FR3134796A1 - Optimisation de la portance d’une aile limitant l’augmentation de la trainée - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif d’optimisation d’une finesse aérodynamique d’une aile (1) d’aéronef comprenant : - un capteur (6) adapté pour être fixé sur une aile (1) d’un aéronef et étant configuré pour générer un signal représentatif de la valeur d’un paramètre de vol de l’aile (1) ; - un actionneur (5) monté à proximité d’un bord de fuite (3) de l’aile (1) et configuré pour générer des vibrations à proximité du bord de fuite (3) ; - un contrôleur (7) configuré pour, à partir du signal reçu du capteur (6), commander l’actionneur (5) en temps réel à partir d’un paramètre de vol souhaité et du signal reçu du capteur (6). Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
L’invention concerne de manière générale le domaine des aéronefs, et plus particulièrement l’optimisation de l’aile d’un aéronef en fonction des conditions de vol de l’aéronef.
En vol, des tourbillons turbulents sont générés en aval du bord de fuite de l'aile des aéronefs et dans le sillage proche du bord de fuite, et une onde de choc se développe à proximité de l’extrados de l’aile. Par ailleurs, en condition de croisière (correspondant à un nombre de Mach compris entre 0,7 et 0,8 et une altitude de l’ordre de 35 000 pieds), l'onde de choc interagit avec les tourbillons turbulents et se déplace le long de l’extrados de l'aile (oscillations entre l’amont et l’aval). Ce mouvement de l’onde de choc est connu sous le nom de « buffet transsonique » (instabilité du tremblement) et est très néfaste pour les performances aérodynamiques car il augmente la traînée de l’aile et sa variance. Or, une augmentation de la trainée de l’aile implique une augmentation de la consommation spécifique de l’aéronef et des émissions de gaz (dioxyde de carbone CO2et oxydes d’azote NOx).
Afin de réduire la trainée, il a été proposé d’utiliser des rubans ou des AJVG (Air Jet Vortex Generators, pour générateurs de tourbillons à jets d’air). Toutefois, ces dispositifs sont très intrusifs (nervures), nécessitent une grande quantité d'énergie pour maintenir le soufflage/aspiration (AJVG) et, bien qu'ils réduisent la traînée, diminuent la portance et augmentent le bruit aérodynamique. De plus, la géométrie des nervures, bien qu'efficace pour réduire la traînée à basse vitesse (régimes subsoniques), crée des ondes de choc parasites à vitesse élevée (transsonique et supersonique).
Par ailleurs, les ailes d’aéronef actuelles comprennent un volet hypersustentateur rigide contrôlé en phase de vol subsonique (c’est-à-dire au décollage et à l’atterrissage) afin de modifier la cambrure des ailes. Ce contrôle est généralement réalisé par des systèmes hydromécaniques (tels que des vérins) de type « high-lift » (pour hypersustentation). Cette modification de la cambrure a pour effet d’augmenter la surface portante de l’aile. Toutefois, ici encore, la trainée est augmentée, et par conséquence directe la consommation spécifique et les émissions de gaz également.
Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités, en proposant un dispositif d’optimisation d’une aile d’un aéronef, par exemple une aile d’avion ou de drone, permettant d’augmenter efficacement la portance de l’aile en conditions subsonique (décollage et atterrissage) et en condition de transsonique (croisière), tout en ralentissant, voire en réduisant la trainée de l’aile.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention, un dispositif d’optimisation d’une finesse aérodynamique d’une aile d’aéronef comprenant :
- un capteur adapté pour être fixé sur une aile d’un aéronef et étant configuré pour générer un signal représentatif de la valeur d’un paramètre de vol de l’aile ;
- au moins un actionneur monté à proximité d’un bord de fuite de l’aile et configuré pour générer des vibrations à proximité du bord de fuite à une fréquence de vibration comprise dans un intervalle de fréquences de vibration prédéterminé ;
- un contrôleur configuré pour, à partir du signal reçu du capteur, calculer un signal de contrôle de l’au moins un actionneur, le signal de contrôle comprenant des instructions de vobulation de la fréquence de vibration, et communiquer le signal de contrôle à l’au moins un actionneur de manière à commander l’au moins un actionneur ; le contrôleur étant configuré pour modifier en temps réel le signal de contrôle à partir d’un paramètre de vol souhaité et du signal reçu du capteur.
