Brevet FR2991047A1 — publié le 20131129

SONDE DE MESURE DE PRESSION TOTALE D'UN ECOULEMENT L'invention concerne une sonde de mesure de pression totale destinée à équiper un aéronef. Le pilotage de tout aéronef nécessite de connaître sa vitesse relative par rapport à l'air, c'est-à-dire au vent relatif. Cette vitesse est 5 déterminée à l'aide de sondes de mesure de la pression statique Ps et de la pression totale Pt, ainsi que de capteurs de mesure de l'angle d'incidence a et de l'angle de dérapage (3. a et p3 fournissent la direction du vecteur de vitesse dans un système de référence, ou référentiel, lié à l'aéronef et Pt - Ps fournit le module de ce vecteur vitesse. Les quatre paramètres 10 aérodynamiques permettent donc de déterminer le vecteur vitesse de tout aéronef, tel que par exemple un avion ou un hélicoptère. La mesure de la pression totale Pt se fait habituellement à l'aide d'un tube dit de Pitot. Il s'agit d'un tube ouvert à l'une de ses extrémités et obstrué à l'autre. L'extrémité ouverte du tube fait sensiblement face à 15 l'écoulement. Le filet d'air situé en amont du tube est progressivement ralenti jusqu'à atteindre une vitesse quasi nulle à l'entrée du tube. Le ralentissement de la vitesse de l'air augmente la pression de l'air. Cette pression augmentée forme la pression totale Pt de l'écoulement d'air. Dans une chambre située à 20 l'intérieur du tube de Pitot, on mesure la pression d'air qui y règne. Pour pouvoir fonctionner en conditions humides ou de givrage, ce tube de Pitot est réchauffé électriquement. Le réchauffage évite que le tube ne soit obstrué par de la glace, lors de vols en conditions givrantes. Ce tube est muni d'un ou plusieurs trous de purge et pièges à eau dans la chambre 25 susmentionnée, pour éviter tout risque d'ingestion d'eau dans la canalisation de pression totale, en cas de vol dans une atmosphère chargée d'eau (traversée de nuages), ou en conditions pluvieuses . Les trous de purge permettent d'évacuer l'eau liquide ayant pénétré dans la chambre du tube de Pitot. Le réchauffage permet également d'éviter la formation et 30 l'accumulation de glace dans les trous de purges ce qui nuirait à leur rôle d'évacuation de l'eau pénétrant en vol ou au sol. Le dimensionnement du réchauffage est notamment réalisé en fonction des conditions atmosphériques que la sonde peut être amenée à supporter, donc en fonction de la quantité d'eau que la sonde est susceptible d'ingérer et en fonction des échanges thermiques avec l'écoulement que la sonde peut subir. Il est connu de réaliser le réchauffage au moyen d'une résistance électrique enroulée à l'intérieur du tube. La résistance est formée d'un conducteur électrique recouvert d'un matériau isolant. Pour des raisons pratiques, il n'est pas possible d'enrouler la résistance sur un diamètre trop faible. Par ailleurs, l'écoulement peut présenter une incidence par rapport à l'axe du tube de Pitot. Afin de conserver une bonne mesure de pression totale, l'extrémité ouverte du tube présente alors une section la plus large possible qui s'ouvre sur l'écoulement au moyen d'une forme en entonnoir dont le diamètre d'entrée est plus important que le diamètre interne du tube. Cette structure a l'inconvénient de présenter une traînée importante et donc un échange thermique important entre la sonde et l'écoulement. Ceci impose une puissance électrique importante pour permettre le fonctionnement de la sonde dans des conditions givrantes requises. L'invention vise à proposer une nouvelle sonde permettant de 20 réduire sa consommation électrique tout en conservant le même niveau de performance notamment aux fortes incidences de l'aéronef. A cet effet, l'invention a pour objet une sonde de mesure de pression totale d'un écoulement, la sonde étant destinée à équiper la peau d'un aéronef, la sonde comprenant un tube de Pitot et des moyens destinés 25 à orienter le tube de Pitot dans l'axe de l'écoulement en fonction de variations d'incidence de l'écoulement le long de la peau de l'aéronef localement au niveau de la sonde, le tube de Pitot comprenant une chambre s'ouvrant face à l'écoulement par un canal, la chambre et le canal s'étendant selon un axe du tube de Pitot, axe orienté dans l'axe de l'écoulement, 30 caractérisée en ce que, perpendiculairement à l'axe du tube de Pitot, les dimensions d'une section caractéristique du canal sont inférieures aux dimensions d'une section caractéristique de la chambre. Le fait de réduire la section du canal par rapport à celle de la 35 chambre