Brevet FR3007734A1 — publié le 20150102

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à l'alimentation en énergie des aéronefs. Plus particulièrement, elle concerne une structure d'aéronef à capacité de capture d'énergie solaire. L'invention présente un avantage particulier pour des structures d'aéronef réalisées en matériau composite. Etat de la technique Les aéronefs actuels comportent une source d'alimentation électrique embarquée destinée à produire de l'énergie électrique à bord de ceux-ci pour permettre d'alimenter, que ce soit au sol ou en vol, différents systèmes consommant de la puissance électrique. Ces systèmes, généralement éloignés les uns des autres et de la source d'alimentation électrique, sont répartis dans tout l'aéronef, de la cabine de pilotage à la queue de l'avion, en passant par les ailes. Parmi les systèmes nécessitant une alimentaire électrique et éloigné de la source d'alimentation électrique, on peut citer les feux clignotants situés aux extrémités des ailes, à titre d'exemple illustratif. Pour atteindre et alimenter individuellement chacun des systèmes, des faisceaux de câbles électriques sont amenés de la source d'alimentation électrique jusqu'à chaque système. Un tel réseau de faisceaux de câbles électriques est évidemment source de pénalité pour l'aéronef, que ce soit en termes de coûts ou de masse. En outre, l'agencement d'un tel réseau de faisceaux de câbles électriques présente les inconvénients d'une mise en oeuvre complexe, d'une 25 complexification des opérations de montage et d'entretien de ces faisceaux de câbles électriques. De plus, ces systèmes étant en nombre relativement élevés et fort consommateurs d'énergie, la source d'alimentation électrique doit fournir une puissance électrique non négligeable, ce qui est également source de pénalité en termes de coûts et de masse. Exposé de l'invention La présente invention a précisément pour objectif de définir une structure d'aéronef à capacité de capture d'énergie, avec une pénalité en 5 masse au plus équivalente aux solutions existantes et ayant des performances au moins équivalentes aux solutions existantes. A cet effet, il est proposé par la présente invention de revêtir une structure d'aéronef d'un revêtement à propriété de conductivité électrique déposé sur sa surface extérieure. La surface extérieure est ici définie comme la 10 surface en regard de l'environnement extérieur de l'aéronef, soit la surface susceptible d'être soumise à des impacts de foudre. Plus particulièrement, il est proposé selon la présente invention une structure d'aéronef, à capacité de capture d'énergie solaire, dans laquelle au moins une partie de la surface extérieure est revêtue d'un film photovoltaïque. 15 Par film photovoltaïque, on entend une couche de faible épaisseur comparé aux deux autres dimensions (longueur et largeur). Ce film photovoltaïque est une couche souple, c'est-à-dire une couche flexible. Ce film est composé de cellules photovoltaïques configurées sous forme de modules photovoltaïques indépendants pour délivrer en sortie un courant et ou une 20 tension électrique continu lorsqu'elles sont soumises à un rayonnement solaire incident. Les modules photovoltaïques sont reliés entre eux en série ou parallèles, et disposés les uns à coté des autres de manière à former le film photovoltaïque. 25 Une cellule photovoltaïque est constituée de plusieurs couches dont une qui est une électrode à capacité de conduction électrique. Cette électrode permet avantageusement de collecter et transférer les charges électriques. Cette électrode est préférentiellement une couche en argent, cuivre ou aluminium. La capture de l'énergie solaire par une structure d'aéronef munie d'un tel film photovoltaïque et sa transformation en électricité offre un apport non négligeable d'un point de vue écologique. Ainsi, certains systèmes pourront être avantageusement alimentés par l'intermédiaire d'une source d'énergie provenant de la capture de l'énergie solaire via la structure d'aéronef suivant l'invention, placée à proximité desdits systèmes. Une telle alimentation de ces systèmes, par exemple ceux les plus éloignés d'une source d'alimentation électrique de l'aéronef, permet de réduire le câblage électrique. Par conséquent, un film photovoltaïque sur une structure d'aéronef offre une capacité de capture d'énergie solaire au service des besoins de l'aéronef, sans donner lieu à une pénalisation en masse ni à une mise en oeuvre complexe. Outre une capacité de capture d'énergie solaire, le film photovoltaïque offre la capacité de transférer les charges électriques à dissiper de manière plus rapide et efficace que les solutions actuelles, lors d'un foudroiement de ladite structure d'aéronef. L'utilisation d'un film photovoltaïque en surface de la structure d'aéronef permet d'obtenir une protection efficace de ladite structure d'aéronef contre les effets de la foudre sans donner lieu à une dégradation de la qualité de surface, comme c'est le cas pour les structures