FR3005935A1 - Reduction de la trainee d'une paroi par reseau d'ondes ultrasonores - Google Patents

Abstract

Procédé de réduction de la traînée d'un aéronef comprenant au moins un dispositif de génération d'un réseau d'interférences d'ultrasons sur au moins une paroi carénée de l'aéronef caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'hétérodynage du réseau d'interférences de manière à le rendre mobile.

Description

L'invention se situe dans le domaine des aéronefs et plus précisément concerne un dispositif pour améliorer l'aérodynamique d'un aéronef.

La traînée générée par les aéronefs est un facteur de consommation important. Classiquement, afin d'améliorer l'aérodynamique d'un aéronef, c'est-à-dire diminuer la traînée de frottement de l'aéronef, des travaux sont effectués sur l'état de surface des parois de l'aéronef et / ou la forme de ces parois pour garder un gradient de pression négatif et donc accélérer l'écoulement. Afin de réduire la traînée d'un aéronef, il est donc connu de fabriquer des parois permettant de laminariser la couche limite existant au niveau de ces parois, cette laminarisation permet de réduire le gradient de vitesse de la couche limite aux parois. Cette laminarisation exige des lignes aérodynamiques, un état de surface contraignant et / ou des équipements de pompage lourds et encombrants. On appelle couche limite une couche de fluide freiné que l'on rencontre à la surface des corps le long desquels ce fluide s'écoule. Des améliorations sont également proposées par le biais de 20 changements de matériaux plus favorables à la réduction de la traînée d'aéronefs. Ces solutions entraînent une réduction de la traînée d'un aéronef le plus souvent au prix d'une augmentation non négligeable de la masse de l'aéronef en sus d'une complexité et d'un coût élevé à la fabrication de tels 25 dispositifs. Un but de la présente invention est de réduire le frottement de la couche limite sur les parois d'un aéronef en proposant un aéronef affranchi des 30 inconvénients de l'état de la technique dont la plupart sont énumérés plus haut. La présente invention vise à proposer un procédé de réduction de la traînée d'un aéronef comprenant au moins un dispositif de génération d'un réseau d'interférences d'ultrasons sur au moins une paroi carénée de l'aéronef 35 caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'hétérodynage du réseau d'interférences de manière à le rendre mobile.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le procédé comporte l'une ou plusieurs des étapes optionnelles suivantes considérées seules ou selon toutes les combinaisons possibles : - On engendre lesdites interférences au moyen d'émetteurs ultrasons synchrones ; - ajustement de la fréquence de synchronisation des ultrasons de manière à obtenir une longueur d'onde adapté à l'épaisseur de la couche limite d'un écoulement ; - ajustement de l'énergie émise par les émetteurs de manière à obtenir une amplitude de réseau adaptée à l'épaisseur de la couche limite ; - ajustement de l'hétérodynage de manière à obtenir un déplacement du réseau d'interférences dans le sens opposé au déplacement de l'aéronef ; - ajustement de l'hétérodynage de manière à obtenir un déplacement du réseau d'interférences dans le sens du déplacement de l'aéronef ; - ajustement de l'hétérodynage de manière à obtenir une vitesse de déplacement du réseau d'interférences du même ordre de grandeur que la vitesse d'écoulement externe de la couche limite ; - les émetteurs sont excités de manière à suivre les lignes de courants de la couche limite en ayant aussi une composante transversale ; - ajustement de deux dispositifs de génération d'un réseau d'interférences ultrasoniques disposés sur l'intrados et l'extrados d'un organe de telle manière que le déplacement du réseau d'interférences généré sur l'intrados est de sens opposé à celui généré sur l'extrados ; L'invention concerne aussi un élément d'aéronef, tel qu'une nacelle, pour la mise en oeuvre d'un procédé tel que décrit plus haut 35 remarquable en ce qu'il est équipé d'au moins un dispositif de génération d'un réseau d'interférences d'ultrasons et de moyens pour hétérodyner le réseau d'interférences d'ultrasons de manière à le rendre mobile. L'élément d'aéronef peut aussi comprendre des émetteurs d'ultrasons synchrones.

Les émetteurs d'ultrasons synchrones peuvent aussi comprendre des éléments piézoélectriques. Les éléments piézoélectriques peuvent être conformés en bandes ou peuvent être globalement ponctuels.

