FR2964357A1

FR2964357A1 - Controle actif d'un ecoulement d'air sur un aileron par un actionneur electroarodynamique

Info

Publication number: FR2964357A1
Application number: FR1103637A
Authority: FR
Inventors: Pierre Magnier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2012-03-09
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: FR2964357B1

Abstract

Dispositif de contrôle actif d'un écoulement d'air autour d'un véhicule automobile comprenant au moins un dispositif d'ailerons qui est pourvu d'au moins un aileron (1) défini par un bord d'attaque (2), un bord de fuite (3), des surfaces supérieure (4) et inférieure (5), caractérisé en ce qu'au moins un actionneur électroaérodynamique (100, 200) formant une zone ionisée (103, 204, 205) est monté exclusivement à la surface inférieure (5) de l'aileron (1), ledit au moins un actionneur électroaérodynamique (100, 200) recevant un signal électrique (11) d'une alimentation électrique haute tension (8) dont la mise en œuvre est contrôlée par un organe de contrôle (9) pourvu d'un système d'asservissement électronique (91) recevant des valeurs de paramètres par des capteurs (17). La présente invention concerne également un procédé de mise en œuvre d'un tel dispositif.

Description

- 1 - La présente invention a pour un objet un dispositif de contrôle actif d'un écoulement d'air autour d'un véhicule automobile. Un véhicule automobile, en particulier un véhicule participant à des compétitions de courses automobiles, peut être pourvu d'au moins un dispositif d'ailerons à l'avant et/ou à l'arrière du véhicule. Un tel dispositif d'ailerons comporte un ou plusieurs ailerons et se déplace dans l'air avec le véhicule sur lequel il 10 est monté. De manière classique, un aileron est constitué d'un bord d'attaque, correspondant à l'extrémité avant de l'aileron pénétrant dans l'air, et d'un bord de fuite, correspondant à l'extrémité arrière de l'aileron. Entre ces deux bords 15 caractéristiques, une surface supérieure (tournée vers le ciel) et une surface inférieure (tournée vers le sol) sont définies. En général, un aileron est soumis à trois forces aérodynamiques : une force de portance FL qui est perpendiculaire à la direction de l'écoulement et dirigée de la surface inférieure vers la surface supérieure ; une force de traînée FD qui est parallèle à la direction de l'écoulement et agissant pour freiner le mouvement du véhicule ; et une force d'appui FA qui est perpendiculaire à la direction de l'écoulement et dirigée de la surface supérieure vers la surface inférieure. L'objet d'un tel dispositif d'ailerons est : d'assurer une pénétration optimale du véhicule dans l'air en limitant la force de traînée, ce qui permet une vitesse du véhicule plus élevée à une même puissance moteur ; de limiter la portance pour éviter l'envol du véhicule ; et 20 25 30

- 2 - d'augmenter la force d'appui, ce qui permet des vitesses élevées en courbe et le maintien du véhicule au sol en ligne droite. Les véhicules participant au Championnat du Monde de Formule 1 présentent un rapport entre les forces d'appui et de traînée de 3. Toutefois, il peut être utile d'agir sur le dispositif d'ailerons pour optimiser les performances du véhicule en cours d'utilisation. Dans cet objectif il est possible d'agir sur l'incidence de l'aileron par rapport à l'écoulement. Une telle action est classiquement réalisée par l'actionnement d'éléments pneumatiques, hydrauliques et/ou mécaniques. Toutefois, ce type d'actionnement a un temps de réponse relativement lent et les éléments mécaniques peuvent se détériorer au cours du temps ou suite à des chocs.

Il est également possible d'améliorer les performances du véhicule en agissant directement sur l'écoulement d'air autour de l'aileron. Au cours de la dernière décennie, des actionneurs électroaérodynamiques ont été développés dans ce but. De tels actionneurs sont constitués généralement d'électrodes métalliques reliées à une alimentation électrique haute tension. Une zone ionisée (correspondant à l'état de la matière de plasma) est générée entre les électrodes une fois activées par l'alimentation électrique. De nombreuses études ont montré que le mouvement des ions dans la zone ionisée induit un mouvement de l'air extérieur par transfert de quantité de mouvement. Un tel mouvement d'air induit permet la modification de l'écoulement d'air à proximité d'un tel actionneur électroaérodynamique. La demande de brevet JP 2010-158977 A décrit un actionneur à plasma pouvant générer une zone ionisée dans l'espace vide de matière entre deux ailerons d'un même dispositif d'ailerons. Le but d'un tel actionneur à plasma est de permettre ou d'interdire le passage de l'écoulement d'air entre les deux ailerons au moyen d'un contrôle actif de l'actionneur, afin de moduler les performances du véhicule. L'inconvénient d'un tel dispositif est que le contrôle actif n'est réalisé qu'en fonction de la vitesse

- 3 - du véhicule. De plus l'action sur l'écoulement d'air de l'actionneur à plasma est localisée uniquement sur un endroit particulier induisant un effet global sur le véhicule minime. La demande de brevet US 2010/0072778 Al décrit un spoiler à plasma composé de deux électrodes entre lesquelles un plasma est généré, permettant la modification de l'écoulement à l'arrière d'un véhicule automobile. Le spoiler à plasma est par ailleurs contrôlé par un organe de contrôle via un commutateur d'activation ou de désactivation de l'actionneur. L'inconvénient d'un tel dispositif est que le contrôle actif géré par l'organe de contrôle n'est réalisé qu'en fonction de la vitesse du véhicule. De plus un tel dispositif ne peut avoir d'effet que sur l'arrière d'un véhicule automobile. Pour finir, l'alimentation électrique reliée au spoiler à plasma n'est pas contrôlée par l'organe de contrôle.

