Brevet FR3047564A1 — publié le 20170811

SONDE DE MESURE DE VITESSE ANÉMOMÉTRIQUE D'UN AÉRONEF La présente invention concerne une sonde de mesure de vitesse anémométrique d'un aéronef, économique en énergie, c'est-à-dire, consommant très peu de puissance électrique de l'aéronef quelle que soit la température ambiante de la sonde et/ou quelle que soit la nature de l'écoulement autour de la sonde. Elle concerne principalement, mais pas exclusivement, une sonde de mesure de paramètres physiques pour aéronef, par exemple la pression. Elle concerne plus particulièrement un système de chauffage économique d'une sonde de mesure de vitesse anémométrique d'un aéronef ne comprenant pas de circuit électronique même simple (facile à mettre en oeuvre), consommant une faible puissance de chauffage électrique sans régulation de puissance en fonction de la température ambiante tout en protégeant la sonde de tout risque de givrage même dans des conditions atmosphériques très sévères. La mesure de la vitesse d'un aéronef par rapport à la masse d'air ambiant est fondamentale pour son pilotage et sa sécurité. Cette vitesse est déterminée, via des moyens de calculs, à l'aide d'au moins une sonde de mesure de pression couplée à d'autres capteurs comme les capteurs de pression statique, et éventuellement de mesure d'angle d'incidence et de dérapage. Ladite sonde de mesure de pression comprend principalement un bord d'attaque qui fait face à l'écoulement et une prise de pression existant sur un endroit de la sonde. Lors du pilotage de l'aéronef, les conditions atmosphériques peuvent être fortement givrantes. De ce fait, l'aéronef peut rencontrer des conditions très exceptionnelles combinant températures très froides, eau surfondue, microcristaux de glace, grêle, neige, ci-après « conditions atmosphériques sévères ». Dans de telles conditions, la sonde peut givrer et fournir de fausses mesures de vitesse. Pour faire fonctionner la sonde dans de telles conditions, elle doit être chauffée, dans son ensemble, le plus possible pour éviter le givrage ; ce qui augmente considérablement la consommation électrique en terme de puissance disponible pour l'aéronef. Cette consommation d'énergie représente un équivalent prix, masse de carburant, autonomie, ..., non négligeable pour l'aéronef, laquelle dégrade les performances de l'aéronef surtout à pleine charge et/ou en cas de panne d'un moteur, d'une ou plusieurs générateurs électriques. Malgré ce chauffage de la sonde dans ces conditions atmosphériques sévères, le bord d'attaque de la sonde, du fait de sa géométrie, présente toujours des risques de givrages. En plus, les parties qui seraient trop chauffées gaspilleraient en pure perte une puissance précieuse. Dans certains cas, cette puissance pourrait être nécessaire pour assurer le bon fonctionnement d'autres fonctions vitales de l'aéronef. Afin de réduire cette consommation excessive d'énergie et les risques de givrage du bord d'attaque, il est impératif de bien répartir la puissance de chauffage électrique de la sonde sur l'ensemble de celle-ci afin d'éviter de la surchauffer et de concilier la géométrie du bord d'attaque et les moyens de chauffage pour 3047564 2 chauffer ce dernier, au plus près possible de l'écoulement, avec sensiblement la même température que l'ensemble de la sonde. Les aéronefs à ce jour cherchent donc à minimiser la puissance de chauffage électrique des sondes de mesure de vitesse anémométrique, à concilier la géométrie du bord d'attaque et les moyens de 5 chauffage, et à optimiser la répartition du chauffage sur la sonde pour éviter tout risque de givrage de celle-ci lorsque l'aéronef rencontre des conditions très exceptionnelles combinant températures très froides, eau surfondue, microcristaux de glace, grêle, neige, etc. Cette minimisation de la puissance de chauffage et optimisation de la répartition de chauffage doit être réalisée par l'intégration d'un système de chauffage simple dans la sonde (facile à mettre en oeuvre) consommant très peu d'énergie, à coût 10 minimal et n'utilisant aucun moyen électronique de régulation pour maximiser la fiabilité, ledit système de chauffage étant adapté avec la géométrie du bord d'attaque de sorte à éviter le givrage dudit bord d'attaque. Plusieurs dispositifs de chauffage, comprenant un système de régulation électronique de puissance de chauffage, pour une sonde de mesure de vitesse d'un aéronef ont été proposés dans l'état de la 15 technique. Ces dispositifs utilisent des systèmes complexes de régulation électronique de température autour de la sonde, qui ont malheureusement une fiabilité associée faible, un coût de fabrication et de maintenance élevé et consomme une quantité considérable d'énergie. De l'état de la technique sont connus les documents US5043558, US5653538, US20020131474 qui proposent des solutions de chauffages électriques utilisables pour des sondes de mesure de température 20 d'un aéronef. Malheureusement, ces systèmes de chauffage ne sont pas adaptés à une sonde de mesure de vitesse anémométrique d'un aéronef. De l'état de la technique sont également connus les documents US2404978, US2399370, US2381327, US2306684, 2300654, US2283045, US2254155, US2221547, US1971534, FR2149090, US5337602, GB530722, U54275603, US3514999, US3535930, et US32679992 qui proposent des solutions de 25 chauffages électriques utilisables pour une sonde Pitot d'un aéronef. Malheureusement, ces solutions de chauffages électriques consomment beaucoup d'énergie et ne sont pas optimisées pour éviter tout givrage de la sonde y compris du bord d'attaque de la sonde. En effet, dans les conditions atmosphériques sévères, la sonde décrite dans les documents cités, notamment son bord d'attaque, peut givrer. 