CH615868A5 - - Google Patents

Description

La présente invention concerne les dispositifs de réduction de la traînée aérodynamique d'un mobile, tel qu'un aéronef se déplaçant dans une masse de fluide, et notamment de la traînée dépendante de la portance qui est engendrée par des écoulements locaux de direction et de vitesse différentes de celles de l'écoulement libre. Le cas le plus typique est celui des tourbillons marginaux qui apparaissent au bout d'une aile d'avion. La direction de l'écoulement libre est l'orientation du vent relatif mesurée largement en amont du mobile. Il est connu qu'en montant des ailettes minces au bout ou à proximité du bout d'une aile, on peut contrarier la formation des tourbillons marginaux qui prennent naissance sous l'effet des différences de pression entre l'intrados et l'extrados de l'aile. Ces ailettes n'ont généralement qu'une fonction de barrière contrariant l'écoulement de l'air de l'intrados vers l'extrados et la possibilité d'exploiter leurs interactions avec les écoulements locaux pour produire des forces utiles n'a que rarement été envisagée. Même dans les quelques cas où cet aspect a été envisagé, les aérodynamiciens ont concentré leurs efforts sur le rôle de barrière et non sur l'optimisation de la forme et du calage des ailettes pour tirer le meilleur parti des écoulements locaux.

La présente invention découle du fait que l'on considère que la direction de l'écoulement local autour d'un point de la surface de l'engin change quand la distance à ce point s'accroît, et que la section et plus particulièrement la cambrure des ailettes devraient varier tout au long de leur longueur afin de s'accorder avec la direction changeante de l'écoulement local de manière à retirer une poussée utile maximale de chaque partie de l'écoulement local qu'intercepte l'ailette.

La présente invention a pour but de fournir un dispositif amélioré de réduction de la traînée liée aux écoulements locaux et de production de forces d'appoint au moyen d'ailettes optimisées pour travailler à la manière d'une voile de bateau bordée au plus près.

L'invention a donc pour objet un dispositif de réduction de la trainée tel que défini dans la revendication 1.

Les dessins annexés représentent, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs modes de réalisation de l'objet de l'invention.

La fig. 1 est une vue en plan d'un modèle d'ailette.

La fig. 2 représente deux sections droites de l'ailette dans les plans A et B de la fig. 1.

La fig. 3 est une vue en plan de l'extrémité d'une aile d'avion qui est coiffée par un corps fuselé muni d'ailettes de réduction de traînée.

La fig. 4 est une vue frontale des éléments de la fig. 3.

Les fig. 5 et 6 sont des représentations graphiques.

La fig. 7 représente un dispositif à flèche variable.

La fig. 8 est une vue en plan d'une application de l'invention à une voilure en delta.

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La fig. 9 est une vue frontale de la voilure de la fig. 8.

La fig. 10 est une vue en perspective de la partie marginale d'une aile qui est équipée de quatre ailettes de réduction de traînée.

Les fig. 11 et 12 sont des vues en plan schématiques illustrant deux types de mécanismes d'adaptation des paramètres de l'ailette.

La fig. 13 est une vue frontale schématique illustrant un troisième type de mécanisme d'adaptation.

La fig. 1 représente en plan un élément aérodynamique rigide 1 qui constitue une ailette mince ayant une emplanture 2 et une extrémité 3. L'ailette est montée sur une surface aérodynamique au moyen d'un tenon 4 qui dépasse de son emplanture. Le profil aérodynamique de l'ailette évolue de son emplanture vers son extrémité, comme illustré sur la fig. 2. La section de l'ailette varie de telle sorte que la cambrure et l'incidence changent en fonction de l'éloignement de ladite section par rapport à la surface aérodynamique. Plus précisément, les tangentes à la ligne de cambrure 7 au niveau du bord de fuite 5 sont coplanaires sur toute la longueur de l'ailette, mais les tangentes 6 à la ligne de cambrure 7 au mveau du bord d'attaque 8 ont des orientations variables par rapport au plan des tangentes au bord de fuite 5. Ainsi, dans le plan de section A, l'angle de la tangente 6 est relativement grand (environ 20°) et diminue progressivement pour atteindre environ 3e dans le plan de section B. Ces valeurs ne sont évidemment que des exemples.

