FR2920130A1 - Dispositif pour generer des perturbations aerodynamiques afin de proteger la surface exterieure d'un aeronef contre des temperatures elevees - Google Patents

Abstract

L'objet de l'invention est un aéronef à la surface extérieure duquel s'écoule un flux aérodynamique d'air froid et comprenant au moins une sortie de gaz chaud, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif (16) pour générer des perturbations aérodynamiques afin de mélanger un gaz chaud et un air froid, ledit au moins un dispositif étant rapporté au niveau d'une surface extérieure (10) à protéger contre la chaleur et/ou à proximité d'une sortie (12) de gaz chaud.

Description

DISPOSITIF POUR GENERER DES PERTURBATIONS AERODYNAMIQUES AFIN DE PROTEGER

LA SURFACE EXTERIEURE D'UN AERONEF CONTRE DES TEMPERATURES ELEVEES

La présente invention se rapporte à un dispositif pour générer des perturbations aérodynamiques afin de protéger la surface extérieure d'un aéronef contre des températures élevées, ledit dispositif étant plus particulièrement destiné à être rapporté au niveau d'une sortie de gaz chaud d'un aéronef.

Un aéronef comprend différentes sources susceptibles d'évacuer des gaz chauds au niveau de la surface extérieure en contact avec les écoulements aérodynamiques. Parmi ces sources, la plus importante est bien entendu la motorisation. Néanmoins, les sorties d'air provenant des systèmes de conditionnement de l'air à l'intérieur de l'habitacle peuvent être également des sources importantes de gaz chaud, la quantité d'air chaud évacuée étant sensiblement proportionnelle à la capacité de l'aéronef. Concernant les systèmes de conditionnement de l'air, une première solution consiste à réduire la température de l'air avant qu'il ne soit refoulé. Cependant cette solution conduit à prévoir des systèmes de refroidissement supplémentaires ce qui tend à augmenter la masse embarquée et donc la consommation de l'aéronef. Une autre solution consiste à protéger la surface extérieure susceptible d'être en contact avec les gaz chauds. A cet effet, on utilise des alliages métalliques susceptibles de résister à des températures élevées. Cependant, l'identification des zones susceptibles d'être en contact avec l'air chaud sont difficiles à déterminer car leurs étendues peuvent varier en fonction du régime de vol de l'aéronef, de phénomènes complexes d'aérodynamique et d'aérothermie. De plus, certains déplacements de gaz chaud peuvent s'opérer en surface sous forme d'une couche limite difficile à modéliser. Par conséquent, les zones susceptibles d'être en contact avec les gaz chauds sont déterminées au plus large et sont protégées en utilisant notamment des matériaux métalliques au détriment des matériaux composites. La détermination est faite au plus large au moment de la conception afin de limiter les risques de modifications ultérieures qui sont lourdes de conséquences. Cette solution n'est pas satisfaisante car elle ne permet pas d'optimiser l'utilisation des matériaux composites pour constituer la surface extérieure de l'aéronef. Par ailleurs, si on découvre lors d'essais en vol qu'une zone non protégée est en contact avec un gaz chaud alors les modifications sont nécessairement importantes et conduisent à augmenter fortement la masse embarquée et à changer les gammes de fabrication.

On retrouve des problématiques sensiblement similaires pour les gaz chauds provenant de la motorisation. Même si dans le cas d'une motorisation à double flux, les gaz chauds issus de la motorisation sont canalisés dans une veine d'air plus froide sortant de la soufflante, les gaz chauds sont généralement en contact avec la partie arrière du mât supportant ladite motorisation.