30 De la publication FR3002801 est connu une sonde de mesure de vitesse anémométrique d'un aéronef comprenant deux fils chauffants distincts alimentés séparément permettant chacun de réchauffer une partie de la sonde et des moyens électroniques de répartition d'une puissance maximale donnée P vers chacun des deux fils chauffants en fonction de la température de chacune des parties de la sonde. Malheureusement, ce système de chauffage n'est pas simple et n'est pas fiable, car il utilise beaucoup 35 d'éléments électroniques, y compris des algorithmes spécifiques. De plus, le bord d'attaque a une 3047564 3 géométrie qui n'est pas adaptée avec les moyens de chauffages, ce qui peut conduire au givrage de ce bord d'attaque. Aucun document de l'état de la technique ne décrit ni même ne suggère une solution de chauffage d'une sonde de vitesse anémométrique d'un aéronef associant une géométrie du bord d'attaque, un faible 5 coût, une simplicité d'intégration, une faible consommation d'énergie, une répartition optimale de la puissance de chauffage sur l'ensemble de la sonde, ainsi qu'une bonne fiabilité de la mesure de la vitesse anémométrique de l'aéronef, et ceci, quelles que soient les conditions atmosphériques sévères. Le but de l'invention est de fournir une sonde de mesure de vitesse anémométrique d'un aéronef associant la géométrie du bord d'attaque, le faible coût, la simplicité d'intégration, la faible 10 consommation d'énergie, la répartition optimale de la puissance de chauffage sur l'ensemble de la sonde, et une fiabilité de la mesure de la vitesse anémométrique de l'aéronef, et ceci, quelles que soient les conditions atmosphériques sévères, et sans régulation électronique de la puissance. Dans la description ci-après les termes mentionnés auront la définition suivante: - Avant de la sonde: zone ou partie de la sonde qui reçoit en premier les molécules de 15 l'écoulement du fluide WIND et où le rayon de courbure du profil est minimal (aussi appelé bord d'attaque BA). La partie avant : zone ou partie de la sonde qui fait face à l'écoulement du fluide WIND et qui permet de définir la surface frontale. - Arrière de la sonde: zone ou partie de la sonde qui ne reçoit pas directement les premières 20 molécules de l'écoulement du fluide et qui se situe le plus en arrière de la sonde. (aussi appelé bord de fuite ou culot). La partie arrière : zone ou partie de la sonde qui ne fait pas directement face à l'écoulement du fluide et qui se situe le plus en arrière de la sonde. Les profils NACA : ce sont des profils aérodynamiques pour les ailes d'avions développés par le 25 Comité Consultatif National pour l'Aéronautique (NACA). Il s'agit de série de profils la plus connue et utilisée dans la construction aéronautique. L'invention a pour objet une sonde de mesure de vitesse anémométrique d'un aéronef, destinée à équiper un aéronef, ladite sonde comprenant: - une partie inférieure en forme de socle, 30 - une partie moyenne en forme de mât profilé, comprenant au moins une partie avant placée en amont du courant d'air et constituant un bord d'attaque de forme arrondie de rayon moyen de courbure inférieur à 5 mm, les points situés sur ledit bord d'attaque, placés le plus en amont, constituent une ligne appelée arête dudit bord d'attaque, - une partie supérieure comprenant au moins un orifice de prise de pression permettant de 35 mesurer une pression, 3047564 4 au moins un moyen de chauffage électrique consommant une puissance électrique totale, permettant de chauffer ladite sonde, au moins un moyen de calcul de la vitesse anémométrique de l'aéronef à partir d'au moins une mesure de la pression, 5 caractérisée en ce que le moyen de chauffage électrique comprend principalement : - au moins un système de chauffage électrique principal comprenant au moins une canne chauffante sensiblement cylindrique et rigide de diamètre externe supérieur à 3 mm, consommant une puissance électrique supérieure à la moitié de la puissance électrique totale, et 10 un système de chauffage électrique secondaire comprenant au moins un fil chauffant relativement flexible de diamètre inférieur à 2 mm, consommant une puissance électrique inférieure à la moitié de la puissance électrique totale, et en ce que, ledit fil chauffant suit l'arête du bord d'attaque de la partie moyenne au moins dans une partie de la partie moyenne. 