FR2461644A1 - Structure de voilure - Google Patents

Abstract

LA STRUCTURE DE VOILURE, EN L'OCCURRENCE UN CERF-VOLANT, COMPREND UNE ENVELOPPE ALLONGEE 1 GONFLABLE EN PROFIL D'AILE, L'AIR ENTRANT DANS L'ENVELOPPE PAR UNE OUVERTURE RECOUVERTE D'UNE BANDE DE MATERIAU 11 A MAILLES LE LONG DU BORD D'ATTAQUE. UNE MATURE 15 EST AUSSI FIXEE LE LONG DU BORD D'ATTAQUE. CETTE MATURE EST AGENCEE DE MANIERE A FLECHIR DANS LES REGIONS TERMINALES TOUT ENRESTANT SENSIBLEMENT RECTILIGNE DANS SA PARTIE MEDIANE. AINSI L'ENVELOPPE PEUT FORMER DES PARTIES COUDEES A SES DEUX EXTREMITES, LE RESTE RESTANT INCHANGE. CET AGENCEMENT PERMET D'EXERCER UN MEILLEUR CONTROLE DE LA STRUCTURE EN VOL DANS DES VENTS DE FAIBLE VITESSE OU SOUFFLANT DE MANIERE IRREGULIERE.

Description

La présente invention a pour objet une structure de voilure.

La voilure considérée est notamment destinée à être utilisée pour

des vols commandés par des fils (par exemple dans le cas d'un cerf-

volant), comme moyen de soulèvement d'une charge, comme moyen de traction de véhicules marins ou terrestres ou encore comme moyen de

conversion d'énergie.

Une utilisation particulière de la structure de voilure considérée

est celle d'un cerf-volant destiné à voler dans des conditions constam-

ment contrôlables permettant à l'utilisateur d'en régler la position azi-

mutale et par rapport à l'horizon.

Dans l'exposé du brevet US 4 129 272 du titulaire il est décrit une structure de voilure comprenant une "aile-enveloppe" ayant une section d'aile, qui est gonflée par de l'air en surpuissance s'engouffrant dans

l'enveloppe lorsqu'elle est en position, et comprenant une mâture main-

tenant l'enveloppe déployée de façon à permettre à l'air de la gonfler.

Les extrémités de la mâture comprennent des points d'accrochage pour deux fils de commande qui permettent de contrôler le cerf-volant en vol. Avec ce cerf-volant on obtient des performances de vol et des

caractéristiques exceptionnelles par rapport aux dispositifs existants.

Cependant, on a constaté que les performances de vol présentent quelques

lacunes, dans l'éventail général des performances, qui rendent la struc-

ture instable dans certaines conditions de vent.

Par exemple, en utilisant le cerf-volant dans des vents réguliers, on a constaté que la vitesse minimale du vent devait être d'à peu près noeuds (environ 9,3 km/h). De même, lorsque le vent soufle de

manière irrégulière une certaine instabilité apparait et interfère sérieu-

sement avec le contrôle du vol. Par suite, seul un utilisateur expérimenté pourra généralement manipuler correctement le cerf-volant. Des novices peu habitués à interpréter les changements des conditions de stabilité ne pourront pas effectuer les manoeuvres nécessaires à temps, entrainant

ainsi la chute du cerf-volant.

Des recherches en soufflerie et des essais de vol ont été effectués

afin de déterminer l'origine des lacunes qui viennent d'être décrites.

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Le dispositif selon l'invention résulte de ces recherches.

La structure de voilure selon l'invention comprend une partie principale allongée susceptible d'avoir, entre ses plus grands côtés,

une section correspondant à un profil d'aile, et des moyens de raidisse-

ment coopérant avec la partie principale, ces moyens de raidissement

pouvant fléchir de telle sorte que, lors de l'utilisation, les zones termi-

nales de la structure peuvent se cintrer par rapport au reste de la structure. Dans une forme préférée de l'invention, la déformation est telle que l'angle maximal formé en cours d'utilisation entre les extrémités des zones terminales et une ligne passant par la partie centrale quasi non déformée des moyens de raidissement, est supérieur à 450 De préférence cet angle est compris entre 60 et 900, ou mieux

entre 70 et 900.

