Brevet FR3000021A1 — publié le 20140627

Composant de corps d'écoulement La présente invention concerne un composant d'un corps d'écoulement pour aéronefs, sachant que le composant de corps d'écoulement présente une surface d'écoulement parcourue par un fluide. Au sens de la présente invention, on entend par un des corps d'écoulement, les éléments d'un objet volant qui sont parcourus, du fait de leur application sur l'aéronef, par un fluide, la plupart du temps par l'air extérieur environnant, sur une surface d'écoulement extérieure. Un corps d'écoulement de ce type peut être par exemple un corps d'aile, sachant qu'on entend, au sens de la présente invention, par corps d'aile précisément les éléments d'un objet volant disposés de manière à faire saillie du fuselage de l'objet volant et parcourus par des nappes d'air lors d'une utilisation conforme à la destination de l'objet volant, ce qui permet d'obtenir des effets spécifiques. Les ailes porteuses (surfaces porteuses) ainsi que les empennages (les dérives, les stabilisateurs) constituent notamment des corps d'ailes au sens de la présente invention. De même, le fuselage ou des parties de celui-ci peuvent constituer au sens de la présente invention des corps d'écoulement. De la même manière, des pales de rotor d'un hélicoptère peuvent constituer des corps d'écoulement au sens de la présente invention. Par ailleurs, on entend par composant de corps d'écoulement au moins des parties de corps d'écoulement, dont se composent au moins en partie les corps d'écoulement. Ainsi, le nez d'un corps d'écoulement peut constituer un composant de corps d'écoulement. De même, un bord d'attaque d'aile d'une surface porteuse ou d'un empennage peut constituer un composant d'écoulement ou au moins une partie d'un corps d'écoulement. Du fait des propriétés des composants composites renforcés de fibres fabriqués à partir d'un matériau composite renforcé de fibres, à savoir pour un poids relativement faible une rigidité particulièrement élevée et une bonne stabilité dans au moins une direction prédéfinie, les matériaux de ce type sont appropriés en particulier pour la construction légère. Dans ce cadre, on fabrique même déjà des composants critiques pour Ja sécurité en matériaux composites renforcés de fibres, tels que des caissons d'aile de surfaces porteuses. Les corps d'écoulement d'objets volants, tels que par exemple les surfaces porteuses d'avions de ligne possèdent initialement en principe une couche limite laminaire qui toutefois dans le cas des avions de ligne actuels se transforme assez tôt en couches limites turbulentes. Or une telle couche limite turbulente donne lieu à une résistance de frottement nettement plus importante qu'une couche limite laminaire. La stabilité de la couche limite qui a pour conséquence la transition est favorisée par des écarts de forme que constituent les creux et les ressauts dans le contour du corps d'écoulement. Les valeurs acceptables desdits écarts de forme se situent dans des plages nettement inférieures au millimètre. Une condition pour l'écoulement laminaire autour d'un corps d'écoulement, tel qu'une aile, est ainsi une surface d'écoulement lisse et non ondulée, qui reste telle quelle sur toute la durée d'utilisation de l'aéronef. Plus la transition de l'écoulement d'une couche limite laminaire en une couche limite turbulente est tardive, plus la résistance au niveau des corps d'écoulement sera réduite, ce qui a pour conséquence une économie directe en matière de consommation de carburant et donc une prolongation de l'autonomie de l'avion de ligne. En conséquence, il s'avère intéressant, non seulement de réduire le poids des objets volants, mais aussi de construire les corps d'écoulement présents sur un objet volant de telle manière que l'écoulement autour du profil soit le plus possible laminaire. Néanmoins, les corps d'écoulement montés sur l'aéronef et les composants de celui-ci sont souvent exposés à des détériorations comme on peut le voir par exemple au bord d'attaque de l'aile. Même des dégâts mineurs plutôt de nature esthétique, peuvent dans le cas d'une aile laminaire conduire à une transition prématurée de l'écoulement laminaire à un écoulement turbulent, ce qui irait à l'encontre de l'exigence en matière d'économie de carburant par réduction de la résistance. Par conséquent, un remplacement ou une réparation du segment endommagé serait nécessaire dans le cas d'une aile laminaire. On connaît par d'exemple d'après le DE 10 2012 109 233.8 un corps d'aile en matériau composite renforcé de fibres, où le bord d'attaque de l'aile est relié de manière amovible au caisson de l'aile par l'intermédiaire d'éléments de fixation spécifiques. En cas de détérioration, le bord d'attaque de l'aile se remplace sans problème, et un écoulement de profil laminaire et possible après la réparation. D'autres procédés de réparation pour des éléments composites renforcés de fibres, tels que la réparation