FR2540824A1 - Avion muni d'ailettes marginales mobiles synchronisees - Google Patents

Abstract

L'OBJET DE CETTE INVENTION EST CARACTERISE PAR L'ADJONCTION A UN AVION D'UNE OU PLUSIEURS AILETTES MARGINALES MONTEES MOBILES A CHAQUE EXTREMITE DE VOILURE ET MUES PAR UN MOYEN D'AUTOMATISME PERMETTANT LE REGLAGE DE LEUR POSITION SELON UN ANGLE REGLABLE EN FONCTION DE LA VITESSE VERTICALE DE DEPLACEMENT D'UN POINT DE LA VOILURE. CE SYSTEME PERMET DE MONTER DES "WINGLETS" ET D'ELIMINER LES VIBRATIONS INCONTROLEES ASSOCIEES.

Description

AVION MUNI D'AILETTES MARGINALES MOBILES SYNCHRONISEES
La présente invention a trait au domaine des aéronefs et concerne tout particulièrement des perfectionements aux ailettes marginales pour extrcernités d'ailes d'avion, destinées- a améliorer l'aérodynamisme de la voilure et permettre d'éliminer la possibilite d'endommagement de la structure par des vibrations amplifiées par le courant d'air.

Lorsqu'un solide en mouvement est placé dans un fluide, des vibrations peuvent se produire. Dans le cas particulier d'un avion en vol, le mouvement introduit par des turbulences peut etre amplifié dangereusement par le courant d'air. Ce phénomène est bien connu en aéronautique sous le nom d'effet flutter. Le fait de rajouter une masse en bout d'aile modifie le comportement vibratoire de la voilure et en general augmente dangereusement les chances de voir l'aile endommagée en vol par effet "flutter". En synchronisant les variations d'angle d'attaque d'une ou plusieures ailettes marginales et en faisant évoluer ces variations de facon précise, il est possible d'éviter ou d'amortir des vibrations naissantes et ainsi de protéger l'avion et ses passagers d'un accident fatal.

Les ailettes nargialesc en Anglais appelées "winglets", sont connues depuis plusieures annees et ont été montées sur des avions comme le Lear Jet 28 ou le KC 135. On sait qu'il s'agit ce parois sensiblement Verticales placees en bout d'ailes d'un avion, et qui ont la propriaete de redresser le courant d'air tourbillonnant en bout d'ailes. Les ailettes marginales, de par leur forme et leur position, permettent de moud fier la répartition de portance tout au long de l'envergure de l'aile et donc d'améliorer le rendement aerodynamique de la voilure.

Les brevets américains numeros 4 190 219, 4 205 810 et
4 245 804 définissent des ailettes marginales a formes trams
snecifiques relatives a des ailettes marginales particulières et fixées en extrémiste de voilure d'avion, et qui amé'iorent, certes, l'aérodynamisme de la voilure mais qui de part principalement leur masse et leur position augmentent de faucon inacceptable le risque d'avoir des vibrations incontrolées en vol (effet "flutter) et qui peuvent endommager ou détruire la structure d'un avion en vol.

Le brevet publie sous le numero FR-A-2 355 188 a rapport à des dispositifs permettant de réduire la trainée des avions en vol, en montant des parois en bout d'ailes a géometrie particulière. S'il est possible de faire varier leur position, c'est pour optimiser leur position en fonction seulement de l'incidence de la voilure afin d'amélior2r la trainée de l'avion. Cette invention en rajoutant en bout d'aile une masse augmente dangereusement le risque de nflutterW, ce qui n'est pas le cas de l'invention présentée ici, invention qui synchronise les mouvements d'une ou plusieures winglets mobiles afin d'sliminer ou d'amortir les vibrations qui, sans ce systeme, risqueraient de détruire la structure de l'avion en vol.

Le brevet numero US-A-2 846 165 décrit le moyen d'obtenir des forces latérales, donc d'accelérer l'avion latéralement en placant des lents de controle mobiles en bout d'ailes, mais en rajoutant des masses en bout- d'ailes augmente fortement et de facon inacceptable le risque de détruire la structure de l'avion en vol par effet flutter. Ce n'est pas le cas de la présente invention, qui en synchronisant les mouvements d'une ou plusieures winglets mobiles, et en faisant évoluer ces variations de facon bien précise, évite ou amortit toutes vibrations naissantes qui sans ce dispositif risqueraient, de facon inacceptable, d'etre amplifiées, et de rompre l'avion en vol.

