FR3069185A1 - Profil aerodynamique a noyau creux oblong arrondi en materiau composite renforce par un textile a fibres unidirectionnelles - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un profil aérodynamique, comportant une peau (6) définissant la surface extérieure dudit profil aérodynamique, un bord d'attaque (1), un bord de fuite (3) et une portion centrale (2) représentant au moins 50% de la corde du profil. Le profil comporte un noyau creux (5) en matériau composite renforcé par un textile à fibres unidirectionnelles. Le noyau creux présente en section une forme oblongue arrondie, notamment à chacune de ses extrémités. La peau (6) prend appui sur le noyau creux (5) sur la longueur de la portion centrale (2) dudit profil aérodynamique, tant à l'intrados qu'à l'extrados dudit profil. Le renfort par un textile à fibres unidirectionnelles permet une orientation adéquate de fibres de renfort pour optimiser des propriétés mécaniques dans certaines directions. La forme allongée le long de la corde du profil et arrondie du noyau creux (5) lui confère une grande résistance à la déformation.
Description
La présente invention concerne le domaine de la construction des pièces pour la formation de profils aérodynamiques. Elle peut être employée notamment dans le domaine aéronautique, par exemple pour l’obtention de profils aérodynamiques d’aéronefs. Elle peut également être employée dans le domaine nautique.
Elle porte plus particulièrement sur la constitution d’un profil aérodynamique en matériau composite renforcé par des fibres.
Un profil aérodynamique peut désigner de manière générale la forme du contour, vu en section, d’un élément dans un fluide en mouvement relatif. En aéronautique, cette forme est dessinée pour obtenir des caractéristiques particulières, telles que des propriétés de pénétration dans l’air (exprimées par exemple sous la forme d’un coefficient de pénétration dans l’air) ou a contrario de traînée, de portance, etc. Par extension, l’expression « profil aérodynamique >> est employée, comme dans le présent document, pour désigner la pièce physique formant une telle forme, invariante ou évolutive, sur une longueur ou envergure donnée.
Dans le cadre d’un aéronef, un profil aérodynamique d’aéronef peut par exemple correspondre à une aile, un aileron, une ailette de bout d’aile (également désignée par le terme anglophone « winglet >> ou parfois « sharklet >>), un empennage, un carénage ayant un rôle structurel, un volet hypersustentateur, etc., ou une portion d’un élément précité.
Les profils aérodynamiques d’aéronef sont couramment soumis à des contraintes mécaniques importantes, tant en vol qu’au sol. La recherche de performances aérodynamiques de plus en plus importantes, par exemple la réduction de la traînée afin d’améliorer la consommation des aéronefs, entraîne l’adoption de profils ayant une forme complexe et bien souvent une faible épaisseur. II s’ajoute à cela la nécessité d’assurer la reprise des contraintes mécaniques appliquées au profil, en particulier des efforts de cisaillement.
Un profil aérodynamique d’aéronef est, en tant que pièce physique, généralement constitué en recouvrant d’une peau métallique rivetée une ossature, métallique également, comportant des nervures longitudinales, liées entre elles par des longerons et des raidisseurs transversaux et des âmes de cisaillement, et en rapportant à l’ensemble ainsi constitué un bord d’attaque et un bord de fuite.
Les considérations précitées rendent la constitution des profils aérodynamiques d’aéronef de plus en plus complexe techniquement, et rendent lesdits profils potentiellement lourds, et coûteux.
Dans ce contexte, il est connu de former un profil aérodynamique en matériau composite. Par exemple, on connaît dans un document FR 2 617 119 une pâle d’hélicoptère en matériau composite. Le profil aérodynamique proposé dans ce document comporte un noyau structural sur lequel est appliqué un revêtement d’habillage. Tandis que le noyau structural est formé de sorte à inclure tous les éléments structuraux du profil aérodynamique, le revêtement d’habillage, qui comporte une coque externe et une couche de conformation, est non travaillant.
Néanmoins, une telle configuration n’est pas optimale en termes de caractéristiques mécaniques rapportées à la masse du profil, et ne permet pas une adaptation à chaque application souhaitée, pouvant nécessiter une reprise d’efforts majoritaires dans une direction, ou dans certaines directions.