Dans une autre forme préférée de l'invention, les moyens de rai-

dissement sont agencés de façon que, lorsque la structure est utilisée comme cerf-volant et est en position de vol, la plus grande partie des surfaces formant le profil d'aile restent quasi perpendiculaires aux fils prévus pour la commande du cerf-volant, les zones terminales de la

partie principale formant un angle oblique par rapport aux fils de com-

mande du cerf-volant, le tout étant agencé de façon que les forces sus-

tentatrices s'exerçant sur la partie principale agissent parallèlement

aux fils de commande.

De préférence, les moyens de raidissement comprennent une melture comportant des parties coniques ou allant en s'amenuisant dont

les sections ou les angles sont choisis de façon à obtenir une déforma-

tion variable en fonction de leur position.

Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple: la figure 1 est une vue en perspective d'une structure de voilure de construction connue, représentée en position de lancement ou d'envol dans le cas o elle utilisée comme cerf-volant, la structure n'étant pas déformée; la figure 2 est une vue partielle de la figure 1, le cerf-volant étant gonflé; -3 - la figure 3 est une vue illustrant la section d'aile de la structure représentée aux figures 1 et 2; la figure 4 est une vue partielle en coupe de la structure; la figure 5 est une vue en perspective de la structure représentée à la figure 1, dans une position de vol avec des vents animés de grande vitesse; la figure 6 est une vue schématique de la structure volant avec des vents de faible vitesse; la figure 7 est une vue en perspective de la structure volant avec des vents ayant une vitesse relativement grande; la figure 8 est une vue en perspective d'une structure de voilure

selon l'invention, la structure étant représentée dans une position com-

parable à celle de la figure 5; la figure 9 est un schéma illustrant les relations théoriques entre portance et tramnée; la figure 10 représente des moyens de raidissement non déformés utilisés dans la structure de la figure 8; la figure 10 A montre un détail de la figure 10 (à plus grande échelle); la figure 11 illustre les moyens de raidissement de la figure 10 lorsqu'ils sont déformés; et

la figure 12 représente schématiquement une autre forme d'exécu-

tion des moyens de raidissement.

La structure 1 représentée aux figures 1 à 7 est une structure souple, gonflable avec de l'air, constituant une voilure. Elle comprend un revêtement ou toile supérieur 2, de forme générale rectangulaire, et

un revêtement ou toile inférieur 3. Les extrémités latérales des revête-

ments comprennent des parois terminales 4 dont la forme correspond à

la section du profil d'aile représenté à la figure 3.

Les revêtements supérieur et inférieur sont reliés sur leurs grands côtés de façon à former le bord d'attaque 5 et le bord de fuite 6 de la

structure, les petits côtés étant liés aux parois terminales 4.

Pour relier ces revêtements, on peut utiliser n'importe quel pro-

cédé, par exemple couture, soudage à chaud, collage ou par différentes

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combinaisons des procédés précédents ou par d'autres méthodes idoines.

Le matériau utilisé pour les revêtements supérieur et inférieur ainsi que pour les parois terminales 4 doit être souple, non extensible et imperméable à l'air. L'un des matériaux ayant ces propriétés est connu sous la dénomination "Rip Stop Spinnaker Nylon" (marque déposée). Ce matériau offre une substantielle résistance aux effets de déchirement dûs au vent. Si l'on coud les revêtements et les parois terminales 4, on

utilisera par exemple du fil de polyester.

L'assujetissement des revêtements supérieur et inférieur ainsi que des parois terminales crée une enveloppe (ou délimite un volume) ou

réservoir o de l'air en surpuissance ou en surpression chassé à l'inté-

rieur forme, lorsqu'on l'utilise, la structure 1.

L'intérieur de l'enveloppe est subdivisée en compartiments séparés 7 A, 7 B, 7 C,... etc,par des cbisons 8 ayant la même section de profil

d'aile que les parois terminales 4. Les cbisons 8 sont fixées aux revête-

ments 2 et 3 en ayant recours à l'un des procédés cités. Dans un cas de

réalisation o la structure est utilisée comme cerf-volant dont les dimen-

sions hors-tout étaient de 1830 x 620 mm, la structure était divisée en dix compartiments par neuf cloisons 8. Les positions de ces dernières

sont indiquées par des lignes de couture 9.

