FR2794718A1

FR2794718A1 - Aircraft fuselage, wing and fin design uses shapes to trap and annexe volumes of air to enhance performance

Info

Publication number: FR2794718A1
Application number: FR9907470A
Authority: FR
Inventors: Gino Buttazzoni
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 1999-06-10
Publication date: 2000-12-15
Anticipated expiration: 2005-06-10
Also published as: FR2794718B3

Abstract

A design for the shapes of leading and trailing surfaces of an aircraft fuselage (1), wings or fins makes use of surfaces (2, 3) which trap and annexe volumes of air to produce turbulence at a rate four times greater than that of existing shapes. The leading or trailing surfaces are truncated to produce planes lying perpendicular to the air flow and having concave surfaces which deflect air forwards to form a wedge (V/2) of air ahead of the surface.

Description

Utilisation de volumes d'air, annexés, confinés et stabilisés par les forces du champ en bord d'attaque et en bord de fuite des profils des divers éléments d'aéronefs fuselages-, ailes, Une part essentielle de la traînée d'un avion est due* aux accélérations conféréesà l'air: 'l) en bord d'attaque pour écarter l'écoulement autour de la surface frontale 2) en bord de fuite pour ramener 1.1air à reprendre la place laisséepar l'avion en sillage. Use of air volumes, annexed, confined and stabilized by the forces of the field at the leading edge and at the trailing edge of the profiles of the various aircraft elements fuselages-, wings, An essential part of the drag of an airplane is due to accelerations at the air : 'l) at the leading edge to spread the flow around the frontal surface 2) at the trailing edge to bring back 1.1air to take the place left by the plane in wake.

La présente invention consisteà piéger et annexer des- volumes d'air afin qu'ils se substituent aux profils métalliques, notamment en bord d'attaque et en bord de fuite, pour que les accélérations décrites plus haut aient lieu entre l'air annexé et l'air d'écoulement. The present invention consists in trapping and annexing air volumes so that they replace the metal profiles, particularly at the leading edge and at the trailing edge, so that the accelerations described above occur between the annexed air and the flow air.

On constatera que la substitution de l'air-à la place du prof il métallique entraîne' une diminution de ces accélérations dans la proportion de 2à 1 (ein terme de vitesse), soit de 4à 1 (en énergie), et-, autre avantage- .supprime les phénomènes de compressibilité en bord d'attaque et de raréfaction en bord de fuite, phénomènes liésà l'intensité des accélérations. It will be found that the substitution of air-in place of the metallic profundity leads to a decrease of these accelerations in the proportion of 2 to 1 </ (ein velocity term), ie from 4 to 1 (in energy), and-, another advantage - .suppresses the compressibility phenomena at the leading edge and rarefaction at the trailing edge, phenomena linked to the intensity of accelerations.

Pour obtenir ce, résultat, selon l'invention le profil est tronqué net suivant un plan perpendiculaireà l'écoulement, l'angle d'incidence des parois latérales étant de l'ordre de15% au point de section. To obtain this result, according to the invention the profile is truncated net following a perpendicular plane to the flow, the angle of incidence of the side walls being of the order of 15 % at the section point.

La surface frontale ainsi délimitée est dotée d'une forme plane ou légèrement concave, apteà réfléchir devant elle des ondes de pression convergentes vers la ligne d'axe longitudinal du profil. The front surface thus delimited is provided with a flat or slightly concave shape, able to reflect before it convergent pressure waves towards the longitudinal axis line of the profile.

Cependant, en l'absence d'ondes de pression divergentes indispensables pour dévier l'écoulement, un volume d'air se bloque devant la surface concave. En utilisant le support que constitue la surface frontale concave, il se désolidarise de l'air ambiant et se rend solidaire du profil. However, in the absence of diverging pressure waves necessary to deflect the flow, a volume of air is blocked in front of the concave surface. By using the support that constitutes the concave front surface, it dissociates from the ambient air and becomes integral with the profile.

