rapport Al des trois courbes Cl, C2 et C3 est proportionnel à l'angle de la gouverne de 20 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 Cl. 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 25 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]. 30 En d'autres termes, pour l'angle de 45°, la portance locale latérale de l'empennage vertical 2 est : - inférieure à la portance latérale maximale pour une hauteur h comprise dans les intervalles [0, h1] et [h2, E] ; et - 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 l'épaisseur EPO constante (figures 5 et 8) du bord de fuite 4 de la gouverne de direction 9, dans l'état de la technique, quelle que soit la hauteur h, n'est pas adaptée. De plus, comme représenté sur les figures 5 et 8, du fait de l'évolution décroissante de la corde de dérive en envergure, l'épaisseur relative EprelO du bord de fuite 4 croît en direction de l'extrémité externe 6, l'épaisseur relative du bord de fuite correspondant au rapport entre l'épaisseur du bord de fuite et la corde. L'invention consiste à rendre variable l'épaisseur EP pour rapprocher le rapport Al des courbes Cl, C2 et C3, désormais désignées Cl, C'2 et C'3, du rapport Al maximal de la droite C4. L'épaisseur variable EP est déterminée 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 6 et 9. Par exemple, cet angle est de 45°. Grâce à l'invention, et comme précisé ci-dessous, on augmente l'efficacité intrinsèque du profil, en augmentant l'épaisseur du bord de fuite 4 de la gouverne 9 sur la partie interne 7 de l'empennage vertical 2 et en la diminuant sur sa partie externe 6, afin d'obtenir la loi de charge souhaitée. Un premier mode de réalisation de l'empennage vertical 2 selon l'invention, et notamment 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 à 6. Dans ce premier mode de réalisation, l'épaisseur EP du bord de fuite 4 de la gouverne de direction 9 varie, en fonction de la hauteur h relativement à l'envergure E de l'empennage vertical 2, selon une loi linéaire EP1 de variation d'épaisseur, avec une épaisseur décroissante de l'extrémité interne 7 (h=0) vers l'extrémité externe 6 (h=E) de l'empennage vertical 2. Le bord de fuite 4 devant pouvoir être fabriqué aisément, son épaisseur minimale est contrainte. De plus, dans ce cas, l'épaisseur relative Eprel1 du bord de fuite 4 décroît légèrement, de façon linéaire, en direction de l'extrémité externe 6. Ainsi, la valeur absolue de la différence C'3(h)-Al 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 constante. Un deuxième mode de réalisation de l'empennage vertical 2 selon l'invention, et notamment 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 7 à 9. Dans ce deuxième mode de réalisation, l'épaisseur EP du bord de fuite 4 de la gouverne de direction 9 varie, en fonction de la hauteur h relativement à l'envergure E de l'empennage vertical 2, avec une épaisseur décroissante de l'extrémité interne 7 (h=0) vers l'extrémité externe 6 (h=E) de l'empennage vertical 2, selon une loi de variation d'épaisseur optimisée EP2 permettant de faire correspondre sensiblement ladite valeur locale du coefficient de portance latérale à ladite valeur maximale admissible. Dans ce cas, l'épaisseur relative Eprel2 du bord de fuite 4 décroît légèrement en direction de l'extrémité externe 6. Les valeurs Al des courbes C'l et C'2, calculées pour des angles de 10° et 20°, sont deux constantes 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 Cl, 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 Cl, 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, par rapport au premier mode de réalisation, d'optimiser le rapprochement entre la valeur locale du coefficient de portance latérale de la valeur maximale admissible. Ainsi, les deux modes de réalisation précédents permettent de rapprocher la valeur locale du coefficient de portance latérale de la valeur maximale admissible du coefficient de portance latérale. Ils permettent de diminuer la taille de l'empennage vertical et ainsi d'améliorer la traînée. De plus, avantageusement, ils permettent de rendre les efforts de flexion dus aux positions angulaires de la gouverne de direction 9 par rapport à la dérive 8, plus faibles que ceux résultant 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 7 que vers le saumon 6. Il en résulte des gains de masse importants pour la réalisation de l'empennage vertical 2 de l'aéronef. REVENDICATIONS1. Procédé d'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), caractérisé en ce que l'on fait varier l'épaisseur du bord de fuite (4) de la gouverne de direction (9) suivant l'envergure de l'empennage vertical (2), pour approcher la valeur locale du coefficient de portance latérale appliquée à l'empennage vertical (2) à une valeur maximale admissible. 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 et 2, caractérisé en ce que l'on détermine l'épaisseur variable du bord de fuite de la gouverne de direction (9), 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 l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on fait varier l'épaisseur du bord de fuite de la gouverne de direction (9) en fonction de l'envergure de l'empennage vertical (2), selon une loi linéaire de variation d'épaisseur (EP1), avec une épaisseur décroissante de l'extrémité interne (7) vers l'extrémité externe (6) de l'empennage vertical (2). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on fait varier l'épaisseur du bord de fuite de la gouverne de direction (9) en fonction de l'envergure de l'empennage vertical (2), avec une épaisseur décroissante de l'extrémité interne (7) vers l'extrémitéexterne (6) de l'empennage vertical (2), selon une loi de variation d'épaisseur optimisée (EP2) permettant de faire correspondre ladite valeur locale du coefficient de portance latérale à ladite valeur maximale admissible. 6. Empennage vertical d'aéronef, comportant une dérive (8) et une gouverne de direction (9) apte à pivoter par rapport à ladite dérive (8), caractérisé en ce que ladite gouverne de direction (9) présente une épaisseur variable du bord de fuite suivant l'envergure de l'empennage vertical (2) permettant d'approcher la valeur locale du coefficient de portance latérale appliquée à l'empennage vertical (2) à une valeur maximale admissible. 7. Empennage vertical selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'épaisseur du bord de fuite (4) de la gouverne de direction (9) varie en fonction de l'envergure de l'empennage vertical (2), selon une loi linéaire de variation d'épaisseur (EP1), avec une épaisseur décroissante de l'extrémité interne (7) vers l'extrémité externe (6) de l'empennage vertical (2). 8. Empennage vertical selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'épaisseur du bord de fuite (4) de la gouverne de direction (9) varie en fonction de l'envergure de l'empennage vertical (2), avec une épaisseur décroissante de l'extrémité interne (7) vers l'extrémité externe (6) de l'empennage vertical (2), selon une loi de variation d'épaisseur optimisée (EP2) permettant de faire correspondre ladite valeur locale du coefficient de portance latérale à ladite valeur maximale admissible. 9. Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte un empennage vertical (2) tel que celui spécifié sous l'une quelconque des revendications 6 à 8.