FR3111590A1 - Reservoir de gaz destine a servir d'element structurel au fuselage, a l'empennage ou a la voilure d'un aeronef - Google Patents

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Abstract

Réservoir de gaz destiné à servir d’élément structurel au fuselage, à l’empennage ou à la voilure d’un aéronef L’élément structurel (40) d’un aéronef (10) est destiné à former une structure interne (22 ; 24 ; 26) d’un fuselage (12), d’un empennage (14) ou d’une voilure (16) de l’aéronef (10), la structure interne (22 ; 24 ; 26) étant destinée à porter au moins un élément rapporté (52) de l’aéronef (10). L’élément structurel (40) comprend au moins une paroi (58) définissant intérieurement un réservoir (60) de réception d’un gaz sous pression. Figure pour l'abrégé : Figure 1

Description

Réservoir de gaz destiné à servir d’élément structurel au fuselage, à l’empennage ou à la voilure d’un aéronef
La présente invention concerne un élément structurel d’un aéronef du type destiné à former une structure interne d’un fuselage, d’un empennage ou d’une voilure de l’aéronef, la structure interne étant destinée à porter au moins un élément rapporté de l’aéronef.
Un tel gaz est destiné, par exemple, à la propulsion de l’aéronef, à la génération d’énergie, par exemple, au sein d’une pile à combustible, à l’usage des passagers, ou à toute autre utilisation d’un gaz sous pression dans un aéronef.
Un tel gaz est généralement stocké sous pression dans un réservoir spécifique à des pressions nominales supérieures à 100 bars, et notamment comprises entre 300 bars et 800 bars. La pression nominale est la pression maximum de remplissage du réservoir.
Il est connu de placer un tel réservoir dans des espaces disponibles au sein de l’aéronef, par exemple dans le fuselage ou au sein de la voilure entre les éléments structurels comme, par exemple, des longerons, des nervures, des traverses ou des lisses. Pour résister à de telles pressions, il est connu que le réservoir définissant le volume intérieur de réception du gaz soit formé par un matériau rigide.
Toutefois, la rigidité d’un tel réservoir peut être incompatible avec l’amplitude des déformations mécaniques à laquelle est soumis l’élément structurel. Cette incompatibilité peut mener à des efforts importants supportés par les attaches du réservoir et par ses parois, ce qui peut conduire à un endommagement mutuel de la structure interne et du réservoir.
En outre, le poids d’un tel réservoir s’ajoute à celui des éléments de structure, ce qui augmente le poids total de la voilure.
Pour assurer un stockage sûr du gaz et une tenue optimale de l’aéronef en cours de vol, la rigidité et le poids d’un tel réservoir doivent être réduits. Cependant, une telle opération limite la pression du gaz stocké dans le réservoir et, par conséquent, limite la quantité de gaz embarquable.
L’invention a ainsi pour but de fournir une architecture d’aéronef présentant une masse globale et un encombrement optimisés, tout en assurant une tenue mécanique optimale à la fois pour le réservoir et pour la structure interne de l’aéronef.
A cet effet, l’invention a pour objet un élément structurel d’aéronef du type précité, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une paroi définissant intérieurement un réservoir de réception d’un gaz sous pression.
L’élément structurel peut, en outre, présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prise(s) seule(s) ou selon toute combinaison techniquement possible :
  • le gaz sous pression est un gaz combustible destiné à la propulsion d’un moteur ou à l’alimentation électrique de l’aéronef, le gaz étant, de préférence, du dihydrogène ;
  • le gaz est propre à être stocké dans le réservoir avec une pression nominale supérieure à 100 bars et notamment comprise entre 300 bars et 800 bars ;
  • le réservoir délimite un volume intérieur de forme cylindrique ou tronconique, les extrémités du réservoir étant arrondies ;
  • la paroi est formée au moins partiellement par un matériau composite ;
  • la paroi présente un module d’élasticité mesuré selon la norme ISO 527-4 supérieur à 60 GPa et préférentiellement compris entre 70 GPa et 120 GPa ;
  • la paroi présente une épaisseur supérieure à 5 mm et notamment comprise entre 10 mm et 100 mm ;
  • la paroi définit un orifice de remplissage du gaz, l’orifice de remplissage étant en communication fluidique avec un conduit de remplissage débouchant sur l’extérieur de l’aéronef.
