FR3096963A1 - Aéronef, en particulier véhicule de rentrée atmosphérique, à deux gouvernes de direction doubles. - Google Patents
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Abstract
- Aéronef, en particulier véhicule de rentrée atmosphérique, à deux gouvernes de direction doubles. - L’aéronef (1) comporte un fuselage (3) et deux empennages verticaux (9A, 9B) agencés sur des nacelles liées au fuselage (3), chaque empennage vertical (9A, 9B) comprenant une dérive (10A, 10B) fixe et une gouverne de direction (11A, 11B) de type double pourvue de deux volets de direction mobiles indépendants, chacun des volets de direction étant apte à être braqué individuellement de manière à ce que la gouverne de direction (11A, 11B) double correspondante puisse prendre une position fermée dans laquelle les volets de direction sont en contact superficiel l’un de l’autre ou une position ouverte dans laquelle les volets de direction présentent un angle d’ouverture entre eux, ces caractéristiques permettant notamment de réaliser, si nécessaire et simultanément, un contrôle en lacet, une augmentation de la stabilité latérale notamment à Mach 3 et une réduction de charges aérodynamiques latérales notamment à Mach 2 pour l’aéronef (1). Figure pour l'abrégé : Fig . 2
Description
La présente invention concerne un aéronef comportant deux empennages verticaux.
De façon usuelle, chacun desdits empennages verticaux comprend une dérive fixe et une gouverne de direction qui est montée de façon mobile sur la dérive fixe et qui est destinée à contrôler l’aéronef en lacet.
Bien que non exclusivement, la présente invention s’applique plus particulièrement à une partie (ou module) d’un lanceur spatial, d’une fusée sonde ou d’un véhicule expérimental assimilé, comprenant notamment un ensemble de propulsion du lanceur spatial, qui est destinée à être récupérée après que le lanceur spatial, la fusée sonde ou le véhicule expérimental assimilé a effectué sa mission.
Dans une telle application préférée, l’aéronef correspond donc à une partie récupérable de la fonction de lancement qui permet de revenir sur Terre en volant, c’est-à-dire à un module (ou véhicule) spatial (volant) apte à réaliser une rentrée atmosphérique.
Par le document FR-2 961 179, on connaît un tel module récupérable pour lanceur spatial. Ce module comporte des éléments présentant un coût élevé, et dont la réutilisation est très avantageuse, tels que notamment un ensemble propulsif, un système de pressurisation, l’avionique et des moyens de génération de puissance électrique.
On sait que, lors de la rentrée atmosphérique, un tel aéronef ou module est soumis à des vitesses élevées qui génèrent, notamment, des problèmes de stabilité.
En particulier, pour des régimes de vol de l’ordre de Mach 3, il apparaît généralement des problèmes importants de stabilité latérale.
Pour essayer de corriger de tels problèmes de stabilité latérale apparaissant notamment à Mach 3 sur un aéronef à haute performance, une solution pourrait être de prévoir un empennage vertical de grande dimension. Or, un tel empennage vertical présenterait une masse et des dimensions qui seraient très pénalisantes.
Une telle solution n’est donc pas satisfaisante pour l’application envisagée.
La présente invention concerne un aéronef, en particulier un module spatial (volant), comportant un fuselage et deux empennages verticaux, chacun desdits empennages verticaux comprenant une dérive fixe et une gouverne de direction, ledit aéronef permettant de remédier aux inconvénients précités.
Selon l’invention, pour chacun desdits empennages verticaux de l’aéronef, la gouverne de direction est une gouverne de direction de type double (« split rudder » en anglais) comprenant deux volets de direction mobiles indépendants, chacun desdits volets de direction étant apte à être braqué individuellement de manière à ce que la gouverne de direction double puisse prendre l’une quelconque de positions différentes comprenant une position dite fermée dans laquelle les volets de direction sont en contact superficiel l’un de l’autre et des positions dite ouvertes dans lesquelles les volets de direction présentent à chaque fois un angle d’ouverture particulier entre eux, et l’aéronef comporte, de plus, un système de commande configuré pour commander le braquage des volets de direction de chacune des gouvernes de direction.
Ainsi, grâce aux deux gouvernes de direction doubles qui permettent d’augmenter le moment de lacet par rapport à l’angle de dérapage, on obtient une solution permettant de générer une stabilité latérale en lacet quand cela est requis, en particulier pour des régimes de vol de l’aéronef proches de Mach 3 où les problèmes de stabilité latérale en lacet sont les plus importants.
Plus particulièrement, et comme précisé ci-dessous, l’utilisation d’une gouverne de direction double sur chacun des empennages verticaux permet de mettre en œuvre à la demande, y compris simultanément, trois fonctions, à savoir :
- un contrôle en lacet de l’aéronef, en tant que gouverne de direction ;
- une augmentation de la stabilité latérale, comme indiqué ci-dessus ; et
- une réduction de charges ou d’efforts aérodynamiques latéraux sur chacun des empennages verticaux, ce qui permet d’éviter que ces efforts (résultant de l’interaction d’onde de choc avec l’empennage vertical) deviennent critiques notamment à un régime de vol de l’aéronef à Mach 2.