Cette solution permet de modifier les conditions d'adhérence de la couche limite sur au moins une paroi de l'aéronef. Avantageusement, le réseau d'interférences permet de faire vibrer la paroi externe de l'aéronef, ce réseau de vibrations de la paroi externe se déplace et permet d'entraîner la couche limite selon une vitesse fonction de la 15 vitesse de déplacement du réseau d'interférences. Le déplacement du réseau d'interférences permet donc de réduire notablement voire d'annuler les effets de la présence de la couche limite sur une paroi de l'aéronef. Avantageusement, le dispositif de génération du réseau 20 d'interférences peut être réglé de manière à conserver la laminarité de la couche limite. En effet le gradient de vitesse à la paroi que minimise le dispositif présenté est aussi le principal facteur de production de turbulence qui se trouve donc de facto minimisé par l'usage d ce dispositif. Cette solution permet de réduire notablement voire annuler la 25 traînée générée par au moins une paroi carénée. Cette solution vise une réduction de la traînée globale de l'avion d'au moins 10% de sa valeur initiale. Par ailleurs ce dispositif permet également de retarder le décollement de la couche limite. Ceci permet par exemple de reculer la limite 30 de décrochage d'un profil d'aile et donc d'en augmenter l'incidence maximale d'utilisation donc ce profil pourra fournir une portance plus importante. Avantageusement, l'implémentation d'un dispositif de génération d'interférences ultrasoniques dans un aéronef ou plus particulièrement dans une nacelle s'avère peu coûteux et son utilisation peu gourmande en énergie. 35 On décrit à présent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation possible de la présente invention, en référence aux figures annexées ; sur l'ensemble des figures, des références identiques ou analogues désignent des organes ou ensembles d'organes identiques ou analogues, le repère (X,Y,Z) est un trièdre direct dont l'axe X est confondu avec l'axe A d'une nacelle d'aéronef et le plan (X,Z) est le plan de symétrie de la nacelle : - la figure 1 est une vue schématique de principe d'un réseau de génération d'interférences ultrasoniques selon un mode de réalisation de la présente invention, - la figure 2 est une vue schématique illustrant la manière dont des particules d'air sont entraînées par une onde ultrasonique générée par le réseau selon le mode de réalisation de la présente invention, - la figure 3 est une vue selon l'axe Y de la nacelle équipée d'un dispositif de génération d'un réseau d'interférences ultrasoniques selon un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 4 est une vue selon l'axe Y de la nacelle équipée d'un dispositif de génération d'un réseau d'interférences ultrasoniques selon un second mode de réalisation de la présente invention, - la figure 5 est une vue selon l'axe Y de la nacelle équipée d'un dispositif de génération d'un réseau d'interférences ultrasoniques selon un troisième mode de réalisation de la présente invention. En référence aux figures 1 et 2, on décrit un principe d'un réseau électronique de génération d'interférences ultrasoniques selon un mode de 30 réalisation de la présente invention. Le réseau électronique de génération d'interférences ultrasoniques comprend un premier circuit 1 et un second circuit 2, les deux circuits étant identiques et chacun comportant un oscillateur à quartz, pour une bonne précision d'oscillations à n'importe quelle contrainte environnementale, un 35 excitateur piézoélectrique, un diviseur, un comparateur de phase, un diviseur programmable, des résistances, un condensateur, un dispositif de synthèse de fréquence. Le réseau électronique de génération d'interférences ultrasoniques permet de générer deux fréquences distinctes présentant une valeur faiblement 5 différente l'une de l'autre via les premier 1 et second 2 circuits, rendus synchrones via une horloge. La faible différence entre les fréquences exige une bonne précision des oscillations de l'oscillateur, c'est pourquoi l'oscillateur à quartz a été choisi, en raison de la précision qu'il confère sous des contraintes de température 10 fortes aussi bien