- un capteur adapté pour être fixé sur une aile d’un aéronef et étant configuré pour générer un signal représentatif de la valeur d’un paramètre de vol de l’aile ;
- au moins un actionneur monté à proximité d’un bord de fuite de l’aile et configuré pour générer des vibrations à proximité du bord de fuite à une fréquence de vibration comprise dans un intervalle de fréquences de vibration prédéterminé ;
- un contrôleur configuré pour, à partir du signal reçu du capteur, calculer un signal de contrôle de l’au moins un actionneur, le signal de contrôle comprenant des instructions de vobulation de la fréquence de vibration, et communiquer le signal de contrôle à l’au moins un actionneur de manière à commander l’au moins un actionneur ; le contrôleur étant configuré pour modifier en temps réel le signal de contrôle à partir d’un paramètre de vol souhaité et du signal reçu du capteur.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du dispositif d’optimisation selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- l’actionneur comprend l’un au moins des actionneurs suivants : un actionneur piézoélectrique, un actionneur magnétique, un électro-aimant, un polymère électro-actif ;
- le dispositif d’optimisation comprend une pluralité d’actionneurs, lesdits actionneurs étant montés le long du bord de fuite de l’aile de sorte à reconstruire ledit bord de fuite ;
- le capteur comprend un capteur de pression ;
- le capteur est placé à une distance du bord de fuite de l’aile comprise entre 40% et 15% d’une corde associée ;
- le dispositif d’optimisation comprend un capteur placé à une distance de l’ordre de 15% de la corde associée, la distance étant mesurée à partir du bord de fuite ;
- le dispositif d’optimisation comprend plusieurs capteurs placés sur l’aile et répartis le long d’une hauteur de l’aile ;
- le capteur s’étend entre un bord d’attaque de l’aile et l’actionneur ;
- le dispositif d’optimisation comprend en outre un actionneur électroactif comprenant un alliage à mémoire de forme monté dans l’aile et configuré pour modifier une cambrure de l’aile ;
- l’actionneur électroactif déforme l’aile sur une deuxième distance comprise entre 0% et 40% de la corde, la deuxième distance étant mesurée depuis le bord de fuite ;
- le contrôleur est également configuré pour calculer un signal de contrôle supplémentaire de l’actionneur électroactif, communiquer le signal de contrôle supplémentaire à l’actionneur électroactif de manière à commander l’actionneur électroactif, et modifier en temps réel le signal de contrôle supplémentaire à partir du paramètre de vol souhaité et de la mesure du paramètre de vol ; et/ou
- le contrôleur est en outre configuré pour recevoir une donnée relative à une vitesse de vol de l’aéronef et calculer le signal de contrôle en tenant compte de cette donnée relative à la vitesse de vol.
- l’actionneur comprend l’un au moins des actionneurs suivants : un actionneur piézoélectrique, un actionneur magnétique, un électro-aimant, un polymère électro-actif ;
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- le capteur comprend un capteur de pression ;
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- le dispositif d’optimisation comprend un capteur placé à une distance de l’ordre de 15% de la corde associée, la distance étant mesurée à partir du bord de fuite ;
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- le capteur s’étend entre un bord d’attaque de l’aile et l’actionneur ;
- le dispositif d’optimisation comprend en outre un actionneur électroactif comprenant un alliage à mémoire de forme monté dans l’aile et configuré pour modifier une cambrure de l’aile ;
- l’actionneur électroactif déforme l’aile sur une deuxième distance comprise entre 0% et 40% de la corde, la deuxième distance étant mesurée depuis le bord de fuite ;
- le contrôleur est également configuré pour calculer un signal de contrôle supplémentaire de l’actionneur électroactif, communiquer le signal de contrôle supplémentaire à l’actionneur électroactif de manière à commander l’actionneur électroactif, et modifier en temps réel le signal de contrôle supplémentaire à partir du paramètre de vol souhaité et de la mesure du paramètre de vol ; et/ou
- le contrôleur est en outre configuré pour recevoir une donnée relative à une vitesse de vol de l’aéronef et calculer le signal de contrôle en tenant compte de cette donnée relative à la vitesse de vol.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose une aile d’un aéronef, notamment d’un avion ou d’un drone, comprenant un dispositif selon le premier aspect.
Selon un troisième aspect, l’invention propose un procédé d’optimisation d’une finesse aérodynamique d’une aile d’aéronef comprenant les étapes suivantes :
S1 : mesurer une valeur d’un paramètre de vol d’une aile d’aéronef ;
S2 : à partir du paramètre mesuré à l’étape S1, calculer un signal de contrôle d’au moins un actionneur configuré pour générer des vibrations à proximité du bord de fuite à une fréquence de vibration comprise dans un intervalle de fréquences de vibration prédéterminé, le signal de contrôle comprenant des instructions de vobulation de la fréquence de vibration ;
S3 : communiquer le signal de contrôle à l’au moins un actionneur de manière à commander l’au moins un actionneur ; et
S4 : réitérer les étapes S1 à S3 de sorte à modifier en temps réel le signal de contrôle à partir d’un paramètre de vol souhaité et de la mesure de la valeur du paramètre de vol.
S1 : mesurer une valeur d’un paramètre de vol d’une aile d’aéronef ;
S2 : à partir du paramètre mesuré à l’étape S1, calculer un signal de contrôle d’au moins un actionneur configuré pour générer des vibrations à proximité du bord de fuite à une fréquence de vibration comprise dans un intervalle de fréquences de vibration prédéterminé, le signal de contrôle comprenant des instructions de vobulation de la fréquence de vibration ;
S3 : communiquer le signal de contrôle à l’au moins un actionneur de manière à commander l’au moins un actionneur ; et
S4 : réitérer les étapes S1 à S3 de sorte à modifier en temps réel le signal de contrôle à partir d’un paramètre de vol souhaité et de la mesure de la valeur du paramètre de vol.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du procédé d’optimisation selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- le paramètre de vol comprend une pression ;
- en condition de croisière, l’intervalle de fréquences de vibrations prédéterminé est compris entre 100 Hz et 500 Hz, de préférence entre 200 Hz et 350 Hz ;
- une amplitude des vibrations est supérieure ou égale à 0.5 mm et inférieure ou égale à 1 mm ;
- le procédé d’optimisation comprend en outre une étape de détermination d’une donnée relative à une vitesse de vol de l’aéronef, et dans lequel, au cours de l’étape S2, le signal de contrôle est calculé en tenant compte de cette donnée relative à la vitesse de vol ; et/ou
- le procédé d’optimisation comprend en outre les étapes suivantes :
S5 : calculer un signal de contrôle supplémentaire d’au moins un actionneur supplémentaire monté à proximité d’un bord de fuite de l’aile et configuré pour modifier une cambrure de l’aile ; et
S6 : communiquer le signal de contrôle supplémentaire à l’au moins un actionneur supplémentaire de manière à commander l’au moins un actionneur supplémentaire,
l’étape S4 comprenant en outre la réitération des étapes S5 et S6 de sorte à modifier en temps réel le signal de contrôle supplémentaire à partir du paramètre de vol souhaité et de la mesure du paramètre de vol.