- un contrôle en lacet de l’aéronef, en tant que gouverne de direction ;
- une augmentation de la stabilité latérale, comme indiqué ci-dessus ; et
- une réduction de charges ou d’efforts aérodynamiques latéraux sur chacun des empennages verticaux, ce qui permet d’éviter que ces efforts (résultant de l’interaction d’onde de choc avec l’empennage vertical) deviennent critiques notamment à un régime de vol de l’aéronef à Mach 2.
Dans un mode de réalisation préféré, l’aéronef comporte deux nacelles allongées, agencées de part et d’autre du fuselage, sensiblement parallèlement à une direction longitudinale du fuselage, et chacun desdits empennages verticaux est agencé sur l’une desdites nacelles, chacune desdites nacelles étant pourvue d’un empennage vertical.
Avantageusement, pour chacun desdits empennages verticaux, la partie fixe de l’empennage vertical considéré est agencée sur la nacelle de sorte qu’un plan général de la dérive fixe présente un premier angle non nul(en général de quelques degrés, typiquement de 0° à 5°)par rapport à une direction longitudinale de la nacelle.
En outre, de façon avantageuse, chacun desdits empennages verticaux est agencé sur la nacelle de sorte qu’un plan général de la dérive fixe présente un second angle non nul (de l’ordre de 10°) par rapport à un plan vertical de la nacelle, en étant incliné soit vers l’extérieur, soit vers l’intérieur (selon les qualités de vol recherchées) de l’aéronef. Ce second angle permet de réduire l’interaction acoustique et radiative, générée par l’environnement créé par des gaz d’échappement à l’arrière de l’aéronef.
Dans un mode de réalisation préféré, l’aéronef comporte deux empennages horizontaux, et chacun desdits empennages horizontaux est agencé sur l’une desdites nacelles, chacune desdites nacelles étant pourvue d’un empennage horizontal.
Avantageusement, sur chacune desdites nacelles, l’empennage vertical et l’empennage horizontal sont agencés sur la nacelle considérée de sorte qu’un plan général de l’empennage vertical et un plan général de l’empennage horizontal présentent entre eux un angle sensiblement droit.
En outre, de façon avantageuse, sur chacune desdites nacelles, l’empennage vertical et l’empennage horizontal sont agencés sur la nacelle considérée de sorte qu’une section transversale maximale de l’empennage vertical est située, longitudinalement, à l’arrière d’une section transversale maximale de l’empennage horizontal, afin de minimiser les interférences entre les surfaces de commande, en particulier dans des régimes de vol transsoniques de l’aéronef. Cet avantage est également maintenu lorsque les surfaces de commande de l’empennage vertical et de l’empennage horizontal sont braquées.
La présente invention concerne également un procédé de commande des gouvernes de direction des empennages verticaux d’un aéronef tel que celui décrit ci-dessus.
Selon l’invention, le procédé de commande consiste à mettre en œuvre au moins une étape d’ouverture consistant à commander, pour chacun des empennages verticaux de l’aéronef, le braquage des volets de direction de la gouverne de direction double de manière à passer (progressivement) d’une position fermée à une position ouverte présentant un angle d’ouverture prédéterminé, la commande du braquage étant réalisée en fonction de la vitesse et/ou du régime de vol (Mach) de l’aéronef.
L’écoulement local n’étant pas symétrique par rapport au plan de l’empennage vertical et la structure dudit écoulement évoluant avec le nombre de Mach (ou vitesse) de l’aéronef, une ouverture (progressive) des volets de direction des gouvernes de direction doubles de chacun des empennages verticaux permet de réduire les charges aérodynamiques sur lesdits empennages verticaux.
Avantageusement :
- ledit angle d’ouverture présente, dans une position d’ouverture maximale, une valeur de l’ordre de 20° ; et/ou
- l’étape d’ouverture est mise en œuvre au moins pour un régime de vol de l’aéronef, compris entre Mach 2 et Mach 3.
- ledit angle d’ouverture présente, dans une position d’ouverture maximale, une valeur de l’ordre de 20° ; et/ou
- l’étape d’ouverture est mise en œuvre au moins pour un régime de vol de l’aéronef, compris entre Mach 2 et Mach 3.
La présente invention concerne également un véhicule tel qu’un lanceur spatial, une fusée sonde ou une véhicule expérimental assimilé, comprenant un module récupérable, ledit module récupérable correspondant à un aéronef tel que celui décrit ci-dessus.
Les figures annexées feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.