par patch ou la réparation boulonnée, sont écartés dans le cas d'un corps d'écoulement laminaire dans la mesure où lesdits procédés de réparation favorisent plutôt une transition de la couche limite laminaire à la couche limite turbulente. En outre, notamment dans la zone du bord d'attaque de l'aile, on se trouve confronté au problème qu'il n'est pas rare que des systèmes dits de dégivrage soient installés dans ladite zone afin d'empêcher les arêtes avant de l'aile de givrer. Ceci s'avère particulièrement important dans le cas de corps d'écoulement laminaires dans la mesure où le givrage modifie la forme de profil des corps d'écoulement. Les systèmes de dégivrage de ce type peuvent être par exemple des systèmes de chauffage électriques par résistance, dans lesquels des fils chauffants sont intégrés dans le bord d'attaque de l'aile. Mais on peut également envisager des systèmes dans lesquels on utilise de l'air prélevé des réacteurs pour chauffer les cavités des corps d'écoulement. Il faut tenir compte desdits systèmes de dégivrage en cas de réparation d'un corps d'écoulement ou de remplacement d'éléments. Du fait de leurs excellentes propriétés en tant que matériau, les matériaux composites renforcés de fibres sont particulièrement bien adaptés pour la fabrication de corps à écoulement laminaire dans la construction aéronautique. Toutefois, les corps d'écoulement de ce type sont particulièrement exposés aux détériorations et ne peuvent être aisément réparés du fait de l'exigence de la couche limite laminaire. Une simple peinture de protection ne suffit pas à éviter l'apparition de contraintes et de détériorations. La présente invention a par conséquent pour objectif de proposer un composant de corps d'écoulement amélioré, grâce auquel une forme de profil laminaire est possible sur la base de matériaux composites renforcés de fibres, tout en assurant que le composant de corps d'écoulement est suffisamment protégé contre les détériorations et se répare facilement sans porter préjudice à la forme de profil laminaire. Suivant l'invention, cet objectif est atteint avec les particularités de la revendication 1. L'objectif est également atteint avec le procédé de réparation de la revendication 9. Par conséquent, on propose que le composant de corps d'écoulement présente une structure porteuse située à l'intérieur, qui comporte ou est constituée d'un matériau composite renforcé de fibres. Par ailleurs, le composant d'écoulement comporte une couche extérieure servant à former la surface d'écoulement parcourue par le fluide, laquelle comporte ou est constituée d'au moins un matériau métallique. Cela permet de protéger contre toute détérioration la structure porteuse constituée d'un matériau composite renforcé de fibres ou du moins comportant un tel matériau. En outre, il est prévu selon l'invention entre la structure porteuse située à l'intérieur et la couche extérieure métallique une couche élastomère disposée sur la structure porteuse et comportant ou étant constituée d'au moins un élastomère. Il s'est avéré qu'un assemblage entre la structure porteuse en matériau composite renforcé de fibres et un élastomère est particulièrement avantageux dans la mesure où d'une part la structure porteuse est protégée contre de simples détériorations et l'assemblage entre l'élastomère et la structure porteuse est néanmoins suffisamment robuste pour résister aux fortes sollicitations en vol. En outre, les irrégularités de la structure porteuse peuvent être lissées à l'aide de la couche élastomère, ce qui est important en particulier pour des corps d'écoulement exposés à un écoulement laminaire. Un composant de corps d'écoulement de ce type a en outre l'avantage spécifique d'être facile à réparer. En effet, il a été montré qu'en dépit d'une bonne liaison entre l'élastomère et la structure porteuse on peut en cas de détériorations détacher ou peler de la 35 structure porteuse l'élastomère conjointement avec la couche extérieure métallique de sorte qu'ou bien la couche extérieure ou d'autres éléments liés à l'élastomère peuvent être remplacés, ou bien la structure porteuse sous- , jacente peut être réparée. Ensuite, on peut re-appliquer une couche extérieure conjointement avec un élastomère sur la structure porteuse, sachant que les irrégularités dues à la réparation de la structure porteuse peuvent être compensées par l'élastomère. Cela permet ainsi par exemple de réparer en toute simplicité une aile laminaire au niveau du bord d'attaque de l'aile sans détériorer la propriété laminaire de l'aile. De manière avantageuse, le composant de corps d'écoulement présente une couche chauffante dotée d'un élément chauffant, disposée entre la couche extérieure et la couche élastomère. Un tel élément chauffant peut être par exemple un système de chauffage électrique par résistance. L'agencement de la couche chauffante conjointement avec l'élément chauffant entre la couche extérieure et la couche élastomère