Il prend la forme d'un cône s'il s'agit d'un fuselage de section circulaire. S'il s'agit de profils linéaires- ailes, empennages- la forme est celle d'un prisme de section triangulaire. On peut obtenir le même résultat en réduisant la surface concaveà une couronne périphérique concave afin d'utiliser la partie centrale du volume d'air annexé pour la cabine de pilotageà l'avant, et pour réserver un volume utileà l'arrière. Le volume d'air annexé se formera spontanément de la même façon dès lors que l'énergie dynamique de l'écoulement est suffisante pour piéger et isoler ce volumed 'air de sorte que la cabine et le volume utileà l'arrière, intérieursà ce volume d'air annexé, n'aient aucun contact avec l'écoulement. It takes the form of a cone if it is a fuselage of circular section. If they are linear profiles - wings, empennages - the shape is that of a prism of triangular section. The same result can be achieved by reducing the concave surface to a concave peripheral crown to utilize the central portion of the annex air volume for the cockpit to . 'before, and to reserve a useful volume to the back. The volume of annexed air will be formed spontaneously in the same way as long as the dynamic energy of the flow is sufficient to trap and isolate this air volume so that the cabin and the volume useful to the rear, interior to this air volume annexed, have no contact with the flow.

Si on injecte un produit fumigèneà l'intérieur du volume d'air annexé, sa forme exacte devient visible, l'opacité introduite est persistante, preuve que l'écoulement contourne ce volume sans le pénétrer. If a fumigant product is injected into the enclosed volume of air, its exact shape becomes visible, the opacity introduced is persistent, proof that the flow bypasses this volume without penetrating it.

Au fur età mesure que la vitesse augmente; ce volume d'air prend une forme plus allongée, ce qui réduit l'angle d"incidence des directrices qui en constituent les limites. As and when the speed increases; this volume of air takes on a more elongated shape, which reduces the angle of incidence of the guidelines which constitute its limits.

La vitesse augmente également la stabilité et la précision de ces limites qui constituent le prolongement de la couche limite du profil métallique au point de section jusqu'au sommet du cône- ou prisme- d'air annexé. Cette couche limite concentre sur une épaisseur de l'ordre du centimètre la quasi-totalité du gradient de vitesse entre le. volume intérieur du cône- ou prisme- d'air annexé vitesse V de l'avion) et l'espace extérieur (vitessem 0 de la perturbation). Speed also increases the stability and accuracy of these boundaries, which are the extension of the boundary layer of the metal profile at the point of section to the top of the cone - or prism - air annexed. This boundary layer concentrates on a thickness of about one centimeter the quasi-totality of the velocity gradient between. interior volume of the cone - or prism - air annexed V speed of the aircraft) and the outer space (speed m 0 of the perturbation).

Si on représente en un point M du profil métallique la couche limiteà vitesse V<B≥ par exemple M0,8 on a une courbe qui, au point M (vitesse V), est tangenteà la droite RM et rejoint la verticale au point0 = z vitesse zéro de la perturbation (fig. 2). Si on représente en P la couche limite du volume d'air annexé, on a 2 courbes symétriques opposées: 1) côté espace extérieur, la courbe P0 où0 gr- point <B≥ zéro de la perturbation et P<B≥ V/2 (soit M 0,4) de sens P vers le sommet du volume annexé; 2) côté intérieur du volume annexé, la courbe P. 0", où 0" représente la vitesse zéro du volume annexé (= vitesse V de l'avion) et P la vitesse V/2, soitm . 0,4 de sens0 vers P (fig. 3). If we represent at a point M of the metallic profile the boundary layer at velocity V <B≥ for example M 0.8 we have a curve which, at point M (velocity V), is tangent to the line RM and joins the vertical at the point 0 = z zero velocity of the perturbation (Fig. 2). If the limit layer of the annexed air volume is represented at P, then there are two opposite symmetrical curves : 1) outer space side, the curve P 0 where 0 gr- point <B≥ zero of the disturbance and P <B≥ V / 2 (ie M 0,4) of direction P towards the top of the annexed volume ; 2) on the inside of the annexed volume, the curve P . 0 ", where 0" represents the zero speed of the annexed volume (= speed V of the aircraft) and P the speed V / 2, ie m. 0.4 of direction 0 to P (fig. 3).

La ligne de démarcation entre la zone intérieure du volume d'air annexé et l'espace extérieur est très exactement la ligne de vitesse V/2, ligne dynamique limite de deux ensembles de forces opposés: de ce fait, aussi étancheà l'air que peut l'être un profil métallique tant que l'énergie déstabilisatrice ne dépasse pas la valeur dynamique de V/2. The line of demarcation between the inner zone of the annexed air volume and the outer space is very exactly the velocity line V / 2, limiting dynamic line of two sets of opposing forces : thereby , as airtight to air as a metal profile can be as long as the destabilizing energy does not exceed the dynamic value of V / 2.