L’aéronef 1, représenté schématiquement dans un mode de réalisation particulier sur les figures 1 à 3, est configuré pour pouvoir voler et ceci notamment à des vitesses élevées, en particulier dans le cadre d’une rentrée atmosphérique. De préférence, l’aéronef 1 est un aéronef sans pilote.
A titre d’application préférée, cet aéronef 1 correspond à un module (ou véhicule) volant qui représente une partie récupérable d’un lanceur spatial, d’une fusée sonde ou d’un véhicule expérimental assimilé et qui est destiné à être récupéré sur Terre après que le lanceur spatial, la fusée sonde ou le véhicule expérimental assimilé a effectué sa mission. Ce module (ou véhicule) volant doit donc être apte à réaliser une rentrée atmosphérique en fin de phase propulsive d’un ensemble propulsif, dans les conditions difficiles dans lesquelles est généralement réalisée une telle rentrée, ainsi qu’une approche d’une piste d’atterrissage et un atterrissage sur cette piste d’atterrissage. Dans cette application, l’aéronef 1 comporte des éléments présentant un coût élevé, et dont la réutilisation est très avantageuse, tels que notamment un ensemble propulsif (par exemple un moteur-fusée 17), un système de pressurisation, l’avionique et/ou des moyens de génération de puissance électrique.
L’aéronef 1 comporte un corps central 2 principal, d’axe longitudinal X-X, formant un fuselage 3. Le sens de vol de l’aéronef 1 est illustré par une flèche F. Dans le cadre de la présente invention, les termes « avant » et « arrière » sont définis, respectivement, par rapport à l’avant et à l’arrière de l’aéronef 1, le sens de l’arrière vers l’avant étant défini selon le sens F de vol de l’aéronef 1.
Dans le mode de réalisation préféré représenté sur les figures 1 à 3, l’aéronef 1 est pourvu de deux ailes 4A et 4B fixées de part et d’autre de l’axe longitudinal X-X, respectivement par une extrémité 5A, 5B, au fuselage 3.
Pour faciliter et simplifier la description, des éléments similaires agencés sur les deux côtés de l’aéronef 1 par rapport au fuselage 3 sont identifiés par des références chiffrées identiques. Toutefois, selon le côté considéré, une lettre A (pour les éléments de droite dans le sens F de vol de l’aéronef 1) ou une lettre B (pour les éléments de gauche droite dans le sens F de vol de l’aéronef 1) est ajoutée à ces références chiffrées.
L’aéronef 1 est pourvu, à chacune des extrémités 6A et 6B des ailes 4A et 4B opposées auxdites extrémités 5A et 5B, d’une nacelle 7A, 7B allongée, en forme générale d’ogive allongée. La nacelle 7A présente un axe longitudinal LA-LA, et la nacelle 7B présente un axe longitudinal LB-LB. Ces axes longitudinaux LA-LA et LB-LB sont sensiblement parallèles à l’axe longitudinal X-X. Les nacelles 7A et 7B sont donc agencées de part et d’autre du fuselage 3, sensiblement parallèlement à la direction longitudinale du fuselage 3.
En outre, chacune desdites nacelles 7A et 7B est pourvue d’un empennage horizontal 8A, 8B et d’un empennage vertical 9A, 9B. De façon générale, les empennages sont un ensemble de plans fixes et mobiles, qui assurent, notamment, la stabilité et le contrôle de l'aéronef autour de l'axe de lacet (pour l'empennage vertical 9A, 9B) et autour de l'axe de tangage (pour l'empennage horizontal 8A, 8B).
Chacun desdits empennages horizontaux 8A et 8B comporte un plan horizontal appelé stabilisateur qui est mobile et assure les fonctions de stabilité et de gouverne de profondeur. Ces empennages horizontaux 8A et 8B participent donc la stabilité et au contrôle de l'aéronef 1 en tangage.
De plus, chacun des empennages verticaux 9A et 9B comporte, comme représenté sur la figure 2, ainsi que sur les figures 4 et 5 pour l’empennage vertical 9B, deux parties, à savoir une partie fixe appelée dérive 10A, 10B, qui est fixée sur la nacelle 7A, 7B, et une partie mobile appelée gouverne de direction 11A, 11B, qui est montée de façon mobile sur la dérive 10A, 10B.
Les empennages verticaux 9A, 9B ont donc notamment pour fonction d’assurer la stabilité et le contrôle de l'aéronef 1 autour de l'axe de lacet.
Selon l’invention, pour chacun desdits empennages verticaux 9A et 9B, la gouverne de direction 11A, 11B est une gouverne de direction dite double (« split rudder » en anglais). Une telle gouverne de direction 11A, 11B double comprend, comme représenté sur les figures 6 et 7, deux volets de direction, à savoir un volet de direction 12A, 12B et un volet de direction 13A, 13B, qui sont mobiles individuellement et sont indépendants.