permet de réaliser une forme extérieure de la sonde avec de 2 99104 7 3 meilleures caractéristiques aérodynamiques, notamment une traînée plus faible, et de réduire la quantité d'eau absorbée en conditions de vol humides. Par le passé, on a réalisé des sondes multifonction mobiles telles que par exemple décrites dans la demande de brevet internationale 5 WO 01/44821 déposée le 12 décembre 2000 au nom de Thales Avionics. Ce document décrit une sonde mobile équipée de prises de pression statique, d'un tube de Pitot, de moyen pour déterminer l'incidence locale et d'une sonde de température totale. Le tube de Pitot présente une chambre complètement cylindrique depuis son entrée jusqu'à son extrémité obturée 10 où est située la prise de pression. Ce type de sonde ne permet de réduire la traînée de la surface extérieure du tube de Pitot. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation 15 donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : La figure 1 représente un exemple de sonde de mesure de pression totale selon l'invention. La sonde 10 représentée sur la figure 1 permet de mesurer la pression totale d'un écoulement d'air circulant le long de la peau 11 d'un aéronef. La sonde 10 comprend une embase 12 destinée à être fixée sur la peau 11, par exemple au moyen de vis 13. L'embase 11 est essentiellement formée d'une plaque installée dans le prolongement de la peau 11. La sonde 10 comprend également un tube de Pitot 14 et des moyens destinés à orienter le tube de Pitot 14 dans l'axe de l'écoulement. Le tube de Pitot 14 est solidaire d'un mat 15 relié à l'embase 12 au moyen d'une liaison pivot 16. Autrement dit, les moyens destinés à orienter le tube de Pitot 14 comprennent la liaison pivot 16 permettant au tube de Pitot 14 de tourner autour d'un axe 17 perpendiculairement à la plaque formant l'embase 12. La liaison pivot 16 est par exemple formée au moyen d'un palier à roulement. Une étanchéité est assurée au niveau de la liaison pivot 16 afin d'éviter que des particules solides ou liquides ne pénètrent à l'intérieur de la peau 11 de l'aéronef. Le mat 15 est par exemple formé d'une palette s'orientant 35 naturellement dans l'axe de l'écoulement symbolisé par une flèche 18. La 2 99104 7 4 palette est en forme d'aile possédant un plan de symétrie, situé dans le plan de la figure et séparant l'intrados de l'extrados. Le profil de l'aile perpendiculairement à son bord d'attaque est par exemple du type OOZT du N.A.C.A. Dans l'exemple représenté, le bord d'attaque est sensiblement 5 rectiligne et incliné par rapport à l'axe 17. Il est bien entendu que d'autres formes de profil d'ailes peuvent être utilisées pour mettre en oeuvre l'invention. Le tube de Pitot 14 comprend un tube ouvert à sa première de ses extrémités 19 et obstrué à sa seconde extrémité 20. Le tube s'étend entre 10 ses deux extrémités 19 et 20 selon un axe 21. La palette 15 permet à l'axe 21 du tube de Pitot 14 de se maintenir aligné avec l'axe 18 de l'écoulement. Le tube de Pitot suit ainsi les variations d'incidence locale de l'écoulement le long de la peau 11 au niveau de la sonde 10. Alternativement, d'autres moyens existent pour aligner le tube de 15 Pitot 14 avec l'axe de 18 de l'écoulement. On peut par exemple monter le tube de Pitot 14 sur un mat à la surface duquel on place des prises de pression permettant de connaitre l'incidence locale de l'écoulement sur le mat. L'air prélevé dans ces prises de pression peut piloter un moteur rotatif d'axe 17 permettant d'orienter le mat autour de sa liaison pivot 16. Cette 20 alternative est plus efficace aux faibles vitesses de l'écoulement mais demeure plus compliquée à mettre en oeuvre. La sonde comprend une prise de pression 22 disposée à l'intérieur du tube au niveau de son extrémité obstruée 20. La prise de prise de pression est reliée à un capteur de pression non représenté et situé à 25 l'intérieur de la peau 11 de l'aéronef. La liaison entre le capteur de pression et la prise de pression 22 est réalisée par l'intermédiaire d'un canal 23 disposé dans le mat 15 et se prolongeant dans la liaison pivot 16, d'un joint tournant 24 et d'un connecteur pneumatique 25. Le joint tournant 24 permet la collecte de la pression d'air lorsque l'incidence de l'écoulement varie. A 30 titre d'alternative, il est possible d'utiliser des canaux souples à la place du joint tournant. Il est avantageux que le centre de gravité de la partie mobile de la sonde soit disposé sur l'axe 17 de la liaison pivot 16 afin que la partie mobile de la sonde 10 soit insensible à d'éventuelles accélérations de l'aéronef. 