Les fig. 3 et 4 illustrent le montage de trois ailettes sur un corps fuselé 10, par exemple un réservoir de carburant, qui est lui-même monté au bout d'une aile d'avion 11. La flèche 12 représente un écoulement local autour du corps 10 sous l'effet des différences de pression entre l'intrados et l'extrados de l'aile. Autour du corps 10, l'écoulement présente une composante axiale et une composante rotative. Après avoir décrit une trajectoire sensiblement hélicoïdale, le filet d'air 12 est intercepté par la première ailette qui le redresse parallèlement à la tangente 13 à la ligne de cambrure au niveau de son bord de fuite. Pour une certaine configuration de vol, par exemple pour la croisière normale, l'ailette est montée de façon que le plan tangent à la ligne de cambrure le long du bord de fuite soit sensiblement parallèle à la direction de l'écoulement libre. En pratique, l'orientation de ce plan fait l'objet d'un compromis destiné à assurer la meilleure contribution globale aux performances de l'appareil, compte tenu du fait que les avantages obtenus dans certaines configurations de vol ne doivent pas être payés par des inconvénients sérieux dans d'autres configurations.

En redressant les filets d'air, la première ailette subit une réaction dans le sens de la flèche 14 à la manière d'une voile de bateau travaillant au plus près. La force oblique 14 comprend une composante axiale qui participe à la propulsion de l'avion. Les deux autres ailettes des fig. 3 et 4 travaillent de la même manière sur les écoulements locaux qu'elles interceptent. On voit qu'elles sont décalées angulairement et d'avant en arrière pour éviter de se masquer l'une l'autre (une ailette se trouvant dans le sillage de la précédente) et aussi pour créer des interactions favorables. Des essais pratiques ont été conduits avec un dispositif à trois ailettes disposées comme sur les fig. 3 et 4. La dernière ailette était montée horizontalement à environ 75% de la corde du bout de l'aile, la première était montée sensiblement verticalement à environ 40% de la corde et la troisième était montée à 45° et à mi-distance entre les deux autres. La nécessité d'une cambrure évolutive apparaît si l'on considère la fig. 4 sur laquelle est représenté l'écoulement 12a qui est moins rapide et décrit une trajectoire hélicoïdale moins serrée que celle de l'écoulement 12, de sorte que son redressement par l'ailette nécessite une cambrure moindre. En conséquence, la cambrure de l'ailette décroît de son emplanture vers son extrémité.

Le graphique de la fig. 5 donne les coefficients de traînée (Cx) non corrigés, relevés expérimentalement pour trois types d'ailes et les coefficients de portance (Cz) correspondants. Chacune de ces trois ailes se termine par un corps fuselé, la première étant munie de trois ailettes disposées comme sur les fig. 3 et 4, la seconde étant munie d'une seule ailette montée horizontalement à environ 75% de la corde de l'aile, et la troisième n'ayant aucune ailette. Les coefficients de traînée ne sont pas corrigés des caractéristiques du montage d'essai et le zéro du graphique doit être considéré comme un point fictif. On voit sur la polaire que pour un coefficient de portance nul, la présence des ailettes se traduit par un supplément de traînée de l'ordre de 0,0008 par ailette. Ce résultat ne doit pas surprendre, car la cambrure et l'incidence des ailettes sont optimisées pour un coefficient de portance d'environ 0,7. Des essais avec visualisation des écoulements ont montré que pour une incidence nulle de l'aile, il se produit un décollement important des filets d'air sur la plus grande partie de l'intrados concave des ailettes. Ce phénomène disparaît rapidement lorsque l'incidence de l'aile augmente et pour un coefficient de portance global de 0,8, l'aile à trois ailettes présente un coefficient de traînée réduit de 0,0108 par rapport à l'aile de référence. Pour une aile à une seule ailette montée sur le corps fuselé, la réduction du coefficient de tramée atteint 0,0071.