Chaque gouverne de direction 11A, 11B, à savoir la partie mobile de chacun des empennages verticaux 9A, 9B, qui représente la surface de contrôle aérodynamique, correspond donc à une gouverne double à deux degrés de liberté indépendants.
Chacun des volets de direction 12A, 12B, 13A, 13B de ces gouvernes de direction 11A et 11B doubles est apte à être braqué individuellement autour d’un axe C (figures 6 à 8) de manière à ce que chaque gouverne de direction 11A, 11B double puisse prendre l’une quelconque des positions suivantes :
- une position fermée P1 dans laquelle les volets de direction 12B et 13B sont en contact superficiel l’un de l’autre, comme représenté en trait fin sur la figure 6 pour la gouverne de direction 11B ; et
- l’une d’une pluralité de positions ouvertes, dans lesquelles les volets de direction 12B et 13B présentent un angle d’ouverture θ (non nul) entre eux, par exemple de l’ordre de 20°, comme représenté à titre d’illustration sur la figure 6 en trait épais pour une position d’ouverture P2 donnée d’angle d’ouverture θ1 et sur la figure 8 pour une position d’ouverture P3 donnée d’angle d’ouverture θ2.
- une position fermée P1 dans laquelle les volets de direction 12B et 13B sont en contact superficiel l’un de l’autre, comme représenté en trait fin sur la figure 6 pour la gouverne de direction 11B ; et
- l’une d’une pluralité de positions ouvertes, dans lesquelles les volets de direction 12B et 13B présentent un angle d’ouverture θ (non nul) entre eux, par exemple de l’ordre de 20°, comme représenté à titre d’illustration sur la figure 6 en trait épais pour une position d’ouverture P2 donnée d’angle d’ouverture θ1 et sur la figure 8 pour une position d’ouverture P3 donnée d’angle d’ouverture θ2.
Les braquages des deux volets de direction d’une gouverne de direction (les volets de direction 12A et 13A de la gouverne de direction 11A ou les volets de direction 12B et 13B de la gouverne de direction 11B) peuvent être réalisés :
- soit de façon symétrique, par rapport à une position neutre H, avec des déploiements angulaires (de sens opposés) qui sont de même valeur pour les deux volets de direction 12B et 13B, comme illustré sur la figure 6 où le déploiement (ou déflexion) angulaire du volet de direction 12B par rapport à la position neutre H est illustré par une flèche θ1a (montrant le sens de déploiement et l’angle correspondant) et le déploiement angulaire du volet de direction 13B par rapport à la position neutre H est illustré par une flèche θ1b, l’angle de déflexion θ1b étant égal à l’angle de déflexion θ1a et l’angle d’ouverture θ1 vérifiant la relation θ1=θ1a+θ1b ;
- soit de façon asymétrique, c’est-à-dire que l’un des volets de direction est braqué davantage que l’autre par rapport à une position neutre H, comme illustré sur la figure 8 où le déploiement angulaire du volet de direction 12B par rapport à la position neutre H est illustré par une flèche θ2a et le déploiement angulaire du volet de direction 13B par rapport à la position neutre H est illustré par une flèche θ2b, l’angle de déflexion θ2b étant différent de l’angle de déflexion θ2a et l’angle d’ouverture θ2 vérifiant la relation θ2=θ2a+θ2b.
- soit de façon symétrique, par rapport à une position neutre H, avec des déploiements angulaires (de sens opposés) qui sont de même valeur pour les deux volets de direction 12B et 13B, comme illustré sur la figure 6 où le déploiement (ou déflexion) angulaire du volet de direction 12B par rapport à la position neutre H est illustré par une flèche θ1a (montrant le sens de déploiement et l’angle correspondant) et le déploiement angulaire du volet de direction 13B par rapport à la position neutre H est illustré par une flèche θ1b, l’angle de déflexion θ1b étant égal à l’angle de déflexion θ1a et l’angle d’ouverture θ1 vérifiant la relation θ1=θ1a+θ1b ;
- soit de façon asymétrique, c’est-à-dire que l’un des volets de direction est braqué davantage que l’autre par rapport à une position neutre H, comme illustré sur la figure 8 où le déploiement angulaire du volet de direction 12B par rapport à la position neutre H est illustré par une flèche θ2a et le déploiement angulaire du volet de direction 13B par rapport à la position neutre H est illustré par une flèche θ2b, l’angle de déflexion θ2b étant différent de l’angle de déflexion θ2a et l’angle d’ouverture θ2 vérifiant la relation θ2=θ2a+θ2b.
De plus, la position neutre peut être modifiée, par exemple d’une position H (correspond à la position du plan général de la dérive fixe de l’empennage vertical correspondant) à une position H0 comme illustré sur la figure 8.
L’aéronef 1 comporte également un système de commande 14 configuré pour commander le braquage des volets de direction 12A, 12B, 13A et 13B de chacune des gouvernes de direction 11A et 11B.