d'aéronef existantes nécessitant un grillage métallique. En effet, le film photovoltaïque présente une épaisseur homogène et constante contrairement à un grillage métallique dont l'épaisseur est discontinue. Un autre avantage de l'utilisation d'un film photovoltaïque en surface de la structure d'aéronef se situe au niveau des contraintes de production. En effet, les contraintes de production associées à la qualité de surface de la structure, du fait d'une épaisseur constante du film photovoltaïque, sont réduites par rapport à celles d'une surface avec grillage. Il en résulte, par rapport aux solutions traditionnelles proposées par l'art antérieur pour la protection contre la foudre, un gain de cycle par réduction du nombre et de temps nécessaire aux opérations de fabrication, ainsi qu'une plus grande facilité de maintenance. L'adjonction sur la structure d'un film photovoltaïque permet de 5 répondre aux exigences de production d'énergie que de production contre la foudre. Ce résultat tout à fait avantageux est obtenu en l'absence de grillage métallique traditionnel proposé par l'art antérieur. La structure d'aéronef est également avantageusement dénuée de 10 couche de peinture décorative, en particulier pour des zones non customisées, telles que par exemple des ailes d'aéronef. L'utilisation d'un tel film photovoltaïque est adaptée à toute structure d'aéronef, qu'elle soit en matériau métallique ou en matériau composite. Par structure en matériau composite, on entend une structure réalisée 15 à partir de fibres minérales ou organiques, par exemple de fibres de verre, de fibre d'aramide ou de fibre de carbone, maintenues dans une matrice organique dure, de l'époxy par exemple. Selon des modes de réalisation particuliers, l'invention répond en outre aux caractéristiques suivantes, mises en oeuvre séparément ou en chacune de 20 leurs combinaisons techniquement opérantes. Certaines au moins de ses caractéristiques visent à atteindre des objectifs supplémentaires de l'invention. En particulier, l'invention vise à ce que la surface supérieure de la structure d'aéronef, celle en regard de l'environnement extérieur, soit aussi lisse et brillante qu'en l'absence de la couche de décoration standards dans les 25 aéronefs actuels. Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, la structure d'aéronef comporte une couche polymère souple entre la surface extérieure et le film photovoltaïque. La couche polymère souple est une couche flexible qui permet de garantir la capacité de déformation de l'ensemble dans les conditions de sollicitations thermomécaniques de la structure de l'aéronef. Une telle couche est par exemple formée à partir de matrices élastomères, de matrices polysulfone amides (connues sous l'acronyme PSA) ou des élastomères dits hot/melt permettant avantageusement l'adhésion à la surface extérieure et au film photovoltaïque tout en garantissant les caractéristiques viscoélastique recherchées. La couche polymère souple est avantageuse d'un point de vue aérodynamique. En effet, une telle couche est applicable en une fois sur une pluralité de structures d'aéronef assemblées, permettant ainsi de remédier aux différences géométriques d'assemblages, telles que par exemple les tolérances des trous et fixations, et évitant ainsi tous tourbillons parasites au flux d'air laminaire recherché dans une logique de consommation de carburant minimum. Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, pour améliorer la conductivité électrique dans la couche polymère souple, ladite couche polymère comporte des particules électriquement conductrices. Dans un exemple de réalisation, les particules électriquement conductrices sont choisies dans un groupe comprenant le graphène, les fibres de carbone, les nanofils métalliques ou les nanotubes de carbone, un mélange de ces particules ou tout autre pigment conducteur (métal, polymère,...). Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, afin de garantir la durabilité et la résistance aux effets de la foudre, la couche polymère présente une épaisseur comprise entre 40 et 110pm, de préférence 80 pm. Une telle épaisseur permet également de ne pas pénaliser en masse la structure d'aéronef. Une telle couche polymère présente également des avantages en terme : - d'aérodynamique, - de compatibilité avec les exigences environnementales en vigueur, résistance aux attaques chimiques et environnementales propres à une structure externe d'aéronefs, d'application et de ré-application sur la surface extérieure en cas de réparation. Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, la structure d'aéronef comporte une couche de protection recouvrant le film photovoltaïque. La couche de protection est une couche apte à garantir la pérennité de la structure d'aéronef dans les conditions de sollicitations environnementales propres aux aéronefs. La couche de protection revêt le film photovoltaïque en vue de sa protection contre la corrosion, contre les dégradations extérieures, ... Une telle couche de protection est par exemple formée à partir de résines polyuréthanes à haut nombre de groupements fonctionnels assurant un haut degré de réticulation. La couche de protection présente des caractéristiques de brillance et de peau d'orange conformes à l'ensemble des zones customisées des livrées aéronautiques Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, pour permettre au film photovoltaïque de recevoir les rayonnements lumineux et conserver ses propriétés photovoltaïques, la couche de protection est transparente aux rayons ultraviolets dans la bande de fréquence utile. Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, les cellules photovoltaïques présentent une forme géométrique sensiblement identique, préférentiellement carrée. Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, les cellules photovoltaïques présentent une forme géométrique sensiblement identique, préférentiellement triangulaire. Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, les cellules photovoltaïques présentent une forme géométrique sensiblement identique, préférentiellement hexagonale, car cette forme améliore la capacité d'acceptation du film photovoltaïque aux déformations, en supplément de la même capacité d'acceptation de la couche polymère souple. Dans un exemple préféré de réalisation, pour faciliter la réparation du film photovoltaïque, chaque cellule présente une dimension sensiblement de l'ordre de 200*200 mm. Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, le film photovoltaïque présente une épaisseur comprise entre 300 et 1000 lm, de préférence d'environ 400 lm. Cette épaisseur, supérieure aux épaisseurs typiques des cellules photovoltaïques (qui sont de l'ordre d'une centaine de pm), joue un rôle non négligeable contre la protection de la structure d'aéronef aux impacts de la foudre car elle permet d'augmenter le transfert des charges électriques au cours d'un impact de foudre sur la structure d'aéronef. Le surdimensionnement en épaisseur du film photovoltaïque est principalement un surdimensionnement en épaisseur des électrodes à capacité de conduction électrique des cellules photovoltaïques. L'épaisseur desdites électrodes est choisie de sorte que l'impédance de surface soit inférieure à 2mS2/0 ± 20%, de façon à garantir l'évacuation des charges électriques liée à un impact foudre dans les meilleures conditions pour la structure de l'aéronef. Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, la structure d'aéronef revêtue sur au moins une partie de sa surface extérieure d'au moins un film photovoltaïque est un fuselage, une nacelle ou une aile de l'aéronef. Selon un autre aspect, la présente invention concerne un aéronef comportant une structure d'aéronef répondant à l'une ou plusieurs des caractéristiques ci-avant. Selon un autre aspect, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure d'aéronef, selon lequel on applique, sur au moins une partie d'une surface extérieure de ladite structure d'aéronef répondant à l'une ou plusieurs des caractéristiques ci-avant, un film photovoltaïque. L'application de ce film photovoltaïque ne nécessite que peu d'opérations spécifiques, qui peuvent être intégrées dans un procédé plus général d'application des couches de revêtement classiques sur la surface extérieure du corps de l'aéronef. Ce procédé de fabrication est aisément adapté à la protection de la surface extérieure contre les effets de la foudre. Il en résulte, comparativement aux solutions actuelles pour la protection aux impacts de foudre par exemple, un gain de cycle par réduction du nombre et du temps nécessaire aux opérations de montage et de contrôle, ainsi qu'une plus grande facilité de maintenance. Cette application est préférentiellement réalisée sur au moins la surface extérieure du fuselage, des nacelles ou des ailes de l'aéronef. Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, l'application du film photovoltaïque peut être réalisée par des techniques classiques en elles-mêmes, par exemple du type par pelliculage. Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, on applique une couche polymère souple sur la surface extérieure de la structure d'aéronef, puis on applique le film photovoltaïque sur la couche polymère souple. Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, on applique une couche de protection sur le film photovoltaïque. Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, l'application des couches polymère souple et de protection peut être réalisée par des techniques classiques en elles-mêmes, par exemple du type par spray ou jet d'encre, etc., et être suivie d'une étape de séchage, qu'il s'agisse d'un séchage à l'air ambiant, d'un séchage contrôlé, à température et hygrométrie prédéfinie, ou d'un séchage accéléré par lampe ultraviolet. Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, l'application de la couche polymère souple, respectivement de la couche de protection, est préalablement précédée d'une étape de préparation de la surface extérieure de la structure d'aéronef, respectivement du film photovoltaïque. Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, l'application du film photovoltaïque, est préalablement précédée d'une étape de préparation de la surface sur laquelle il va reposer. Description des figures L'invention sera maintenant plus précisément décrite dans le cadre de modes de réalisation particuliers, qui n'en sont nullement limitatifs, représentés sur les figures 1 à 4, dans lesquelles : La figure 1 illustre une vue en coupe transversale d'un ensemble multicouches appliqué sur la surface extérieure de la peau d'un fuselage 15 d'aéronef, La figure 2 illustre une vue de dessus d'une mosaïque de cellules photovoltaïques présentant une forme géométrique carrée, La figure 3 illustre une vue de dessus d'une mosaïque de cellules photovoltaïques présentant une forme géométrique triangulaire, 20 La figure 4 illustre une vue de dessus d'une mosaïque de cellules photovoltaïques présentant une forme géométrique hexagonale. Description d'un mode préféré de réalisation Un exemple de structure d'aéronef 10 conforme à l'invention est illustré de manière schématique sur la figure 1. La figure 1 présente une 25 structure d'aéronef localement plane à titre d'illustration sans que ce caractère soit limitatif de l'invention. Sur cette figure 1, les épaisseurs relatives des différentes couches de cette structure d'aéronef ont été choisies à titre d'exemple, et de manière à faire apparaître clairement chacune de ces couches, et ces épaisseurs relatives ne doivent nullement être considérées comme limitatives ou même représentatives d'un ensemble multicouches réel. Une structure d'aéronef 10 suivant l'invention est réalisée en matériau composite et comporte principalement une partie structurale 20 comportant des 5 fibres minérale ou organiques maintenues dans une résine dure organique. Par exemple, une telle partie structurale 20 comporte des plis empilés de fibres de verre, Kevlar® ou carbone, tissées ou unidirectionnelles, maintenues dans une matrice d'un matériau polymère tel qu'une aramide. La structure d'aéronef décrite est par exemple un fuselage sans que 10 ce choix soit limitatif de l'invention. Le fuselage comporte, sur une surface 21, dite surface extérieure, de la partie structurale 20 d'un coté dudit fuselage sur lequel des charges électriques sont susceptibles de s'accumuler et ou un impact de foudre est susceptible de se produire, un ensemble multicouche 345. Cet ensemble 15 multicouche 345 est appliqué en lieu et place de la peinture décorative extérieure. Cet ensemble multicouches 345 comporte une pluralité de couches 30, 40, 50 pour la récupération d'énergie solaire ainsi que pour la protection de l'aéronef contre les effets de la foudre et la corrosion. L'ensemble multicouche 20 345 comprend notamment, disposées les unes au-dessus des autres sur la surface extérieure 21 de la partie structurale 20 du fuselage 10, trois couches successives. Une première couche, dite couche polymère flexible 30, recouvre, sur tout ou partie, la surface extérieure 21 de la partie structurale 20. Cette couche 25 polymère flexible présente par exemple une épaisseur comprise entre 40 et 110 lm, de préférence 80 pm. Dans un exemple de réalisation, la couche polymère flexible est un mastic spécifique pour des applications aéronautiques aéronautique, des élastomères, des matrices acryliques PSA, ou encore des élastomères hot-melt. 30 Une deuxième couche, dite film photovoltaïque 40, recouvre une surface 31 de la couche polymère flexible, opposée à une surface recouvrant la surface extérieure 21 de la partie structurale. Le film photovoltaïque 40 est souple et est composé d'une pluralité de cellules photovoltaïques 42 reliées en série ou en parallèles. Le principe de réalisation des cellules photovoltaïques est bien connu de l'état de la technique et ne sera pas décrit ici. Les cellules photovoltaïques 42 utilisées sont préférentiellement du type 2ème ou 3ème génération. Dans des exemples de réalisation, les cellules photovoltaïques 42 10 présentent une forme géométrique carrée, triangulaire ou hexagonale, comme illustrées sur les figures 2 à 4. Le film photovoltaïque 40 présente une épaisseur comprise entre 300 et 1000 pm, de préférence 400 pm. Cette épaisseur est très supérieure à l'épaisseur des cellules photovoltaïques classiques afin d'augmenter le 15 transfert des charges électriques lors d'un impact de foudre sur la structure d'aéronef. La couche polymère souple 30 positionnée entre le fuselage et le film photovoltaïque 40 permet avantageusement d'absorber des dilatations différentielles entre ledit fuselage et ledit film photovoltaïque qui peuvent 20 apparaître en condition d'utilisation de l'aéronef. Dans une variante de réalisation, pour augmenter le transfert des charges électriques lors d'un impact de foudre sur la structure d'aéronef, la couche polymère souple 30 comporte des particules électriquement conductrices, de type graphène, nanotubes de carbone,... 