- le paramètre de vol comprend une pression ;
- en condition de croisière, l’intervalle de fréquences de vibrations prédéterminé est compris entre 100 Hz et 500 Hz, de préférence entre 200 Hz et 350 Hz ;
- une amplitude des vibrations est supérieure ou égale à 0.5 mm et inférieure ou égale à 1 mm ;
- le procédé d’optimisation comprend en outre une étape de détermination d’une donnée relative à une vitesse de vol de l’aéronef, et dans lequel, au cours de l’étape S2, le signal de contrôle est calculé en tenant compte de cette donnée relative à la vitesse de vol ; et/ou
- le procédé d’optimisation comprend en outre les étapes suivantes :
S5 : calculer un signal de contrôle supplémentaire d’au moins un actionneur supplémentaire monté à proximité d’un bord de fuite de l’aile et configuré pour modifier une cambrure de l’aile ; et
S6 : communiquer le signal de contrôle supplémentaire à l’au moins un actionneur supplémentaire de manière à commander l’au moins un actionneur supplémentaire,
l’étape S4 comprenant en outre la réitération des étapes S5 et S6 de sorte à modifier en temps réel le signal de contrôle supplémentaire à partir du paramètre de vol souhaité et de la mesure du paramètre de vol.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
Une aile 1 d’aéronef comprend, de manière connue en soi, un bord d’attaque 2, un bord de fuite 3, une paroi intrados et une paroi extrados 4. Le bord d’attaque 2 est configuré pour s’étendre en regard de l'écoulement des gaz entrant dans la turbomachine. Il correspond à la partie antérieure d'un profil aérodynamique qui fait face au flux d'air et qui divise l'écoulement d'air en un écoulement d'intrados et en un écoulement extrados 4. Le bord de fuite 3 quant à lui correspond à la partie postérieure du profil aérodynamique, où se rejoignent les écoulements intrados et extrados 4. De manière connue en soi, le bord de fuite 3 de l’aile 1 peut être formé par des volets hypersustentateurs.
Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal de l’air le long de l’aile 1. Par ailleurs, on désigne par « cambrure » de l’aile 1 la ligne fictive qui comprend l’ensemble des points équidistants de l’extrados 4 et de l’intrados de l’aile 1, par « corde » un segment de droite reliant le bord d’attaque 2 et le bord de fuite 3 de l’aile 1 et par « hauteur » une dimension mesurée le long d’un axe s’étendant le long de l’envergure de l’aile 1, entre son pied (configuré pour être raccordé au fuselage d’un aéronef) et son sommet (libre). L’amplitude de la déformation de la cambrure est mesurée ici au niveau du bord de fuite 3. L’aile 1 comprend en outre une pluralité de cordes entre son pied et son sommet.
Afin d’optimiser la portance d’une aile 1 d’aéronef, par exemple d’un avion ou d’un drone, l’invention propose de générer des vibrations au niveau du bord de fuite 3 de l’aile 1 à une fréquence de vibration et une amplitude comprises dans des intervalles déterminés, qui dépendent des conditions de vol. Par exemple, la fréquence de vibration est comprise entre 100 Hz et 500 Hz, de préférence supérieur ou égale à 200 Hz et inférieure ou égale à 350 Hz (bornes incluses), en conditions de croisière ou en conditions de vol subsoniques. L’intervalle d’amplitude est compris entre 0.5 mm et 1 mm (bornes incluses).
A cet effet, l’aile 1 comprend au moins un actionneur 5, et de préférence plusieurs répartis sur l’envergure de l’aile 1 (c’est-à-dire sur toute sa hauteur, de son pied jusqu’à son sommet) configurés pour générer une vibration à une fréquence de vibration comprise dans l’intervalle déterminé et une amplitude comprise dans un intervalle d’amplitude déterminé. Les actionneurs 5 peuvent être du type piézoélectrique, ou tout autre actionneur 5 susceptible de générer des vibrations d’amplitude et de fréquence comprises dans les intervalles prédéterminés, tel qu’un actionneur magnétique, un électro-aimant ou un polymère électro-actif. Le cas échéant, ces actionneurs 5 peuvent agir sur un rabat (également désigné "flap") souple. Avantageusement, les actionneurs piézoélectriques 5 sont peu gourmands en énergie, la puissance nécessaire pour les actionner étant faible. Leur réponse est en outre très rapide, ce qui permet la mise en œuvre d’une boucle de rétroaction pour optimiser leur vibration. Dans ce qui suit, l’invention sera décrite dans le cas de l’utilisation d’actionneurs piézoélectriques 5 par souci de simplification.