Ce système de commande 14 comporte, comme représenté schématiquement sur la figure 8 pour la gouverne de direction 11B, un système d’actionnement 15 pour faire pivoter les volets de direction, et une unité de commande 16 pour commander ce système d’actionnement 15 (via une liaison 16A).
L’aéronef 1 comporte également des moyens usuels pour générer son déplacement, notamment un système de propulsion de tout type, par exemple un turbopropulseur à hélice dont on a représenté schématiquement des hélices 18A et 18B sur la figure 1, ainsi que des moyens usuels de commande et de pilotage qui ne sont pas décrits d’avantage et qui permettent à l’aéronef notamment de mettre en œuvre une rentrée atmosphérique et de réaliser un vol jusqu’à un atterrissage sur une piste d’atterrissage.
L’aéronef 1 peut également comporter comme indiqué ci-dessus, un ensemble propulsif tel qu’un moteur-fusée 17 (figure 1), pour réaliser le lancement, ou tout au moins aider au lancement du lanceur spatial.
Les deux gouvernes de direction 11A et 11B doubles permettent d’augmenter le moment de lacet (par rapport à l’angle de dérapage) de l’aéronef 1. Ceci permet de générer une stabilité latérale et un contrôle en lacet, quand cela est requis et en particulier pour des régimes de vol (ou vitesses) de l’aéronef 1 qui sont proches de Mach 3 où la stabilité latérale statique en lacet est la plus limitée.
Plus particulièrement, l’utilisation d’une gouverne de direction 11A, 11B double sur chacun des empennages verticaux 9A et 9B permet ainsi de mettre en œuvre à volonté selon le besoin, y compris de façon simultanée, trois fonctions différentes :
- un contrôle en lacet de l’aéronef 1, en tant que fonction principale d’une gouverne de direction ;
- une stabilisation latérale statique, comme indiqué ci-dessus ; et
- une réduction de charges ou d’efforts aérodynamiques latéraux sur l’empennage vertical 9A, 9B, résultant de l’interaction d’onde de choc du nez avec l’empennage vertical 9A, 9B, notamment pour des efforts qui deviennent critiques à un régime de vol de l’aéronef 1 aux alentours de Mach 2.
- un contrôle en lacet de l’aéronef 1, en tant que fonction principale d’une gouverne de direction ;
- une stabilisation latérale statique, comme indiqué ci-dessus ; et
- une réduction de charges ou d’efforts aérodynamiques latéraux sur l’empennage vertical 9A, 9B, résultant de l’interaction d’onde de choc du nez avec l’empennage vertical 9A, 9B, notamment pour des efforts qui deviennent critiques à un régime de vol de l’aéronef 1 aux alentours de Mach 2.
Par ailleurs, dans un mode de réalisation particulier, pour chacun des empennages verticaux 9A et 9B, la dérive fixe 10A, 10B de l’empennage vertical 9A, 9B considéré est agencée sur la nacelle 7A, 7B correspondante de sorte qu’un plan général de la dérive fixe présente un angle α non nul par rapport à une direction longitudinale LA-LA, LB-LB de la nacelle 7A, 7B, comme représenté sur la figure 9 pour l’empennage vertical 9B où le plan général de la dérive fixe illustré par la référence H présente un angle α non nul par rapport à la direction longitudinale LB-LB de la nacelle 7B. De préférence, cet angle α est de quelques degrés, typiquement de 0° à 5°.
En outre, dans un mode de réalisation préféré, chacun des empennages verticaux 9A, 9B est agencé sur la nacelle 7A, 7B de sorte qu’un plan général JA, JB (figure 10) de la dérive de l’empennage vertical 9A, 9B présente un angle γ non nul par rapport à un plan vertical IA, IB de la nacelle 7A, 7B, en étant incliné vers l’extérieur ou l’intérieur (selon les qualités de vol requises) de l’aéronef 1, comme illustré par une flèche EA, EB sur la figure 10. De préférence, cet angle γ est de l’ordre de 10°.
Cet angle γ (de valeur relativement faible, à savoir 10°) permet de réduire l’interaction acoustique et radiative entre les empennages verticaux 9A et 9B, due en particulier à des gaz d’échappement à l’arrière de l’aéronef 1, générés par le moteur-fusée 17.
Une protection additionnelle de l’empennage vertical 9A, 9B par rapport à l’environnement acoustique et radiatif sévère, généré par les gaz d’échappement du moteur-fusée 17, peut être obtenue par la mise en place sur l’empennage vertical 9A, 9B d’une couverture ablative locale consommable, qui est de préférence configurée pour être épuisée ou larguée à la coupure du moteur-fusée 17.