Son actionà l'intérieur du volume annexé consisteà entretenir une pression+ telle que: (pression intérieure x surface cercle de base AB)- (pression extérieure hors perturbation x surface cercle AB)<B≥ CX de la déviation de l'écoulement de0 à AB. Its action to inside the annexed volume is to maintain a pressure + such that : (internal pressure x base circle surface AB) - (external pressure out of disturbance x area circle AB) <B≥ CX of the flow deflection from 0 to AB .

Son action côté espace extérieur consisteà dévier l'écoulement depuis le sommet0 jusqu'autour de la base AB. La faible épaisseur de la couche limite indique que l'écoulement s'effectue en régime laminaire sur tout le parcours, en l'absence de tout phénomène d'impacts ou de compressibilité. Its outer space action is to deflect the flow from the top to the AB base. The small thickness of the boundary layer indicates that the flow is carried out in laminar flow all the way, in the absence of any phenomenon of impacts or compressibility.

Deuxième avantage la perturbation engendrée, de régime V/2, est 4 fois moins puissante que celle qui serait engendrée par un profil métallique de forme et de dimensions identiques mais de régime<B≥ V. Le CX en est donc 4 fois inférieur. Second advantage the generated disturbance, of V / 2 regime, is 4 times less powerful than that which would be generated by a metallic profile of identical shape and dimensions but of regime <B≥ V. The CX is therefore 4 times lower.

Si le profil métallique donne un CX qui se décompose comme suit:

If the metal profile gives a CX that breaks down as follows:

CX <SEP> hors <SEP> phénomène <SEP> compressibilité <SEP> et <SEP> impacts <SEP> <B≥ <SEP> 1
<tb> CX <SEP> provenant <SEP> des <SEP> problèmes <SEP> de <SEP> compressibilité <SEP> et <SEP> impacts <SEP> 0,3
<tb> Total <SEP> (pour <SEP> la <SEP> déviation <SEP> de <SEP> 0 <SEP> à <SEP> AB <SEP> et <SEP> de <SEP> CD <SEP> à <SEP> 0'= <SEP> 1,3 Les chiffres correspondants pour le volume air annexé sont: 0,25 + 0 = 0,25, soit environ1/5. CX <SEP> out <SEP> phenomenon <SEP> compressibility <SEP> and <SEP> impacts <SEP><B≥<SEP> 1 
<tb> CX <SEP> from <SEP><SEP><SEP><SEP> Compressibility <SEP> and <SEP><SEP><0.3><SEP> Problems
<tb> Total <SEP> (for <SEP> the <SEP> deviation <SEP> of <SEP> 0 <SEP> to <SEP> AB <SEP> and <SEP> of <SEP > CD <SEP> to <SEP> 0 '= <SEP> 1,3 The corresponding figures for the attached air volume are : 0,25 + 0 = 0,25, about 1/5.

La longueur du volume annexé s'ajoutantà celle du profil métallique est de l'ordre de15 m (longueur OH) pour une base circulaire de0 AB<B≥ 5 m. Si la vitesse est de 0,8 M, nous dirons que la déviation de l'écoulement du point0 jusqu'au pourtour de AB s'effectue en un temps imparti de 6/100e de seconde, et d'autre part que l'allongement du parcours OA - OH sera d'environ 0,20 m. The length of the annexed volume adding to that of the metal profile is of the order of 15 m (length OH) for a circular base of 0 AB <B≥ 5 m. If the velocity is 0.8 M, we will say that the deviation of the flow from point 0 to the periphery of AB takes place in an allotted time of 6 / 100th of a second, and secondly that the lengthening of the course OA - OH will be about 0.20 m.

Pour un profil classique de diamètre AB équivalent, OH sera de l'ordre de5 m, le temps imparti de 2/100 sec. et l'allongement du parcours OA - OH de l'ordre de1,50 m. For a typical equivalent AB diameter profile, OH will be in the order of 5 m, the time allowed is 2/100 sec. and the lengthening of the OA - OH path of the order of 1.50 m.

La comparaison de ces paramètres fait ressortir des diminutions de contraintes énormes obtenues dans ces zones par les volumes d'air annexé. The comparison of these parameters shows the enormous decreases in stress obtained in these areas by the volumes of air annexed.

Les dessins annexés illustrent l'invention. The accompanying drawings illustrate the invention.

La figure1 représenteà titre d'exemple la partie avant d'un fuselage(1) tronqué suivant un plan ab perpendiculaireà l'écoulement. La surface frontale concave (2) forme une couronne autour de la cabine de pilotage(3). Le cercle AB est la base du volume d'air annexé AOB. La cabine de pilotage est intérieure au volume d'air annexe et n'a aucun contact avec l'écoulement. Figure 1 represents to as an example the front part of a fuselage (1) truncated along a perpendicular plane ab to the flow. The concave front surface (2) forms a ring around the control cabin (3). The circle AB is the base of the annexed air volume AOB. The cockpit is interior to the air volume annex and has no contact with the flow.