Le brevet publie- sous le numero G3-A-5i6 125 présente unt invention qui permet à un bout d'aile de prendre une position verticale. Le fait de rajouter un tel mécanisme en bout d'aile, principalement du fait de sa masse, augmente le risque ce wflutterW de l'ensemble voilure. Ce n'est pas le cas de l'invention présentée ici, qui, au contraire, en synchronisant de facon précise et définie les mouvements d'une ou plusieures winglets mobiles, évite ou amortit les vibrations naissantes qui sans ce dispositif risqueraient d'etre amplifiées et de rompre la structure de l'avion en vol.

Le brevet publie sous le numero US-A-2 56s 990 permet de remplacer les ailerons et les volets par des plaques placées en bout d'ailes. Principalement de par leur masse, ces plaques augmentent dangeureusement le risque de destruction de l'avion par effet "flutter". Ce n'est pas le cas de l'invention présentée ici, qui, au contraire, en synchronisant les mouvements dlune ou plusieures Swinglets', {vite ou amortit toutes vibrations naissantes, qui Sans ce dispositif rendrait le vol excessivement dangereux.

Le brevet francais numero 82 02548 permet d'améliorer les caractéristiques aérodynamiques de la voilure sans augmenter notablement la masse de la structure, en definissant la position de chaque winglet en fonction de l'effort appliqué sur la voilure.

Ce systeme, s'il limite certains efforts statiques, ne permet nullement d'empecher la destruction de la voilure par effet "flutter11 car meme en position dite "neutre" selon ce brevet, il est possible et messe problable de rencontrer des vibrations incontrolees et amplifiables par le courant d'air. Ce n'est pas le cas de la présente invention qui permet, au contraire, d'éviter ou d'amortir toutes vibrations dangereuses.

Le brevet francais numero 82 15025 permet de coordonner le mouvement des winglets de facon a permettre un vol stabilisé par vent de travers, les ailes etant horizontales. Le fait, principalement de rajouter une telle masse en bout d'aile augmente dangereusement le risque de "flutter" de l'ensemble voilure. Ce n'est pas le cas de l'invention présentee ici, qui, au contraire, en synchronisant les mouvements d'une ou plusieures w nglets, et en faisant 'evoluer ces variations ce facon bien précise, évite ou amortit toutes vibrations naissantes, qui sans ce dispositif risqueraient d'etre amplifiées par le courant d'air et d'être un danger inacceptable pour l'avion et ses passagers.

Un but de l'invention est d'zméliorer l'aéroåynamisme d'une voilure d'avion grace a la mise en oeuvre d'ailettes marginales dans des conditions bien particulieres.

Un autre but est d'augmenter le rapport Cz/Cx, appel'e finesse d'un avion. On sait que Cz représente le coefficient de portance defini par la relation:
P = 1/2.@.Cz.V.Sz dans laquelle: P est la force portante, z la densite de l'air, V la vitesse de l'avion et Sz la surface de référence de la voilure ; et que Cx est le coefficient de trainée définit par la formule:
F = 1/2.8.Cx.V.Sx dans laquelle: F est la force de trainée, Sx est la surface frontale de référence de l'avion, les autres parametres ayant la mame definition que ci-dessus.

Une telle augmentation du rapport précite entraine une série d'avantages visés par l'invention, a savoir : la possibilité d'accroitre la force portante de l'avion et donc d'augmenter so charge marchande à vitesse donnée, une diminution de la vitesse de décrochage de ltaviony et enfin une sensible diminution de consommation de carburant et une augmentation du rayon d'action.

L'objet de l'invention est de placer des "winglets", amKeliorants l'aérodynamisme de la voilure, (en notamment augmentant le rapport Cz/Cx ), de les rendre mobiles et de les relier a moyen d'automatisme afin qu'elles soient mues suivant un mouvement contrariant de facon active et optimale une vibration naissante afin de la faire disraraitre ou la rendre inoffensive et non amplifiable par le courant d'air.

Lorsqu'une aile se déplace dans le courant d'air il est possible qu'une vibration soit dangeureusement amplifiee par celui-ci. En effet un tel phenomene, appele effet "flutter", peut endommager une voilure d'avion notamment si la voilure est relativement lourde (surtout en extrémité de voilure) et si sa structure est peu rigide (en flexion et en torsion). Un tel phénomène a dgalement plus de chance d'etre rencontré lorsque la vitesse augmente.