L’invention vise à proposer un profil aérodynamique léger, ayant une architecture générale simple tout en permettant l’obtention de profils de forme complexe, et permettant une reprise des efforts optimisée, par exemple des contraintes de cisaillement appliquées audit profil.
Ainsi, l’invention porte sur un profil aérodynamique, comportant une peau définissant la surface extérieure dudit profil aérodynamique, le profil aérodynamique comportant un bord d’attaque, un bord de fuite et une portion centrale représentant au moins 50% de la corde du profil. Le profil aérodynamique comporte un noyau creux en matériau composite renforcé par un textile à fibres unidirectionnelles. Le noyau creux présente en section une forme oblongue arrondie, notamment à chacune de ses extrémités. La peau prend appui sur le noyau creux sur la longueur de la portion centrale dudit profil aérodynamique, tant à l’intrados qu’à l’extrados dudit profil aérodynamique.
Le noyau creux en matériau composite sur lequel est plaqué une peau, de sorte qu’il définit le profil à l’exception des portions du profil formant le bord d’attaque et le bord de fuite, offre une structure de base simple et présentant des caractéristiques mécaniques importantes. Son renfort par un textile à fibres unidirectionnelles permet une orientation adéquate de fibres de renfort dans le matériau composite renforcé qui offre une optimisation des propriétés mécaniques dans certaines directions, et/ou dans certaines zones du profil aérodynamique, et la reprise des efforts appliqués au profil selon cette direction.
Le noyau creux présente une forme allongée le long de la corde du profil et arrondie, très résistante à la déformation.
La peau peut être en matériau composite ou en matériau composite recouvert d’une couche externe métallique. Le matériau composite de la peau peut être renforcé par un textile à fibres unidirectionnelles.
Le profil aérodynamique peut en outre comporter une poutre transversale en matériau composite disposée dans le noyau creux.
Le matériau composite employé est par exemple à matrice polymère.
Le noyau creux peut comporter au moins une surface externe plane.
Le noyau creux présentant une paroi d’extrados, une paroi d’intrados, et deux parois de liaison entre la paroi d’extrados et la paroi d’intrados, les fibres de renfort de la paroi d’extrados et de la paroi d’intrados peuvent être majoritairement orientées parallèlement à la peau selon une direction de référence sensiblement perpendiculaire à la corde du profil, et les fibres des parois de liaisons peuvent alors être orientées selon un angle de 45° environ et/ou 135° environ par rapport à la direction de référence.
Le cas échéant, les fibres de renfort de la peau peuvent être essentiellement orientées selon un angle de 45° environ et/ou 135° environ par rapport à la direction de référence.
Dans un profil aérodynamique selon un mode de réalisation de l’invention, au moins un volume interne défini par le noyau creux sur la longueur de la portion centrale, ou par la peau sur le bord d’attaque et le bord de fuite peut être rempli d’une mousse.
Un tel profil aérodynamique peut comporter une première mousse qui remplit le volume interne du noyau creux, et une deuxième mousse, différente de la première mousse, qui remplit le volume interne du bord d’attaque et le volume interne du bord de fuite.
Le profil aérodynamique peut être un profil d’aéronef, par exemple : une aile, un aileron, une ailette de bout d’aile, un empennage, un carénage, un volet hypersustentateur. Le profil aérodynamique peut être un foil pour application nautique tel qu’un foil de bateau. Le profil aérodynamique peut être une portion d’un élément précité en tant qu’exemple de profil aérodynamique.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après.
Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs :
- la figure 1 représente, selon une vue schématique écorchée en trois dimensions, une ailette de bout d’aile;
- la figure 2 représente, selon une vue schématique en coupe, un profil aérodynamique d’aéronef conforme à un mode de réalisation de l’invention adapté aux profils subissant des contraintes mécaniques modérées ;
- la figure 3 représente, selon une vue schématique en coupe, un profil aérodynamique d’aéronef conforme à un mode de réalisation de l’invention adapté aux profils subissant des contraintes mécaniques importantes.