Par conséquent, les parties du mât susceptibles d'être en contact avec les gaz chauds ne sont pas en matériaux composites mais en alliages métalliques qui sont plus résistants à la chaleur mais également plus lourds. Selon d'autres solutions techniques, on peut envisager d'installer un blindage thermique ou une ventilation additionnelle. Toutefois, toutes ces solutions 25 conduisent à augmenter la masse embarquée de l'aéronef. Comme précédemment, lors de la conception, les zones susceptibles d'être en contact avec des gaz chauds sont déterminées au plus large, au détriment de l'optimisation de l'utilisation des matériaux composites, afin de limiter les risques de modifications ultérieures. Aussi, la présente invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif permettant de protéger une surface extérieure d'un aéronef contre la chaleur qui n'augmente pas significativement la masse de l'aéronef, ce qui permet d'optimiser l'utilisation des matériaux composites et de réduire les risques de présence de point d'ignition du feu. A cet effet, l'invention a pour objet un aéronef à la surface extérieure duquel s'écoule un flux aérodynamique d'air froid et comprenant au moins une sortie de gaz chaud, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif pour générer des perturbations aérodynamiques afin de mélanger le gaz chaud et l'air froid du flux aérodynamique, ledit au moins un dispositif étant rapporté au niveau d'une surface extérieure à protéger de la chaleur et/ou à proximité d'une sortie de gaz chaud. Selon les variantes, le dispositif pour générer les perturbations peut être rapporté à proximité d'une sortie de gaz chaud afin de traiter le gaz chaud à la source ou à distance d'une sortie de gaz chaud sur une surface extérieure susceptible d'être en contact avec ledit gaz chaud afin de traiter la cible. De préférence, le dispositif pour générer des perturbations est rétractable et susceptible d'occuper deux états, un premier état actif dans lequel le dispositif comprend une partie en saillie susceptible de générer des perturbations aérodynamiques suffisantes permettant de mélanger efficacement le gaz chaud et l'air froid, et un second état de repos dans lequel ladite partie susceptible d'être en saillie est plaquée contre la surface sur laquelle le dispositif est rapporté de manière à générer une faible traînée aérodynamique.

Avantageusement, le dispositif pour générer des perturbations est réalisé à base d'un matériau à mémoire de forme susceptible de changer d'état en fonction de la température. Cette solution permet d'obtenir un dispositif rétractable de conception simple et léger.

D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective illustrant une surface extérieure d'un aéronef au niveau de laquelle débouche une sortie de gaz chaud, ladite surface étant équipée de dispositifs pour générer des perturbations, - la figure 2 est une vue latérale d'un dispositif selon l'invention, - la figure 3 est une vue de dessus illustrant les différents éléments de la figure 1, - la figure 4A est une représentation schématique illustrant les gradients de températures au niveau d'une sortie de gaz chaud selon l'art antérieur, -la figure 4B est une représentation schématique illustrant les gradients de température au niveau d'une sortie de gaz chaud équipée de dispositifs selon l'invention, - la figure 5A est une représentation schématique illustrant la pression totale au niveau d'une sortie de gaz chaud selon l'art antérieur, - la figure 5B est une représentation schématique illustrant la pression totale au niveau d'une sortie de gaz chaud équipée de dispositifs selon l'art antérieur, - La figure 6A est une vue en perspective d'un dispositif selon l'invention dans une première position rétractée, correspondant à l'état repos, - La figure 6B est une vue en perspective d'un dispositif selon l'invention dans une position déployée correspondant à l'état actif, - La figure 7A est une vue en perspective d'une surface extérieure d'un aéronef comprenant une sortie de gaz chaud, ladite surface étant équipée de dispositifs de l'invention à l'état repos, - La figure 7B est une vue en perspective d'une surface extérieure d'un aéronef comprenant une sortie de gaz chaud, ladite surface étant équipée de dispositifs de l'invention à l'état actif, - La figure 8 est une vue en perspective de l'arrière d'un ensemble de propulsion d'un aéronef, - La figure 9A est une vue latérale de la partie arrière d'un mât équipée de dispositifs selon l'invention à l'état repos, - La figure 9B est une vue latérale de la partie arrière d'un mât équipée de dispositifs selon l'invention à l'état actif, et - La figure 10 est une vue latérale d'une surface extérieure protégée de la chaleur par des dispositifs selon l'invention illustrés à l'état actif. Sur la figure 1, on a représenté une surface extérieure 10 d'un aéronef. Par surface extérieure, on entend généralement une surface au niveau de laquelle s'écoule l'air extérieur lorsque l'aéronef est en mouvement.

On a représenté en 12 une sortie de gaz chaud. Selon l'exemple illustré, la sortie de gaz chaud est rapportée au niveau de ladite surface extérieure et se présente sous la forme d'au moins une grille qui peut avoir différentes formes, dimensions. Cependant, l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation. Ainsi, la sortie de gaz chaud peut être disposée au niveau de la surface extérieure à protéger ou être distante de ladite surface. Par gaz chaud, on entend un gaz chaud ou un mélange de gaz chauds, chaud correspondant à une température supérieure ou égale à 50 C. Le mouvement relatif de l'air environnant par rapport à la surface extérieure dit flux aérodynamique est matérialisé par la ou les flèches 14 sur les figures.

Le gaz chaud sortant de la sortie 12 s'écoule au niveau de surface extérieure selon la même direction que le flux aérodynamique.