35 Cette disposition permet de conserver l'alignement recherché pour l'axe 21 2 99104 7 5 du tube de Pitot 14 avec l'axe 18 de l'écoulement. A cet effet, il est possible de prévoir, dans la partie de la sonde 10 située à l'intérieur de la peau 11, des moyens d'équilibrage, formé par exemple par une masse 26 solidaire de la partie mobile de la sonde 10. 5 La sonde 10 comprend également des moyens de réchauffage permettant d'éviter que du givre ne s'accumule à l'intérieur et à l'extérieur de la sonde. Il est important d'éviter tout accumulation de givre à l'intérieur du tube, ce qui fausserait la mesure de pression. Il est également important de dégivrer l'extérieur de la sonde 10 pour lui conserver son profil 10 aérodynamique, notamment pour la palette, ce qui permet un bon alignement du tube de Pitot 14. Cet alignement permet de conserver une même traînée de la sonde, même lorsque l'incidence locale évolue. En effet, une sonde fixe voit sa traînée augmenter lorsqu'une incidence apparait. L'échange thermique de la sonde 10 avec l'écoulement croit avec sa traînée. Pour une 15 sonde fixe, on est donc tenu de tenir compte de ce refroidissement plus important pour dimensionner la puissance thermique dégagée par les moyens de réchauffage. Un bon alignement permet donc de réduire la puissance thermique nécessaire au réchauffage de la sonde 10. Les moyens de réchauffage comprennent par exemple une 20 résistance chauffante 27 disposée à l'intérieur du mat 15 et du tube de Pitot 14. L'alimentation électrique de cette résistance est réalisée par l'intermédiaire d'un connecteur électrique 28 situé dans la partie interne de la sonde 10 au voisinage du connecteur pneumatique 25. 25 Le tube de Pitot 14 comprend une chambre 30 s'ouvrant par un canal 31 disposé à l'extrémité 19 du tube 14. La chambre 30 et le canal 31 s'étendent selon l'axe 21. La prise de pression 22 est disposée au fond de la chambre 30. Lorsque le tube de Pitot 14 fait face à l'écoulement, celui-ci est progressivement ralenti au niveau du canal 31. La pression de l'air, à 30 l'intérieur de la chambre 30, est ainsi supérieure à la pression statique de l'air à l'extérieur de la sonde 10. Cette pression augmentée forme la pression totale de l'écoulement. En pratique, il est nécessaire de prévoir un trou de purge permettant d'évacuer du liquide ayant pénétré à l'intérieur de la chambre 30. 35 On peut également prévoir dans la chambre 30 un piège à eau situé au voisinage de la prise de pression 22. Ce piège permet d'éviter que de l'eau ne pénètre dans la canal 23. L'eau piégée est évacuée par le trou de purge. Pour ne pas surcharger la figure, le trou de purge et le piège à eau ne sont pas représentés. Selon l'invention, perpendiculairement à l'axe 21, les dimensions d'une section caractéristique du canal 31 sont inférieures aux dimensions d'une section caractéristique de la chambre 30. Plus précisément, la chambre 30 est par exemple essentiellement de forme cylindrique autour de l'axe 21. Des zones non cylindriques peuvent exister localement, comme par exemple au niveau de l'extrémité obturée 20, et au niveau du piège à eau. La dimension de la section caractéristique de la chambre 30 est dans cet exemple la surface d'un disque perpendiculaire à l'axe 21 et s'appuyant sur la forme cylindrique de la chambre 30. La résistance chauffante 27 est enroulée sur la face cylindrique 32 15 de la chambre 30. La résistance chauffante 27 est par exemple réalisée à l'aide d'un fil électrique isolé électriquement. Le fil présente une résistance électrique permettant de produire de la chaleur par effet Joule. La résistance chauffante 27 est fixée contre la face cylindrique 32 par exemple par brasage. Il n'est pas nécessaire de noyer la résistance 20 chauffante 27 dans les parois intérieures du tube de Pitot 14, car elle risque moins d'être soumise à d'éventuelles agressions mécaniques que si elle était située à l'extérieur du tube de Pitot 14. Le fait de noyer la résistance chauffante 27 dans les parois intérieures du tube de Pitot 14 imposerait de réaliser des rainures dans la face cylindrique 32 ce qui compliquerait la 25 fabrication de la sonde 10. La position de la résistance chauffante 27 à l'intérieur du tube de Pitot 14 permet de dégivrer directement l'intérieur du tube de Pitot 14 La résistance chauffante 27 est mise en forme avant d'être fixée sur la face cylindrique 32. Pour réaliser la résistance chauffante 