Par ailleurs, aucune de ces inventions antérieures ne prévoit d'agir sur le fait qu'étant donné la forme des profils des ailerons généralement utilisés pour les véhicules automobiles et éventuellement les incidences requises, l'écoulement d'air peut décoller de la surface inférieure et ainsi créer des tourbillons instationnaires sur la surface inférieure et à l'arrière de l'aileron. De tels tourbillons instationnaires sont un frein à l'avancement du véhicule puisqu'ils contribuent à la force de traînée FD et réduisent la force d'appui FA, diminuant ainsi le rapport FA/FD. Cet effet s'accentue avec la vitesse du véhicule.

La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif de contrôle actif d'un écoulement d'air autour d'un véhicule automobile par un actionneur électroaérodynamique de nature à supprimer ou à tout le moins à réduire dans une large mesure les tourbillons instationnaires générés par un dispositif d'ailerons. Le terme d' « aileron » utilisé dans la suite de la description est général et peut décrire aussi bien un aileron, un spoiler, un profil d'aile ou tout autre élément aérodynamique ayant la même utilisation et les mêmes caractéristiques.

- 4 Par ailleurs, le véhicule automobile est en mouvement en pénétrant dans l'air à une certaine vitesse, ce qui est équivalent à un véhicule fixe dans un air qui en mouvement à une même vitesse. Cette notion de mouvement sera reprise dans la suite de la description sous le terme d' « écoulement ». Un actionneur électroaérodynamique conforme à l'invention est pourvu d'au moins une électrode reliée à une alimentation électrique haute tension et dont une partie est exposée à l'air libre à la surface d'un matériau diélectrique. Une telle électrode sera qualifiée d'électrode « active » dans la suite de la description. L'actionneur électroaérodynamique est également pourvu d'au moins une électrode noyée dans le matériau diélectrique, positionnée en décalage par rapport à au moins une électrode active, et portée à un potentiel électrique continu supérieur ou égal à 0 et plus faible que celui alimentant les électrodes actives. Une telle électrode sera qualifiée d'électrode « passive » dans la suite de la description. Lorsque l'alimentation électrique haute tension délivre un signal électrique aux électrodes actives et créant une différence de potentiel suffisante entre les électrodes actives et passives, une zone ionisée peut être générée entre les électrodes actives et passives sur la surface du matériau diélectrique. L'actionneur électroaérodynamique est alors dit « activé ». Lorsque l'alimentation électrique haute tension ne délivre par un signal électrique suffisant pour générer une zone ionisée ou lorsque l'alimentation électrique haute tension n'est pas en oeuvre, l'actionneur électroaérodynamique est dit « désactivé ». Selon la présente invention, au moins un actionneur électroaérodynamique tel que précédemment décrit est monté exclusivement sur la surface inférieure d'un aileron destiné à équiper un véhicule automobile. Lorsque l'actionneur électroaérodynamique est activé sur l'aileron, une zone ionisée est créée sur la surface inférieure de l'aileron. Un mouvement d'air est induit à proximité immédiate et

- 5 - au-dessus de la zone ionisée, ce toujours de l'électrode active vers En disposant les électrodes mouvement d'air induit par la zone l'écoulement, la couche limite de modifiée à la surface inférieure décalage de la zone de décollement même la suppression du décollement particulièrement intéressante pour générer une force de traînée FD inférieure et une force d'appui FA supérieure, contribuant à l'avancement du véhicule. A l'inverse, en disposant les électrodes de telle manière à avoir un mouvement d'air induit par la zone ionisée dans le sens contraire à l'écoulement, la couche limite de l'écoulement d'air est alors modifiée à la surface inférieure de l'aileron permettant un décalage de la zone de décollement vers le bord d'attaque. Cette application peut être particulièrement intéressante pour générer une force de traînée FD supérieure et contribuer au freinage du véhicule.

Selon la présente invention, le dispositif est complété par un organe de contrôle intégré dans le véhicule automobile et directement relié à l'alimentation électrique haute tension. L'organe de contrôle est composé d'un système d'asservissement électronique pourvu d'une mémoire associée, de processeurs, de moyens de calculs, d'entrées et de sorties de signaux électriques. L'organe de contrôle reçoit des valeurs de paramètres caractéristiques du véhicule et/ou de l'écoulement d'air alentour (vitesse, quantité de carburant, etc.) par des capteurs montés dans le véhicule automobile sous la forme de signaux électriques de faible tension. Selon un procédé décrit ci-après, l'organe de contrôle émet une décision de mise en oeuvre ou non de l'alimentation électrique haute tension, contrôlant ainsi l'activation et la désactivation de l'actionneur électroaérodynamique relié à l'alimentation électrique. mouvement d'air se propageant l'électrode passive. de telle manière à avoir un ionisée dans le même sens que l'écoulement d'air est alors de l'aileron permettant un vers le bord de fuite voire Cette application peut être 5 10 15 20 25 3035

- 6 - Selon des aspects particulièrement avantageux mais non obligatoires de la présente invention, un tel dispositif peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible : Les électrodes sont des bandes métalliques parallèles entre elles et disposées longitudinalement, dans le sens de l'envergure de l'aileron. Les électrodes sont en cuivre. Les électrodes ont une épaisseur comprise entre 5 et 50 pm. Les électrodes ont une longueur supérieure ou égale à 90% de l'envergure de l'aileron sur lequel elles sont montées. L'actionneur électroaérodynamique est composé d'un couple d'électrodes métalliques, une première électrode étant active et ayant une partie exposée à l'air libre tandis qu'une seconde électrode est passive et est noyée dans un matériau diélectrique. Selon un plan de coupe transversal, l'électrode passive est située en décalé par rapport à l'électrode active. L'actionneur électroaérodynamique est composé d'un trio d'électrodes métalliques, deux électrodes étant actives et ayant une partie exposée à l'air libre tandis que l'autre électrode est passive et noyée dans un matériau diélectrique. Selon un plan de coupe transversal, l'électrode passive est située entre les deux électrodes actives. Une seule électrode active est alimentée à la fois par l'alimentation électrique haute tension. Il est ainsi possible, en changeant d'électrode active alimentée, de changer la direction de l'écoulement d'air induit par le plasma. Un commutateur de direction est intégré dans l'organe de contrôle de telle sorte qu'une décision peut être prise sur le sens de l'écoulement d'air induit. L'intérêt d'un tel actionneur électroaérodynamique est d'avoir un seul et même dispositif pouvant soit décaler la zone de décollement vers le bord de fuite, et donc 10 15 20 25 30 35