Une ouverture 10, de forme générale rectangulaire, est ménagée sur toute la longueur du bord d'attaque 5 du revêtement supérieur 2, de

façon à permettre l'admission simultanée d'air dans tous les comparti-

ments 7 A, 7 B,... etc. L'ouverture 10 est en fait délimitée par une bande 11 de tissu ou une bande d'un autre matériau à mailles, dont l'un des grands cotés est fixé au bord avant du revêtement supérieur 2 et l'autre au bord avant du revêtement inférieur 3. Les bords latéraux de

la bande sont fixés aux parois latérales 4.

Une poche ou manchon 15 est ménagée le long du bord avant du revêtement inférieur 3 de façon à recevoir une tige flexible 16, formant mâture. Le manchon 15 présente un bord avant 17 et un bord arrière 18 qui sont fixés à la surface inférieure du revêtement 3. En variante, le manchon 5 peut être réalisé en repliant vers l'arrière la partie marginale

antérieure du revêtement 3.

-5- La tige est creuse, réalisée avec un matériau très flexible et léger, tel que par exemple des fibres de verre ou de carbone. Pour

l'exemple de structure déjà cité, la tige se démonte en deux éléments.

Chacun de ceux-ci est agencé de façon à se déformer en s'incurvant progressivement et continûment lorsque la structure est utilisée. La courbe continue qui est formée est. représentée à la figure 5 et peut être

considérée comme un arc de forme générale parabolique.

La longueur de la tige est choisie de façon que ses extrémités 19 et 20 débordent de la structure 1 de façon à pouvoir y attacher des fils de commande 21 et 22 sans que ces derniers frottent contre ou viennent entraver les parties voisines des revêtements 2 et 3. En outre, les fils 21 et 22 passent dans des anneaux 19 A et 20A disposés aux coins du bord d'attaque de façon à positionner la structure par rapport à la mâture. Les autres extrémités des fils de commande 21 et 22 sont

reliées à une barre de commande 23 qui est tenue par l'utilisateur.

IH est commode de considérer la structure comme un dispositif multicellulaire comportant une série de compartiments 7 A, 7 B, disposés côte à côte, définissant une série d'entonnoirs ou de manches

à air dans lesquels de l'air en surpuissance ou en surpression s'engouf-

fre à travers la bande 11 et gonfle les compartiments individuels, la structure se déployant ainsi avec une rigidité suffisante, c'est-à-dire une raideur telle que la structure joue (du point de vue des propriétés aérodynamiques) le rôle d'une voilure lorsque le vent incident maintient

le gonflement.

La construction décrite ci-dessus, avec une déformation continue

de la tige, présente les inconvénients mentionnés plus haut.

Le figures 8 à 11 représentent une forme d'exécution de structure

qui élimine ces inconvénients et qui fait l'objet de la présente invention.

Pour mettre en évidence la subtile différence. (basée sur des con-

sidérations techniques objectives) entre ces structures, on va s'attacher au cas d'un cerf-volant et utiliser les mêmes indices de référence qu'aux

figures 1 à 7 pour les éléments correspondants, pour faciliter la compa-

raison.

En fait, les figures 5 et 8 représentent respectivement un cerf-

- 6 - volant connu (figure 5) en position de vol et un cerf-volant, également en position de vol, qui comprend les éléments particuliers de l'invention

(figure 8).

La construction générale de l'enveloppe 1 est comparable à celle décrite en regard des figures 1 à 7 et comprend des revêtements 2 et 3,

des parois terminales 4, des bords d'attaque 5 et de fuite 6, des compar-

timents 7A, 7B,..., des cloisons 8, des lignes de couture 9, une ouver-

ture 10, une bande à mailles 11, des bords 12 et 13, un manchon 15, et des anneaux 19A et 20A. Il est donc inutile de décrire à nouveau cette

structure.