L’invention concerne également une structure interne d’un empennage ou d’une voilure comprenant un élément structurel tel que défini plus haut, dans laquelle le réservoir s’étend longitudinalement depuis une première extrémité de la structure interne vers une deuxième extrémité de la structure interne.
La structure interne selon l’invention comporte avantageusement la caractéristique suivante :
- un élément de renfort, l’élément de renfort étant fixé sur l’élément structurel par l’intermédiaire d’un adhésif étant, par exemple, une colle.
L’invention concerne, en outre, une voilure ou empennage d’un aéronef comprenant une structure interne telle que définie plus haut, dans lequel l’élément structurel est un longeron de la voilure ou de l’empennage.
L’invention concerne, en outre, un aéronef comprenant une voilure ou un empennage tel que défini plus haut et respectivement une interface de connexion, la voilure ou l’empennage étant montée sur l’interface de connexion respective via la première extrémité de la structure interne.
L’invention concerne, en outre, un procédé de propulsion ou d’alimentation d’un aéronef tel que défini plus haut, dans lequel le gaz sous pression est un gaz combustible, le procédé comprenant l’acheminement du gaz combustible depuis le réservoir vers au moins un moteur ou vers un générateur de puissance électrique de l’aéronef.
L’invention concerne, en outre, un procédé de ravitaillement en gaz d’un aéronef tel que défini plus haut, dans lequel la paroi définit un orifice de remplissage du gaz, l’orifice de remplissage étant en communication fluidique avec un conduit de remplissage débouchant sur l’extérieur de l’aéronef, le procédé comprenant l’ajout du gaz dans le réservoir depuis le conduit de remplissage, le gaz pénétrant dans le réservoir depuis l’orifice de remplissage du gaz.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
La est une représentation schématique en transparence d’une vue de dessus d’un aéronef comprenant au moins un élément structurel, selon l’invention, formant une structure interne d’une voilure de l’aéronef,
La est une représentation schématique d’une coupe de l’aéronef de la selon un plan vertical traversant au moins un élément structurel,
La est une représentation schématique en transparence d’une vue de dessus d’un aéronef comprenant au moins un élément structurel, selon l’invention, formant une structure interne d’un empennage de l’aéronef.
En référence aux figures 1 et 3, on décrit un aéronef 10 comprenant un fuselage 12, un empennage 14 et une voilure 16.
L’aéronef 10 est, par exemple, un drone comme illustré sur la , c’est-à-dire, un aéronef sans pilote dont le pilotage est automatique ou télécommandé.
L’aéronef 10 comprend, en outre, au moins un moteur à pistons ou un turbo réacteur.
En variante, l’aéronef 10 est propulsé électriquement. Une pile à combustible fournit alors l’énergie électrique nécessaire à la propulsion de l’aéronef 10, via un moteur électrique.
Le fuselage 12, l’empennage 14 et la voilure 16 comprennent chacun une structure interne 22, 24, 26 et au moins un élément rapporté 52, par exemple, un panneau, destiné à être porté par les structures internes 22, 24, 26.
Le fuselage 12 comprend le long d’un axe longitudinal de l’aéronef 10 au moins une interface 30 de connexion de la voilure 16 sur le fuselage 12 et au moins une interface 32 de connexion de l’empennage 14 sur le fuselage 12.
La voilure 16 est, par exemple, montée sur l’interface de connexion 30 via une première extrémité 36 de la structure interne 26 de la voilure 16. En référence à la , la voilure 16 définit un intrados 66 et un extrados 68 s’étendant de part et d’autre de la structure interne 26.
En référence à la , la structure interne 26 de la voilure 16 comprend au moins un élément structurel 40 et au moins un élément 42 de renfort de la structure interne 26 destiné à coopérer avec au moins un élément structurel 40 et à renforcer la structure interne 26.
Selon le mode de réalisation illustré sur la , l’élément structurel 40 est un longeron de la voilure 16. L’élément de renfort 42 est une nervure de la voilure 16 visible sur les figures 1 et 2.
L’élément structurel 40 s’étend longitudinalement depuis la première extrémité 36 de la structure interne 26 vers une deuxième extrémité 38 de la structure interne 26.
La structure interne 26 comprend, par exemple, une pluralité d’éléments structurels 40.
Selon l’exemple illustré sur la , la structure interne 26 comprend deux éléments structurels 40 identiques.