- 7 - diminuer la force de traînée, soit décaler la zone de décollement vers le bord d'attaque, et donc augmenter la force de traînée. La distance dans le sens de la corde de l'aileron entre les extrémités d'une électrode passive et d'une électrode active d'un même actionneur électroaérodynamique est comprise entre 0 et 50 mm. - La distance entre les extrémités supérieures des électrodes actives et passives d'un même actionneur électroaérodynamique est comprise entre 0,5 et 5 mm. - L'alimentation électrique haute tension délivre un signal électrique continu aux électrodes actives d'un actionneur électroaérodynamique permettant une différence de potentiel V entre les électrodes actives et passives. L'alimentation électrique haute tension délivre un signal électrique sinusoïdal aux électrodes actives caractérisé par une fréquence sinusoïdale fs et une tension V entre deux crêtes. L'alimentation électrique haute tension délivre un signal électrique discontinu aux électrodes actives tel qu'il consiste en une succession de composantes sinusoïdales et constantes, caractérisé par une fréquence sinusoïdale fs, une fréquence d'activation du signal fast et une tension V entre deux crêtes. L'intérêt d'un tel signal électrique est d'une part de nécessiter moins d'énergie pour avoir un même effet sur l'écoulement aérodynamique et d'autre part de pouvoir moduler la fréquence d'activation fast au plus près de la fréquence d'instabilité de l'écoulement d'air. L'alimentation électrique haute tension délivre un signal électrique impulsionnel (composé de pics de Dirac) aux électrodes actives caractérisé par une fréquence des pics fi et une tension des pics V. Les électrodes passives sont portées à un potentiel constant compris entre 0 et 10 kV. 10 15 20 25 30 -8- La tension V appliquée par l'alimentation électrique haute tension est comprise entre 20 et 150 kV. La fréquence sinusoïdale fs appliquée par l'alimentation électrique haute tension est comprise entre 0,5 et 5 kHz. La fréquence impulsionnelle fi appliquée par l'alimentation électrique haute tension est comprise entre 0,5 et 50 kHz. La fréquence d'activation fact appliquée par l'alimentation électrique haute tension est comprise entre 1 et 100 Hz. Le matériau diélectrique peut être du Polytétrafluoéthène, du Polyéthylène Téréphtalate, du HN Polymide Film, du verre, de la résine Epoxy, ou du Polyméthyl Méthacrylate. - Le matériau diélectrique est composé d'une succession de couches de différents matériaux afin d'obtenir des propriétés diélectriques et mécaniques souhaitées. Le matériau diélectrique a une constante diélectrique ER supérieure ou égale à 3. - Le matériau diélectrique a une rigidité diélectrique supérieure ou égale à 200 kV/mm. La surface inférieure de l'aileron est pourvue de plusieurs actionneurs électroaérodynamiques positionnés successivement le long de la corde de l'aileron. L'intérêt d'un tel dispositif est de pouvoir activer un ou plusieurs actionneurs au plus près de la zone de décollement naturelle de l'écoulement sur l'aileron, permettant une action optimale. - La distance entre deux actionneurs électroaérodynamiques positionnés côte à côte est supérieure ou égale à 2,5 fois la distance entre les extrémités d'une électrode passive et d'une électrode active d'un même actionneur électroaérodynamique. Le but d'un tel espacement est d'éviter l'influence d'un actionneur électroaérodynamique activé sur les autres alentours.

- 9 - - Les actionneurs électroaérodynamiques successifs sur la surface inférieure d'un aileron sont référencés par un numéro incrémental 1 à N (N >- 1) dans la mémoire de l'organe de contrôle.

L'organe de contrôle est pourvu d'au moins un commutateur d'activation directement relié au système d'asservissement électronique d'une part et à l'alimentation électrique haute tension d'autre part. Un tel commutateur d'activation permet de sélectionner la position de l'actionneur électroaérodynamique à activer selon une décision du système d'asservissement électronique. L'organe de contrôle est relié à un voyant installé dans la cabine de pilotage, ledit voyant étant illuminé en cas d'actionnement d'au moins un actionneur électroaérodynamique sur l'un des ailerons du véhicule. - Le pilote du véhicule automobile peut agir directement sur le système d'asservissement de l'organe de contrôle pour décider de mettre en oeuvre ou non l'alimentation électrique haute tension et activer un des actionneurs électroaérodynamiques. La présente invention concerne également un véhicule automobile équipé d'au moins un dispositif d'ailerons à l'avant et/ou à l'arrière du véhicule pourvu d'au moins un actionneur 25 électroaérodynamique selon l'un quelconque des modes de réalisation décrit précédemment. La présente invention concerne également un procédé de mise en oeuvre d'un contrôle actif d'un écoulement d'air sur un aileron d'un véhicule automobile par un dispositif tel que décrit 30 précédemment. Selon ce procédé, lors d'une étape préliminaire, on crée une matrice d'étalonnage sur les caractéristiques d'un aileron équipé d'au moins un actionneur électroaérodynamique, permettant de relier entre eux différents paramètres de l'écoulement, du 35 véhicule et de l'actionneur. 20