Par contre, la structure représentée à la figure 8 présente une position de vol complètement différente de celle de la figure 5. C'est ce fait qui est essentiel et qui conduit, ainsi que des essais en soufflerie l'ont démontré, à une amélioration des performances de vol. Comme déjà mentionné, la forme de cerf-volant de la figure 5 est un arc de forme parabolique ayant une courbure continue très prononcée,

avec un rayon de courbure variable dans la zone centrale. En comparai-

son, la structure de la figure 8 est essentiellementrectiligne sur la plus grande partie de sa longueur. Elle peut donc être considérée comme n'étant pas déformée sur la plus grande partie de sa longueur, seules des zones terminales relativement petites n'étant pas alignées sur la partie

centrale de la structure.

En comparantlesvoilures formées par les structures représentées aux figures 5 et 8 d'un autre point de vue, on peut dire que l'une (figure 5)

présente un bord d'attaque qui est incurvé de façon continue (sans discon-

tinuités brutales) alors que l'autre (figure 8) présente un bord d'attaque quasi rectiligne dans sa partie centrale (ou avec un très grand rayon de courbure) et qui se termine aux extrémités par des zones coudées créant en quelque sorte des parois latérales ou ailerons. Les coudes, eux, ont

un petit rayon de courbure.

On a constaté que cette forme particulière améliore les caractéris-

tiques de vol de la structure (par rapport à celle de la figure 5).

La figure 9 montre schématiquement une structure en position de vol, les extrémités de la mâture (définies par les points d'attache avec

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les fils de commande 21 et 22) déterminant une ligne CL-CL.

Les forces agissant sur la structure peuvent être considérées comme une force sustentatrice L agissant sur le centre de la voilure à une distance a de la ligne CL-CL. Cette force crée un moment L.a par rapport à la ligne CL-CL. Une force de tramnée D, agissant à une distan-

ce b de la ligne CL-CL, crée un moment D-b par rapport à la ligne CL-

CL. Lors du vol, ce dernier moment doit équilibrer le moment dû aux

forces sustentatrices, ou en d'autres termes L-a doit égaler D-b.

Si l'on considère que la ligne interrompue correspond à l'agence-

ment de la voilure de la figure 5, on constate que la distance b varie considérablement le long de la ligne CL-CL pour chaque élément de force de tramnée. Par suite, les moments de portance engendrés varient

le long de la largeur de l'enveloppe 1 Il apparait alors que la force sus-

tentatrice réelle aura des composantes latérales (car elle n'agit pas au centre de la structure) réduisant effectivement la portance utile réelle

(exercée dans les fils 21 et 22). Ainsi, dans le cas de la forme paraboli-

que visible à la figure 5 une partie importante de la force sustentatrice

possible est perdue.

La ligne en trait plein correspond à la voilure de la figure 8. On

voit que la distance b reste à peu près constante.

Dans le cas de la structure de la figure 5, de nombreux essais ont montré que, conséquence du grand ceintrage de l'enveloppe, la distance b reste toujours telle que le moment dû à la tramnée est plus grand que

celui dû à la portance. Par suite, les forces de tramnée ont toujours ten-

dance à surdéplacer vers l'arrière (par rapport au plan vertical passant par la ligne CL-CL) le bord d'attaque de la structure, de sorte que l'angle d'attaque (mesuré entre le plan passant par la partie centrale de l'enveloppe et le plan contenant le flux d'air incident) n'a pas sa valeur optimale. Cela implique un accroissement des forces de tramnée et des

mouvements aérodynamiques indésirables pouvant conduire à un décro-

chage en cas de coup de vent à relativement grande vitesse. De plus, cet effet est accompagné de faibles performances de vol pour des vents de

faible vitesse, par exemple de 4 noeuds (environ 7,4 km/h) ou moins.

Pratiquement, on a constaté qu'un simple "adoucissement" de la -8 - forme parabolique de la figure 5 (c'est-à-dire en s'approchant d'une droite), bien que semblant être une solution au problème crée par le moment dû à la tramnée et réduire les composantes latérales à cause de la réduction de la distance b. est insuffisant car le moment dû à la trainée est trop faible pour amener, lors du vol, la structure à former

un angle d'attaque suffisamment élevé pour créer une portance suffisante.