Pour mieux illustrer l'effet des ailettes, la fig. 6 donne l'augmentation du coefficient de traînée par rapport à sa valeur correspondant à une portance nulle (Cx—Cxo) en fonction du carré du coefficient de portance. Sur ce graphique, on voit que les ailettes ont un effet notable sur la traînée dépendante de la portance.

Pour une seule ailette, l'allongement effectif de l'aile est augmenté de 23% et pour trois ailettes, il est augmenté de 46%.

Les fig. 1 à 6 illustrent différents types de dispositifs montés sur des ailes d'avion et les résultats expérimentaux correspondants. Les fig. 1 et 2 sont approximativement à l'échelle un et représentent une ailette ayant un allongement (rapport longueur à corde moyenne) de 3,5%, une épaisseur relative de 15% et un effilement de 0,4. Les fig. 3 et 4 sont à une échelle approximative de 0,4:1 et chaque ailette a une aire de 0,6% de la surface de l'aile. Les résultats graphiques des fig. 5 et 6 ont été relevés sur une maquette de ce type essayée dans une soufflerie de 2,4 x 1,8 m avec un nombre de Reynolds de 1,1 x 106 basé sur la corde moyenne de l'aile, ou de 1,1 x 105 basé sur la corde moyenne de l'ailette.

La fig. 10 illustre une autre application du principe de l'invention à une aile 45 dont le bord marginal est équipé de quatre ailettes 41 à 44. Pour faciliter la fixation des ailettes, le bord marginal de l'aile 45 est muni d'un corps fuselé 46 qui reçoit les emplantures 47 des ailettes. S'il n'est pas nécessaire à la fixation des ailettes, le corps 46 peut être omis. Le profil de ce corps doit être aussi proche que possible de celui du bord marginal de l'aile, son prolongement postérieur 48 n'étant qu'un simple carénage complétant le profil aérodynamique de l'ensemble. Les ailettes 41 à 44 sont montées sur le corps 46 de façon que leurs bords de fuite rectilignes 49 intersectent l'axe longitudinal 50 du corps 46 qui est en fait la corde du bord marginal de l'aile 45. Des essais en soufflerie ont montré que les meilleurs résultats dans la réduction de la traînée étaient obtenus pour des ailettes décalées angulairement de 10 à 20° autour de l'axe 50. Du point de vue de la réduction de la traînée induite, les meilleurs résultats sont obtenus avec un ensemble d'ailettes aussi horizontales que possible, c'est-à-dire lorsque les bords de fuite des ailettes 42 et 43 sont symétriques par rapport au plan général de l'aile. Des essais en soufflerie ont été conduits avec des longueurs d'ailette allant jusqu'à environ 50% de la corde C du bout de l'aile. D'excellents résultats ont été obtenus avec des longueurs d'ailette voisines de 25% de la corde C, la valeur 24% étant particulièrement favorable. De plus, la valeur optimale de la corde d'emplanture c de chaque ailette est de l'ordre de 16% de C, c'est-à-dire que l'ensemble des ailettes occupe une longueur totale supérieure à C/2. Des essais ont suggéré que pour un nombre plus grand ou plus petit d'ailettes, le rapport de la somme des cordes d'emplanture c des ailettes indivi5

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duelles à la corde C de l'aile doit généralement être compris entre environ Vi et Va bien que, dans certains cas, il soit possible d'aller jusqu'à l'unité.