La structure interne 26 est destinée à porter au moins un élément rapporté 52.
L’élément rapporté 52 est, par exemple, un élément fonctionnel de l’aéronef 10 tel qu’un panneau formant une peau de l’aéronef, un moteur de propulsion, un générateur de puissance électrique, un aérofrein, un dispositif hypersustentateur tel qu’un volet et/ou un train d’atterrissage.
Chaque élément structurel 40 comprend au moins une paroi 58 définissant intérieurement un réservoir 60 de gaz sous pression.
La paroi 58 est, par exemple, de forme tubulaire ou tronconique et présente des extrémités arrondies en forme hémisphérique ou conique.
La paroi 58 est allongée. Elle présente une longueur au moins dix fois supérieure à sa largeur et à sa hauteur.
La paroi 58 est, par exemple, formée par un matériau composite tel que des fibres de carbone drapées dans une résine époxyde. Un revêtement (ou liner) est présent pour certains gaz comme l’hydrogène afin de garantir l’étanchéité de la paroi 58.
La paroi 58 présente un module d’élasticité mesuré selon la norme ISO 527-4 supérieur à 60 GPa et préférentiellement compris entre 70 GPa et 120 GPa.
La paroi 58 présente une épaisseur supérieure à 5 mm et notamment comprise entre 10 mm et 100 mm.
Le réservoir 60 délimite un volume intérieur 62 de forme cylindrique ou tronconique. Il présente des extrémités arrondies en forme hémisphérique ou coniques.
Le réservoir 60 s’étend longitudinalement depuis la première extrémité 36 vers la deuxième extrémité 38 de la structure interne 26 de la voilure 16.
Selon un premier mode de réalisation, le gaz sous pression est un gaz combustible.
Un tel gaz combustible assure, par exemple, la propulsion de l’aéronef soit par combustion, soit par réaction chimique au sein d’une pile à combustible. Comme décrit plus haut, il est rappelé que le gaz stocké dans le réservoir 60 peut avoir d’autres usages.
Dans ce qui suit, le gaz sous pression est décrit comme un gaz combustible.
Le réservoir 60 alimente au moins un moteur de propulsion ou au moins un générateur de puissance électrique de l’aéronef 10 en gaz combustible.
Ledit moteur de propulsion est destiné à transformer le potentiel d’énergie chimique contenu dans le gaz combustible sous pression en énergie cinétique permettant de générer une force de propulsion de l’aéronef 10 par combustion.
Ledit générateur de puissance électrique est destiné à transformer le potentiel d’énergie chimique contenu dans le gaz combustible sous pression en énergie électrique permettant d’alimenter électriquement, par exemple un moteur électrique de propulsion de l’aéronef, ou un système électrique de l’aéronef 10.
La paroi 58 comprend un orifice (non illustré) de distribution du gaz, par exemple, pour l’alimentation d’au moins un moteur de propulsion et/ou d’au moins un générateur de puissance électrique.
La paroi 58 comprend, en outre, un orifice (non illustré) de remplissage du réservoir 60 en communication fluidique avec un conduit de remplissage débouchant à l’extérieur de l’aéronef 10.
L’orifice de distribution du gaz et l’orifice de remplissage du réservoir 60 sont, par exemple, confondus.
Le gaz combustible sous pression est, par exemple, du dihydrogène.
Le gaz sous pression est, par exemple, stocké dans le réservoir 60 sous forme exclusivement gazeuse sous une pression effective inférieure ou égale à 800 bars.
Selon le mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, l’élément de renfort 42 s’étend transversalement autour de l’élément structurel 40 depuis un bord d’attaque de la voilure 16 vers un bord de fuite de la voilure 16. En particulier, l’élément de renfort 42 épouse intérieurement la forme extérieure de l’élément structurel 40.
Chaque élément de renfort 42 est fixé sur au moins un élément structurel 40. En particulier, chaque élément de renfort 42 est fixé sur au moins un élément structurel 40 par un adhésif 44, notamment par une colle. Cette colle est par exemple, formée par une composition à base de résine époxyde.
Chaque élément rapporté 52 est fixé et suspendu à la structure interne 26. En particulier, chaque élément rapporté 52 est collé sur au moins un élément structurel 40 par, par exemple, un adhésif, notamment par une colle et/ou est fixé sur au moins un élément de renfort 42 par, par exemple, un adhésif, au moins une vis, au moins un rivet ou par soudure.