- 10 - Par exemple, la matrice d'étalonnage peut contenir l'évolution des positions des actionneurs à activer en fonction de la vitesse pour avoir une action sur la zone de décollement ou aérodynamiquement pertinente. La matrice d'étalonnage peut également contenir l'évolution des paramètres des signaux électriques alimentant les électrodes actives en fonction de la vitesse. Ces données peuvent également être reliées à d'autres données pertinentes comme l'incidence de l'aileron, la masse totale du véhicule en temps réel, l'endroit sur la piste où le véhicule se trouve, etc. Toujours selon cette étape préliminaire du procédé, la matrice d'étalonnage est enregistrée dans la mémoire de l'organe de contrôle. Cette étape préliminaire ayant été effectuée, il est alors 15 possible de mettre en oeuvre le contrôle actif de l'écoulement autour de l'aileron. Selon une première étape, des capteurs mesurent des valeurs de paramètres caractéristiques du véhicule et/ou de l'écoulement d'air autour et transmettent ces valeurs à l'organe de contrôle. 20 Selon une deuxième étape, une boucle décisionnelle dans le système d'asservissement électronique permet de fixer une décision de mise en oeuvre ou non de l'alimentation électrique haute tension pour au moins un actionneur électroaérodynamique auquel elle est reliée. Cette boucle décisionnelle intègre une étape d'analyse 25 dans la matrice d'étalonnage à partir des valeurs des paramètres caractéristiques reçus lors de la première étape du procédé. Par exemple, cela peut consister en la récupération des valeurs de vitesse et de quantité de carburant, puis une comparaison croisée est réalisée par le système d'asservissement 30 électronique avec les données de position d'actionneur électroaérodynamique à activer pour ces données. Si au cours de l'étape préliminaire de réalisation de la matrice d'étalonnage il a été déterminé qu'aucune activation d'un actionneur n'est nécessaire pour de telles valeurs, alors une position marquée 35 « 0 » sera indiquée dans la matrice d'étalonnage. Par contre si 2964357 - 11 - l'activation d'au moins un actionneur est nécessaire, le numéro 1 à N référençant l'actionneur à activer est indiqué dans la matrice. Ainsi dans cet exemple de la deuxième étape du procédé, si la donnée de position est nulle une décision de non-mise en oeuvre de 5 l'alimentation électrique est prise par le système d'asservissement électronique de l'organe de contrôle. Par contre si la donnée de position est non-nulle, une décision de mise en oeuvre de l'alimentation électrique est prise. Selon une troisième étape, si la décision de mise en oeuvre de 10 l'alimentation électrique est prise, alors les valeurs caractéristiques d'activation d'au moins un actionneur électroaérodynamique doivent être déterminées à partir de la matrice d'étalonnage. Ces valeurs peuvent être la position de l'actionneur à activer, la tension V à appliquer et/ou les fréquences fs, fact, fi à appliquer. Selon une quatrième étape, si au moins deux actionneurs électroaérodynamiques sont montés sur la surface inférieure de l'aileron, le système d'asservissement sélectionne la position de l'actionneur à activer au niveau d'un commutateur de position intégré dans l'organe de contrôle. Selon une cinquième étape, si les actionneurs montés sur la surface inférieure de l'aileron sont composés d'un trio d'électrodes, le système d'asservissement sélectionne l'électrode active à alimenter au niveau du commutateur de direction intégré dans l'organe de contrôle. Selon une dernière étape, une fois les sélections au niveau des commutateurs de position et/ou de direction prises, l'alimentation électrique haute tension est mise en oeuvre et un actionneur électroaérodynamique est activé.

Selon une étape additionnelle éventuelle, le système d'asservissement électronique de l'organe de contrôle procède à un ajustement de la fréquence de prise de mesure des capteurs et/ou d'envoi des valeurs à l'organe de contrôle et/ou de mise en oeuvre de la deuxième étape est réalisé en fonction de la vitesse du

- 12 - véhicule. L'envoi de(s) fréquence(s) ajustée(s) aux capteurs est par suite réalisé par l'organe de contrôle.

En effet, plus la vitesse est élevée, plus les conditions de course évoluent rapidement nécessitant une analyse par l'organe de contrôle plus fréquente. Cet ajustement de la fréquence peut être déterminé à partir de formules préétablies et enregistrées dans la mémoire de l'organe de contrôle. L'ensemble de ces étapes successives se répète en boucle à 10 chaque mesure de paramètres caractéristiques. Un tel dispositif de contrôle actif d'un écoulement d'air sur un aileron équipant un véhicule automobile est réalisé sans aucune pièce mécanique et le contrôle est entièrement géré électriquement. Le temps de réponse du dispositif est fortement réduit par rapport 15 à un système mécanique, sans aucun risque de casse ou de blocage. Un autre avantage de la présente invention est de permettre une action localisée permettant une optimisation de l'énergie fournie et une meilleure action. Par ailleurs, le dispositif de contrôle actif est entièrement 20 automatisé en boucle ouverte et ne nécessite pas d'action de la part du pilote du véhicule. Un autre avantage de l'invention est que la mise en incidence de l'aileron peut être remplacée par une action d'un actionneur électroaérodynamique et produisant le même effet aérodynamique : 25 une mise en incidence mécanique peut ainsi être remplacée par une mise en incidence « virtuelle ». Par ailleurs, un tel dispositif peut permettre des incidences plus élevées de l'aileron par rapport à un aileron non équipé grâce au décalage de la zone de décollement. 30 De nouvelles formes d'ailerons peuvent être développées en fonction de l'utilisation de tels actionneurs électro- aérodynamiques. Les caractéristiques du dispositif de contrôle actif d'un écoulement d'air ainsi que du procédé qui font l'objet de