Pour une ailette à géométrie fixe, la distribution des cambrures est optimisée pour une certaine incidence de l'aile. Pour des incidences différentes, le redressement de l'écoulement local par l'ailette est partiellement assuré par un effet d'incidence plutôt que par la cambrure. Il en résulte que la distribution des pressions présente un pic beaucoup plus aigu qui accroît considérablement le risque de décollement des filets d'air, particulièrement en régime haut subsonique. La solution idéale serait de faire varier la distribution des cambrures avec l'incidence de l'aile, mais les solutions technologiques correspondantes seraient à la fois coûteuses et lourdes.

On peut envisager une variante, sous la forme d'ailettes orientables, par rapport à la surface adjacente autour de leurs axes longitudinaux. Cette solution est illustrée par la fig. 11 sur laquelle l'ailette orientable 20 dépasse horizontalement du bord marginal 21 d'une aile 22. L'ailette 20 est montée sur un axe 23 dont la rotation est commandée par un moteur 24 qui peut être asservi à un capteur 25 sensible à l'incidence de l'aile. Grâce à cette orientation, l'ailette joue mieux son rôle à des incidences différentes de celle pour laquelle l'évolution de la cambrure a été calculée. En fait, en faisant varier l'orientation de l'emplanture d'une ailette dont la distribution longitudinale des cambrures est fixe, on réalise un compromis entre une bonne efficacité et une complexité mécanique réduite.

Une autre solution possible consiste à utiliser des ailettes extensibles et rétractables par rapport à la surface adjacente de l'aile. Il est évident qu'en faisant varier la longueur sortie d'une ailette à cambrure évolutive montée au bout d'une aile, on peut réaliser une adaptation approximative aux variations d'incidence. Ainsi, en rétractant une partie de l'emplanture de l'ailette lorsque l'incidence de l'aile diminue, ou vice versa, on peut arriver à une adaptation approximative à la direction de l'écoulement local. Cette solution est illustrée par la fig. 12 sur laquelle l'ailette 30 est solidaire d'une crémaillère 31 qui engrène avec un pignon entraîné par un moteur 32. Le moteur 32 est commandé par un capteur 33 sensible à l'incidence de l'aile. L'ailette 30 est ainsi plus ou moins rétractée dans un logement 34 formé à l'extrémité de l'aile 35.

Une autre possibilité pour une série d'ailettes montées sur un corps fuselé, comme dans le cas des fig. 3 et 4, consiste à faire tourner le corps autour de son axe longitudinal. Cette solution est illustrée par la fig. 13 sur laquelle un corps fuselé 60 monté au bout d'une aile 67 porte trois ailettes 61, 62 et 63. Le corps 60 est orientable angulairement autour de son axe longitudinal 64 au moyen d'un asservissement comprenant un moteur 65 et un capteur d'incidence 66. En croisière normale, les ailettes 61 à 63 occupent des positions sensiblement horizontales représentées en trait plein sur la fig. 13. En vol à forte portance, le corps 60 peut tourner d'un certain angle vers le bas, par exemple 75°, pour amener les ailettes 61 à 63 dans leurs positions en trait mixte.

Une autre solution possible est basée sur la constatation suivante: l'angle fait par la direction de l'écoulement local avec l'écoulement libre, exprimé sous la forme d'une fraction de l'incidence de l'aile, varie régulièrement lorsqu'on s'éloigne du corps fuselé. On peut donc réaliser des ailettes à flèche variable dont l'envergure active, c'est-à-dire la longueur qui dépasse effectivement de l'aile, présente approximativement la cambrure idéale (pour l'incidence de l'aile choisie) sur toute la longueur de l'ailette. Lorsque la vitesse de l'avion augmente, son incidence diminue et on peut augmenter la flèche des ailettes. Aux plus grands angles de flèche, la cambrure de l'ailette tend à disparaître, ce qui est souhaitable pour éviter d'induire des vitesses locales excessives.

La fig. 7 illustre schématiquement une ailette 71 à flèche variable. L'ailette 71 est articulée sur un axe 72 et son pivotement est commandé par un moteur 73. Dans la pratique, la plage de variation de la flèche peut être limitée à 30° vers l'avant et à 70° vers l'arrière.