Dans un mode de réalisation préféré, sur chacune desdites nacelles 7A et 7B, l’empennage vertical 9A, 9B et l’empennage horizontal 8A, 8B sont agencés de sorte que le plan général JA, JB de l’empennage vertical 9A, 9B et un plan général KA, KB de l’empennage horizontal 8A, 8B présentent un angle sensiblement droit, comme représenté sur la figure 10. Par conséquent, avec l’agencement précité de l’empennage vertical 9A, 9B (inclinaison vers l’intérieur du véhicule 1, c’est-à-dire que le bord d’attaque de la dérive est orienté vers le fuselage en vue de dessus), chaque empennage horizontal 8A, 8B adopte, pour une ségrégation angulaire de l’ordre de 90° par rapport à l’empennage vertical 9A, 9B, un angle vers le bas par rapport au plan NA, NB (figure 3) des ailes 4A et 4B.
Par ailleurs, dans un mode de réalisation préféré, l’empennage horizontal 8A, 8B présente une section transversale variable selon l’axe X-X. De même l’empennage vertical 9A, 9B présente également une section transversale variable selon l’axe X-X. De plus, les sections transversales maximales de l’empennage horizontal 8A, 8B et de l’empennage vertical 9A, 9B sont ségréguées longitudinalement (selon l’axe X-X) et angulairement pour éviter le plus possible des interactions préjudiciables, en particulier durant les régimes de vol transsoniques et ainsi garder un contrôle latéral et longitudinal sur tous les régimes de vol (nombres Mach) complet de l’aéronef.
A cet effet, la section transversale maximale de l’empennage vertical 9A, 9B est placée à l’arrière (dans le sens de vol F de l’aéronef 1) de la section transversale maximale de l’empennage horizontal 8A, 8B de manière à pouvoir minimiser les interférences entre les surfaces de commande, en particulier dans les régimes de vol transsoniques. Cette ségrégation est également effective lorsque les surfaces de commande de l’empennage vertical (gouverne de direction) et de l’empennage horizontal (gouverne de profondeur) sont braquées.
En outre, l’empennage vertical 9A, 9B est agencé au-dessus du plan de symétrie horizontal NA, NB de l’aéronef 1, passant par les ailes 4A, 4B, comme représenté sur la figure 3, pour un roulis induit favorable, induit par dérapage.
Par conséquent, l’aéronef 1, tel que décrit ci-dessus, comportant des gouvernes de direction 11A, 11B doubles, présente les avantages importants suivants :
- une stabilité passive de lacet (latérale positive) peut être obtenue au-delà de Mach 2 sans augmenter la taille de l’empennage vertical 9A, 9B ;
- en même temps, comme avantages additionnels importants, une forte réduction des charges aérodynamiques sur chaque empennage vertical 9A, 9B, en direction latérale, peut être obtenue en adoptant des angles d’ouverture appropriés le long du vol, à savoir en réalisant des mouvements d’ouverture évoluant progressivement des volets de direction 12A, 12B, 13A, 13B de la gouverne de direction 11A, 11B double, afin de créer une stabilité latérale simultanément avec des charges aérodynamiques latérales minimales sur l’empennage 9A, 9B. Cette limitation de charges peut être obtenue sur un domaine de nombre de Mach important (de Mach 2 à plus de Mach 3), réduisant de façon significative les contraintes sur la structure ; et
- le déploiement de chaque gouverne de direction 11A, 11B double génère une traînée sensiblement similaire à celle d’une gouverne de direction usuelle, ce qui préserve la capacité de dissipation de l’énergie de l’aéronef 1 par exemple lors d’une rentrée atmosphérique.
- une stabilité passive de lacet (latérale positive) peut être obtenue au-delà de Mach 2 sans augmenter la taille de l’empennage vertical 9A, 9B ;
- en même temps, comme avantages additionnels importants, une forte réduction des charges aérodynamiques sur chaque empennage vertical 9A, 9B, en direction latérale, peut être obtenue en adoptant des angles d’ouverture appropriés le long du vol, à savoir en réalisant des mouvements d’ouverture évoluant progressivement des volets de direction 12A, 12B, 13A, 13B de la gouverne de direction 11A, 11B double, afin de créer une stabilité latérale simultanément avec des charges aérodynamiques latérales minimales sur l’empennage 9A, 9B. Cette limitation de charges peut être obtenue sur un domaine de nombre de Mach important (de Mach 2 à plus de Mach 3), réduisant de façon significative les contraintes sur la structure ; et
- le déploiement de chaque gouverne de direction 11A, 11B double génère une traînée sensiblement similaire à celle d’une gouverne de direction usuelle, ce qui préserve la capacité de dissipation de l’énergie de l’aéronef 1 par exemple lors d’une rentrée atmosphérique.
L’aéronef 1, tel que décrit ci-dessus, est apte à être commandé, par un procédé de commande des gouvernes de direction 11A et 11B des empennages verticaux 9A et 9B.