Selon l'invention, au moins un dispositif 16 pour générer des perturbations aérodynamiques est rapporté au niveau de la surface extérieure 10 à protéger contre la chaleur et/ou à proximité de la sortie 12 de gaz chaud. Ce dispositif 16 comprend des moyens 18 de fixation sur la surface extérieure et au moins une première partie 20 susceptible de faire saillie par rapport à la surface extérieure 10 de manière à générer des perturbations aerodynamiques afin d'éviter l'écoulement des gaz chauds sous forme d'un écoulement uniforme. En effet, en l'absence du dispositif 16, le gaz chaud a tendance à s'écouler en surface, maintenu plaqué contre la surface extérieure par le flux aérodynamique.

Par conséquent, le gaz chaud ne se mélange pas rapidement avec le flux aérodynamique d'air froid si bien qu'il conserve une température élevée sur une grande étendue comme illustrée sur la figure 4B. Selon un mode de réalisation, la partie en saillie 20 se présente sous la forme d'une plaque sensiblement perpendiculaire par rapport à la surface extérieure sur laquelle elle est rapportée, orientée de manière à faire un angle a non nul avec la direction 14 du flux aérodynamique. En variante, la partie en saillie pourrait avoir d'autres formes. Ainsi, la partie en saillie peut être une surface complexe, non plane, ou l'association de surfaces planes et/ou complexes. De préférence, l'angle a varie de 10 à 40 . Selon un mode de réalisation préféré, la plaque 20 fait avec la direction 14 du flux aérodynamique un angle a de l'ordre de 20 . Selon un mode de réalisation préféré, le rapport entre la longueur L et la hauteur H de la plaque, L/H est de l'ordre de 4. La plaque 20 a un bord amont 22 faisant un angle 6 avec la surface extérieure variant de 30 à 90 . De préférence, le bord amont 22 est incliné d'un angle 6. De préférence, ce bord amont 22 est effilé et comprend un profil en biseau. Selon une première configuration, au moins un dispositif 16 pour générer des perturbations peut être placé en amont de la sortie de gaz chaud selon le sens d'écoulement du flux aérodynamique, comme illustré sur les figures 1, 3, 4B et 5B. Dans ce cas, le dispositif 16 génère des perturbations au niveau du flux aérodynamique d'air froid en amont de la sortie 12 contribuant à un meilleur mélange du gaz chaud évacué par la sortie avec l'air plus froid du flux aérodynamique. Selon cette configuration, la distance séparant le dispositif 16 de la sortie 12 est l'ordre de 10H, H étant la hauteur du dispositif. Sur les figures 4A et 4B, on a représenté le rapport n= (T-Text)/(Tjet-Text), avec T la température mesurée au point considéré, Text la température du flux aérodynamique de l'ordre de 15 C et Tjet la température du gaz chaud évacué par la sortie 12 de l'ordre de 100 C. Selon l'exemple illustré, on choisit une sortie 12 sous forme de deux grilles, deux dispositifs 16 pour générer des perturbations étant disposés en amont desdites grilles, chacun au droit d'une grille, les dispositifs se présentant sous forme de plaques divergentes, faisant un V dont la pointe est orientée vers l'amont selon le sens d'écoulement du flux aérodynamique. Cependant, on pourrait disposer des plaques convergentes. Selon l'art antérieur, comme illustré sur la figure 4A, en l'absence d'un dispositif, on note que le gaz chaud conserve une température supérieure à 60 C, soit n 20 supérieure ou égale à 0,7, sur une distance de l'ordre de 0,46 m. En présence d'au moins un dispositif 16, comme illustré sur la figure 4B, le gaz chaud conserve une température supérieure à 60 C, soit n supérieure ou égale à 0,7, sur une distance de l'ordre de 0,23 m. Ainsi, la présence d'au moins un dispositif permet de réduire significativement 25 l'étendue de la surface extérieure susceptible d'être en contact avec une température élevée. Sur les figures 5A et 5B, on a représenté la pression totale au niveau de la sortie 12 pour la même configuration que celle illustrée sur les figures 4A et 4B.

On note que contrairement à l'art antérieur, les dispositifs 16 génèrent des perturbations qui tendent à dévier le gaz chaud de part et d'autre des sorties, selon la direction 14, permettant d'améliorer le mélange entre le gaz chaud et l'air froid du flux aérodynamique.