Dans un mode de réalisation, les actionneurs piézoélectriques 5 sont montés dans la région aval de l’aile 1 et sont configurés pour reconstituer le bord de fuite 3 de l’aile 1. Les actionneurs piézoélectriques 5 peuvent par exemple comprendre une partie fixe montée sur l’aile 1 et une partie active réalisée dans un matériau piézoélectrique configuré pour vibrer à une fréquence de vibration et une amplitude comprises dans les intervalles prédéterminés sur application d’un champ électrique correspondant par le contrôleur. La partie active de chaque actionneur piézoélectrique 5 peut typiquement comprendre une lame formant une partie du bord de fuite 3 sur une portion de la hauteur de l’aile 1 et dont le profil décroît progressivement de l’amont vers l’aval de sorte à converger jusqu’à son extrémité libre, comme cela est illustré en .
Par exemple, les actionneurs 5 peuvent constituer le bord de fuite, ou en variante être montés en amont du bord de fuite 3, à une distance du bord de fuite 3 de l’aile 1 allant jusqu’à 60% d’une corde associée, où la corde associée correspond à la corde passant par l’actionneur 5 correspondant.
La vibration des actionneurs piézoélectriques 5 a pour effet d’agir sur les tourbillons turbulents en aval de l’aile 1 et sur le buffet transsonique de l’onde de choc, en particulier en régime de croisière. En l’absence de vibrations, en régime de croisière, l’onde de choc se déplace le long de l’extrados 4 de l’aile 1 sous l’effet du buffet transsonique et interagit avec la séparation des flux et les turbulences (épaississement du sillage). En revanche, lorsque les actionneurs piézoélectriques 5 génèrent une vibration à une fréquence et une amplitude adaptées, les instabilités proches de l’onde de choc, les tourbillons en aval de l’aile 1 et le buffet transsonique sont réduits voire supprimés. En particulier, en régime de croisière les vibrations ont pour effet de transformer les gros tourbillons turbulents en structures tourbillonnaires de plus petite taille et d’émission temporelle moins régulière, ce qui réduit l’énergie véhiculée dans le sillage de l’aile 1. Elles éclatent en outre les tourbillons de plus petite taille qui tournent en sens opposé. La région proche du sillage est donc significativement amincie. Cette modification des tourbillons agit par ailleurs par effet de rétroaction (désigné « feedback ») sur l’onde de choc et diminue voire supprime le buffet transsonique. La conséquence est une augmentation du rapport entre la portance et la trainée. En particulier, en condition de croisière, selon la fréquence de vibration des actionneurs piézoélectriques 5, la trainée est réduite de 3.5 % à 9 % environ et le rapport de la portance sur la trainée peut être augmenté de 2.5 % à 5.5 % environ.
En régime subsonique, les vibrations ont pour effet de rapprocher les déformations des tourbillons du bord de fuite 3 de l’aile 1 et de réduire les gros tourbillons. Par feedback, la distribution de pression le long de l’extrados 4 de l’aile 1 est en outre améliorée, ainsi que la portance. La conséquence est ici encore une augmentation du rapport entre la portance et la trainée et une diminution du bruit. En particulier, en régime subsonique, selon la fréquence de vibration des actionneurs piézoélectriques 5, l’augmentation de la trainée est freinée de 5% environ, le rapport de la portance sur la trainée peut être augmenté de 7% environ et la finesse aérodynamique (définie par le rapport entre la portance et la trainée) peut être augmentée de 5%.
L’invention propose donc d’améliorer la portance de l’aile 1 tout en freinant l’augmentation de sa trainée, et selon les cas en réduisant la trainée. Les ondes acoustiques formées par le passage des tourbillons cohérent sont en outre atténuées, voire détruites, grâce à la diminution de l’amplitude spectrale et des pics de fréquence prédominants, tout comme la consommation spécifique de l’aéronef.
La fréquence et l’amplitude de vibration des actionneurs piézoélectriques 5 dépendent des conditions de vol, c’est-à-dire du régime de l’aéronef (croisière, sommet de montée, décollage, atterrissage, etc.) et des conditions atmosphériques à proximité de l’aéronef (pression, température, vitesse de l’air, etc.). Afin d’optimiser la portance (et freiner l’augmentation de la trainée), la fréquence de vibration est contrôlée par une boucle de rétroaction en fonction de la valeur d’un paramètre de vol de l’aéronef. En particulier, le procédé d’optimisation S comprend les étapes suivantes :
S1 : mesurer la valeur d’un paramètre de vol d’une aile 1 d’aéronef ;
S2 : à partir du paramètre de vol mesuré à l’étape S1, calculer un signal de contrôle d’au moins un actionneur 5 configuré pour générer des vibrations à proximité du bord de fuite 3 à une fréquence de vibration comprise dans un intervalle de fréquences de vibration prédéterminé, le signal de contrôle comprenant des instructions de vobulation de la fréquence de vibration ;
S3 : communiquer le signal de contrôle à l’au moins un actionneur 5 de manière à commander l’au moins un actionneur 5 ; et
S4 : réitérer les étapes S1 à S3 de sorte à modifier en temps réel le signal de contrôle à partir d’un paramètre de vol souhaité et de la mesure de la valeur du paramètre de vol.