15 Avantageusement, la canne cylindrique et le fil chauffant sont montés en série et sont constitués d'un matériau comprenant au moins un alliage Ferro-Nickel. Avantageusement, le fil chauffant est situé à une distance inférieure à 8 mm de l'arête du bord d'attaque de la partie moyenne. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le bord d'attaque a un profil en coin relativement mince, 20 arrondi, de rayon de courbure inférieur à 5 mm de préférence inférieur 3 mm. Avantageusement, la sonde de mesure de vitesse comprend au moins un moyen de fixation de la sonde sur la surface externe de l'aéronef, un moyen de connexion et de déconnexion rapide de prise de pression et un moyen de connexion et de déconnexion rapide électrique, Selon différentes caractéristiques de l'invention, le fil chauffant continue de cheminer en outre dans une 25 partie de la partie inférieure et de préférence dans une partie avant de la partie inférieure. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le système de chauffage électrique principal comprend au moins deux cannes chauffantes, lesdites cannes chauffantes et le fil chauffant étant montés en série. Avantageusement, les résistances des cannes chauffantes et la résistance du fil chauffant sont sensiblement égales. 30 Avantageusement, les cannes chauffantes et le fil chauffant sont choisis de sorte que la puissance totale consommée par les cannes chauffantes et le fil chauffant soit inférieure à 220 W. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le fil chauffant est constitué de deux fils résistifs fins en alliage de fer et de Nickel contenus dans une gaine métallique relativement flexible, de faible diamètre, remplie de matériau isolant. 35 Avantageusement, la sonde est constituée, au moins en partie, par un matériau en alliage léger à base d'aluminium. 3047564 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention, prises seules et/ou en combinaison, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - La figure la représente une coupe longitudinale d'une sonde de mesure de vitesse selon 5 l'invention ; La figure lb représente une coupe transversale AA d'une sonde de mesure de vitesse selon l'invention ; - La figure 2a représente une coupe longitudinale d'un mode de réalisation de la sonde de mesure de vitesse selon l'invention ; 10 - La figure 2b représente une coupe transversale AA d'un mode de réalisation de la sonde de mesure de vitesse selon l'invention. En référence à la figure la et lb, la sonde S de mesure de vitesse anémométrique comprend une partie inférieure INF en forme de socle destinée à fixer ladite sonde via des moyens de fixation comme des vis, sur la surface (la peau) extérieure de l'aéronef. La sonde S comprend également une partie moyenne 15 MOY en forme de mât profilé, comprenant au moins une partie avant placée en amont du courant d'air WIND, ladite partie constitue le bord d'attaque BA de la sonde. Ce bord d'attaque BA a une forme arrondie avec un rayon moyen de courbure R inférieure à 5 mm pour éviter une propension à l'accrétion de givres trop importante. En effet, une traînée trop importante peut être à l'origine du givrage du bord d'attaque BA. Les points situés sur le bord d'attaque placés les plus en amont constituent une ligne 20 appelée arête dudit bord d'attaque BA. La sonde S comprend en outre une partie supérieure SUP comprenant au moins un orifice de prise de pression PP, lequel débouche dans une chambre de tranquillisation. De préférence, les prises de pression sont situées dans la partie arrière de la sonde pour éviter qu'elles reçoivent de plein fouet les particules d'eau liquide et solide de l'écoulement. Cette prise de pression permet de mesurer une pression P. 25 La sonde comprend en outre un moyen de calcul de la vitesse anémométrique de l'aéronef à partir de la valeur de pression P mesurée. Ce moyen de calcul intègre toutes les équations physiques et les méthodes mathématiques permettant de calculer la vitesse anémométrique de l'aéronef en kilomètre par heure et/ou en Mach. La sonde S comprend également un moyen de chauffage électrique dit MCE, lequel consomme une 30 puissance électrique totale W, permettant de chauffer ladite sonde S. Ce moyen de chauffage électrique MCE fait en sorte que la sonde S, y compris les prises de pression PP, ne soit obturée par de l'eau ou par la glace de l'écoulement lors de vols dans les conditions atmosphériques sévères. Ce moyen de chauffage électrique MCE permet également d'évacuer toute trace d'humidité lors de son fonctionnement. Le moyen de chauffage électrique MCE est principalement constitué d'au moins deux systèmes de 35 chauffages électriques montés en série, un système de chauffage électrique dit principal SP et un système de chauffage électrique dit secondaire SS. 3047564 6 Le système de chauffage électrique principal SP permet de chauffer une grande partie