Le profil représenté pour illustrer l’invention à titre d’exemple correspond à une ailette de bout d’aile, c’est-à-dire une ailette située au saumon d’une aile et permettant de réduire les turbulences et la traînée. L’ailette de bout d’aile 4 représentée à la figure 1 est un exemple de pièce ayant une géométrie tridimensionnelle complexe, de section (c’est-à-dire de profil, au sens de la forme de contour) évolutive.
La figure 2 représente, selon une vue schématique en coupe, un profil aérodynamique d’aéronef conforme à un mode de réalisation de l’invention. La vue de la figure 2 correspond à la vue d’un profil selon le plan de coupe A-A représenté à la figure 1.
Le profil aérodynamique comporte un bord d’attaque 1 (qui désigne, par extension, le bord d’attaque à proprement parler et la portion du profil située à l’avant d’un longeron antérieur 21), une portion centrale 2 située entre le longeron antérieur 21 et un longeron postérieur 22, et un bord de fuite 3 (qui désigne, par extension, le bord de fuite à proprement parler et la portion du profil située en arrière du longeron postérieur 22).
Le mode de réalisation représenté à la figure 2 est adapté à un profil aérodynamique subissant des contraintes mécaniques faibles ou modérées.
Le profil aérodynamique représenté à la figure 2 d’aéronef est essentiellement ou totalement réalisé en matériau composite. L’ossature présente dans un profil aérodynamique métallique selon l’état de la technique y est remplacée par un noyau creux 5. Le noyau creux 5 s’étend sur toute la portion du profil correspondant à la portion centrale 2. La portion centrale s’étend sur au moins 50% de la corde du profil. Il est rappelé que la corde d’un profil correspond à la distance la plus courte entre son bord d’attaque et son bord de fuite, c’est-àdire à la longueur du segment de droite qui joint ledit bord d’attaque audit bord de fuite. Par extension, la corde correspond également audit segment de droite qui joint ledit bord d’attaque audit bord de fuite. Le noyau creux 5 comporte une paroi d’extrados 51 et une paroi d’intrados 52.
Le noyau creux 5 présente une forme oblongue. Il présente ainsi, en section (tel que représenté aux figures 2 et 3), une forme générale arrondie, qui l’est notamment aux extrémités de ladite forme oblongue. Cela peut, selon le profil aérodynamique formé, lui conférer une forme générale assimilable en section à celle d’un ballon de rugby, plus ou moins aplati.
Le noyau creux 5 peut comporter une ou plusieurs surfaces externes planes. La ou les surfaces planes peuvent être situées sur la paroi d’intrados 51 et/ou sur la paroi d’extrados 52.
Le profil comporte en outre une peau 6. La peau 6 définit la surface extérieure, c’est-à-dire le contour, du profil aérodynamique. La peau 6 est en contact avec la paroi d’extrados 51 du noyau creux 5 de sorte à former l’extrados de la portion centrale 2 du profil aérodynamique. Similairement, la peau 6 est en contact avec la paroi d’intrados 52 de sorte à former l’intrados de la portion centrale 2 du profil aérodynamique. La peau 6 forme également le bord d’attaque 1 et le bord de fuite 3 du profil aérodynamique. Cela peut être réalisé sans pièces rapportées pour constituer le profil, à l’exception, le cas échéant, d’un renfort de bord de fuite 31 pouvant par exemple être constitué par une plaque métallique, par exemple en titane ou alliage de titane.
La peau 6 est, tout comme le noyau creux 5, en matériau composite. Elle peut néanmoins comporter une couche extérieure en titane ou alliage de titane afin de protéger mécaniquement (contre l’érosion et/ou les impacts) le profil. La couche extérieure peut recouvrir en totalité ou partiellement le profil aérodynamique. Un recouvrement partiel des zones les plus exposées, notamment au niveau du bord d’attaque 1, est envisageable.