s'est avéré dans ce cadre particulièrement avantageux dans la mesure où la couche élastomère fait office d'une part d'isolant thermique entre la couche chauffante et la structure porteuse. Ceci réduit le besoin énergique pour réchauffer la surface extérieure ou la surface d'écoulement extérieure, sachant que la structure porteuse est ce faisant moins chauffée. Ainsi on réduit également, en particulier, le besoin en énergie nécessaire au système de chauffage. En outre, la couche élastomère fait additionnellennent office d'isolant électrique, ce qui réduit le risque de courts-circuits de l'installation de chauffage, sachant qu'une séparation galvanique s'opère entre_ la couche extérieure métallique et la structure porteuse. En outre, la couche élastomère intégrée permet également de réduire les tensions qui apparaissent lors de la fabrication et du fonctionnement en liaison avec les différences de coefficient de dilatation thermique des matériaux utilisés. On réduit afnsi les écarts de forme liées à la température qui pourraient empêcher un écoulement laminaire autour du corps d'écoulement. La couche chauffante comporte avantageusement deux couches de matériau 35 qui peuvent comporter ou être constituées d'un matériau composite renforcé de fibres. L'élément chauffant est alors disposé entre les deux couches de matériau de sorte qu'il est possible dans ce cas également d'établir une bonne 30 liaison entre la couche chauffante et la couche élastomère. Par exemple, on peut disposer entre deux couches de fibres des fils électriques fonctionnant comme un chauffage électrique par résistance. Afin de réduire le poids, la couche extérieure métallique est une feuille métallique qui peut présenter une épaisseur de 0,1 à 0,5 mm, de préférence 0,3 mm. Le matériau composite renforcé de fibres utilisé peut par exemple être un 10 plastique renforcé de fibres de carbone ou un plastique renforcé de fibres de verre. Il s'est avéré ainsi par exemple avantageux de fabriquer la structure porteuse en plastique renforcé de fibres de carbone (CFK), tandis que les couches de matériau de la couche chauffante sont constituées d'un plastique renforcé de fibres de verre (GFK). 15 La structure porteuse peut par exemple présenter une épaisseur de 3 mm à 10 mm, de préférence de 5 mm. La couche élastomère peut présenter une épaisseur de 0,3 mm à 1 mm, sachant qu'une épaisseur de 0,5 mm s'est avérée avantageuse, à savoir par rapport au poids. La couche chauffante peut 20 présenter une épaisseur de 0,5 à 2 mm, de préférence 1 mm. De manière avantageuse, le composant du corps d'écoulement est un bord d'attaque d'aile, qui présente notamment par rapport aux détériorations un emplacement particulièrement exposé au niveau du corps d'écoulement. 25 En outre, l'objectif est atteint également grâce à un corps d'écoulement pour aéronefs et pour hélicoptères, dans lequel le corps d'écoulement comporte au moins en partie un composant de corps d'écoulement mentionné ci-avant. 30 Par ailleurs, l'objectif est atteint également grâce à un procédé de réparation d'un tel corps d'écoulement doté d'un tel composant de corps d'écoulement, dans lequel on commence par détacher de la structure porteuse du composant de corps d'écoulement détérioré la couche élastomère du composant de corps d'écoulement détérioré puis on répare la zone endommagée avant d'appliquer 35 ensemble la couche extérieure et la couche élastomère sur la structure porteuse en assemblant la couche élastomère et la structure porteuse. La réparation de la zone endommagée peut à titre d'exemple être effectuée par remplacement de la couche extérieure, de la couche chauffante et/ou de la couche élastomère. La réparation au niveau de la structure porteuse peut être par exemple mise en oeuvre à l'aide d'un procédé de réparation connu tel que par exemple la réparation par patchs ou la réparation boulonnée. La présente invention est expliquée à titre d'exemple plus en détail à l'aide de la figure annexée qui représente : figure 1 : représentation schématique d'une structure multicouche d'un bord d'attaque d'aile. La figure 1 illustre un composant de corps d'écoulement 1, qui est censé être, dans l'exemple de réalisation de la figure 1, un bord d'attaque d'aile d'un corps d'écoulement non représenté. Le corps d'écoulement non représenté auquel se raccorde le bord d'attaque de l'aile 1 peut être par exemple une surface porteuse à écoulement laminaire d'un aéronef. Le bord d'attaque de l'aile illustré schématiquement à la figure 1 présente une structure multicouche. Une structure porteuse 2 constituée en un matériau composite renforcé de fibres se trouve à l'intérieur, et confère essentiellement au bord d'attaque de l'aile la stabilité requise. La construction de la structure porteuse 2 du bord d'attaque de l'aile 1 en un matériau composite renforcé de fibres, par exemple en plastiques renforcés de fibres de carbone, permet de produire un bord d'attaque d'aile 