que faibles. Ce réseau électronique de génération d'interférences ultrasoniques permet de générer un réseau d'interférences hétérodyné, c'est-à-dire que la fréquence des ondes ultrasoniques générées par le premier circuit 1 est différente de la fréquence des ondes ultrasoniques générées par le second 15 circuit 2 et la différence entre ces deux fréquences est faible afin d'obtenir l'hétérodynage. Les ondes ultrasoniques émises par les premier 1 et second 2 circuits sont mélangées de manière à ce que les ondes ultrasoniques émises par le premier circuit 1 entrent en interférence avec celles émises par le second 20 circuit 2 afin de former un réseau d'interférences. Hétérodyner un réseau d'interférences ultrasoniques revient à rendre mobile ce réseau au cours du temps entre la source d'ondes ultrasoniques du premier circuit 1 et celle du second circuit 2. Les ondes se propagent le long de la surface externe 3 d'une 25 nacelle 3, mais peuvent se propager sur toute surface carénée d'un aéronef dans la mesure où un tel dispositif de génération d'interférences ultrasoniques est installé à cet effet. La vitesse de défilement du réseau d'interférences ultrasoniques rendu mobile par hétérodynage s'exprime de la manière suivante : 30 Of Vhét = *C Où zf est la différence de fréquence (par exemple à partir de 100 H, et plus) entre la fréquence des ondes ultrasoniques émises par le premier circuit 1 et celle des ondes ultrasoniques émises par le second circuit 2 ; f est la fréquence des ondes porteuses, s'étendant sur un spectre de par exemple 30 KH, à 100 MH, ; et C est la vitesse de propagation des ondes ultrasoniques dans une structure, par exemple 3000 m.s-1 à 15000 m.s-1 selon le matériau. La vitesse de défilement Vhét ainsi obtenue par hétérodynage peut 5 varier facilement de 1 m.s-1 à 500 m.s-1 par exemple. L'hétérodynage d'un réseau d'interférences permet ainsi de créer une structure ondulatoire 3 capable d'entraîner au moins partiellement des particules d'air 4 au voisinage d'une paroi 5. Il est possible d'augmenter l'amplitude des ondes ultrasoniques 10 provenant des premier 1 et second 2 circuits de manière à obtenir une taille d'onde voisine de certaines structures turbulentes présentes à la paroi dans laquelle les ondes ultrasoniques se propagent, tout en maintenant une vitesse de défilement Vhét du réseau d'interférences ultrasoniques constante car elle ne dépend que de la différence entre la fréquence des ondes ultrasoniques 15 émises par le premier circuit 1 et celle des ondes ultrasoniques émises par le second circuit 2. La vitesse de défilement Vhét peut par exemple être voisine de celle de l'écoulement de l'air dans la couche limite à une certaine distance de la paroi la paroi dans laquelle les ondes ultrasoniques se propagent. 20 Préférentiellement, la vitesse de défilement Vhét est sensiblement égale ou supérieure à celle de l'écoulement de l'air à la frontière externe de la couche limite à la paroi dans laquelle les ondes ultrasoniques se propagent. Le réseau d'interférences mobile est engendré sur la surface d'un aéronef par hétérodynage d'un ensemble d'émetteurs ultrason synchrones (Cf. 25 Figs.3, 4, 5), qui sont des sources cohérentes d'ondes ultrasoniques, ces ondes étant donc susceptibles d'interférer. Le réseau d'interférences mobile génère des ondulations sur la paroi carénée, ces ondulations sont rendues virtuellement mobiles à la vitesse Vhét par l'hétérodynage, ces ondulations permettent de capturer des particules 30 d'air s'écoulant au voisinage de la paroi carénée, et grâce à leur vitesse de défilement Vhét entraînent les particules ainsi capturées dans le sens de défilement à la vitesse Vhét. Par la suite, les émetteurs ultrason synchrones seront des 35 émetteurs de type piézoélectriques, mais l'invention ne se limite pas à de tels émetteurs, les émetteurs peuvent par exemple être des excitateurs de type électrodynamiques ou électrostatiques; de la même manière, la paroi le long de laquelle les ondes ultrasoniques se propagent est la paroi externe de la nacelle de l'aéronef, et l'invention ne se limite pas à cette paroi externe mais comprend toute paroi carénée de l'aéronef.