La peau 6 peut être intimement liée au noyau creux 5. Cela peut être obtenu lors de la fabrication du profil aérodynamique. En effet, le noyau, et, selon certains modes de réalisation, l’ensemble du profil, peuvent par exemple être obtenus par des procédés connus de moulage par injection basse pression de résine, généralement désigné par l’expression anglophone « Resin Transfert Molding >> ou son acronyme « RTM », ou par un procédé dit par infusion de résine, généralement désigné par l’expression anglophone « Liquid Resin Infusion >> ou son acronyme « LRI >>.
De manière générale, le profil peut être obtenu, selon sa taille, sa complexité de forme, et les éléments qui le constituent, en une ou plusieurs phases de polymérisation du matériau composite constitutif.
En effet, le matériau composite utilisé est de préférence un matériau à matrice thermodurcissable. En particulier, le matériau composite peut être à matrice polymère.
Afin de présenter les propriétés mécaniques requises, notamment pour la reprise des efforts appliqués au profil aérodynamique, le matériau composite est renforcé par des fibres. En particulier, le matériau peut comporter un textile à fibres unidirectionnelles (ou « textile unidirectionnel »). En particulier, un tissu à fibres unidirectionnelles (ou « tissu unidirectionnel ») peut être employé, c’est-à-dire un tissu comportant une masse surfacique de fils de chaîne (respectivement de trame) largement supérieure à sa masse surfacique de fils de trame (respectivement de chaîne). En d’autres termes, les fibres constituant un tissu unidirectionnel sont majoritairement orientées dans une direction, parallèlement les unes aux autres. Cela confère au tissu des propriétés mécaniques importantes selon cette direction.
Le textile unidirectionnel utilisé peut être un tissu comportant des fibres de carbone ou un tissu de fibres de carbone.
L’orientation des fibres est importante pour conférer à la pièce réalisée en matériau composite les caractéristiques mécaniques souhaitées.
Le matériau composite peut comporter un ou plusieurs plis de textile de renfort, c’est-à-dire une ou plusieurs couches ou strates. Les plis peuvent avoir la même orientation, ou, afin de procurer des propriétés mécaniques souhaitées dans plusieurs directions, selon des orientations différentes d’un pli à un autre.
De manière générale, il convient d’orienter les fibres de renfort selon la direction qui « travaille » du fait de l’application d’efforts mécaniques. Pour un profil subissant des efforts de cisaillement importants, on peut tendre à conférer aux fibres, c’est-à-dire aux fibres majoritaires du tissu unidirectionnel, les orientations suivantes. Les orientations sont données vis-à-vis du référentiel représenté à la figure 1.
Pour le noyau creux 5, au niveau des parois d’extrados 51 et d’intrados 52, les fibres majoritaires (de trame ou de chaîne) du tissu unidirectionnel sont orientées selon une direction de référence, dite à 0°. II s’agit, dans le cas présent, d’une orientation parallèle au plan d’extension de la peau 6 (c’est-à-dire, au point considéré soit au plan d’extension à proprement parler si la peau est plane, soit au plan défini par les tangentes des rayons de courbure de la peau). Dans ce plan, les fibres sont typiquement orientées perpendiculairement à la corde du profil aérodynamique.
Le noyau creux 5 comporte deux parois de liaison 53 entre ses parois d’extrados 51 et d’intrados 52. Ces parois de liaison 53, bien que préférentiellement arrondies, peuvent être sensiblement orthogonales à la corde du profil. Les fibres situées dans les parois de liaison 53 peuvent être orientées à environ 45° et/ou 135° (de la direction de référence à0°).
De même, la peau 6 peut comporter ou être formée d’un matériau composite renforcé par un textile unidirectionnel dont les fibres (par exemple de carbone) sont majoritairement orientées à 45° et/ou 135°.
On obtient ainsi une structure légère et présentant de grandes propriétés mécaniques (résistance à la déformation, à la rupture, notamment au cisaillement, etc.) dans les directions les plus contraintes.
Néanmoins, pour un profil soumis à des efforts importants, il est possible d’adopter une ou plusieurs des caractéristiques décrites en référence à la figure 3. Le profil aérodynamique présenté à la figure 3 est, hormis les caractéristiques détaillées ci-après, essentiellement identique à celui représenté à la figure 2. L’ensemble de la description du profil représenté à la figure 2 s’applique donc à celui de la figure 3.