S1 : mesurer la valeur d’un paramètre de vol d’une aile 1 d’aéronef ;
S2 : à partir du paramètre de vol mesuré à l’étape S1, calculer un signal de contrôle d’au moins un actionneur 5 configuré pour générer des vibrations à proximité du bord de fuite 3 à une fréquence de vibration comprise dans un intervalle de fréquences de vibration prédéterminé, le signal de contrôle comprenant des instructions de vobulation de la fréquence de vibration ;
S3 : communiquer le signal de contrôle à l’au moins un actionneur 5 de manière à commander l’au moins un actionneur 5 ; et
S4 : réitérer les étapes S1 à S3 de sorte à modifier en temps réel le signal de contrôle à partir d’un paramètre de vol souhaité et de la mesure de la valeur du paramètre de vol.
L’amplitude de vibration des actionneurs 5 piézoélectrique peut être sensiblement constante et comprise entre 0.5 mm et 1 mm (bornes incluses).
Dans une forme de réalisation, le paramètre de vol comprend une pression mesurée sur l’extrados 4 de l’aile 1, à proximité de son bord de fuite 3. La pression est donc instationnaire. Dans une forme de réalisation, le paramètre de vol peut en outre comprendre une information relative à la vitesse de vol afin de déterminer la phase de vol de l’aéronef (croisière, décollage, atterrissage) en vue de déterminer le nombre de Reynold caractéristique de l'écoulement au niveau de l'aile 1 et/ou le paramètre devant être optimisé (tel que la trainée en phase de croisière ou la portance en phase de décollage et d’atterrissage).. Optionnellement, une information sur le flottement de l'aile peut être apportée, par exemple par un capteur mesurant le déplacement de l'aile. Il est ainsi possible de prévenir le développement du flottement au niveau de certaines parties de l'aile, notamment de l'aileron et supprimer les conditions critiques de son développement, en évitant ainsi leur détérioration.
Afin de mettre en œuvre le procédé d’optimisation S, l’aile 1 comprend un dispositif d’optimisation comprenant :
- un ou plusieurs capteurs 6, typiquement des capteurs 6 de pression, configurés pour être fixés sur l’aile 1 d’un aéronef et étant configurés pour générer un signal représentatif de la valeur du paramètre de vol de l’aile 1, typiquement de la pression RMS (acronyme anglais de Root Mean Square, pour valeur quadratique moyenne) ; et
- un contrôleur 7 à boucle de rétroaction configuré pour, à partir du signal reçu du ou des capteurs, calculer un signal de contrôle des actionneurs et le communiquer aux actionneurs de manière à les commander. Le signal de contrôle comprend en particulier des instructions de vobulation de la fréquence de vibration, et le contrôleur est configuré pour modifier en temps réel le signal de contrôle à partir d’un paramètre de vol souhaité, typiquement une pression RMS souhaitée, et du signal reçu du ou des capteurs. Le signal de contrôle commande donc les actionneurs en fréquence et/ou en amplitude afin de maintenir la pression à des valeurs de pression RMS faibles. Le signal de contrôle peut notamment comprendre un signal de commande en tension.
- un ou plusieurs capteurs 6, typiquement des capteurs 6 de pression, configurés pour être fixés sur l’aile 1 d’un aéronef et étant configurés pour générer un signal représentatif de la valeur du paramètre de vol de l’aile 1, typiquement de la pression RMS (acronyme anglais de Root Mean Square, pour valeur quadratique moyenne) ; et
- un contrôleur 7 à boucle de rétroaction configuré pour, à partir du signal reçu du ou des capteurs, calculer un signal de contrôle des actionneurs et le communiquer aux actionneurs de manière à les commander. Le signal de contrôle comprend en particulier des instructions de vobulation de la fréquence de vibration, et le contrôleur est configuré pour modifier en temps réel le signal de contrôle à partir d’un paramètre de vol souhaité, typiquement une pression RMS souhaitée, et du signal reçu du ou des capteurs. Le signal de contrôle commande donc les actionneurs en fréquence et/ou en amplitude afin de maintenir la pression à des valeurs de pression RMS faibles. Le signal de contrôle peut notamment comprendre un signal de commande en tension.
Dans le cas d’actionneurs piézoélectriques 5 piézoélectriques, l’envoi des instructions de vobulation comprend l’application d’un champ électrique d’amplitude et de fréquence déterminés en fonction de la fréquence de vibration recherchée pour les actionneurs piézoélectriques 5.
Dans ce qui suit, l’invention va plus particulièrement être décrite dans le cas où le paramètre de vol comprend une pression, afin de simplifier la description. Toutefois, ceci n’est pas limitatif, d’autres paramètres de vol pouvant être utilisés.
Le ou les capteurs 6 de pression peuvent être placés à une distance du bord de fuite 3 de l’aile 1 comprise entre 40 % et 15 % d’une corde associée, où la corde associée correspond à la corde passant par le capteur 6. De préférence, l’aile 1 comprend au moins deux capteurs 6 placés à des hauteurs différentes de l’aile 1 (c’est-à-dire répartis le long de l’envergure de l’aile 1). Ces capteurs 6 sont alors chacun placés à une distance (mesurée depuis le bord de fuite 3) comprise entre 40 % et 15 % de la corde associée.