27, on peut 30 utiliser un conducteur électrique comportant un alliage de fer et de nickel enrobé d'un isolant minéral tel que de l'alumine ou de la magnésie. L'isolant est lui-même enrobé d'une gaine de nickel ou d'un alliage de nickel permettant le brasage du fil sur la face cylindrique 32. Avant l'opération de brasage, on forme le fil chauffant, par exemple en l'enroulant autour d'un 35 mandrin cylindrique. La structure de la résistance chauffante 27 impose un diamètre minimum d'enroulement en dessous duquel on risquerait d'endommager la résistance, sa gaine extérieure serait notamment soumise à des contraintes mécaniques supérieure aux valeurs acceptables. Le fait d'aligner l'axe 21 du tube de Pitot 14 avec l'axe de l'écoulement 18 permet de réduire la section de passage de l'air à l'entrée du tube de Pitot 14 sans dégrader ses performances aérodynamiques. On peut ainsi réduire les dimensions d'une section caractéristique du canal 31 par rapport aux dimensions de la section caractéristique de la chambre 30. Ce canal 31 plus étroit permet de réduire la quantité de particules susceptibles de pénétrer à l'intérieur du tube de Pitot 14. Ce canal 31 plus étroit permet également de réduire la traînée de la surface extérieure du tube de Pitot 14 et par conséquent la puissance thermique nécessaire au réchauffage de la sonde 10. Plus précisément, La réduction de la traînée est notamment possible en réduisant les dimensions d'une surface frontale 33 de l'extrémité 19. Cette surface frontale 33 fait face à l'écoulement. La surface frontale 33 forme un bord d'attaque du tube de Pitot 14 perpendiculaire à l'écoulement. On comprend donc que le fait de réduire les dimensions de ce bord d'attaque permet de réduire la traînée de la sonde 10. Sur toute la longueur du canal 31, longueur suivant l'axe 21, depuis le bord d'attaque jusqu'à la chambre 30, la section du canal 31 est inférieure à celle de la chambre 30. De plus, on peut travailler la forme extérieure latérale de l'extrémité 19 pour limiter l'apparition de survitesses de l'écoulement le long de la surface externe du tube de Pitot 14. En effet, les survitesses tendent à refroidir localement le tube de Pitot 14. En les limitant, on peut se passer de réchauffage au niveau de l'extrémité 19 du tube de Pitot 14. Avantageusement, le tube de Pitot 14 comprend une surface extérieure 35 de révolution autour de l'axe 21. Une génératrice de la surface extérieure 35 est définie de façon à présenter une survitesse à incidence nulle inférieure à 15%, et de préférence inférieure à 6%, par rapport à la vitesse infini amont de l'écoulement. La génératrice peut être définie au moyen d'une simulation réalisée dans le domaine incompressible de l'écoulement, c'est à dire pour des vitesses bien inférieures à la vitesse du son. On s'est rendu compte que de telles génératrices permettent de diminuer le risque d'apparition d'ondes de choc lorsqu'on atteint le domaine transsonique. On obtient donc une surface 2 99104 7 8 extérieure 35 limitant au mieux le refroidissement du tube de Pitot 14 dans l'écoulement pour tout son domaine de fonctionnement, des basses vitesses jusqu'au domaine transsonique, voire supersonique. Comme on l'a évoqué plus haut, dans l'art antérieur, on trouve des 5 tubes de Pitot dont l'entrée d'air s'ouvre en forme en entonnoir afin de s'adapter à des variations d'incidence locale. Le fait d'aligner l'axe 21 du tube de Pitot avec l'axe 18 de l'écoulement permet de se passer de cette forme en entonnoir. Les dimensions de la section du canal 31, au niveau de la surface frontale 33 sont inférieures aux dimensions de la section caractéristique de la 10 chambre 30. Le canal 31 peut être de forme tronconique autour de l'axe 21, le tronc de cône s'ouvrant depuis la surface frontale 33 jusqu'à la chambre 30. Alternativement, pour simplifier la fabrication du tube de Pitot 14, le canal 31 peut être complètement cylindrique depuis la surface frontale 33 jusqu'à la chambre 30. La section caractéristique du canal 31 est alors un disque. 