Des essais ont montré qu'en conservant une voilure entièrement incurvée on ne peut pas réduire le moment de traînée sans introduire un effet hautement indésirable et défavorable sur le moment de portance,

d'o la difficulté de maintenir une portance suffisante.

Ces problèmes ont été éliminés grâce à la structure selon l'inven-

tion, en prévoyant une mâture permettant de commander la déflexion ou

la courbure du bord d'attaque de façon à obtenir la forme générale repré-

sentée à la figure 8.

Comme déjà mentionné, la forme de la zone du bord d'attaque de la structure est contrôlée de façon que la distance b reste quasi constante sur la plus grande partie de la largeur de la voilure (ce qui correspond aux lignes pleines du schéma de la figure 9). Avec cette disposition le

moment dû aux forces de trainée, pour une trainée déterminée, est ré-

duit grâce à la diminution de la variation de la distance b. En d'autres termes, la plus grande partie du bord d'attaque de la voilure n'étant pas incurvée, cette dernière se comporte (en restant une structure souple) comme un profil d'aile rigide, tel une aile d'avion ayant un dièdre négatif

(vers le bas).

Les figures 10, lOA et 11 donnent un exemple de construction d'une

mâture donnant une déflexion convenable à la voilure. La figure 10 repré-

sente la mâture non déformée, la figure il la mâture déformée.

La mâture va en s'effilant de la région centrale 25 vers la zone des

extrémités 26. Une virole 28 centrale (formant saillie) sert à emman-

cher deux éléments 27 A et 27 B d'une mâture 27 démontable, en deux parties. La conicité de la mâture n'est pas constante mais est choisie de façon que le taux de conicité varie avec la longueur de la mâture. Ainsi cette dernière peut-elle changer pas à pas ou progressivement-de façon à

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9 - obtenir le profil fléchi souhaité. Cela est représenté schématiquement à la figure 1OA: la partie de droite 27B de la mâture comprend trois parties distinctes 1, 2 et 3. Dans cette forme d'exécution, les dimensions

de chacun des éléments de la mâture peuvent être définies comme change-

ment du diamètre par unité de longueur en fonction du pourcentage de la

longueur mesurée à partir du centre (vers les extrémités).

La table ci-dessous donne ces indications pour une mature particu-

lière (correspondant à celle représentée aux figures>: Pourcentage de la longueur Réduction du diamètre ( à partir du centre vers les extrémités) par unité de longueur 0 - 13,1 (partie 1, figure 10A) conicité nulle 13,1 - 43,7 (partie 2) 0, 0043 43,7 - 100 (partie 3) 0,0054 Le diamètre de la mâture au centre est 0,437 % de la longueur

totale.

Comme représenté à la figure 10, cette conicité permet d'obtenir, en cours de fonctionnement, une mâture peu déformée sur la plus grande partie de sa longueur si on la compare à une mâture de même largeur

{ mesurée entre les extrémités 26) se déformant de façon parabolique.

Des essais en tunnel ont montré qu'une simple conicité de la mâture ne

peut pas donner un profil déformé convenable. Pour une mâture de coni-

cité simple on a constaté que la déformation est trop grande pour la

trainée et la portance en relation avec l'angle d'attaque, et qu'en augmen-

tant les dimensions hors tout pour obtenir un meilleur résultat aérodyna-

mique, la mâture devient beaucoup trop grande. Pratiquement, on a

constaté que les performances de vol sont sérieusement affaiblies, parti-

culièrement lors du lancement et du vol avec des vents de faible vitesse.

En vue de faciliter le changerment du profil de la voilure on a trouvé utile de modifier (par rapport au brevet US cité) la configuration des

revêtements 2 et 3 de façon à former des coudes dans les zones termina-

les (donc, la forme de l'enveloppe non gonflée est adaptée à celle de la

voilure en fonctionnement). En ce faisant on évite une élongation du re-

vêtement supérieur 2 ou un plissement correspondant du revêtement inférieur 3. En modifiant la zone de plissement ou de froncement au

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voisinage du bord d'attaque de la voilure, on améliore les conditions

d'écoulement de l'air, permettant ainsi de réduire la tramnée et d'augmen-

ter la portance. En utilisant une voilure selon l'invention on a trouvé que le rapport envergure / profondeur d'aile de la voilure devait être plus grand que 3 avec une valeur préférée de 3,5 pour une voilure ayant une

envergure de 2300 mm.