- 13 - l'invention seront décrites plus en détails en se référant aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels : la Figure 1 représente une vue en perspective d'un aileron ; les Figures 2a et 2b représentent un aileron équipé d'un actionneur électroaérodynamique selon un premier mode de réalisation ; les Figures 3a à 3c représentent un aileron équipé d'un actionneur électroaérodynamique selon un second mode de réalisation ; la Figure 4 représente un signal d'alimentation électrique ; les Figures 5a à 5c représentent les écoulements d'air autour d'un aileron selon l'activation d'un actionneur électroaérodynamique ; les figure 6a et 6b représentent un aileron équipé de plusieurs actionneurs électroaérodynamiques ; et la figure 7 représente un système de contrôle actif d'un aileron équipé de plusieurs actionneurs électroaérodynamiques. Selon la Figure 1, un aileron 1 conforme à l'état de l'art et mis dans un écoulement d'air, dont la vitesse est représentée par la flèche U, est essentiellement composé d'un bord d'attaque 2 correspondant à l'extrémité avant de l'aileron 1 pénétrant dans 25 l'air, et d'un bord de fuite 3, correspondant à l'extrémité arrière de l'aileron. Entre ces deux bords caractéristiques 2 et 3, des surfaces supérieure 4 (tournée vers le ciel) et inférieure 5 (tournée vers le sol) sont définies. 30 L'incidence de l'aileron est définie par l'angle que fait un plan X-X' passant les bords d'attaque 2 et de fuite 3 par rapport à la direction de l'écoulement U. Une section en coupe selon un plan perpendiculaire par rapport au plan X-X' montre le profil 6 de l'aileron 1 défini de 35 manière à optimiser les performances aérodynamiques de l'aileron. 10 15 20

- 14 - Selon un premier mode de réalisation représenté dans les Figures 2a et 2b, l'aileron 1 est pourvu sur sa surface inférieure 5 d'un actionneur électroaérodynamique 100. L'actionneur électroaérodynamique 100 est composé d'une électrode active 101, reliée à une alimentation électrique haute tension 8 par une connexion électrique 301. L'électrode active 101 est une bande métallique répartie sur l'envergure de l'aileron 1 et en partie noyée dans un matériau diélectrique 7 formant la matière de l'aileron 1. L'électrode active 101 est caractérisée par une face inférieure 101a, des faces latérales 101b et 101c, ces trois faces étant noyées dans le matériau diélectrique 7, et une face supérieure 101d qui est exposée à l'air libre. L'actionneur électroaérodynamique 100 est également composé d'une électrode passive 102, reliée à la terre 10 (potentiel électrique nul) par une connexion électrique 302. L'électrode passive 102 est une bande métallique parallèle à l'électrode active 101 et répartie sur l'envergure de l'aileron 1 et entièrement noyée dans le matériau diélectrique 7. L'électrode passive 102 est caractérisée par une face inférieure 102a, des faces latérales 102b et 102c et une face supérieure 102d qui sont toutes noyées dans le matériau diélectrique 7. L'électrode passive 102 est positionnée dans la matière 7 de l'aileron 1, sous l'électrode active 101, et en décalée par rapport à l'électrode active 101.

Pour la clarté des représentations, les arrêtes cachées des électrodes sont représentées par des traits en pointillés. Selon la Figure 6b, les dimensions caractéristiques de l'actionneur électroaérodynamique 100 sont : la longueur LEA de l'électrode active 101 dans le sens de 30 la corde de l'aileron 1, la longueur LEP de l'électrode passive 102 dans le sens de la corde de l'aileron 1, l'espacement G entre les faces latérale 101c et 102b des électrodes active 101 et passive 102 respectivement, 35 comprise entre 0 et 50 mm, et

- 15 - l'espacement E entre les faces supérieures 101d et 102d des électrodes active 101 et passive 102 respectivement, comprise entre 0,5 et 5 mm. L'alimentation électrique haute tension 8 est directement reliée à un organe de contrôle 9 par des connexions électriques 303. L'organe de contrôle 9 contrôle la mise en oeuvre ou la non-mise en oeuvre de l'alimentation électrique haute tension 8 selon un procédé décrit ci-après dans la description des figures. Lorsque l'alimentation électrique haute tension 8 délivre un signal électrique 11 suffisant, une zone ionisée 103 de quelques micromètres d'épaisseur se crée à la surface du matériau diélectrique 7, et donc sur la surface inférieure 5 de l'aileron 1. Cette zone ionisée 103 s'étend à partir de la jonction entre les faces latérale 101c et supérieure 101d de l'électrode active 101 jusqu'à une zone située au-dessus de l'électrode passive 102. Selon le signal électrique 11 transmis à l'électrode active 101, la zone ionisée peut couvrir au minimum l'espacement G entre les deux électrodes 101 et 102 et au maximum l'intégralité de l'espacement G et la longueur LEP de l'électrode passive 102.

La zone ionisée 103 générée par l'actionneur électroaérodynamique 100 activé induit un mouvement d'air dont la direction et le sens sont schématisés par la flèche I. Le sens du mouvement d'air induit I1 va de l'électrode active 101 vers l'électrode passive 102.

Selon un second mode de réalisation représenté dans les Figures 3a à 3c, l'aileron 1 est pourvu sur sa surface inférieure 5 d'un actionneur électroaérodynamique 200 qui diffère de l'actionneur électroaérodynamique 100 en ce qu'il est composé d'un trio d'électrodes.

L'actionneur 200 est ainsi composé de deux électrodes actives 201 et 203 parallèles entre elles et essentiellement identiques à l'électrode active 101 décrite précédemment. Les faces 201a à d et 203a à d correspondent aux mêmes faces 10la à d de l'électrode active 101.