Lorsque l'on etudie en detail le mécanisme d'un tel phsnomène, on s'apercoit que lorsque la structure vibre, l'angle d'attaque de la voilure varie. Si l'augmentation de portance est en phase avec la vitesse verticale de la voilure, c'est a dire si une augmentation de l'angle d'attaque de la voilure a lieu lorsque la voilure monte, par exemple, alors une quantite d'energie est regulierement apportee a la structure, et le mouvement est amplifié jusqu'a destruction complete de la voilure.

Certaines voilures d'avions actuels sont tres proches de ces conditions dramatiques, et un supplement de masse, meme faible, place en un endroit critique comme le bout d'aile, par exemple, peut rendre un avion insuffisamment sur du point de vue "flutter.

L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description détaille qui va suivre, et a l'ex men des dessins annexes, qui representent a titre d'exemples non limitatifs, des exemples de modes de realisation de l'invention.

Les figures 1, 2 et 3 representent un profil d'extrémite de voilure dans trois positions caracteristiques lors d'une vibration de l'ensemble voilure. La figure 2 represente la voilure au repos relatif (sans vibration). La figure 1 represent le profil de la voilure en position haute et la figure 3 representele profil en position basse. La variation d'angle d'attaque d lors du deplacement vertical, est representé par la figure 1 otu l'angle est par définition positif. La vitesse V du point G est par choix positive lorsque le profil se dirige vers le haut, comme le montre la figure 2.

La figure 4 represente l'evolution dans le temps t de la position Y du point G en vertical et de l'angle α associé pour une voilure donnée lors d'une vibration de l'ensemble
structural. Les formes des courbes presentSes et leur positions
relatives varient grandement avec chaque type de voilure et sont données ici a titre d'exemples.

La figure S représente un exemple d'evolution dans le- temps
(t) de l'angle d'attaque (p 1 de chaque "winglct" pour eviter ou amortir des modes de vibrations dangereux. On voit qu'il est avantageux que l'angle P soit maximum lorsque la vitesse V du point G est maximale (point O ), et que l'angle d'attaque
soit nul lorsque la vitesse du point G est nulle (point B ). De meme l'angle g doit etre minimum et negatif lorsque la
vitesse du point G est minimale et negative (point C ).

La figure 6 montre la définition de l'angle p qui est par choix positif lorsque la "winglet" est braque vers l'interieur.

Les figures 7 , 8 et 9 represente un exemple de réalisation
technique simple, permettant de braquer automatiquement les awingletsa selon un angle d'attaque variant en fonction de la valeur algebrique de la vitesse verticale d'un point de la
voilure. En effet lorsque la voilure monte par exemple, la masse X
reste sensiblement a la meme place du fait de son inertie, et
transmet par l'intermediaire du renvoi Q et de la bielle R un
mouvement relatif qui permet de faire varier l'angle d'attaque de
la "winglet". Bien sur un systeme electronique, lisant ou calculant
les vitesses verticales instantanees d'un point de la voilure et
transmettant ees ordres a un moteur electrique, ou a un verin
hydraulique faisant tourner chaque winglet" est preferable.

DEFINITIONS:
G : point de reference voilure (figures 1, 2 et 3) : angle de rotation du profile voilure lors d'une vibration
figure 1).

V : vitesse verticale ( positive vers le haut, figure 2 ).

angle de braquage des winglets ( figures 5 et 6 ).

M : masse ( figure 8 ).

I : axe fixe sur la voilure et permettant la rotation du guignol
Q ( figure 8
R : bielle de liaison entre l'avant de la winglet et le guignol Q t figure 9 ).

Q : guignol (figures 8 et 9 ).

Un but de l'invention est de donner la possibilité d'améliorer l'aéxodynamisme de la voilure sans craindre de phénomènes destructifs du type "flutter" en synchronisant les mouvements de chaque "winglet" par rapport 8 la valeur de la vitesse verticale locale de la demi-voilure correspondante lorsque celle-ci est en vibration ou dans une configuration telle quelle risque dangeureusement de rentrer en vibration. En effet un braquage des winglets vers l'exterieur ( ss negatif, voir figure 6 ), augmente la portance sur l'ensemble voilure. Il faut donc, pour eviter toute amplification du mouvement, que la portance diminue lorsque la vitesse V est positive (voir figure 2 ).

Il est possible d'améliorer le systeme en décallant legèrenent la courbe de la figure 5 afin d'anticiper toute possibilite de démarrage de vibrations dangereuses.

