Brevet FR3037315A1 — publié le 20161216

PROCEDE DE REALISATION D'UNE AILE D'AERONEF EN MATERIAU COMPOSITE, AILE D'AERONEF OBTENUE A PARTIR DE CE PROCEDE. La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une aile d'aéronef en matériau composite. L'invention couvre aussi l'aile d'avion obtenue par la mise en oeuvre de ce procédé. Une aile d'avion est, de façon connue et de très longue date, réalisée avec au moins un longeron et des nervures disposées transversalement sur ledit longeron. Le ou les longerons se prolongent perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'aéronef et sont liés au fuselage et ces longerons assurent la reprise des efforts combinés de flexion et les efforts induits par la portance. Les nervures sont positionnées de façon transversale sur ces longerons de façon à pouvoir transmettre essentiellement les efforts de torsion. Ces nervures reçoivent à leur tour des peaux formant l'extrados et l'intrados. L'ensemble constitue l'aile de l'aéronef. Les nervures et les peaux permettent de conférer le profil alaire recherché afin de donner à l'aile son volume incluant un bord d'attaque et un bord de fuite. Ces ailes reçoivent des équipements comme par exemple des volets en bord de fuite, voire des becs en bord d'attaque. Un problème de ce type de fabrication reste le recours à de très nombreuses pièces qui doivent être assemblées pour monter et finaliser la voilure, ce qui est onéreux. Les ailes doivent résister aux efforts en vol, même si le milieu dans lequel évolue l'aéronef est de faible densité, ces efforts sont importants et si les déformations de la voilure sont importantes, les performances en vol peuvent être altérées. Enfin, l'application aéronautique implique une recherche d'un procédé de fabrication qui conduit à un poids réduit car toute augmentation de poids conduit à une surconsommation énergétique. Le but de la présente invention est de proposer une structure d'aile qui permet de gagner du poids tout en augmentant les performances mécaniques relatives à la flexion et à la torsion. Un autre problème à résoudre est celui des réservoirs. En effet, une solution consiste à étanchéifier les volumes définis entre les peaux ce qui est toujours délicat et requiert un 3037315 2 entretien important. Un fois les joints étanchéifiés, le volume intérieur peut être utilisé à titre de réservoir. Une autre solution consiste à intégrer des contenants supplémentaires formant réservoirs, ce qui n'est pas non plus une solution tout à fait satisfaisante car ces contenants apportent un 5 poids supplémentaire, nécessitent un contrôle supplémentaire, une maintenance spécifique et génèrent un coût additionnel. Le but de la présente invention est de proposer un procédé de réalisation qui pallie les inconvénients qui viennent d'être cités et qui offre des opportunités nouvelles. Le procédé et l'aile obtenue sont maintenant décrits en regard des dessins annexés, selon un 10 mode de réalisation particulier, illustratif et non limitatif, les différentes figures des dessins représentant : Figure 1 : une vue en perspective d'une aile obtenue par le procédé, Figure 2 : une vue en perspective tronquée de façon à faire apparaître la structure, Figure 3 : une vue en coupe schématique de deux caissons avec les différentes parois 15 constituant chaque caisson, Figure 4 : une vue de la succession de plis de chacun des caissons, selon un mode préférentiel de l'invention, Figure 5 : une vue de la succession de plis de chacun des caissons, selon un autre mode de réalisation, 20 Figure 6 : une vue d'un diagramme comparatif qui montre les déformations régulières de l'aile selon la présente invention, et Figure 7 : une vue d'un diagramme comparatif des efforts exercés en torsion. L'exemple retenu est celui d'un aéronef de taille limitée, notamment d'un aéronef ayant une envergure de 9 à 10 m pour donner un ordre d'idée. 25 Sur la figure 1, l'aile 10 est réalisée en matériau composite et comprend un extrados 12, un intrados 14, un bord d'attaque 16 et un bord de fuite 18. L'envergure est référencée par la lettre W de l'emplanture de l'aile à l'extrémité de l'aile et la corde est référencée par la lettre C, du bord d'attaque au bord de fuite. Lors du vol, l'aile 10 est soumise à un effort de flexion