25 Une couche supérieure, dite couche de protection 50, recouvre une surface 41 du film photovoltaïque 40. Le film photovoltaïque 40 est ainsi intercalé entre la couche polymère flexible 30 et la couche de protection 50. La couche de protection 50 permet avantageusement de résister aux agressions extérieures que peut subir l'aéronef en conditions d'utilisation. Cette couche de protection présente une épaisseur comprise entre 10 et 80 pm. Dans un exemple de réalisation, la couche de protection est du type vernis. La couche de protection est composée par exemple de résines 5 polyuréthannes à haut nombre de groupements fonctionnels assurant un haut degré de réticulation. Dans un mode de réalisation préféré de la couche de protection, ladite couche de protection est transparente et résistante aux ultraviolets afin de permettre au film photovoltaïque pour assurer une bonne absorption du 10 rayonnement solaire. Dans un mode de réalisation préféré de la couche de protection, ladite couche de protection 50 est une couche assurant une bonne absorption du rayonnement solaire. La surface extérieure 21 de la partie structurale 20 n'est pas 15 obligatoirement recouverte en totalité par l'ensemble multicouches 345, certaines zones pas ou peu exposée au risque de foudre pouvant ne pas être protégées ou protégées par d'autres moyens, la description étant limités à une partie de la surface extérieure 21 protégée suivant le principe de l'invention. L'application de l'empilement multicouches 345 s'effectue sur la 20 surface extérieure 21 de la partie structurale 20 du fuselage de l'aéronef. L'application des ces différentes couches sur la surface extérieure 12 du fuselage 11 de l'aéronef ne nécessite que peu d'opérations spécifiques comparativement aux solutions actuelles, entre autres pour la protection d'un aéronef aux impacts de foudre. 25 Les trois couches 30, 40, 50 sont successivement appliquées les unes par-dessus les autres. L'application de la couche polymère souple 30, respectivement de la couche de protection 40, peut s'effectuer par toute technique classique en elle-même, par exemple par jet d'encre, la surface extérieure 21 du fuselage, respectivement la surface 41 du film photovoltaïque, ayant au préalable été soumis aux opérations de préparation de surface conventionnelles nécessaires à cet effet. L'application du film photovoltaïque 40 sur la surface 31 de la couche polymère souple sur laquelle il va reposer peut s'effectuer par toute technique classique en elle-même, par exemple par pelliculage. Au préalable, une opération de préparation de la surface 31 de la couche polymère est réalisée. L'invention proposée permet avantageusement de réaliser une structure d'aéronef protégée contre les effets de la foudre, en pénalisant peu la masse de l'aéronef, et sans en pénaliser l'aspect esthétique extérieur. Elle permet également avantageusement de capturer l'énergie solaire ambiante pour les besoins internes des aéronefs. REVENDICATIONS1. Structure d'aéronef (10) caractérisée en ce qu'elle comporte, sur tout ou partie d'une surface extérieure (21), un film photovoltaïque (40). 2. Structure d'aéronef (10) suivant la revendication 1 comportant une couche polymère souple (30) entre la surface extérieure (21) et le film photovoltaïque (40). 3. Structure d'aéronef (10) selon la revendication 2 dans laquelle la couche polymère souple (30) comporte des particules électriquement conductrices. 4. Structure d'aéronef (10) selon l'une des revendications 2 ou 3 10 dans laquelle la couche polymère souple (30) présente une épaisseur minimale de 80pm. 5. Structure d'aéronef (10) suivant l'une des revendications précédentes comportant une couche de protection (50) recouvrant le film photovoltaïque. 15 6. Structure d'aéronef (10) selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le film photovoltaïque (40) est constitué d'un ensemble de cellules photovoltaïques (42) de même forme géométrique. 7. Structure d'aéronef (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le film photovoltaïque (40) présente 20 une épaisseur comprise entre 300 et 1000pm, de préférence d'environ 400 p m. 8. Procédé de fabrication d'une structure d'aéronef (10) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, selon lequel on applique sur au moins une partie de la surface extérieure (21) de ladite structure d'aéronef un film photovoltaïque (40). 25 9. Procédé de fabrication d'une structure d'aéronef (10) selon larevendication 8 selon lequel l'application du film photovoltaïque (40) est réalisée par pelliculage sur la surface extérieure (21). 10. Procédé de fabrication d'une structure d'aéronef (10) selon l'une des revendications 8 ou 9 selon lequel on applique une couche polymère souple (30) sur la surface extérieure (21), préalablement à l'application du film photovoltaïque (40). 11. Procédé de fabrication d'une structure d'aéronef (10) selon l'une des revendications 8 à 10 selon lequel on recouvre le film photovoltaïque (40) d'une couche de protection (50).