Par exemple, l’aile 1 peut comprendre deux capteurs 6 placés à une distance de l’ordre de 15 % du bord de fuite 3, à des hauteurs différentes de l’aile 1. En variante ou en plus, l’aile 1 peut comprendre un capteur 6 de pression à une distance de l’ordre de 40 % d’une corde associée, un capteur 6 de pression à une distance de 20 % de la corde associée et un capteur 6 de pression à une distance de 15 % de la corde associée, les trois capteurs 6 de pression étant placés sur une même corde de l’aile 1 et/ou sur des cordes distinctes. Le capteur 6 placé à une distance d’environ 40 % de la corde associée permet de déterminer les conditions de vol en amont de l’aile 1, indépendamment des perturbations générées par l’aile 1. Les capteurs 6 placés à une distance d’environ 20 % et 15 % de la corde associée permettent quant à eux de déterminer l’impact de l’écoulement amont sur la partie actionnée du bord de fuite 3 de l’aile 1.
Dans une forme de réalisation, le ou les capteurs 6 sont placés en amont des actionneurs 5, soit entre le bord d’attaque 2 et les actionneurs 5, afin de mesurer l'effet des actionneurs par rétroaction.
A partir des signaux générés par les capteurs 6 et de la pression RMS souhaitée, le contrôleur 7 calcule alors le signal de contrôle et envoie des instructions de vobulation aux actionneurs piézoélectriques 5 afin de modifier leur fréquence de vibration. Comme cela a été précisé plus haut, cette modification de la fréquence de vibration a pour effet de modifier les turbulences en aval du bord de fuite 3 de l’aile 1 mais également, par feedback, de modifier l’onde de choc sur l’extrados 4 de l’aile 1 et de réduire, voire supprimer le buffet transsonique. La pression mesurée par le ou les capteurs 6 de pression fixés sur l’extrados 4 de l’aile 1 est donc également modifiée. La boucle de rétroaction permet ainsi d’ajuster les vibrations en temps réel en fonction de l’évolution de la pression mesurée par les capteurs 6. Elle permet en outre de tenir compte des conditions de vol, la pression mesurée par les capteurs 6 étant variable en fonction des conditions atmosphériques et de la phase de vol de l’aéronef.
Le signal de contrôle est calculé par le contrôleur 7 par minimisation d’une fonction de coût qui dépend de la valeur de la pression mesurée à l’étape S1 et de la pression RMS souhaitée dans les conditions de vol instantanées. La fonction de coût a en particulier pour objectif de minimiser les fluctuations de la pression le long de l’aile 1. La fonction coût définit un gain sur un pourcentage de réduction de la valeur de la pression RMS ou sur un pourcentage d'augmentation de la finesse aérodynamique (rapport portance sur trainée). Il s'agit d'une optimisation multi objectif en vue d’augmenter la finesse aérodynamique, de réduire la valeur de la pression RMS, de réduire la trainée et de réduire le bruit.
Ainsi, pour une pression donnée mesurée par le capteur 6 de pression (étape S1), le contrôleur 7 calcule la fonction de coût correspondante afin de déterminer la fréquence de vibration optimisée permettant de minimiser les fluctuations, puis envoie des instructions de vobulation aux actionneurs piézoélectriques 5 afin de les faire vibrer à la fréquence de vibration optimisée ainsi déterminée (étape S2). Ces étapes S1 et S2 sont réitérées pendant toute la phase de vol pour évaluer l’impact de la modification de la fréquence de vibration sur la pression le long de l’aile 1 (boucle de rétroaction). De la sorte, la fréquence de vibration est optimisée et adaptée en temps réel aux changements de conditions de vol éventuels. Ainsi, après l’envoi des instructions de vobulation et la modification de la fréquence de vibration pour atteindre la fréquence optimisée calculée à l’étape S2 précédente, le capteur 6 de pression envoie un nouveau signal représentatif de la pression à proximité de l’extrados 4 de l’aile 1. Le contrôleur 7 calcule la fonction de coût à partir de la nouvelle valeur de pression et en déduit une nouvelle fréquence de vibration optimisée. Le contrôleur 7 envoie alors des instructions de vobulation aux actionneurs piézoélectriques 5 afin de les faire vibrer à la nouvelle fréquence de vibration optimisée.
Le capteur 6 de pression peut envoyer en continu des signaux représentatifs de la valeur de la pression. En variante, le capteur 6 de pression peut envoyer ces signaux sur requête du contrôleur 7.
Optionnellement, la fréquence de vibration optimale calculée par le contrôleur 7 peut varier selon l’emplacement de l’actionneur piézoélectrique 5. Par conséquent, le contrôleur 7 peut envoyer des instructions de vobulation différenciées selon les actionneurs piézoélectriques 5 afin de les faire vibrer à des fréquences optimales différentes.
Dans une forme de réalisation, le dispositif d’optimisation comprend en outre un actionneur électroactif 8 comprenant un alliage à mémoire de forme monté dans l’aile 1 (typiquement, dans les volets hypersustentateurs de l’aile 1) et configuré pour modifier une cambrure de l’aile 1 (vers le haut ou le bas, selon le régime de l’aéronef). L’actionneur électroactif 8 est de préférence commandé par le contrôleur 7 en fonction de la valeur mesurée par les capteurs 6.