Ainsi chaque élément de renfort 42 et/ou chaque élément rapporté 52 est fixé à un élément structurel 40 par un moyen de fixation respectant l’intégrité de la paroi 58.
Dans ce qui suit, on décrit un procédé de ravitaillement en gaz de l’aéronef 10 tel que décrit précédemment.
Le procédé de ravitaillement comprend une étape d’ouverture du conduit de remplissage.
Le gaz est ensuite injecté dans le conduit de remplissage puis reçu dans le réservoir 60 depuis l’orifice de remplissage.
L’injection de gaz est effectuée jusqu’à ce que le gaz dans le réservoir 60 soit mis sous une pression nominale, c’est-à-dire une pression maximale de remplissage supérieure à 100 bars, notamment comprise entre 300 bars et 800 bars.
L’injection de gaz est ensuite arrêtée lorsqu’un seuil déterminé de gaz est stocké dans le réservoir 60.
L’orifice de remplissage est ensuite fermé.
Un procédé de propulsion ou d’alimentation électrique de l’aéronef 10 tel qu’illustré précédemment va maintenant être décrit.
Le procédé de propulsion ou d’alimentation électrique comprend une étape d’acheminement du gaz combustible depuis le réservoir 60 vers au moins un moteur de propulsion et/ou vers au moins un générateur de puissance électrique de l’aéronef 10 depuis un orifice d’alimentation du réservoir 60.
Le procédé de propulsion ou d’alimentation comprend également une étape d’arrêt de l’acheminement du gaz combustible sous pression depuis le réservoir 60 vers chaque moteur de propulsion et/ou vers chaque générateur de puissance électrique de l’aéronef 10 lorsque leur demande en gaz combustible est nulle.
Selon une première variante du mode de réalisation illustré sur la , l’élément de renfort 42 est une traverse ou une lisse de la voilure 16.
Selon une deuxième variante du mode de réalisation illustré sur la , l’élément structurel 40 est un ensemble comprenant au moins un longeron et/ou au moins un cadre et/ou au moins une lisse de la structure interne 22 du fuselage 12.
Le volume intérieur 62 est alors délimité, par exemple, par une paroi 58 d’un longeron du fuselage 12. Par exemple, la paroi 58 du réservoir 60 épouse extérieurement la forme intérieure du fuselage 12.
Le réservoir 60 délimite ainsi un volume intérieur 62 de forme cylindrique ou tronconique et présente des extrémités arrondies en forme hémisphériques ou coniques. En particulier, sur la , le volume intérieur 62 présente une forme de poire s’étendant longitudinalement au sein du fuselage 12.
Selon un deuxième mode de réalisation illustré sur la , l’empennage 14 de l’aéronef 10 comprend au moins un stabilisateur vertical 80 et au moins un stabilisateur horizontal 82.
L’empennage 14 comprend, par exemple, un stabilisateur horizontal droit 83 et un stabilisateur horizontal gauche 84.
L’empennage 14 est, par exemple, monté sur l’interface de connexion 32 du fuselage 12 via une première extrémité 74 de la structure interne 24 de l’empennage 14 et s’étend vers une deuxième extrémité 75 de la structure interne 24 de l’empennage 14.
L’élément structurel 40 est, par exemple, un longeron du stabilisateur vertical 80 et/ou un longeron du stabilisateur horizontal 82. En particulier, comme illustré sur la figure 3, l’empennage 14 comprend, par exemple, plusieurs éléments structurels 40, notamment un longeron avant du stabilisateur vertical 80, un longeron avant du stabilisateur horizontal droit 83 et un longeron avant du stabilisateur horizontal gauche 84.
Selon une variante de ce deuxième mode de réalisation, l’élément structurel 40 est, par exemple, une nervure ou un longeron de l’empennage 14.
Selon une autre variante du premier mode et du deuxième mode de réalisation, les différents réservoirs 60 définis par chaque élément structurel 40 sont en communication fluidiques les uns avec les autres par l’intermédiaire d’un ou plusieurs conduit(s) de liaison.
Selon une variante, le gaz sous pression est un gaz destiné aux occupants de l’aéronef comme, par exemple, de l’air ou de l’oxygène. Selon encore une autre variante, le gaz sous pression est un gaz destiné à éteindre un potentiel incendie dans l’aéronef comme, par exemple, du gaz halon.