Selon l’invention, le procédé de commande consiste à mettre en œuvre au moins une étape d’ouverture consistant à commander par l’intermédiaire du système de commande 14, pour chacun des empennages verticaux 9A et 9B de l’aéronef 1, le braquage des volets de direction de la gouverne de direction 11A, 11B double. Pour ce faire, l’unité de commande 16 du système de commande 14 envoie des ordres de commande au système d’actionnement 15 de sorte que ce dernier actionne les volets de direction de manière à faire passer progressivement chaque gouverne de direction d’une position fermée à une position ouverte présentant un angle d’ouverture donné prédéterminé. Dans une position d’ouverture maximale, ledit angle d’ouverture donné présente, de préférence, une valeur de l’ordre de 20°.
Dans un mode de réalisation préféré, la commande du braquage est réalisée en fonction de la vitesse et/ou du régime de vol (Mach) de l’aéronef 1, c’est-à-dire que l’angle d’ouverture courant (c’est-à-dire tel qu’il est à l’instant présent) dépend du nombre de Mach courant de l’aéronef 1. L’étape d’ouverture est mise en œuvre, le cas échéant, au moins entre des régimes de vol de Mach 2 et de Mach 3 de l’aéronef 1.
L’écoulement local au niveau de l’empennage vertical 9A, 9B n’étant pas symétrique par rapport au plan de l’empennage vertical 9A, 9B et la structure de l’écoulement évoluant avec le nombre de Mach de l’aéronef 1 (lors d’une rentrée atmosphérique notamment), un mouvement d’ouverture évoluant progressivement des volets de direction des gouvernes de direction 11A et 11B doubles permet d’obtenir l’efficacité requise.
Plus particulièrement, en déployant de façon appropriée, avec le nombre de Mach de l’aéronef 1, l’angle d’ouverture des gouvernes de direction, la force latérale aérodynamique agissant sur chaque empennage vertical 9A, 9B peut être minimisée, en particulier à Mach 2 où apparaissent les interactions d’onde de choc les plus défavorables avec l’empennage vertical.
L’utilisation de gouvernes de direction doubles, combinée à un angle d’ouverture (ou de déflexion) adéquat, par exemple de l’ordre de 20°, génère un moment de stabilité en lacet positif, en particulier dans des conditions de vol au-delà de Mach 2. Ceci restaure une stabilité de lacet statique positive sur tout le régime de vol en Mach susceptible d’être rencontré lors d’une rentrée atmosphérique typique, sans avoir à augmenter la taille de l’empennage vertical 9A, 9B.
L’aéronef 1, tel que décrit ci-dessus, présente donc de nombreux avantages. En particulier, il permet d’obtenir sans augmenter la surface de chacun des empennages verticaux 9A et 9B :
- une augmentation de la stabilité latérale à Mach 3 grâce à des gouvernes de direction doubles permettant d’augmenter le moment de stabilité statique en lacet par rapport à l’angle de dérapage. On obtient ainsi une stabilité latérale sur toute la mission de rentrée atmosphérique d’un module spatial, en particulier jusqu’à l’approche finale et à l’atterrissage ; et
- une réduction de l’effort latéral sur les empennages verticaux 9A et 9B à Mach 2 par une commande appropriée des gouvernes de direction doubles.
- une augmentation de la stabilité latérale à Mach 3 grâce à des gouvernes de direction doubles permettant d’augmenter le moment de stabilité statique en lacet par rapport à l’angle de dérapage. On obtient ainsi une stabilité latérale sur toute la mission de rentrée atmosphérique d’un module spatial, en particulier jusqu’à l’approche finale et à l’atterrissage ; et
- une réduction de l’effort latéral sur les empennages verticaux 9A et 9B à Mach 2 par une commande appropriée des gouvernes de direction doubles.
Les angles d’ouverture des gouvernes de direction doubles à Mach 3 peuvent être différents de ceux à Mach 2, les effets recherchés n’étant pas les mêmes.
On notera, de plus, que l’utilisation d’une gouverne de direction double sur chaque empennage vertical contribue favorablement :
- à dissiper l’énergie de rentrée atmosphérique d’un module spatial, comme la rentrée atmosphérique se produit avec un angle d’incidence faible ; et
- à créer un moment naturel de cabrage durant la phase supersonique de rentrée atmosphérique, ce qui peut réduire l’amplitude de la manœuvre de cabrage transsonique finale.
- à dissiper l’énergie de rentrée atmosphérique d’un module spatial, comme la rentrée atmosphérique se produit avec un angle d’incidence faible ; et
- à créer un moment naturel de cabrage durant la phase supersonique de rentrée atmosphérique, ce qui peut réduire l’amplitude de la manœuvre de cabrage transsonique finale.