Le profil aérodynamique représenté à la figure 3 comporte une poutre 7 transversale disposée dans le noyau creux. Elle s’étend transversalement dans l’épaisseur du profil, c’est-à-dire perpendiculairement à la direction longitudinale définie par la corde du profil. Ainsi, elle s’étend parallèlement à la direction d’extension classique d’un longeron. La poutre 7 permet de rigidifier le profil aérodynamique. La poutre 7 peut avoir une section sensiblement rectangulaire, fixe ou évolutive. Elle est conformée pour prendre appui sur une face interne de la paroi d’extrados 51 et de la paroi d’intrados 52 auxquelles elle est liée de sorte à permettre la reprise d’efforts auxquels le profil aérodynamique est soumis. La section fermée de la poutre lui confère une raideur très importante, qui est également conférée au profil aérodynamique dans la zone d’installation de ladite poutre 7.
La poutre 7 est réalisée en matériau composite, identique à celui constituant le noyau creux 5, ou compatible avec celui-ci. La poutre 7 est ellemême creuse, afin de présenter une grande légèreté.
En outre, les volumes creux du profil aérodynamique de la figure 3 sont remplis d’une mousse.
Les volumes creux définis dans le profil sont :
- le volume interne du noyau creux 81 ;
- le cas échéant le volume interne de la poutre 82 ;
- le volume interne du bord d’attaque 84 ; et
- le volume interne du bord de fuite 85.
Chaque volume interne peut être rempli d’une mousse différente. Par mousses différentes, on entend des mousses qui diffèrent par leur nature (composition) et/ou leurs propriétés physiques comme par exemple leur densité. Néanmoins, certains des, voire tous les, volumes internes précités peuvent être remplis d’une même mousse.
La mousse employée peut être une mousse de polymethacrylimide.
Une première mousse peut être employée pour le remplissage du volume interne du noyau creux 81 et, le cas échéant le volume interne de la poutre 82. Par exemple une première mousse ayant une densité de l’ordre de 60 Kg/m3 (par exemple entre 40 Kg/m3 et 80 Kg/m3) peut être employée. La première mousse peut être une mousse de polymethacrylimide.
Une deuxième mousse peut être employée pour le remplissage du volume interne du bord d’attaque 84 et du volume interne du bord de fuite 85. Par exemple, une deuxième mousse ayant une densité de l’ordre de 200 Kg/m3 (par exemple entre 150 Kg/m3 et 250 Kg/m3) peut être employée. La densité supérieure de la deuxième mousse comparativement à celle de la première mousse peut être nécessaire dans la mesure où ladite deuxième mousse sert de renfort voire de support à la peau 6 au niveau du bord d’attaque 1 et du bord de fuite 2. La deuxième mousse peut être une mousse de polymethacrylimide.
Tous les volumes creux du profil sont remplis dans l’exemple représenté à la figure 3, mais, selon des variantes de l’invention, seulement l’un de ces volumes détaillés précédemment peut être rempli, ou certains de ces volumes peuvent être remplis.
Par exemple, si les propriétés mécaniques obtenues pour le profil aérodynamique grâce au noyau creux 5 et le cas échéant à la poutre 7 sont suffisantes, seuls les volumes internes du bord d’attaque 84 et le volume interne du bord de fuite 85 peuvent être remplis de mousse. Si l’on estime que seul le bord d’attaque a besoin d’un renfort par exemple vis-à-vis des impacts, seul le volume interne du bord d’attaque 84 peut être rempli de mousse. Toute combinaison de volumes internes précités remplis ou laissés sans mousse est possible, selon les besoins.
En outre, la mise en œuvre d’une poutre 7 transversale dans le noyau creux 5 ne nécessite pas que les volumes internes ou que certains volumes internes soient remplis de mousse. Ainsi, la poutre 7 et le remplissage par de la mousse sont deux caractéristiques pouvant être adoptées indépendamment l’une de l’autre.