important sur toute l'envergure, l'extrémité de l'aile ayant une tendance à se relever sous les efforts résultant de la portance générée par le déplacement de l'aéronef et le profil alaire de l'aile. 3037315 3 L'aile comporte également des bras 20, en l'occurrence deux bras 20-1, 20-2, symbolisés sur la figure 1, dont la fonction est de permettre une solidarisation de ladite aile au fuselage, la liaison n'étant pas l'objet de la présente invention. Sur la figure 2, on constate que la structure d'aile selon la présente invention consiste à 5 recourir à des caissons 22, notamment 22A et 22B. Le nombre de caissons est dépendant des calculs, des dimensions et ces interventions restent à la portée de l'homme de l'art du calcul de structure. Ces caissons 22A et 22B, retenus pour la description et détaillés sur la figure 3, comprennent chacun une paroi extrados 22A-1, 22B-1, une paroi intrados 22A-2, 22B-2, une paroi 22A-3, 10 22B-3 formant voile, orientée du côté bord d'attaque et une paroi 22A-4, 22B-4 formant voile, orientée du côté du bord de fuite. Chaque caisson 22A, 22B, ainsi que représenté sur la figure 4, est obtenu à partir de tissus pré imprégnés, notamment de tissus pré imprégnés en fibres de carbone. Ces tissus sont drapés sur des mandrins perdus ou amovibles comme des enveloppes 15 gonflables ou tout autre moyen, ceci de façon connue, afin de conférer le profil creux recherché à chacun des caissons, en l'occurrence, une section sensiblement carrée. Chaque caisson peut comporter plusieurs plis sachant qu'il convient de prévoir au moins deux plis 24A-1 à 24A-4, et 24B-1 à 24B-4 et que ces plis sont orientés l'un à +45° et l'autre à -45° par rapport à l'axe longitudinal XX', c'est-à-dire par rapport à la direction de l'envergure W. 20 Cet agencement, pour toute la suite de la description et pour les revendications, inclut les plis uniques tissés directement en +457-45° en lieu et place de deux plis indépendants, un pli à +45° et un pli à -45°, superposés. De plus, les tissus de chaque pli sont drapés de façon continue sur les quatre faces du mandrin de façon à disposer d'une continuité de fibres sur la périphérie et tout au long de chaque 25 caisson, comme un enroulement hélicoïdal à 45° autour d'un mandrin de section sensiblement carrée. Entre chaque paroi 22A-4 formant voile de bord de fuite du premier caisson 22A et chaque paroi 22B-3 formant voile de bord d'attaque du caisson 22B, adjacent, il est prévu de disposer au moins un pli 26 constitué de fibres unidirectionnelles UD, dont l'orientation est 30 perpendiculaire à l'extrados et à l'intrados, c'est à dire au plan de l'aile. Ce pli 26 est débouchant au-dessus et au-dessous des caissons. 3037315 4 Les caissons 22A et 22B sont ainsi juxtaposés et au moins un pli 26 UD est interposé entre ces deux caissons. Le voile S raidisseur comprend ainsi la paroi 22A-4 formant voile, orientée du côté bord de fuite et la paroi 22B-3 formant voile, orientée du côté bord d'attaque, et le au moins un pli 26 5 UD, sensiblement perpendiculaire au plan de l'aile. Chaque voile S raidisseur est constitué d'au moins deux paires de deux plis à +45° et -45'et un pli UD pris entre les deux dites paires de plis. De façon avantageuse, comme représenté sur la figure 4, il est prévu l'interposition entre chacune des deux paires de plis et le pli 26 UD, d'une âme 28A, 28B en matériau léger tel 10 qu'une mousse rigide ou un nida pour donner quelques exemples non limitatifs. Ainsi, chaque paroi 22A-1 à 22A-4 et 22B-1 à 22B-4 comprend une succession d'un pli à +45°, d'un pli à -45°, d'une âme 28 légère. De fait chaque voile S raidisseur comprend la succession suivante de plis: un pli à +45°, 15 un pli à -45°, une âme 28 légère, un pli à -45°, un pli à +45°, un pli UD débouchant, perpendiculaire au plan de l'aile, 20 un pli à +45°, un pli à -45°, une âme 28 légère, un pli à -45°, un pli à +45°. 