Préférentiellement, ces émetteurs piézoélectriques sont collés sur la paroi carénée, mais elles peuvent aussi être intégrées dans la paroi si la paroi carénée est composite par exemple ou elles peuvent encore être fixées mécaniquement sur la paroi carénée par vissage par exemple. Par la suite on considèrera que les émetteurs piézoélectriques d'un dispositif de génération d'un réseau d'interférences d'ondes ultrasoniques sont espacés entre eux d'une distance proportionnelle à la longueur d'onde des ondes ultrasoniques ou vice-versa. Cette condition est la plus favorable à l'obtention d'un réseau d'interférence entre les émetteurs ultrasonores.

On entend par amont ce qui vient avant le point ou élément considéré, dans le sens de l'écoulement de l'air dans la nacelle, et par aval ce qui vient après le point ou élément considéré, dans le sens de l'écoulement de l'air dans la nacelle.

En référence aux figures 3 et 4 on décrit les caractéristiques communes du fonctionnement d'un dispositif de génération d'interférences ultrasoniques tel que décrit plus haut en coopération avec des émetteurs d'ondes ultrasoniques selon les premier et second modes de réalisation de la présente invention.

Ce dispositif de génération d'interférences ultrasoniques est installé sur une nacelle 6 d'aéronef (non représenté) de telle manière que les ondes ultrasoniques 3 générées par des émetteurs ultrason amont 7 synchrones installés au niveau d'une lèvre d'entrée d'air 8 à l'extrémité amont de la nacelle 6 et d'une zone de réduction de traînée 9, et par des émetteurs ultrason aval 10 synchrones installés en aval de la zone de réduction de traînée ou de relaminarisation 9, se propagent le long d'une paroi externe 5 de la nacelle 6. Le premier circuit 1 génère en coopération avec les émetteurs ultrason amont 7 des ondes ultrasoniques 3 se propageant vers l'aval de la nacelle 6 tandis que le second circuit 2 génère en coopération avec les émetteurs ultrason aval 10 des ondes ultrasoniques 3 se propageant vers l'amont de la nacelle 6.

Un réseau d'interférences des ondes ultrasoniques 3 issues des émetteurs ultrason amont 7 avec les ondes ultrasoniques 3 issues des émetteurs ultrason aval 10 est alors créé. Ce réseau présente une vitesse Vhét de défilement virtuel adapté à la vitesse d'écoulement de l'air au voisinage de la paroi externe 5 de la nacelle 6 et orientée vers l'aval de la nacelle 6 en fonctionnement de croisière de l'aéronef. Les particules d'air 4 (Cf. Fig. 2) s'écoulant au voisinage de la paroi externe 5 de la nacelle 6 sont alors entraînées par la paroi externe 5 vibrant sous l'action du réseau d'interférences des ondes ultrasoniques 3.

Les frottements sont ainsi notablement réduits voire annulés au niveau de la paroi externe 5 de la nacelle 6, réduisant ou annulant ainsi la traînée générée par la paroi externe 5. Les émetteurs ultrason amont 7 et les émetteurs ultrason aval 10 comprennent des bandes d'éléments piézoélectriques excitatrices permettant 15 de générer les ondes ultrasoniques 3. En référence à la figure 3 particulièrement, on décrit les caractéristiques spécifiques au fonctionnement d'un dispositif de génération d'interférences ultrasoniques tel que décrit plus haut en coopération avec des 20 émetteurs d'ondes ultrasoniques selon le premier mode de réalisation de la présente invention. Les émetteurs ultrason aval 10 synchrones sont installés à l'extrémité aval de la zone de réduction de traînée / relaminarisation 9, les ondes ultrasoniques 3 générées par ces émetteurs aval 10 se propagent le 25 long de la paroi externe 5 de la nacelle 6. Les frottements sont ainsi notablement réduits voire annulés au niveau de la zone de relaminarisation 9 de la nacelle 6, réduisant ou annulant ainsi la traînée générée par la zone de relaminarisation 9. 30 En référence à la figure 4 particulièrement, on décrit les caractéristiques spécifiques au fonctionnement d'un dispositif de génération d'interférences ultrasoniques tel que décrit plus haut en coopération avec des émetteurs d'ondes ultrasoniques selon le second mode de réalisation de la présente invention.