1 stable, allant de pair avec une nette réduction du poids par rapport aux matériaux habituels tels que l'aluminium. La couche élastomère 3 qui est contiguë à la structure porteuse 2, est avantageusement appliquée directement sur la structure porteuse 2. Cela permet de compenser notamment les irrégularités dans la structure porteuse 2, lesquelles apparaissent par exemple après des réparations effectuées sur des composants composites renforcés de fibres. Par ailleurs, grâce à la couche élastomère 3, un assemblage solide des couches disposées au-dessus à la structure porteuse 2 est réalisé, cette dernière pouvant toutefois être pelée à des fins de réparation. Il est en outre prévu, sur la couche élastomèr'e 3, une couche chauffante 4 pouvant être constituée par exemple à partir d'un plastique renforcé de fibres de verre. Un élément chauffant non illustré est disposé dans la couche chauffante 4 afin de réchauffer à la manière d'un système de dégivrage la couche extérieure 5 située au-dessus et d'empêcher ainsi la formation de givre sur la couche extérieure 5. La couche extérieure 5 peut par exemple être une feuille métallique ou une feuille en acier. Il est également envisageable d'utiliser aux fins de la réduction du poids un matériau à base d'aluminium. La structure multicouche du bord d'attaque de l'aile permet d'une part la construction d'un tel bord d'attaque d'aile à l'aide de matériaux composites renforcés de fibres et d'autre part la réparation étant précisé qu'en cas de détériorations on n'est pas contraint de renoncer à l'écoulement laminaire sur l'aile.15 REVENDICATIONS1. Composant de corps d'écoulement (1) d'un corps d'écoulement pour aéronefs, le composant de corps d'écoulement (1) présentant une surface d'écoulement parcourue par un fluide, caractérisé en ce que le composant de corps d'écoulement (1) comporte une structure porteuse (2) située à l'intérieur, laquelle comporte ou est constituée d'un matériau composite renforcé de fibres et comporte une couche extérieure (5) servant à former la surface d'écoulement parcourue par un fluide, laquelle comporte ou est constituée d'au moins un matériau métallique, et il est prévu entre la structure porteuse (2) située à l'intérieur et la couche extérieure (5), une couche élastomère (3) qui est disposée sur la structure porteuse (2) et comporte ou est constituée d'au moins un élastomère. 2. Composant de corps d'écoulement (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu une couche chauffante (4) pourvue d'un élément chauffant, disposée entre la couche extérieure (5) et la couche élastomère (3). 25 3. Composant de corps d'écoulement (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche chauffante (4) comporte deux couches de matériau, qui comportent ou sont constituées d'un matériau composite renforcé de fibres, l'élément chauffant étant disposé entre les deux 30 couches de matériau. 4. Composant de corps d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche extérieure (5) est une feuille métallique. 35 20 5. Composant de corps d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau compositerenforcé de fibres est un plastique renforcé de fibres de carbone (CFK) ou un plastique renforcé de fibres de verre (GFK). 6. Composant de corps d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure porteuse (2) a une épaisseur de 3 mm à 10 mm, de préférence 5 mm, et/ou en ce que la couche élastomère (3) a une épaisseur de 0,3 à 1 mm, de préférence 0,5 mm, et/ou en ce que la couche chauffante (4) a une épaisseur de 0,5 mm à 2 mm, de préférence 1 mm, et/ou en ce que la couche extérieure (5) a une épaisseur de 0,1 mm à 0,5 mm, de préférence 0,3 mm. Composant de corps d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant de corps d'écoulement (1) est un bord d'attaque d'aile d'un corps d'aile. Corps d'écoulement pour aéronefs ou hélicoptères, lequel présente au moins un composant de corps d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes. Procédé pour réparer un corps d'écoulement doté d'un composant de corps d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par les étapes suivantes : a) détacher de la structure porteuse (2) du composant de corps d'écoulement (1) détérioré la couche élastomère (3) du composant de corps d'écoulement (1) détérioré ; b) réparer la détérioration ; et c) appliquer une couche extérieure (5) et une couche élastomère (3) sur la structure porteuse (2) en assemblant la couche élastomère à la structure porteuse. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'en présence d'une détérioration de la structure porteuse (2), celle-ci est réparée après ablation de la couche élastomère (3), ou en ce qu'en présence d'une7. 8. 9. 30 35 10.détérioration de la couche extérieure (5), de la couche chauffante (4) et/ou de la couche élastomère (3), celles-ci sont réparées par remplacement de la couche extérieure (5), de la couche chauffante (4) et/ou de la couche élastomère (3).5