Quel que soit le mode de réalisation considéré, la matrice employée dans le matériau composite constituant respectivement les différents éléments du profil (noyau creux 5, peau 6, poutre 7) peut être la même, ou peut différer. Avantageusement, les matériaux composites employés sont à tout le moins compatibles entre eux, notamment de sorte à ce que les éléments du profil aérodynamique, s’ils ne sont pas formés en même temps lors de la fabrication du profil aérodynamique, puissent être liés intimement entre eux.
L’invention ainsi développée propose un profil aérodynamique d’aéronef présentant une structure simple et légère, aux propriétés mécaniques (telles que le moment de flexion, la résistance au cisaillement) optimisées, et permettant la réalisation de profils aérodynamiques de forme particulièrement complexe. L’invention réduit fortement le nombre de pièces à assembler. Elle peut permettre une réduction des coûts d’obtention des profils aérodynamiques. Elle s’applique en particulier aux profils aérodynamiques d’aéronefs, notamment d’avions.
L’invention peut être appliquée à d’autres profils, tels que les foils employés dans le domaine nautique, notamment sur les bateaux.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Profil aérodynamique, comportant une peau (6) définissant la surface extérieure dudit profil aérodynamique, le profil aérodynamique comportant un bord d’attaque (1), un bord de fuite (3) et une portion centrale (2) représentant au moins 50% de la corde du profil, caractérisé en ce qu’il comporte un noyau creux (5) en matériau composite renforcé par un textile à fibres unidirectionnelles, ledit noyau creux présentant en section une forme oblongue arrondie, notamment à chacune de ses extrémités, la peau (6) prenant appui sur ledit noyau creux (5) sur la longueur de la portion centrale (2) dudit profil aérodynamique, tant à l’intrados qu’à l’extrados dudit profil aérodynamique.
- 2. Profil aérodynamique selon la revendication 1, dans lequel la peau (6) est en matériau composite ou en matériau composite recouvert d’une couche externe métallique.
- 3. Profil aérodynamique d’aéronef selon la revendication 2, dans lequel le matériau composite de la peau est renforcé par un textile à fibres unidirectionnelles.
- 4. Profil aérodynamique selon l’une des revendications précédentes, comportant en outre une poutre transversale en matériau composite disposée dans le noyau creux (5).
- 5. Profil aérodynamique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau composite est à matrice polymère.
- 6. Profil aérodynamique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le noyau creux (5) comporte au moins une surface externe plane.
- 7. Profil aérodynamique d’aéronef selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le noyau creux (5) présente une paroi d’extrados (51), une paroi d’intrados (52), et deux parois de liaison (53) entre la paroi d’extrados (51) et la paroi d’intrados (52), et dans lequel les fibres de renfort de la paroi d’extrados (51) et de la paroi d’intrados (52) sont majoritairement orientées parallèlement à la peau (6) selon une direction de référence sensiblement perpendiculaire à la corde du profil, et les fibres des parois de liaisons sont orientées selon un angle de 45° environ et/ou 135° environ par rapport à la direction de référence.
- 8. Profil aérodynamique selon les revendications 3 et 7, dans lequel les fibres de renfort de la peau (6) sont essentiellement orientées selon un angle de 45° environ et/ou 135° environ par rapport à la direction de référence.
- 9. Profil aérodynamique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins un volume interne défini par le noyau creux (5) sur la longueur de la portion centrale, ou par la peau (6) sur le bord d’attaque (1) et le bord de fuite (3), est rempli d’une mousse.
- 10. Profil aérodynamique selon la revendication 8, comportant une première mousse qui remplit le volume interne du noyau creux (81), et une deuxième mousse, différente de la première mousse, qui remplit le volume interne du bord d’attaque (84) et le volume interne du bord de fuite (85).
- 11. Profil aérodynamique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est soit un profil d’aéronef choisi parmi : une aile, un aileron, une ailette de bout d’aile (4), un empennage, un carénage, un volet hypersustentateur, soit un foil pour application nautique tel qu’un foil de bateau, ou une portion d’un élément précité.
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