Selon une autre configuration, au moins un dispositif 16 pour générer des perturbations peut être placé en aval d'une sortie 12, comme illustré sur les figures 7A et 7B. Dans ce cas, le ou les dispositif(s) 16 génère(nt) des perturbations au niveau du flux de gaz chaud et du flux aérodynamique froid contribuant à un meilleur mélange du gaz chaud évacué par la sortie avec l'air plus froid du flux aérodynamique. Selon une autre configuration, au moins un dispositif 16 pour générer des perturbations peut être prévu au niveau de toute surface à protéger contre la chaleur, ladite surface étant plus ou moins distante d'une sortie de gaz chaud. Cette configuration est plus particulièrement adaptée pour protéger certaine partie du mât susceptible d'être en contact avec un gaz chaud provenant de l'ensemble propulsif. Sur la figure 8, on a représenté en 24 un ensemble propulsif comprenant une motorisation 26 disposée dans un premier conduit 28 à l'extrémité arrière duquel s'écoule un flux primaire de gaz chaud, ladite motorisation étant placée dans une nacelle 30 délimitant un second conduit 32, sensiblement concentrique au premier conduit 28, à l'extrémité arrière duquel s'écoule un flux secondaire d'air froid propulsé par une soufflante disposée au niveau de l'entrée d'air de la nacelle (non représentée). L'ensemble propulsif 24 est relié au reste de l'aéronef par un mât 34. Selon les configurations, l'ensemble propulsif peut être suspendu sous la voilure de l'aéronef, rapporté sur la voilure ou reliée via le mât au fuselage de l'aéronef. Pour certaines phases du vol, la partie arrière du mât peut être en contact avec le gaz chaud provenant de la motorisation.

Selon l'invention, au moins un dispositif 16 pour générer des perturbations peut être placé au niveau de la surface du mât à protéger de la chaleur. Selon cette variante, le dispositif n'est pas placé en amont ou en aval d'une sortie de gaz chaud mais au niveau d'une surface à protéger distante de la sortie de gaz chaud, comme illustré sur les figures 9A, 9B et 10. Dans ce cas, le ou les dispositif(s) 16 génère(nt) des perturbations au niveau du flux de gaz chaud susceptible de s'écouler contre la surface à protéger et du flux aérodynamique froid contribuant à un meilleur mélange du gaz chaud avec l'air plus froid du flux aérodynamique.

A titre d'exemple, dans cette zone il est possible de maintenir une température de l'ordre de 100 C, alors que sans dispositif 16, la température pourrait atteindre 250 C. Le nombre de dispositifs ainsi que leurs dispositions sont ajustés en fonction des températures mesurées en surface afin que lesdites températures ne dépassent pas un certain seuil en fonction des matériaux utilisés pour la surface extérieure. Un autre avantage du dispositif réside dans la facilité avec laquelle il peut être installé sur la surface à protéger, par collage, par soudage, par rivetage ou analogue.

Par ailleurs, son installation ne requiert aucune modification de la structure de l'aéronef. Grâce au dispositif de l'invention, il est possible d'optimiser l'utilisation des matériaux composites pour la surface extérieure. En effet, au moment de la conception, certaines parties susceptibles d'être en contact avec les gaz chauds peuvent être équipées de dispositifs selon l'invention afin de réduire la température en surface. De plus, même si cette protection s'avérait insuffisante lors d'essais en vol, il est possible d'ajuster la protection en implantant d'une manière différente les dispositifs ou en augmentant leurs nombres sans modifier le processus de fabrication de la structure de l'aéronef. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif 16 de l'invention est rétractable et susceptible d'occuper deux états, un premier état actif illustré sur les figures 6B, 7B et 9B dans lequel le dispositif comprend une partie en saillie 20 susceptible de générer des perturbations suffisantes permettant de mélanger efficacement les gaz chauds et l'air froid, et un second état dit de repos illustré sur les figures 6A, 7A et 9A dans lequel, ladite partie 20 susceptible d'être en saillie est plaquée contre la surface extérieure de manière à générer une faible traînée aérodynamique. Cette configuration permet de réduire l'impact des dispositifs 16 sur les caractéristiques aérodynamiques de l'aéronef, notamment sur la traînée. En effet, un dispositif figé engendrerait en permanence une réduction des caractéristiques aérodynamiques de l'aéronef alors que son utilité en tant que moyens de protection contre la chaleur peut être limitée dans le temps, notamment à certaines phases du vol. Dans le cas où la partie en saillie peut se rétracter et venir à l'état repos, le dispositif pour générer les perturbations n'altère pas les caractéristiques aérodynamiques de l'aéronef en permanence mais seulement lorsqu'il est utilisé pour protéger la surface extérieure contre la chaleur à l'état actif. Avantageusement, le dispositif 16 change d'état en fonction de la température. Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif 16 pour générer des perturbations est à base d'un matériau à mémoire de forme. Ainsi, lorsque la température est inférieure à un seuil prédéterminé, le dispositif est à l'état repos. Lorsque la température dépasse ledit seuil alors le dispositif se déforme grâce au matériau à mémoire de forme afin d'occuper l'état actif. Sur les figures 7A, 7B, 9A et 9B, on a représenté le changement d'état des dispositifs 16 pour générer des perturbations.