L'objet de cette invention est caracterisé par l'adjonction à un avion d'une ou plusieures ailettes marginales montes mobiles a chaque extremite de voilure et mues par un moyen d'automatisme permettant le réglage de leur position selon un angle reglable en fonction de la vitesse verticale d'un point de la demi-voilure située du meme cote de l'avion
La relation la plus simple liant l'angle de braquage de chaque nwinglet et la valeur algébrique de la vitesse verticale d'un point de la deni-voilure situe du ee coté de l'avion est une fonction gardant la mene valeur et appelle fonction constante.

Il est possible d'ameliorer le systene en remplacant chaque "winglet" mobile place en bout d'aile par un ensemble de plusieures winglets dont certaines seraient mobiles et certaines disjointes.

On peut egalement ameliorer le systeme en montant l'ailette libre et en y adjoignant un volet de conception classique (appelé en Anglais trim ).

11 est possible d'ameliorer le systeme en imposant de facon discontinue une variation cyclique de position de chaque Wwinglet selon un mouvement oscillant ayant une amplitude et une frequence qui contradierait toutes vibrations si elles apparaissaient, afin d'assurer un maximum de securite pour l'avion et ses passagers.

On peut egalement ameliorer le systeme en definissant la fonction liant la position de chaque winglet avec la valeur algebrique de la vitesse verticale d'un point de la demi-voilure correspondante comme une somme de plusieures fonctions sinusoidales du type serie de "FourierB. Ce mouvement crée de facon continue ou discontinue a pour effet de contrarier différentes vibrations dangereuses pouvant apparaitre en vol.

Afin d'anCeliorer encore le systeme, il est avantageux de placer, en poste de pilotage, un signal indiquant un défaut de fonctionnement pour que le commandant de bord puisse prendre les mesures de securitZe qui s'imposent, comme une limitation de vitesse par exemple.

I1 est possible de réaliser un moyen d'automatisme permettant le reglage de la position de chaque "winglet", constitue principalement par un mecanisme formé par une masselotte pouvant osciller dans un plan sensiblement vertical a l'intérieur de la voilure et entrainant par un renvoi l'ailette marginale de f4çon à la pousser vers l'interieur lorsque la vitesse verticale de la demi-voilure correspondante est dirigée vers le haut.

I1 est possible d'ardeliorer le systeme en obtenant les valeurs de vitesses verticales par dérivation des valeurs mesurees par un ou plusieurs accéléromètres placés dans la voilure.

Il est également possible d'aMeliorer le systeme en obtenant les inforrations de vitesses verticales par dérivation des valeurs mesurées par des jauges de contraintes collees a la voilure.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1- Avion muni d'ailettes marginales destinées à ameliorer l'aérodynamisme de la voilure d'un aéronef, caracterisées en ce qu'elles sont montées mobiles a l'extremité-des ailes de l'avion et qu'elles sont mues par un moyen d'automatisme permettant le reglage de chaque ailette marginale selon un angle d'attaque réglable en fonction de la valeur algébrique de la vitesse verticale d'un point de la demi-voilure située du meme coté de l'avion que les ailettes marginales considerées.

2- Avion selon la revendication 1 ou la fonction liant l'angle d'attaque de chaque ailette marginale avec la valeur algébrique de la vitesse verticale d'un point de la demi-voilure correspondante est une fonction constante.

3- Avion selon la revendication 1 ou, la fonction liant l'angle d'attaque de chaque ailette marginale avec la valeur algébrique de la vitesse verticale d'un point de la demi-voilure correspodante est une fonction somme de plusieures fonctions sinusoidales du type série de nFourier".

4- Avion selon la revendication 1 ou le moyen d'automatisme permettant le reglage de la position de chaque ailette marginale est un mecanisme forme par une masselotte pouvant osciller dans un plan sensiblement vertical a l'int'erieur de la voilure et entrainant par un renvoi l'ailette marginale de facon à la pousser vers l'interieur lorsque la vitesse verticale de la demi-voilure correspondante est dirigée vers le haut.

5- Avion selon la revendication 1 ou les informations de vitesses verticales sont obtenues par dérivation des valeurs mesurées Far des accéléromètres placés dans la voilure.

6- Avion selon la revendication 1 ou les inrormations de vitesses verticales sont obtenues par detivation des valeurs mesurées par des jauges ce contrainte colles sur la voilure.

7- Avion selon la revendication 1 ou chaque ailette marginale est formée de plusieurs éléments dont certains seulement sont joints, et dont certains seulement sont mobiles.

8- Avion selon la revendication 1 ou certaines ailettes marginales sont montes libres, activées indirectement par un volet du type "trim".