De plus, il est important d'assurer la forme de la voilure sur toute

la longueur de l'envergure, particulièrement dans les régions coudées.

Il est donc désirable de maintenir l'espacement entre les cloisons

8 à une distance d'environ 0, 20 à 0, 35 x profondeur de l'aile.

A cause du coude brusque du bord d'attaque, il est important que l'air en surpuissance s'engouffrant dans lés compartiments 7 puisse

également gonfler ceux qui sont disposés au voisinage des régions cou-

dées. On a trouvé utile d'employer une bande 11 dont les mailles peuvent avoir, en cours d'utilisation, de la voilure, une forme de parallélogramme pour être sûr que la bande reste ouverte et permette le gonflement correct. Dans une autre forme de construction, la mâture peut comporter trois parties distinctes dont la partie centrale (qui crée la partie quasi rectiligne de la voilure) est non déformable et profilée d'une façon convenable.

Les deux autres parties sont flexibles et forment les parties ter-

minales de la mâture, les extrémités libres de ces deux parties servant à accrocher l'enveloppe et les fils de commande. La flexibilité de ces deux parties est choisie de façon que lors du lancement elles forment des prolongements quasi rectilignes de la partie centrale, et qu'en cours de vol elles se déforment pour créer une voilure comme celle représentée

à la figure 8.

Cette variante est représentée à la figure 12 o on a représenté l'une des parties terminales à l'état rectiligne (lancement) et l'autre à

l'état courbe (vol).

La déformation de la mâture est telle que ces parties ierminales forment un angle supérieur à 45 par rapport à la partie centrale. De préférence, cet angle est compris entre 60 et 90 ou mieux entre 75 et

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0. Sur la figure 12, 32 correspond à la partie centrale, 33 aux parties

terminales et 34 à des viroles reliant ces parties.

La structure selon l'invention peut être utilisée comme cerf-volant manipulé par un utilisateur ou peut être attaché (par les fils 21 et 22) à un bateau pour le tirer, augmentant ainsi, par exemple, l'effort de

propulsion d'une hélice.

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Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Structure de voilure comprenant une partie principale allongée

susceptible d'avoir, entre ses plus grands côtés, une section correspon-

dant à un profil d'aile, et des moyens de raidissement coopérant avec la partie principale, caractérisée en ce que les moyens de raidissement

peuvent fléchir de telle sorte que, lors de l'utilisation, les zones termi-

nales de la structure peuvent se cintrer par rapport au reste de la structure.

2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la

partie principale comprend une enveloppe gonflable, les moyens de rai-

dissement coopérant avec l'un de ses grands côtés, formant ainsi le bord

d'attaque de la voilure.

3. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie principale comprend une enveloppe pourvue d'un dispositif d'entrée d'air en surpuissance disposé le long de celui des grands côtés jouant le rôle de bord d'attaque, les moyens de raidissement étant disposés le long de

ce bord d'attaque.

4. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caracté-

risée en ce que les moyens de raidissement sont agencés de façon que les zones terminales puissent former un angle d'au moins 450 par rapport

à une partie centrale.

5. Structure selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit

angle est compris entre 60 et 900.

6. Structure selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit

angle est compris entre 75 et 900.

7. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes,

caractérisée en ce que les moyens de raidissement sont agencés de façon que, lorsque la structure est utilisée comme cerf-volant et est en position de vol, la plus grande partie des surfaces formant le profil d'aile restent quasi perpendiculaires aux fils prévus pour la commande du cerf-volant, et en ce que les zones terminales de la partie principale forment un angle oblique par rapport aux fils de commande du cerf-volant, le tout étant agencé de façon que les forces sustentatrices s'exerçant sur la partie

principale agissent parallèlement z-ix fils de commande.

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8. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,

caractérisée en ce que les moyens de raidissement comportent des parties coniques ou de section allant en s'amenuisant dont les sections ou les angles sont choisis de façon à obtenir une déformation variable en

fonction de leur position.