Claims (10)
- Aéronef, en particulier module spatial apte à réaliser une rentrée atmosphérique, ledit aéronef (1) comportant un fuselage (3) et deux empennages verticaux (9A, 9B), chacun desdits empennages verticaux (9A, 9B) comprenant une dérive (10A, 10B) fixe et une gouverne de direction (11A, 11B),
caractérisé en ce que, pour chacun desdits empennages verticaux (9A, 9B), la gouverne de direction (11A, 11B) est une gouverne de direction de type double comprenant deux volets de direction (12A, 12B, 13A, 13B) mobiles indépendants, chacun desdits volets de direction (12A, 12B, 13A, 13B) étant apte à être braqué individuellement de manière à ce que la gouverne de direction (11A, 11B) double puisse prendre l’une quelconque de positions différentes comprenant une position (P1) dite fermée dans laquelle les volets de direction (12A, 12B, 13A, 13B) sont en contact superficiel l’un de l’autre et des positions (P2, P3) dite ouvertes dans lesquelles les volets de direction (12A, 12B, 13A, 13B) présentent à chaque fois un angle d’ouverture (θ1, θ2) particulier entre eux, et en ce que l’aéronef (1) comporte, de plus, un système de commande (14) configuré pour commander le braquage des volets de direction (12A, 12B, 13A, 13B) de chacune des gouvernes de direction (11A, 11B). - Aéronef selon la revendication 1,
caractérisé en ce qu’il comporte deux nacelles (7A, 7B) allongées, agencées de part et d’autre du fuselage (3), sensiblement parallèlement à une direction longitudinale (X-X) du fuselage (3), et en ce que chacun desdits empennages verticaux (9A, 9B) est agencé sur l’une desdites nacelles (7A, 7B), chacune desdites nacelles (7A, 7B) étant pourvue d’un empennage vertical (9A, 9B). - Aéronef selon la revendication 2,
caractérisé en ce que, pour chacun desdits empennages verticaux (9A, 9B), la dérive (10A, 10B) fixe de l’empennage vertical (9A, 9B) considéré est agencée sur la nacelle (7A, 7B) considérée de sorte qu’un plan général (H) de la dérive (10A, 10B) fixe présente un premier angle (α) non nul par rapport à une direction longitudinale (LB-LB) de la nacelle (7A, 7B). - Aéronef selon l’une des revendications 2 et 3,
caractérisé en ce que chacun desdits empennages verticaux (9A, 9B) est agencé sur la nacelle (7A, 7B) de sorte qu’un plan général (JA,JB) de la dérive (10A, 10B) fixe présente un second angle (γ) non nul par rapport à un plan vertical (IA, IB) de la nacelle (7A, 7B), en étant incliné vers l’extérieur ou vers l’intérieur de l’aéronef (1). - Aéronef selon l’une quelconque des revendications 2 à 4,
caractérisé en ce qu’il comporte deux empennages horizontaux (8A, 8B), et en ce que chacun desdits empennages horizontaux (8A, 8B) est agencé sur l’une desdites nacelles (7A, 7B), chacune desdites nacelles étant pourvue d’un empennage horizontal (8A, 8B). - Aéronef selon la revendication 5,
caractérisé en ce que, sur chacune desdites nacelles (7A, 7B), l’empennage vertical (9A, 9B) et l’empennage horizontal (8A, 8B) sont agencés sur la nacelle (7A, 7B) considérée de sorte qu’un plan général (JA, JB) de l’empennage vertical (9A, 9B) et un plan général (KA, KB) de l’empennage horizontal (8A, 8B) présentent un angle sensiblement droit. - Aéronef selon l’une des revendications 5 et 6,
caractérisé en ce que, sur chacune desdites nacelles (7A, 7B), l’empennage vertical (9A, 9B) et l’empennage horizontal (8A, 8B) sont agencés sur la nacelle (7A, 7B) considérée de sorte qu’une section transversale maximale de l’empennage vertical (9A, 9B) est située, longitudinalement, à l’arrière d’une section transversale maximale de l’empennage horizontal (8A, 8B). - Procédé de commande des gouvernes de direction des empennages verticaux d’un aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 7,
caractérisé en ce qu’il consiste à mettre en œuvre au moins une étape d’ouverture consistant à commander, pour chacun des empennages verticaux (9A, 9B) de l’aéronef (1), le braquage des volets de direction (12A, 12B, 13A, 13B) de la gouverne de direction (11A, 11B) double de manière à passer d’une position fermée (P1) à une position ouverte (P2, P3) présentant un angle d’ouverture (θ1, θ2) prédéterminé, la commande du braquage étant réalisée en fonction du régime de vol et/ou de la vitesse de l’aéronef (1). - Procédé selon la revendication 8,
caractérisé en ce que l’étape d’ouverture est mise en œuvre au moins entre un régime de vol de Mach 2 et un régime de vol de Mach 3 de l’aéronef (1). - Véhicule, en particulier un lanceur spatial, une fusée sonde ou un véhicule expérimental assimilé, comprenant un module récupérable,
caractérisé en ce que ledit module récupérable est un aéronef (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.
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