La figure 2 représente la coupe de la couche limite d'un point M du fuselage métallique, vi-tesse M0,8 à titre d'exemple, pour comparaison avec la figure3. FIG. 2 represents the section of the boundary layer of a point M of the metal fuselage, for example, the speed M 0.8 to , for comparison with FIG. / B>

La figure3 représente la coupe de la couche limite du volume d'air annexé en un point P,à la même vitesse de M0,8. La couche limite se décompose: 1) côté extérieur: la courbe O'P va de la vitesse zéro en0 à la vitesse V/2, soit M0, 4 en P, la direction étant de P vers le sommet0 du cône- ou prisme- annexé; 2) côté intérieur du volume d'air annexé: la courbe va de P (vitesse V/2 de sens P vers la baseA) à 0" (vitesse zéro du volume d'air annexé<B≥ vitesse M0,8 de l'avion). Figure 3 represents the section of the boundary layer of the annexed air volume at a point P, at the same velocity of M 0.8. The boundary layer decomposes : 1) outer side : the O'P curve goes from zero speed in 0 to the velocity V / 2, ie M 0, 4 in P, the direction from P to the vertex 0 of the cone - or prism - annexed ; 2) interior side of the annexed air volume : the curve goes from P (speed V / 2 meaning P to the base A) to 0 " (zero speed of the attached air volume <B≥ speed M 0.8 of the aircraft).

O'P et PO" sont 2 courbes z symétriques et inversées dans 2 milieux différents séparés et isolés en P, point d'énergie dynamique maximale entre0' (domaine extérieur) et 0" (intérieur du volume d'air annexé). O'P and PO "are 2 symmetrical and inverted z-curves in 2 different separate and isolated media in P, maximum dynamic energy point between 0 ' (external domain) and 0 < (inside of the annexed air volume).

La figure 4 représente un fuselage entier(1) avecà l'avant une surface frontale concave (2) formant une couronne périphérique au pourtour de la cabine de pilotage(3). A l'arrière une couronne concave périphérique (4) et un volume utile aménagé(5) Volume d'air annexéà l'avant: cône AOB. Volume d'air annexéà l'arrière: cône COD. FIG. 4 represents an entire fuselage (1) with to the front a concave frontal surface (2) forming a peripheral ring around the cockpit (3). A the back a peripheral concave crown (4) and a prepared useful volume (5) Air volume annexed to <Front> : AOB cone. Air volume annexed to the back : cone COD.

Nota les volumes d'air annexés progressentà la vitesse V de l'avion, mais la couche limite au point P, délimitant l'espace extérieur et le volume d'air annexé et déterminant l'énergie de la perturbation, ne progresse qu'à la vitesse V/2. Elle est indiquée: "régime V/2". Note the air volumes annexed progress at the speed V of the aircraft, but the boundary layer at the point P, delimiting the external space and the air volume annexed and determining the energy of the aircraft. the disturbance only progresses at the speed V / 2. It is indicated : "V / 2 speed".

La figure5 représente la partie avant d'un fuselage de type classique(1) sur laquelle est adaptée une couronne périphérique concave (2) apteà piéger un volume d'air annexé AOB, 0 se trouvant sur l'axe longitudinal du fuselage. Par ailleurs, le grand diamètre AB de la couronne concave est positionné de façonà générerà l'arrière de -celle-ci un deuxième volume d'air annexé qui, dans les conditions du vol de croisière, prolongera le régime V/2 jusqu'à EF. Figure 5 represents the front part of a conventional fuselage (1) on which is fitted a concave peripheral crown (2) suitable for to > trapping an annexed air volume AOB, 0 located on the longitudinal axis of the fuselage. On the other hand, the large diameter AB of the concave crown is positioned in a manner to generate at the rear of which a second volume of annexed air which, in Cruise flight conditions will extend V / 2 to EF.