La poussée vers l'avant produite par les ailettes est généralement maximale lorsque l'avion vole lentement et à forte incidence, car cette poussée est sensiblement proportionnelle à la traînée induite. L'asservissement de l'angle de flèche peut donc être commandé par un simple détecteur de gravité.

Le principe de l'invention est applicable à toute situation où un écoulement local est orienté différemment de l'écoulement libre. Un domaine d'application évident est celui des écoulements tourbillonnaires créés par un corps de faible allongement, d'une aile ou d'un plan mince travaillant à forte incidence. Dans le cas d'un avion à voilure mince et bords d'attaque modérément aigus, dès que l'incidence dépasse une valeur relativement faible, des nappes de tourbillons hélicoïdaux apparaissent aux bords d'attaque et entraînent des variations importantes de la direction des écoulements locaux sur l'extrados de l'aile. Si des ailettes verticales 74 sont montées aux bords de fuite ou juste en arrière, comme sur les fig. 8 et 9, de manière à couper l'axe d'un tel tourbillon, elles subissent une forte attaque oblique dont la direction varie en sens contraire au-dessous et au-dessus de l'axe. En donnant à l'ailette une forme destinée à redresser le tourbillon, on récupère une poussée vers l'avant qui peut représenter une fraction appréciable de la traînée associée à ce tourbillon. Bien que l'échelle des figures ne permette pas de le montrer clairement, chaque ailette des fig. 8 et 9 doit avoir une cambrure dans un premier sens qui augmente de son emplanture vers son extrémité, passe par un maximum et devient nulle au niveau où se situe l'axe du tourbillon prévu, puis change de sens, passe par un autre maximum et redevient nulle à l'extrémité de l'ailette.

Si une telle ailette est articulée de façon à avoir une flèche .variable, on peut maintenir son point de cambrure nulle au niveau de l'axe du tourbillon lorsque l'incidence de l'aile varie et réaliser une adaptation approximative de la distribution des cambrures à l'angle d'attaque oblique. Le déport latéral du centre de la nappe de tourbillons avec les variations d'incidence n'est généralement qu'un effet secondaire. Comme dans les solutions précédentes, la flèche maximale de l'ailette correspond au vol à grande vitesse et à faible incidence.

Bien que l'invention ait été décrite dans le cas d'ailettes sensiblement perpendiculaires aux surfaces sur lesquelles elles sont montées, il va de soi que le principe convient également pour des ailes en flèche, que les ailettes soient fixes ou mobiles, comme par exemple sur les fig. 11 et 12. L'invention est applicable à toute surface soumise à un écoulement de fluide. On peut par exemple utiliser des ailettes des types décrits en association avec un système hypersustentateur, les ailettes étant montées soit sur les bords marginaux extérieurs des volets, soit sur des parties fixes adjacentes de la voilure. Dans ce cas, l'extension et la rétraction des ailettes peuvent être commandées par les manœuvres du système hypersustentateur à l'atterrissage et au décollage pour éviter de perturber l'écoulement de l'air en croisière normale. L'invention s'applique aussi à des engins immobiles baignés par un fluide en mouvement, comme les ailes de moulin à vent, aux surfaces des bateaux, aux roues hydrauliques et à d'autres installations travaillant avec des fluides non gazeux. On peut aussi utiliser des ailettes redresseuses sur des pales de rotor d'hélicoptère et sur des plans aérodynamiques montés sur des véhicules terrestres, notamment les voitures de course. Dans le cas d'un hélicoptère, l'invention permet de réduire sensiblement l'effet des tourbillons qui prennent naissance derrière chaque pale et qui peuvent provoquer en descente de graves interférences entre les pales du rotor. Une autre conséquence du redressement des

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écoulements tourbillonnaires par les ailettes de l'invention est l'affaiblissement des turbulences qui se dissipent.plus vite derrière l'appareil qui les a engendrées. Cette conséquence est intéressante, car elle pourrait permettre de réduire les espacements obligatoires

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entre les appareils qui atterrissent ou décollent sur une même piste. La réduction des turbulences est également avantageuse pour le traitement des récoltes par épandage de produits à proximité du sol.