Par exemple, l’actionneur électroactif 8 comprend des fils d’alliage à mémoire de forme, par exemple comprenant un alliage titane-nickel, noyés dans le matériau constitutif de la paroi formant l’extrados 4 de l’aile 1. Lorsqu’une énergie électrique est appliquée à l’actionneur électroactif 8, celui-ci la transforme en énergie thermique par effet Joule qui a pour effet de modifier la température des fils d’alliage. Or, le chauffage des fils d’alliage, par exemple à une température de l’ordre de 80°C dans le cas d’un alliage titane-nickel, a pour effet de les allonger et donc de modifier la cambrure de la paroi extrados 4 de l’aile 1.
Les fils en alliage à mémoire de forme peuvent s’étendre sur une distance comprise entre 0% et 40% de la corde, la distance étant mesurée depuis le bord de fuite 3. Dans ce cas, l’actionneur électroactif 8 est susceptible de modifier la cambrure de l’aile 1 sur une amplitude maximale pouvant aller jusqu’à 10% de la corde.
Avantageusement, de tels actionneurs électroactifs 8 sont ergonomiques, dans la mesure où ils peuvent être intégrés dans l’aile 1 sans nécessiter de réaménagement substantiel. Leur réponse est en outre rapide, ce qui permet leur contrôle par une boucle de rétroaction. Ils sont en outre peu gourmands en énergie.
L’actionnement de l’actionneur électroactif 8 peut également comprendre une boucle de rétroaction afin d’adapter la cambrure de l’aile 1 aux conditions de vol. Ainsi, à partir des signaux générés par les capteurs 6, le contrôleur 7 calcule un signal de contrôle de l’actionneur électroactif 8 (étape S5) et communique ce signal de contrôle à l’actionneur électroactif 8 de manière à le commander (étape S6). Le signal de contrôle comprend par exemple des instructions de chauffage des fils d’alliage à mémoire de forme à une température correspondant à la cambrure souhaitée. Les instructions de chauffage comprennent en particulier une énergie électrique qui dépend de la température souhaitée pour les fils d’alliage. Dans le cas d’actionneurs 8 comprenant un alliage à mémoire de forme, la consigne peut comprendre un signal d'intensité du courant électrique qui correspond à la réalisation de la cambrure souhaitée. En revanche, le signal de contrôle pour les actionneurs piézoélectriques 5 peut par exemple comprendre une impulsion sinusoïdale à la fréquence naturelle de l'instabilité des zones cisaillées en aval du bord de fuite et en faible amplitude, de l'ordre de quelques millimètres.
Le calcul du signal de contrôle et la communication des instructions de chauffage sont réitérés à chaque mesure de pression de sorte à modifier en temps réel le signal de contrôle de l’actionneur électroactif 8 à partir de la pression RMS souhaitée et de la mesure de la pression par les capteurs afin de tenir compte de l’impact de la modification de la cambrure sur la pression mesurée par les capteurs 6 et ajuster ladite cambrure. Ici encore, le calcul du signal de contrôle peut comprendre la minimisation d’une fonction de coût qui dépend de la valeur de la pression mesurée à l’étape S1.
La modification de la cambrure de l’aile 1 améliore en particulier le rapport de la portance sur la trainée dans les conditions de vol subsonique, c’est-à-dire au décollage et à l’atterrissage, mais peut également présenter un intérêt en conditions transsoniques. En particulier, selon la cambrure appliquée à l’aile 1 par l’actionneur électroactif 8, la modification de la cambrure au décollage et à l’atterrissage ainsi que la génération des vibrations à proximité du bord de fuite permettent d’augmenter de 4 % à 7 % la portance, de réduire la trainée jusqu’à 8 % et d’améliorer le rapport de la portance sur la trainée jusqu’à 8 %. De préférence, la modification de la cambrure de l’aile 1 est marquée vers le bas (jusqu’à 10 % de la corde par rapport à une cambrure initiale, sans actionnement de l’actionneur électroactif 8) au décollage et à l’atterrissage. En revanche, lorsque l’aéronef entre en régime de montée, la cambrure revient sensiblement à la cambrure initiale par refroidissement des fils d’alliage.
On notera que, dans le cas des actionneurs électroactifs 8, la déformation de l’aile 1 est réalisée à basse fréquence (de l’ordre du Hertz), contrairement aux actionneurs piézoélectriques 5 dont la fréquence de vibration est de l’ordre de plusieurs centaines de Hertz.
Le contrôleur 7 peut comprendre, de manière conventionnelle, une unité de traitement comprenant une mémoire dans laquelle sont stockées les instructions de code pour l’exécution du procédé d’optimisation et un calculateur de type processeur, microprocesseur, microcontrôleur, etc., configuré pour exécuter lesdites instructions.