de la sonde, c'est-à-dire, plus de la moitié du volume/surface de la sonde, de préférence, les trois quarts ou les trois cinquièmes ou encore les quatre cinquièmes de la sonde. Avantageusement, le système de chauffage électrique principal SP permet de chauffer tout le volume 5 et/ou surface de la sonde, à l'exception du bord d'attaque. Le système de chauffage électrique principal SP comprend une canne chauffante R1 sensiblement cylindrique et rigide de diamètre externe supérieur à 3 mm, consommant une puissance électrique WP supérieure à la moitié de la puissance électrique totale W, telle que WP > W/2. La valeur du diamètre est fixée supérieure à 3 mm pour obtenir une efficacité de chauffage sur une grande partie de la surface de 10 la sonde, de préférence par conduction. En effet, si le diamètre est inférieur à 3 mm, le flux de chauffage est faible et la probabilité de givrage est grande pour la sonde. Avantageusement, le système de chauffage électrique principal SP comprend au moins deux cannes chauffantes R1 et R2 montées en série. Le système de chauffage électrique secondaire SS comprend un fil chauffant R3 relativement flexible de 15 diamètre inférieur à 2 mm, consommant une puissance électrique WS inférieure à la moitié de la puissance électrique totale W telle que WS REVENDICATIONS1) Sonde S de mesure de vitesse anémométrique d'un aéronef, destinée à équiper un aéronef, ladite sonde comprenant : une partie inférieure INF en forme de socle, une partie moyenne MOY en forme de mât profilé, comprenant au moins une partie avant placée en amont du courant d'air et constituant un bord d'attaque BA de forme arrondie de rayon moyen de courbure R inférieur à 5 mm, les points situés sur ledit bord d'attaque, placés le plus en amont, constituent une ligne appelée arête dudit bord d'attaque BA, une partie supérieure SUP comprenant au moins un orifice de prise de pression PP permettant de mesurer une pression P, au moins un moyen de chauffage électrique MCE consommant une puissance électrique totale W, permettant de chauffer ladite sonde S, au moins un moyen de calcul de la vitesse anémométrique de l'aéronef à partir d'au moins une mesure de la pression P, caractérisée en ce que le moyen de chauffage électrique comprend principalement : au moins un système de chauffage électrique principal SP comprenant au moins une canne chauffante R1 sensiblement cylindrique et rigide, de diamètre externe supérieur à 3 mm, de résistance r1, consommant une puissance électrique WP supérieure à la moitié de la puissance électrique totale W, telle que WP > W/2, et un système de chauffage électrique secondaire SS comprenant au moins un fil chauffant R3 relativement flexible de diamètre inférieur à 2 mm, de résistance r3, consommant une puissance électrique WS inférieure à la moitié de la puissance électrique totale W telle que WS 2) Sonde de mesure de vitesse selon la revendication 1 caractérisée en ce que la canne cylindrique R1 et le fil chauffant R3 sont montés en série et sont constitués d'un matériau comprenant au moins un alliage Ferro-Nickel. 3) Sonde de mesure de vitesse selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le fil chauffant R3 est situé à une distance D inférieure à 8 mm de l'arête du bord d'attaque de la partie moyenne MOY. 3047564 11 4) Sonde de mesure de vitesse selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le bord d'attaque BA a un profil en coin relativement mince, arrondi, de rayon de courbure R inférieur à 3 mm. 5 5) Sonde de mesure de vitesse selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un moyen M1 de fixation de la sonde sur la surface externe de l'aéronef, un moyen M2 de connexion et de déconnexion rapide de prise de pression PP et un moyen M3 de connexion et de déconnexion rapide électrique, 10 6) Sonde de mesure de vitesse selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le fil chauffant R3 continue de cheminer en outre dans une partie de la partie inférieure INF et de préférence dans une partie avant de la partie inférieure INF. 7) Sonde de mesure de vitesse selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en 15 ce que la résistance de la canne chauffante R1 et celle du fil chauffant R3 sont sensiblement égales. 20 9) Sonde de mesure de vitesse selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que, le fil chauffant R3 est constitué de deux fils résistifs fins en alliage de fer et de Nickel contenus dans une gaine métallique relativement flexible, de faibles diamètres, remplie de matériau isolant. 25 10) Sonde de mesure de vitesse selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle est constituée, au moins en partie, par un matériau en alliage léger à base d'aluminium. 8) Sonde de mesure de vitesse selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la résistance r1 de la canne chauffante R1 et la résistance r3 du fil chauffant R3 sont choisies de sorte que la puissance totale W consommée par lesdites résistances soit inférieure à 220 W.