L’élément structurel proposé par l’invention optimise la masse globale de l’aéronef en intégrant la paroi du réservoir dans les structures internes de l’aéronef.
Cet élément structure évite les problématiques d’incompatibilité de déformation mécanique entre les réservoirs et les structures internes de l’aéronef puisque le réservoir fait partie intégrante des structures internes. Ainsi, le comportement mécanique du réservoir ne définit plus une contrainte pour les structures internes de l’aéronef mais plutôt détermine, au moins en partie, la tenue mécanique de la structure interne.

Claims (14)

  1. Elément structurel (40) d’un aéronef (10) destiné à former une structure interne (22 ; 24 ; 26) d’un fuselage (12), d’un empennage (14) ou d’une voilure (16) de l’aéronef (10),
    la structure interne (22 ; 24 ; 26) étant destinée à porter au moins un élément rapporté (52) de l’aéronef (10),
    l’élément structurel (40) étant caractérisé en ce qu’il comprend au moins une paroi (58) définissant intérieurement un réservoir (60) de réception d’un gaz sous pression.
  2. Elément structurel selon la revendication 1, dans lequel le gaz sous pression est un gaz combustible destiné à la propulsion d’un moteur ou à l’alimentation électrique de l’aéronef, le gaz étant, de préférence, du dihydrogène.
  3. Elément structurel selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le gaz est propre à être stocké dans le réservoir (60) avec une pression nominale supérieure à 100 bars et notamment comprise entre 300 bars et 800 bars.
  4. Elément structurel selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le réservoir (60) délimite un volume intérieur (62) de forme cylindrique ou tronconique, les extrémités du réservoir (60) étant arrondies.
  5. Elément structurel selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la paroi (58) est formée au moins partiellement par un matériau composite.
  6. Elément structurel selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la paroi (58) présente un module d’élasticité mesuré selon la norme ISO 527-4 supérieur à 60 GPa et préférentiellement compris entre 70 GPa et 120 GPa.
  7. Elément structurel selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la paroi (58) présente une épaisseur supérieure à 5 mm et notamment comprise entre 10 mm et 100 mm.
  8. Elément structurel selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la paroi (58) définit un orifice de remplissage du gaz, l’orifice de remplissage étant en communication fluidique avec un conduit de remplissage débouchant sur l’extérieur de l’aéronef (10).
  9. Structure interne (24 ; 26) d’un empennage (14) ou d’une voilure (16) comprenant un élément structurel (40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le réservoir (60) s’étend longitudinalement depuis une première extrémité (74 ; 36) de la structure interne (24 ; 26) vers une deuxième extrémité (75 ; 38) de la structure interne (24 ; 26).
  10. Structure interne (24 ; 26) selon la revendication 9, comprenant, en outre, un élément de renfort (42), l’élément de renfort (42) étant fixé sur l’élément structurel (40) par l’intermédiaire d’un adhésif (44) étant, par exemple, une colle.
  11. Voilure (16) ou empennage (14) d’un aéronef (10) comprenant une structure interne (26 ; 24) selon la revendication 9 ou 10, dans lequel l’élément structurel (40) est un longeron de la voilure (16) ou de l’empennage (14).
  12. Aéronef (10) comprenant une voilure (16) ou un empennage (14) selon la revendication 11 et respectivement une interface de connexion (30, 32), la voilure (16) ou l’empennage (14) étant montée sur l’interface de connexion respective (30, 32) via la première extrémité (36 ; 74) de la structure interne (26 ; 24).
  13. Procédé de propulsion ou d’alimentation d’un aéronef (10) selon la revendication 12, dans lequel le gaz sous pression est un gaz combustible, le procédé comprenant l’acheminement du gaz combustible depuis le réservoir (60) vers au moins un moteur ou vers un générateur de puissance électrique de l’aéronef (10).
  14. Procédé de ravitaillement en gaz d’un aéronef (10) selon la revendication 12, dans lequel la paroi (58) définit un orifice de remplissage du gaz, l’orifice de remplissage étant en communication fluidique avec un conduit de remplissage débouchant sur l’extérieur de l’aéronef (10), le procédé comprenant l’ajout du gaz dans le réservoir (60) depuis le conduit de remplissage, le gaz pénétrant dans le réservoir (60) depuis l’orifice de remplissage du gaz.
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