Claims (19)
- Dispositif d’optimisation d’une finesse aérodynamique d’une aile (1) d’aéronef comprenant :
- un capteur (6) adapté pour être fixé sur une aile (1) d’un aéronef et étant configuré pour générer un signal représentatif de la valeur d’un paramètre de vol de l’aile (1) ;
- au moins un actionneur (5) monté à proximité d’un bord de fuite (3) de l’aile (1) et configuré pour générer des vibrations à proximité du bord de fuite (3) à une fréquence de vibration comprise dans un intervalle de fréquences de vibration prédéterminé ;
- un contrôleur (7) configuré pour, à partir du signal reçu du capteur (6), calculer un signal de contrôle de l’au moins un actionneur (5), le signal de contrôle comprenant des instructions de vobulation de la fréquence de vibration, et communiquer le signal de contrôle à l’au moins un actionneur (5) de manière à commander l’au moins un actionneur (5) ; le contrôleur étant configuré pour modifier en temps réel le signal de contrôle à partir d’un paramètre de vol souhaité et du signal reçu du capteur (6). - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’actionneur (5) comprend l’un au moins des actionneurs suivants : un actionneur piézoélectrique, un actionneur magnétique, un électro-aimant, un polymère électro-actif.
- Dispositif selon l’une des revendications 1 et 2, comprenant une pluralité d’actionneurs (5), lesdits actionneurs (5) étant montés le long du bord de fuite (3) de l’aile (1) de sorte à reconstruire ledit bord de fuite (3).
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le capteur (6) comprend un capteur de pression.
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le capteur (6) est placé à une distance du bord de fuite (3) de l’aile (1) comprise entre 40% et 15% d’une corde associée.
- Dispositif selon la revendication 5, comprenant un capteur (6) placé à une distance de l’ordre de 15% de la corde associée, la distance étant mesurée à partir du bord de fuite (3).
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant plusieurs capteurs (6) placés sur l’aile (1) et répartis le long d’une hauteur de l’aile (1).
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le capteur (6) s’étend entre un bord d’attaque (2) de l’aile (1) et l’actionneur (5).
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant en outre un actionneur électroactif (8) comprenant un alliage à mémoire de forme monté dans l’aile (1) et configuré pour modifier une cambrure de l’aile (1).
- Dispositif selon la revendication 9, dans lequel l’actionneur électroactif (8) déforme l’aile (1) sur une deuxième distance comprise entre 0% et 40% de la corde, la deuxième distance étant mesurée depuis le bord de fuite (3).
- Dispositif selon l’une des revendications 9 et 10, dans lequel le contrôleur (7) est également configuré pour calculer un signal de contrôle supplémentaire de l’actionneur électroactif (8), communiquer le signal de contrôle supplémentaire à l’actionneur électroactif (8) de manière à commander l’actionneur électroactif (8), et modifier en temps réel le signal de contrôle supplémentaire à partir du paramètre de vol souhaité et de la mesure du paramètre de vol.
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel le contrôleur (7) est en outre configuré pour recevoir une donnée relative à une vitesse de vol de l’aéronef et calculer le signal de contrôle en tenant compte de cette donnée relative à la vitesse de vol.
- Aile (1) d’un aéronef, notamment d’un avion ou d’un drone, comprenant un dispositif selon l’une des revendications 1 à 12.
- Procédé d’optimisation (S) d’une finesse aérodynamique d’une aile (1) d’aéronef comprenant les étapes suivantes :
S1 : mesurer une valeur d’un paramètre de vol d’une aile (1) d’aéronef ;
S2 : à partir du paramètre mesuré à l’étape S1, calculer un signal de contrôle d’au moins un actionneur (5) configuré pour générer des vibrations à proximité du bord de fuite (3) à une fréquence de vibration comprise dans un intervalle de fréquences de vibration prédéterminé, le signal de contrôle comprenant des instructions de vobulation de la fréquence de vibration ;
S3 : communiquer le signal de contrôle à l’au moins un actionneur (5) de manière à commander l’au moins un actionneur (5) ; et
S4 : réitérer les étapes S1 à S3 de sorte à modifier en temps réel le signal de contrôle à partir d’un paramètre de vol souhaité et de la mesure de la valeur du paramètre de vol. - Procédé d’optimisation (S) selon la revendication 14 dans lequel le paramètre de vol comprend une pression.
- Procédé d’optimisation (S) selon l’une des revendications 14 et 15, dans lequel en condition de croisière, l’intervalle de fréquences de vibrations prédéterminé est compris entre 100 Hz et 500 Hz, de préférence entre 200 Hz et 350 Hz.
- Procédé d’optimisation (S) selon l’une des revendications 14 à 16, dans lequel une amplitude des vibrations est supérieure ou égale à 0.5 mm et inférieure ou égale à 1 mm.
- Procédé d’optimisation (S) selon l’une des revendications 14 à 17, comprenant en outre une étape de détermination d’une donnée relative à une vitesse de vol de l’aéronef, et dans lequel, au cours de l’étape S2, le signal de contrôle est calculé en tenant compte de cette donnée relative à la vitesse de vol.
- Procédé d’optimisation (S) selon l’une des revendications 14 à 18, comprenant en outre les étapes suivantes :
S5 : calculer un signal de contrôle supplémentaire d’au moins un actionneur supplémentaire (8) monté à proximité d’un bord de fuite de l’aile (1) et configuré pour modifier une cambrure de l’aile (1) ; et
S6 : communiquer le signal de contrôle supplémentaire à l’au moins un actionneur supplémentaire (8) de manière à commander l’au moins un actionneur supplémentaire ;
l’étape S4 comprenant en outre la réitération des étapes S5 et S6 de sorte à modifier en temps réel le signal de contrôle supplémentaire à partir du paramètre de vol souhaité et de la mesure du paramètre de vol.
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Citations (4)
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2022
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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