- 16 - Entre ces deux électrodes actives 201 et 203 est positionnée une électrode passive 202 parallèle aux électrodes actives 201 et 203 et entièrement noyée dans le matériau diélectrique 7 formant l'aileron 1. L'électrode passive 202 est essentiellement identique à l'électrode passive 102 décrite précédemment. Les faces 202a à d correspondent aux mêmes faces 102a à d de l'électrode passive 102. L'actionneur 200 est relié à l'alimentation électrique haute tension 8 par des connexions électriques 301, celle-ci étant directement reliée à un organe de contrôle 9 par des connexions électriques 303. L'organe de contrôle 9 est pourvu d'une part d'un système d'asservissement électronique 91 et d'un commutateur de direction 95. Sur instruction du système d'asservissement 91 par un élément de transfert de données 93, le commutateur de direction 95 met en circuit fermé le moyen de connexion 301 correspondant à l'électrode active 201 et l'alimentation électrique haute tension 8 délivre alors un signal électrique 11 à l'électrode active 201. Une zone ionisée 204 se crée à la surface du matériau diélectrique 7 et s'étend à partir de la jonction entre les faces latérale 201c et supérieure 201d de l'électrode active 201 jusqu'à une zone située au-dessus de l'électrode passive 202. La zone ionisée 204 générée par l'actionneur électroaérodynamique 200 à partir de l'électrode active 201 induit un mouvement d'air dont la direction et le sens sont schématisés par la flèche Il. A l'inverse, lorsque le commutateur de direction 95 met en circuit fermé le moyen de connexion 301 correspondant à l'électrode active 203, l'alimentation électrique haute tension 8 délivre un signal électrique 11 à l'électrode active 203. Une zone ionisée 205 se crée à la surface du matériau diélectrique 7 et s'étend à partir de la jonction entre les faces latérale 203b et supérieure 203d de l'électrode active 203 jusqu'à une zone située au-dessus de l'électrode passive 202.

- 17 - La zone ionisée 205 générée par l'actionneur électroaérodynamique 200 à partir de l'électrode active 203 induit un mouvement d'air dont la direction et le sens sont schématisés par la flèche I3. Les mouvements d'air I1 et I3 ont des sens opposés. Un exemple de signal électrique 11 généré par l'alimentation électrique haute tension 8 et délivré à une électrode active 101, 201, 203 est représenté en Figure 4. Le signal électrique 11 a une composante sinusoïdale 12 ayant une tension d'amplitude V, comprise entre 20 et 150 kV, entre les crêtes supérieures 12a et inférieures 12b et de fréquence sinusoïdale fs, comprise entre 0,5 et 5 kHz, entre deux crêtes successives. Le signal électrique 11 est également composé par une composante constante 13 et nulle. Le signal électrique 11 est discontinu en étant une succession de composantes sinusoïdales 12 et constantes 13, caractérisé par la fréquence d'activation fast. comprise entre 1 et 100 Hz, entre les premières crêtes de deux composantes sinusoïdales 12 successives.

Les Figures 5a à 5c comparent les effets sur l'écoulement d'air de vitesse U d'actionneurs électroaérodynamiques 100, 200 montés sur la surface inférieure 5 d'un aileron 1 en représentant les lignes de courant de l'écoulement inférieure Uinf s'écoulant le long de la surface inférieure 5 de l'aileron 1, et supérieure Usup s'écoulant le long de la surface supérieure 4. Un aileron 1 non équipé d'actionneur électroaérodynamique ou tel que l'actionneur 100, 200 dont il est équipé est désactivé peut avoir un écoulement d'air alentour tel que représenté en Figure 5a. Selon les conditions de vitesse ou d'angle d'incidence, la couche limite de l'écoulement d'air Uinf peut se séparer dans une zone de séparation naturelle 14 sur la surface inférieure 5, entre les bords d'attaque 2 et de fuite 3. Ce décollement de l'écoulement provoque une zone de tourbillons instationnaires 15 à l'arrière de la zone de séparation 14 créant une importante force de traînée FD.

- 18 - Un aileron équipé d'un actionneur électroaérodynamique 100 ou 200 activé et tel que le sens du mouvement d'air induit I ou Ii est identique à celui de l'écoulement U peut avoir un écoulement d'air alentour tel que représenté en Figure 5b, l'écoulement d'air U ayant strictement les mêmes caractéristiques que dans la Figure 5a. L'activation de l'actionneur 100, 200 sur la couche limite de l'écoulement d'air Uinf sur la surface inférieure a pour effet de décaler la position de la zone de séparation naturelle 14 vers le bord de fuite 3, et même de la supprimer. Cela permet une réduction de la force de traînée FD et d'augmenter la force d'appui FA par rapport au cas de la Figure 5a. Un aileron équipé d'un actionneur électroaérodynamique 200 activé et tel que le sens du mouvement d'air induit I3 est opposé à l'écoulement U peut avoir un écoulement d'air alentour tel que représenté en Figure 5b, l'écoulement d'air U ayant strictement les mêmes caractéristiques que dans les Figure 5a et 5b. L'activation de l'actionneur 200 sur la couche limite de l'écoulement d'air Uinf sur la surface inférieure a pour effet de décaler la position de la zone de séparation naturelle 14 vers le bord d'attaque 2, la zone de séparation 16 étant dite « forcée ». L'effet est d'autant plus prononcé que l'actionneur électroaérodynamique 200 activé est positionné à proximité du bord d'attaque 2 de l'aileron 1. Cela permet une augmentation de la force de traînée FD et de limiter la force d'appui FA par rapport aux cas des Figures 5a et 5b. La position de la zone de séparation naturelle 14 de l'écoulement Uinf sur la surface inférieure 5 de l'aileron 1 dépend des conditions de vitesse et des paramètres caractéristiques du véhicule, qui évoluent continuellement. Afin d'avoir une action optimisée d'un actionneur électroaérodynamique 100, 200 au plus près de la zone de séparation naturelle 14, l'aileron 1 peut être équipé d'une multitude d'actionneurs électroaérodynamiques 100, 200, référencés par une numérotation incrémentale 1 à N (N >- 1) selon la Figure 6a.

- 19 - Comme mentionné dans la Figure 6b pour deux actionneurs électroaérodynamiques 100 successifs, un espacement D définit l'écart entre la face latérale 101b de l'électrode active 101 d'un premier actionneur 100 et la face latérale 102c de l'électrode passive 102 d'un deuxième actionneur 100. Cet espacement D doit être au moins 2,5 fois supérieur à l'espacement G afin d'éviter toute influence de la zone ionisée générée par un actionneur activé sur les actionneurs désactivés l'entourant.