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4 feuilles dessins

Claims (18)

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1. Dispositif de réduction de la traînée aérodynamique subie par un corps en mouvement relatif dans une masse de fluide, comprenant au moins une ailette montée en saillie sur une surface du corps de manière à pénétrer dans une région où se formera un écoulement local de fluide, caractérisé en ce que l'ailette a un profil aérodynamique cambré de manière à redresser l'écoulement local parallèlement à l'écoulement libre en créant une poussée utile, la cambrure et l'incidence évoluant pour suivre les variations de la direction de l'écoulement local à des distances croissantes de la surface du corps.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cambrure diminue lorsqu'on s'éloigne de la surface du corps.

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REVENDICATIONS

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ailette est réglable d'une seule pièce par rapport à la surface du corps pour modifier son orientation par rapport à l'écoulement local.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ailette est réglable angulairement autour de son axe longitudinal.

5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ailette est rétractable et extensible longitudinalement par rapport à la surface du corps.

6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ailette est articulée sur un axe sensiblement parallèle à la surface du corps de manière qu'on puisse faire varier sa flèche par rapport à ladite surface.

7. Dispositif selon la revendication 1, monté sur un corps dont la surface est le siège d'un écoulement local tourbillonnairé, caractérisé en ce que l'ailette présente un cambrure dans un premier sens à proximité de la surface, ladite cambrure variant progressivement pour devenir nulle à une certaine hauteur et changeant de sens vers l'extrémité de l'ailette.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la courbure de l'ailette, après être devenue nulle et être passée par un maximum en sens inverse, redevient approximativement nulle à l'extrémité de l'ailette.

9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tangentes à la ligne de cambrure des profils de l'ailette en tous les points de son bord de fuite sont sensiblement parallèles les unes aux autres et aussi parallèles à la direction de l'écoulement libre au moins dans un régime de fonctionnement aérodynamique du corps.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il se compose de plusieurs ailettes décalées dans la direction du mouvement relatif du corps et du fluide de façon qu'aucune des ailettes ne se trouve dans le sillage de la précédente.

11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la configuration normale de l'écoulement local sur la surface du corps où sont montées les ailettes présente une composante de rotation et en ce que les ailettes sont décalées angulairement selon une configuration hélicoïdale de sens inverse à ladite composante de rotation.

12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la surface du corps où sont montées les ailettes est un rebord marginal d'une aile d'aéronef et en ce que les ailettes ont des sections aérodynamiques cambrées dont la corde représente moins de 50% de celle du bord marginal de l'aile, l'ensemble des cordes de toutes les ailettes représentant une longueur comprise entre la moitié et les trois quarts de la corde du bord marginal de l'aile.

13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la corde d'emplanture de chaque ailette est de 10 à 20%, de préférence 16%, de la corde du bord marginal de l'aile.

14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les ailettes sont décalées angulairement sur une portion d'hélice dont la rotation est inverse de celle de l'écoulement normal de l'air autour du bord marginal de l'aile.

15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le décalage angulaire entre deux ailettes adjacentes est d'environ 10 à 20°, de préférence environ 15°.

16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que les ailettes du milieu de la série dépassent du bord marginal de l'aile sensiblement dans le prolongement de son envergure.

17. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que les ailettes du milieu de la série dépassent du bord marginal de l'aile sensiblement perpendiculairement à son envergure.

18. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que la série d'ailettes est réglable collectivement par une rotation autour d'un axe destiné à être parallèle à celui du fuselage, les différentes positions angulaires des ailettes correspondant à différents régimes de vol.