25 Selon un autre perfectionnement de la structure selon la présente invention, sur la figure 4 considérée dans son intégralité, il est prévu d'interposer un pli 30 UD interne supplémentaire entre les deux premiers plis à ±45'et l'âme légère, uniquement pour les parois 22A-3, 22B-3 formant voile, orientées du côté bord d'attaque et 22A-4, 22B-4 formant voile, orientées du côté bord de fuite, ce qui donne la succession optimisée suivante de plis pour le voile S 30 raidisseur : un pli à +45°, un pli à -45°, 3037315 5 un pli UD interne, perpendiculaire au plan de l'aile, une âme 28 légère, un pli UD débouchant, perpendiculaire au plan de l'aile, une âme 28 légère, 5 un pli UD interne, perpendiculaire au plan de l'aile, un pli à -45°, un pli à +45°. Selon une autre variante représentée sur la figure 5, les âmes ont été simplifiées et le pli 26 UD, médian est supprimé. 10 On obtient ainsi la succession suivante de plis pour le voile S raidisseur : un pli à +45°, un pli à -45°, un pli UD interne, perpendiculaire au plan de l'aile, une âme 28 légère, 15 un pli UD interne, perpendiculaire au plan de l'aile, un pli à -45°, - un pli à +45°. La structure est complétée dans tous les cas par deux peaux 32 et 34 qui sont disposées au-dessus des caissons 22A et 22B, d'une part et au-dessous desdits caissons 22A et 22B, d'autre 20 part, pour former respectivement l'extrados 12 et l'intrados 14. La peau 32 de l'extrados comprend au moins trois plis, un pli 32-1 UD, orienté suivant l'axe longitudinal XX' de l'envergure W, un pli 32-2 à -45° et un pli 32-3 à + 45°. La peau 34 de l'intrados comprend au moins trois plis, un pli 34-1 UD, orienté suivant l'axe longitudinal XX' de l'envergure W, un pli 34-2 à -45° et un pli 34-3 à + 45°. 25 Ainsi, l'extrados 12 comprend une succession de : deux plis ±45° constituant les parois 24A-1 et 24B-1 des caissons 22A et 22B, l'âme 28 légère, un pli 32-1 UD suivant l'axe XX', deux plis ±45° 32-2 et 32-3 30 et l'intrados 14 comprend une succession de : - deux plis ±45° constituant les parois 24A-4 et 24B-4 des caissons 22A et 22B, - l'âme 28 légère, 3037315 6 - un pli 34-1 UD suivant l'axe XX', - deux plis ±45° 34-2 et 34-3. Les fibres des plis de l'extrados et de l'intrados assurent une reprise des efforts de flexion et de torsion. En effet, du fait de l'absence de nervures, l'aile 10 nécessite une reprise importante 5 des efforts de torsion, en plus de la reprise des efforts absorbés par les caissons 22. Les fibres à ±45° assurent une reprise des efforts de cisaillement dans les peaux. On constate aussi que les plis 26 UD interposés entre les peaux de l'extrados et de l'intrados viennent augmenter la résistance au flambage des voiles S raidisseurs. On constate sur le diagramme de la figure 6 que les déformations en torsion sont beaucoup 10 plus importantes sur une aile avec une architecture utilisant des longerons et nervures, courbe en trait mixte, que les déformations en torsion de l'aile selon la présente invention, courbe en trait plein. L'aile selon la présente invention présente des déformations beaucoup moins marquées et qui, transversalement selon la corde, restent sensiblement constantes. Le profil alaire de l'aile, initialement défini est donc conservé, ce qui permet aussi à l'aéronef de 15 conserver ses qualités aéronautiques et ses performances au cours du vol. L'aile selon l'invention se déforme aussi en flexion suivant l'axe XX' de l'envergure mais on constate que cette déformation est régulière en ce sens que l'aile suit une courbe lisse, voir figure 7, courbe en trait continu. A contrario, on constate dans l'architecture à nervures et longerons, courbe en trait 20 discontinu, que les peaux se déforment d'une nervure à l'autre surtout dans la zone allant de l'emplanture jusqu'à la moitié de l'envergure car la flexion locale y est plus importante. Ces déformations génèrent des ondulations des peaux en extrados et intrados, entre les nervures, si bien que le profil est altéré et les qualités de vol et surtout les performances sont nécessairement réduites. Or, le profil apporte une contribution très importante à la 25 consommation énergétique. Le procédé de fabrication de l'aile selon la présente invention permet de conserver le profil alaire calculé pour des performances optimisées, durant le vol. Le poids de l'aile peut également contribuer aux économies énergétiques sachant que le procédé selon la présente invention conduit, pour des mêmes dimensions et un même profil, 30 à une aile économisant environ 10% du poids, ce qui est considérable dans le cas d'un aéronef. 