Les émetteurs ultrason aval 10 synchrones sont installés à l'extrémité aval de la nacelle 6, les ondes ultrasoniques 3 générées par ces émetteurs aval 10 se propagent le long de la paroi externe 5 de la nacelle 6. Les frottements sont ainsi notablement réduits voire annulés au 5 niveau de la paroi externe 5 toute entière de la nacelle 6, réduisant ou annulant ainsi la traînée générée par la paroi externe 5. En référence à la figure 5, on décrit le fonctionnement d'un dispositif de génération d'interférences ultrasoniques tel que décrit plus haut en 10 coopération avec des émetteurs d'ondes ultrasoniques selon le troisième mode de réalisation de la présente invention. Ce dispositif de génération d'interférences ultrasoniques est installé sur une nacelle 6 d'aéronef (non représenté) de telle manière que les ondes ultrasoniques 3 générées par des émetteurs ultrason 12 synchrones installés le 15 long de la paroi externe 5 de la nacelle 6 se propagent le long de paroi externe 5. Le dispositif de génération d'interférences ultrasoniques comprend une pluralité de circuits 1, 2 générant, en coopération avec des émetteurs ultrason 12 comprenant des excitateurs piézoélectriques globalement 20 ponctuels, des ondes ultrasoniques 3 se propageant de manière circulaire sur la paroi 5 de la nacelle 6. Une pluralité de réseaux d'interférences des ondes ultrasoniques 3 issues des émetteurs ultrason 12 sont alors créés. Ces réseaux présentent chacun une vitesse Vhét de défilement virtuel supérieure à la vitesse 25 d'écoulement de l'air au voisinage de la paroi externe 5 de la nacelle 6 et orientée de manière à diriger l'écoulement de l'air au voisinage de la paroi externe 5 de la nacelle 6 pour réduire la traînée qu'il induit de manière optimal en fonctionnement de croisière de l'aéronef. Les particules d'air 4 (Cf. Fig. 2) s'écoulant au voisinage de la paroi 30 externe 5 de la nacelle 6 sont alors entraînées par la paroi externe 5 vibrant sous l'action des réseaux d'interférences des ondes ultrasoniques 3. Les frottements sont ainsi notablement réduits voire annulés au niveau de la paroi externe 5 de la nacelle 6, réduisant ou annulant ainsi la traînée générée par la paroi externe 5.

35 Ce dispositif peut être avantageusement appliqué à l'entrée d'air d'une nacelle de manière à en améliorer la tenue en vent de travers dont les principaux effets sont intimement liés à des dé collement de couche limite qui peuvent être significativement retardés par le dispositif décrit ici. De manière annexe le réseau mobile d'interférence améliore également le dégivrage de l'entrée d'air par rapport à un dispositif de dégivrage 5 par ultrason n'utilisant pas un tel réseau d'interférences d'hétérodynes. Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemple, mais qu'elle comprend tous les équivalents techniques et toutes les variantes des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons possibles. 10

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de réduction de la traînée d'un aéronef comprenant au moins un dispositif de génération d'un réseau d'interférences d'ultrasons sur au moins une paroi carénée de l'aéronef caractérisé en ce qu'il comprend une 5 étape d'hétérodynage du réseau d'interférences de manière à le rendre mobile.
2. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on engendre lesdites interférences au moyen d'émetteurs ultrasons synchrones.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'ajustement de la fréquence de synchronisation des 10 ultrasons de manière à obtenir une longueur d'onde adaptée à l'épaisseur de la couche limite d'un écoulement.
4. 4. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'ajustement de l'énergie émise par les émetteurs de manière à obtenir une amplitude de réseau proche de l'épaisseur de la couche 15 limite (épaisseur de déplacement ou de quantité de mouvement).
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'ajustement de l'hétérodynage de manière à obtenir un déplacement du réseau d'interférences dans le sens opposé au déplacement de l'aéronef. 20
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'ajustement de l'hétérodynage de manière à obtenir un déplacement du réseau d'interférences dans le sens du déplacement de l'aéronef.
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes 25 caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'ajustement de l'hétérodynage de manière à obtenir une vitesse de déplacement du réseau d'interférences du même ordre de grandeur que la vitesse d'écoulement de la couche limite.
8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que les émetteurs sont excités de manière à suivre les lignes 30 de courants de la couche limite en ayant aussi une composante transversale.
9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'ajustement de deux dispositifs de génération d'un réseau d'interférences ultrasoniques disposés sur l'intrados et l'extrados d'un organe de telle manière que le déplacement du réseau 35 d'interférences généré sur l'intrados est de sens opposé à celui généré sur l'extrados.
10. 10. Élément d'aéronef, tel qu'une nacelle, pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est équipé d'au moins un dispositif de génération d'un réseau d'interférences d'ultrasons et de moyens pour hétérodyner le réseau d'interférences d'ultrasons de manière à le rendre mobile.
11. 11. Élément d'aéronef selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'il comprend des émetteurs ultrasons synchrones.
12. 12. Élément d'aéronef selon la revendication 11 caractérisé en ce que les émetteurs ultrasons synchrones comprennent des éléments 10 piézoélectriques.
13. 13. Élément d'aéronef selon l'une quelconque des revendications 10 à 12 caractérisé en ce qu'il comprend une aile d'aéronef dont le dispositif de génération du réseau d'interférences d'ultrasons et les moyens pour hétérodyner le réseau d'interférences d'ultrasons de manière à le rendre 15 mobile est disposé en particulier sur son extrados, de façon à augmenter l'angle d'incidence maximal du profil de l'aile et sa portance maximale.