15 Avantageusement le diamètre du disque formant la section caractéristique du canal 31 est inférieur à un diamètre minimum d'enroulement de la résistance chauffante 27. Au niveau du bord d'attaque du tube de Pitot 14, la surface extérieure 35 est raccordée avec la surface intérieure du tube de Pitot 14 20 formée localement par les parois du canal 31. Autrement dit, la surface extérieure 35 possède au niveau de la surface frontale 33 une section, perpendiculairement à l'axe 21, égale à la section caractéristique du canal 31. Un exemple de sonde 10 conforme a l'invention a été réalisé avec 25 les dimensions suivantes : Le tube de Pitot 14 a une longueur de 90mm suivant l'axe 21. Le canal d'entrée 31 a un diamètre de 5mm et s'étend sur 11 mm suivant l'axe 21. Comme mentionné plus haut, la surface extérieure 35 a également un diamètre de 5mm au niveau de la surface frontale 33. La chambre 30 a un diamètre de 9mm et d'étend depuis le canal d'entrée 31 30 jusqu'à l'extrémité obturée 20 du tube de Pitot 14. La résistance chauffante 27 est enroulée le long de la surface cylindrique de diamètre 9mm de la chambre 30. La résistance chauffante 27 ne pourrait pas être enroulée à l'intérieur du canal 31 du fait de son diamètre de 5mm. La surface extérieure 35 a un diamètre croissant depuis la surface frontale 33 jusqu'à atteindre un 35 diamètre maximum de 13mm à une distance d'environ 33 mm de la surface frontale 33. Le diamètre de la surface extérieure 35 décroit ensuite jusqu'à l'extrémité 20 pour atteindre une valeur de 11mm. La surface extérieure 35 ne présente aucun point anguleux. Il est bien entendu que les dimensions données ci-dessus ne forment qu'un exemple de réalisation dont la surface extérieure 35 permet d'obtenir une survitesse inférieure à 6%. D'autres formes de surfaces extérieures 35 sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Sonde de mesure de pression totale d'un écoulement, la sonde (10) étant destinée à équiper la peau (11) d'un aéronef, la sonde (10) comprenant un tube de Pitot (14) et des moyens destinés à orienter le tube de Pitot (14) dans l'axe (18) de l'écoulement en fonction de variations 5 d'incidence de l'écoulement le long de la peau (11) de l'aéronef localement au niveau de la sonde (10), le tube de Pitot (14) comprenant une chambre (30) s'ouvrant face à l'écoulement par un canal (31), la chambre (30) et le canal (31) s'étendant selon un axe (21) du tube de Pitot (14), axe (21) orienté dans l'axe (18) de l'écoulement, caractérisée en ce que, perpendiculairement 10 à l'axe (21) du tube de Pitot, les dimensions d'une section caractéristique du canal (31) sont inférieures aux dimensions d'une section caractéristique de la chambre (30). 2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube 15 de Pitot (14) possède une surface frontale (33) destinée à faire face à l'écoulement, la surface frontale (33) formant un bord d'attaque du tube de Pitot (14), et en ce que les dimensions de la section caractéristique du canal (31), au niveau de la surface frontale (33) sont inférieures aux dimensions de la section caractéristique de la chambre (30). 20 3. Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre (30) possède une face cylindrique (32) autour de l'axe (21) du tube de Pitot, et en ce que la section caractéristique de la chambre (30) est un disque. 25 4. Sonde selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de réchauffage (27) comportant une résistance chauffante enroulée sur la face cylindrique (32) de la chambre (30). 30 5. Sonde selon la revendication 4, caractérisée en ce que le canal (31) est cylindrique, la section caractéristique du canal (31) étant un disque et en ce que le diamètre du disque formant la section caractéristique du canal (31) est inférieur à un diamètre minimum d'enroulement de la résistance chauffante (27). 2 99104 7 11 6. Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens destinés à orienter le tube de Pitot (14) comprennent une liaison pivot (16) permettant au tube de Pitot (14) de tourner autour d'un axe (17) et en ce que le centre de gravité de la partie mobile de la sonde est disposé sur l'axe (17) de la liaison pivot (16). 7. Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le tube de Pitot (14) comprend une surface extérieure (35) de révolution autour de l'axe (21) du tube de Pitot (14) et en ce qu'une génératrice de la surface extérieure de révolution est définie de façon à présenter une survitesse à incidence nulle inférieure à 15%, et de préférence inférieure à 6% par rapport à la vitesse infini amont de l'écoulement. 8. Sonde selon la revendication 7, caractérisée en ce que le tube de Pitot (14) possède une surface frontale (33) destinée à faire face à l'écoulement, la surface frontale (33) formant un bord d'attaque du tube de Pitot (14), en ce que la surface extérieure (35) possède, au niveau de la surface frontale (33), une section perpendiculairement à l'axe (21), égale à la section caractéristique du canal 31.