De la même manière l'espacement D peut être défini entre les faces latérales externes des électrodes actives 201, 203 de deux actionneurs 200 positionnés successivement. Comme représenté sur la Figure 7, chaque actionneur électroaérodynamique 100, 200 équipant l'aileron 1 est relié directement à l'alimentation électrique haute tension 8. Par ailleurs, chaque actionneur électroaérodynamique 100, 200 est relié à l'alimentation électrique haute tension 8 via une connexion électrique 301 qui lui est dédié. Des connexions électriques 303 relient l'alimentation électrique haute tension 8 à l'organe de contrôle 9, chaque connexion électrique 303 étant dédiée à un actionneur électroaérodynamique 100, 200. L'organe de contrôle 9 est pourvu d'un système d'asservissement électronique 91 équipé d'une mémoire dans laquelle est préalablement enregistrée une matrice d'étalonnage 911, qui contient des valeurs comparées 911a, 911b, 911c entre les différents paramètres du véhicule, de l'aileron et des actionneurs électroaérodynamiques. Le système d'asservissement électronique 91 est relié directement dans l'organe de contrôle 9 à un commutateur de position 92 par une connexion électrique 305 et un élément de transfert de données 96. Eventuellement le commutateur d'activation 92 est relié à une succession de commutateurs de direction 95 par des connexions électriques 304 si des actionneurs électroaérodynamiques 200 permettant un changement de direction du mouvement d'air induit sont installés.

- 20 - Chaque commutateur de direction 95 est relié à des connexions électriques 303 puis 301 via l'alimentation électrique haute tension 8, chacune étant dédiée à un actionneur électroaérodynamique 200.

Par ailleurs, des capteurs 17 sont intégrés au véhicule sur lequel est installé l'aileron 1 équipé d'actionneurs électroaérodynamiques 1 et envoient des valeurs de paramètres caractéristiques mesurées au système d'asservissement électronique 91 de l'organe de contrôle 9, via des éléments de transfert de données 171. Des données peuvent également être transmises par le système d'asservissement électronique 91 de l'organe de contrôle 9 aux capteurs 17 via des éléments de transfert de données 172. Le procédé de contrôle actif de l'écoulement d'air autour de l'aileron 1 tel que représenté en Figure 7 s'effectue de la manière suivante. Lors d'une étape préliminaire, on crée une matrice d'étalonnage 911 sur les caractéristiques de l'aileron 1 équipé d'actionneurs électroaérodynamiques 100, 200, permettant de relier entre eux différents paramètres de l'écoulement, du véhicule et de l'actionneur. La matrice d'étalonnage 911 contient l'évolution 911c des positions 1 à N des actionneurs 100, 200 à activer en fonction de la vitesse U du véhicule et de l'incidence de l'aileron, et les évolutions 911a et 911b des paramètres des signaux électriques 11 alimentant les électrodes actives 101, 201, 203 en fonction de la vitesse U et de l'incidence de l'aileron. Toujours selon cette étape préliminaire du procédé, la matrice d'étalonnage 911 est enregistrée dans la mémoire du système d'asservissement 91 intégré dans l'organe de contrôle 9.

Cette étape préliminaire ayant été effectuée, il est alors possible de mettre en oeuvre le contrôle actif de l'écoulement autour de l'aileron 1. Selon une première étape, les capteurs 17 mesurent des valeurs de paramètres caractéristiques du véhicule et/ou de l'écoulement d'air autour et transmettent ces données au système

- 21 - d'asservissement 91 de l'organe de contrôle 9 via les éléments de transfert de données 171. Selon une deuxième étape, une boucle décisionnelle dans le système d'asservissement électronique 91 permet de fixer une décision de mise en oeuvre ou non de l'alimentation électrique haute tension 8 pour au moins un actionneur électroaérodynamique 100, 200 auquel elle est reliée. Cette boucle décisionnelle intègre une étape d'analyse dans la matrice d'étalonnage 911 à partir des valeurs des paramètres caractéristiques reçus des capteurs 17 lors de la première étape du procédé. Selon une troisième étape, si la décision de mise en oeuvre de l'alimentation électrique 8 est prise à l'étape précédente, alors les valeurs caractéristiques d'activation d'au moins un actionneur électroaérodynamique 100, 200 doivent être déterminées à partir de la matrice d'étalonnage 911. En particulier, ces valeurs sont la position 1 à N de l'actionneur à activer, la tension V à appliquer et les fréquences fs et Tact à appliquer. Selon une quatrième étape, si au moins deux actionneurs électroaérodynamiques 100, 200 sont montés sur la surface inférieure 5 de l'aileron 1, le système d'asservissement électronique 91 sélectionne la position 1 à N de l'actionneur 100, 200 à activer au niveau du commutateur d'activation 92 intégré dans l'organe de contrôle 9, via l'élément de transferts de données 96.

Selon une cinquième étape, si la surface inférieure 5 de l'aileron 1 est équipée d'actionneurs électroaérodynamiques 200, le système d'asservissement électronique 91 sélectionne l'électrode active 201 ou 203 à alimenter au niveau du commutateur de direction 95 intégré dans l'organe de contrôle, via l'élément de transfert de données 93. Selon une dernière étape, lorsque l'ensemble des étapes précédentes sont achevées et qu'un circuit électrique caractérisé par les connexions électriques successives 305, 304, 303 et 301 est fermé pour au moins un actionneur électroaérodynamique 100, 200, le système d'asservissement électronique 91 transmet un

- 22 - signal électrique de mise en oeuvre à l'alimentation électrique haute tension 8 qui active alors l'actionneur électroaérodynamique 100, 200 sélectionné. Selon une étape additionnelle, le système d'asservissement électronique 91 de l'organe de contrôle 9 procède à un ajustement de la fréquence de prise de mesure des capteurs 17 en fonction de la vitesse U du véhicule et envoie cette donnée aux capteurs 17 via les éléments de transfert de données 172. L'ensemble de ces étapes successives se répète en boucle à 10 chaque mesure de paramètres caractéristiques par les capteurs 17.