3037315 7 L'aile obtenue, comprenant des caissons, peut aussi être utilisée comme réservoir à carburant. En effet, les volumes libérés par l'intérieur des caissons sont totalement étanches et ne requièrent aucun traitement d'étanchéification supplémentaire. Si des contenants formant réservoir doivent être mis en place, ils ne doivent que présenter 5 une paroi fine afin de ne pas mettre en contact le carburant avec le matériau composite mais les contenants n'ont aucunement à prévoir de résister mécaniquement, les efforts étant largement repris par les parois des caissons. Ainsi de simples vessies peuvent être utilisées. Cette architecture est également très utile car elle est réalisée en une seule étape de fabrication et de polymérisation, conduisant à la mise en place de lignes de production 10 industrielle performantes. Le nombre de pièces d'assemblage est très limité. De même, l'assemblage final est extrêmement rapide et peu gourmand en main d'ceuvre pour les éléments complémentaires comme les volets, les inserts, charnières etc...., car ces éléments sont mis en place dès la fabrication de l'aile et noyés dans la structure. L'aile obtenue peut supporter un revêtement final mais l'état de surface est généralement 15 excellent et peut recevoir une peinture. Si nécessaire, un gel coat peut être prévu préalablement dans le moule. L'aile selon la présente invention ne présente aucune dépression liée à des moyens d'assemblage comme des rivets, aucun joint ou mastic à positionner préalablement ou postérieurement entre les pièces à assembler ou assemblées et qu'il convient de poncer avant 20 peinture. REVENDICATIONS1 Procédé de réalisation d'une aile (10) d'aéronef en matériau composite, comprenant un extrados (42), un intrados (14), un bord (16) d'attaque et un bord (18) de fuite, des moyens (20) de liaison au fuselage, l'aile ayant une envergure \A/ définissant un axe XX` et une corde C ladite aile ayant un profil alaire, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : Réalisation d'au moins deux caissons (22A, 22B), orientés suivant l'axe XX', comportant chacun. au moins deux plis -45°, +45°, (24-1 à 24-4) Mise en place d'au moins un pli UD (26,30) perpendiculairement au plan de l'aile, entre deux caissons (22) juxtaposés, Réalisation d'une peau (32) en extrados comportant au moins deux plis -45°, +45° (32- 2, 32-3), et un pli (32-1) UD, orienté suivant l'axe XX', et Réalisation d'une peau (34) en intrados comportant au moins deux plis -45°, +45°, (342, 34-3) et un pli (34-1) UD, orienté suivant l'axe XX'. 2. Procédé de réalisation d'une aile d'aéronef en matériau composite, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une âme (28) en matériau léger est interposée entre deux caissons (22). 3. Procédé de réalisation d'une aile d'aéronef en matériau composite, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un pli UD (30-1, 30-2) est interposé entre les au moins deux plis -450, +45°, (24-2 à 24-3) et l'âme (28) légère. 4. Procédé de réalisation d'une aile d'aéronef en matériau composite, selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'une âme (28) en matériau léger est interposée entre les au moins deux caissons (22) et chacune des peaux (32) en extrados et (34) en intrados. 5. Procédé de réalisation d'une aile d'aéronef en matériau composite, selon la revendication 4, caractérisé en ce que, pour la peau (32) en extrados le pli UD (32-1) est interposé entre les deux plis -45°, +45° (32-2, 32-3) et l'âme (28) en matériau léger. 6. Procédé de réalisation d'une aile d'aéronef en matériau composite, selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que, pour la peau (34) en intrados le pli UD (32-1) est interposé entre les deux plis -45°, +45° (34-2, 34-3) et l'âme (28) en matériau léger. 3037315 9 7. Procédé de réalisation d'une aile d'aéronef en matériau composite, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plis sont réalisés à partir d'un matériau préimprégné à base de fibres de carbone. 8. Aile d'aéronef en matériau composite obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon 5 l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des inserts noyés dans la structure. 9. Aile d'aéronef en matériau composite selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend un contenant disposé dans au moins un caisson, formant réservoir de carburant.