La ligne 36 en trait mixte correspond à la limite entre une zone F dont la température est inférieure à la température de seuil et une zone Ch dont la température est supérieure à F. Ainsi, lorsque les dispositifs 16 sont dans la zone F (figures 7A et 9A), ils sont à l'état repos et n'altèrent quasiment pas les caractéristiques aérodynamiques de l'aéronef. Lors de certaines phases du vol, la ligne 36 peut se déplacer et la zone Ch s'étendre. Dès que la zone Ch atteint les dispositifs 16 pour générer des perturbations, ces derniers sont soumis à une température pour laquelle les dispositifs changent d'état et passent à l'état actif afin de protéger la surface extérieure contre la chaleur en favorisant le mélange entre gaz chaud et air froid. L'utilisation d'un matériau à mémoire de forme permet d'obtenir un dispositif 16 rétractable de conception simple et évite l'utilisation d'une part d'un capteur pour détecter la température de changement d'état, et d'autre part, d'un actionneur et d'une articulation pour modifier la position de la partie en saillie. A titre d'exemple, on pourrait utiliser un matériau à mémoire de forme tel qu'un alliage à base de Titane et de Nickel commercialisé sous la marque Nitinol .

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Aéronef à la surface extérieure duquel s'écoule un flux aérodynamique d'air froid et comprenant au moins une sortie de gaz chaud, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif (16) pour générer des perturbations aérodynamiques afin de mélanger le gaz chaud et l'air froid du flux aérodynamique, ledit au moins un dispositif étant rapporté au niveau d'une surface extérieure (10) à protéger contre la chaleur et/ou à proximité d'une sortie (12) de gaz chaud.

2. Aéronef selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un dispositif (16) pour générer des perturbations est rétractable et susceptible d'occuper deux états, un premier état actif dans lequel ledit au moins un dispositif comprend une partie en saillie (20) susceptible de générer des perturbations suffisantes permettant de mélanger efficacement le gaz chaud et l'air froid, et un second état de repos dans lequel ladite partie (20) susceptible d'être en saillie est plaquée contre la surface sur laquelle le dispositif est rapporté de manière à générer une faible traînée aérodynamique.

3. Aéronef selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit au moins un dispositif (16) pour générer des perturbations change d'état en fonction de la température.

4. Aéronef selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit au moins un 20 dispositif (16) pour générer des perturbations est réalisé à base d'un matériau à mémoire de forme.

5. Aéronef selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit au moins un dispositif (16) pour générer des perturbations comprend des moyens (18) de fixation et au moins une première 25 partie (20) susceptible de faire saillie sous forme d'une plaque.

6. Aéronef selon la revendication 5, caractérisé en ce que la plaque (20) fait avec la direction du flux aérodynamique un angle a de l'ordre de 10 à 40 .

7. Aéronef selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la plaque a une longueur L et une hauteur H avec un rapport L/H de l'ordre de 4.

8. Aéronef selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la plaque (20) a un bord amont (22) incliné.

9. Procédé pour protéger de la chaleur une surface extérieure (10) d'un aéronef contre laquelle est susceptible de s'écouler un gaz chaud provenant d'une sortie (12), caractérisé en ce qu'il consiste à prévoir au moins un dispositif (16) pour générer des perturbations aérodynamiques afin de mélanger le gaz chaud et l'air froid du flux aérodynamique s'écoulant à l'extérieur de l'aéronef, ledit au moins un dispositif (16) étant rapporté au niveau de la surface extérieure (10) à protéger contre la chaleur et/ou à proximité de la sortie (12) de gaz chaud.

10. Procédé pour protéger de la chaleur une surface extérieure (10) d'un aéronef selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser au moins un dispositif (16) pour générer des perturbations rétractable.