Claims

REVENDICATIONS1) Dispositif de contrôle actif d'un écoulement d'air autour d'un véhicule automobile comprenant au moins un dispositif d'ailerons qui est pourvu d'au moins un aileron (1) défini par un bord d'attaque (2), un bord de fuite (3), des surfaces supérieure (4) et inférieure (5), caractérisé en ce qu'au moins un actionneur électroaérodynamique (100, 200) formant une zone ionisée (103, 204, 205) est monté exclusivement à la surface inférieure (5) de l'aileron (1), ledit au moins un actionneur électroaérodynamique (100, 200) recevant un signal électrique (11) d'une alimentation électrique haute tension (8) dont la mise en oeuvre est contrôlée par un organe de contrôle (9) pourvu d'un système d'asservissement électronique (91) recevant des valeurs de paramètres par des capteurs (17).
2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la zone ionisée (103, 204) générée par le au moins un actionneur électroaérodynamique (100, 200) induit un mouvement d'air ayant le même sens (I, Il) que celui de l'écoulement d'air alentour (U).
3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la zone ionisée (205) générée par le au moins un actionneur électroaérodynamique (200) induit un mouvement d'air ayant un sens contraire (I3) à celui de l'écoulement d'air alentour (U).
4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au moins un actionneur électroaérodynamique (200) est composé de deux électrodes actives (201, 203) ayant une partie exposée à l'air libre, une seule de ces deux électrodes actives (201, 203) étant alimentée par un signal électrique (11) délivré par l'alimentation électrique haute tension (8), et d'une électrode passive (202) noyée dans un matériau diélectrique (7), portée à un potentiel électrique constant et positionnée entre les deux électrodes actives (201, - 24 - 203), les trois électrodes passive (202) et actives (201, 203) étant parallèles entre elles.
5) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'organe de contrôle (9) est pourvu d'un moins un commutateur de direction (95) de telle sorte qu'une décision peut être prise par le système d'asservissement électronique (91) sur le sens de l'écoulement d'air induit par au moins un actionneur électroaérodynamique (200).
6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au moins deux actionneurs électroaérodynamiques (100, 200) sont montés à la surface inférieure (5) et que l'organe de contrôle (9) est pourvu d'au moins un commutateur d'activation (92) permettant la sélection de la position d'un actionneur électroaérodynamique à activer (100, 200) sur décision du système d'asservissement électronique (91).
7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'alimentation électrique haute tension (8) délivre un signal électrique (11) discontinu en étant une succession de composantes sinusoïdales (12) et constantes (13).
8) Procédé mis en oeuvre lors de l'utilisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - Lors d'une étape préliminaire, on crée une matrice d'étalonnage (911) sur les caractéristiques de l'aileron (1) équipé d'actionneurs électroaérodynamiques (100, 200), comprenant les évolutions (911a, 911b, 911c) de différents paramètres de l'écoulement, du véhicule et de l'actionneur, cette matrice d'étalonnage (911) étant enregistrée dans une mémoire du système d'asservissement (91) intégré dans l'organe de contrôle (9) ; - Selon une première étape, les capteurs (17) mesurent des valeurs de paramètres caractéristiques du véhicule et/ou de l'écoulement d'air autour et 30 - 25 - transmettent ces données au système d'asservissement (91) de l'organe de contrôle (9) ; - Selon une deuxième étape, une boucle décisionnelle dans le système d'asservissement électronique (91) permet de fixer une décision de mise en oeuvre ou non de l'alimentation électrique haute tension (8) pour au moins un actionneur électroaérodynamique (100, 200) auquel elle est reliée, ladite boucle décisionnelle intégrant une étape d'analyse de la matrice d'étalonnage (911) à partir des valeurs des paramètres caractéristiques reçus des capteurs (17) ; - Selon une troisième étape, si la décision de mise en oeuvre de l'alimentation électrique (8) est prise à l'étape précédente, les valeurs caractéristiques d'activation d'au moins un actionneur électroaérodynamique (100, 200) doivent être déterminées à partir de la matrice d'étalonnage (911) ; - Selon une dernière étape, le système d'asservissement électronique (91) transmet un signal électrique de mise en oeuvre à l'alimentation électrique haute tension (8) qui active alors l'actionneur électroaérodynamique (100, 200) sélectionné.
9) Procédé selon la revendication 8 mis en oeuvre lors de 25 l'utilisation d'un dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que suite à la troisième étape du procédé, le système d'asservissement électronique (91) sélectionne pour au moins un actionneur électroaérodynamique (200) une électrode active (201, 203) à alimenter au niveau du commutateur de direction (95) 30 intégré dans l'organe de contrôle (9)
10) Procédé selon la revendication 8 ou 9 mis en oeuvre lors de l'utilisation d'un dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que suite à la troisième étape du procédé, le système d'asservissement électronique (91) sélectionne la position 35 1 à N de l'actionneur (100, 200) à activer au niveau du 10 15 20 - 26 - commutateur d'activation (92) intégré dans l'organe de contrôle (9).
11) Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10 caractérisé en ce qu'il comprend une étape additionnelle consistant en l'ajustement par le système d'asservissement (91) de la fréquence de prise de mesure par les capteurs (17) et/ou d'envoi des valeurs à l'organe de contrôle (9) et/ou de mise en oeuvre de la deuxième étape du procédé en fonction de la vitesse du véhicule automobile, puis de l'envoi de(s) fréquence(s) ajustée(s) aux capteurs (17).