1' La figure6 représente la partie arrière d'-un fuselage de type classique(1) sur lequel est adapté un plateau perpendiculaireà l'écoulement propreà piéger a1 avant un volume d'air annexé AFB et,à l'arrière, un volume d'air annexé AOB. Le plateau, de diamètre AB, est plat dans la partie centrale et concave dans la partie périphérique avant. Il est articulé horizontalement en H, et la partie basse équipée d'un moyen de repli tel que B vienne en B' dans un évidement (2) pratiqué sur le fuselageà cet effet; position repliée au décollage età l'atterrissage; position déployée en vol. 1 'Figure 6 represents the rear part of a fuselage of the classical type (1) on which is fitted a perpendicular plate to l clean flow to trap 1 before an AFB annexed air volume and, to behind, an AOB annexed air volume . The plate, of diameter AB, is flat in the central part and concave in the front peripheral part. It is articulated horizontally in H, and the lower part equipped with a folding means such that B comes to B 'in a recess (2) made on the fuselage to this effect ; folded position at take-off and at landing ; position deployed in flight.

La figure7 représente la coupe longitudinale d'un profil linéaire .: aileg'.mpz=age dans la partie antérieure. Le profil(1) est incurvé en (2) pour soutenir le profil frontal concave(3) qui générera le volume d'air annexé AOB à l'avant et les deux volumes d'air annexésACE et BDF à l'arrière, opérant le raccordement avec les parois latérales enE et F dans les conditions du vol de croisière.Figure 7 represents the longitudinal section of a linear profile: wingg'.mpz = age in the anterior part. The (1) profile is curved in (2) to support the concave front profile (3) which will generate the annexed air volume AOB to > the front and the two annexed air volumes ACE and BDF to the rear, operating the connection with the side walls in E and F under the conditions of the cruise flight.

Claims

CLAIMS 1) Winged fuselage profiles m_Mï:> e_n, #ages of aircraft characterized in that they are apt to trap and annex volumes of air which, stabilized by the forces of the field, become integral with the profile and substitute for thereof, in particular at the leading edge and at the trailing edge, with the concrete result the ability to generate a disturbance V / 2 regime, 4 times less powerful than that generated under the same conditions by a solid profile of identical shape and dimensions. 2) Profiles according to claim 1 characterized in that they are truncated net in a plane perpendicular to the flow and in that the front surface is provided with a concave shape returning the air in front of it towards the longitudinal axis line of the profile, thus forming a balanced support to the attached air volume integral with the profile, stabilized and isolated from the flow by the internal field forces and conferred to the limits of this volume. 3) Profiles according to claims 1 and 2 characterized in that they are truncated to the rear following a perpendicular plane e, the flow, the front surface thus delimited is provided with a regular concave shape, so that the dynamic energy of the flow contributes to trap and annex to the profile a volume of air to the rear of the concave surface, forming a wake integral with the V / 2 speed profile as indicated in claim 1. 4) Fuselage profiles according to claim 1, < Characterized in that the concave frontal surface is reduced to its peripheral portion, to allow the use of the central portion to house the control cabin to the before and a useful volume <B≥ equivalent to the rear, without harming to the spontaneous formation of the annexed air volumes. 5) Fuselage leading edge profiles according to claims 1 and 4, characterized in that the concave surface f elm a screen perpendicular to the flow which ensures the formation, in front of him, of a volume of annexed air, whose summit e.st located on the longitudinal axis of the fuselage - < Oriented screen which, in addition, ensures behind him the formation of a second volume of air annexed faith-like ring, obtaining - thus the extension of the V / 2 regime to the connection to the metal walls - < The position and the diameter of the oriented screen are studied so that the connection to the metal profile is effected at an angle of incidence close to zero under the conditions of the cruising flight. 6) Fuselage profiles according to claims 1 and 5, characterized in that the rear portion is truncated in a plane perpendicular to the flow and equipped with a front plate, flat in its central part, with a slight concave curve in its peripheral part before - suitable for this to generate before it # an annexed volume of air connection ; also to generate behind him the formation of an annexed volume of air centered next to the longitudinal axis of the profile. In order to allow the take-off of the aircraft at take-off, the screen plate is articulated horizontally to half-height. The removable portion is equipped with a folding means such that it is inserted horizontally in front of the hinge axis, in a recess of the fuselage arranged to this effect ; folded position at takeoff and at landing ; position deployed in flight. 7) Linear wing profiles e-rnpjîlmnages according to claim 1, characterized in that they are truncated to the front following a perpendicular plane to the flow (causing the leading arrows to be removed) in that they have a concave frontal surface profile that generates an annexed volume of air to the front ; concave profile followed by a bilateral recess allowing the formation of two annexed volumes of air extending the "V / 2 regime" until the connection with the sidewalls which, under the conditions of the cruising flight, take place at an angle of incidence close to zero.