FR2922520A1

FR2922520A1 - Procede de reduction de la trainee de compressibilite d'une voilure et conteneur mettant en oeuvre ce procede

Info

Publication number: FR2922520A1
Application number: FR0707365A
Authority: FR
Inventors: Thierry Fol; Cyril Bonnaud
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2009-04-24
Anticipated expiration: 2027-10-22
Also published as: US8100358B2; FR2922520B1; US20100044519A1

Abstract

La présente invention un procédé de réduction de la traînée de compressibilité d'une voilure et un conteneur mettant en oeuvre ce procédé. Le conteneur (10, 10', 10") est muni successivement d'une partie avant (11) au voisinage de son bord d'attaque (14) puis d'une partie intermédiaire (12) et d'une partie arrière (13) au voisinage de son bord de fuite (15), ladite partie arrière (13) se restreignant progressivement selon une direction allant du bord d'attaque (14) du conteneur vers son bord de fuite (15). De plus, ladite partie arrière (13) est prolongée par un moyen d'accrochage (17) permettant d'accrocher le conteneur (10, 10', 10") sous la voilure (1) de manière à ce que ladite partie arrière (13) se restreignant soit partiellement en amont du bord d'attaque (2) de la voilure (1).

Description

1 Procédé de réduction de la traînée de compressibilité d'une voilure et conteneur mettant en oeuvre ce procédé. La présente invention concerne un procédé pour réduire la traînée de compressibilité d'une voilure d'un aéronef, et un 5 conteneur convenant à la mise en oeuvre de ce procédé. Classiquement, un aéronef est muni d'une voilure assurant sa sustentation, des ailes disposées de part et d'autre du fuselage d'un avion par exemple. Lorsque l'aéronef est en mouvement, la face supérieure de la 10 voilure, dénommée extrados par l'homme du métier, est soumise à des forces de dépression. A contrario, la face inférieure de la voilure, dénommée intrados par l'homme du métier, est soumise à des forces de pression. La résultante aérodynamique de ces forces de pression et de 15 dépression se décompose alors, d'une part en une portance perpendiculaire au vent relatif qui porte la voilure, et, d'autre part, en une traînée qui freine le profil et absorbe inutilement de l'énergie, une partie de cette traînée étant dénommée traînée de compressibilité dans le cas de la présence de zones supersoniques 20 sur la voilure. Il est à noter que la traînée de compressibilité est maintenue à un niveau relativement constant jusqu'à ce que la voilure atteigne une vitesse déterminée par rapport à l'écoulement de l'air, correspondant au nombre de Mach de divergence de traînée de la 25 voilure. Le nombre de Mach étant égal au quotient de la vitesse par la célérité du son, le nombre de Mach de divergence de traînée est défini par l'homme du métier comme le nombre de Mach à partir duquel la traînée de compressibilité diverge et augmente brutalement. 2 Dans ces conditions, la définition d'une voilure d'aéronef résulte d'un compromis entre différents facteurs tels que la portance recherchée, la traînée générée par la voilure, voire même la résistance structurelle de cette voilure.

Toutefois, au cours de son existence, la définition d'un aéronef est amenée à évoluer afin de répondre aux exigences de son utilisateur, en raison par exemple d'une augmentation de sa masse utile. Ces évolutions peuvent nécessiter une augmentation de la portance générée par la voilure.

L'homme du métier résout généralement un tel problème en augmentant l'incidence globale de l'aéronef. Bien qu'efficace dans un premier temps, cette technique amène parfois des désagréments non prévus. En effet, l'augmentation de la portance de la voilure s'accompagne corrélativement d'une augmentation de la traînée, notamment de la traînée de compressibilité. Or, la traînée de compressibilité diverge de manière spectaculaire à compter d'une vitesse définie de l'écoulement de l'air sur l'extrados de la voilure correspondant au nombre de Mach de divergence de traînée. II est alors possible que, dans certaines zones critiques de la voilure, l'augmentation de la portance ne compense pas les effets nuisibles créés par l'augmentation importante de la traînée de compressibilité. Une solution à ce problème consisterait à faire voler l'aéronef à une altitude plus faible. Cette solution conduit donc à sensiblement dégrader les conditions de vol de l'aéronef. Ainsi, afin de ne pas dégrader ces conditions de vol, l'homme du métier n'a jusqu'à présent qu'une solution pour contrecarrer ce phénomène. Cette solution consiste à modifier la géométrie de la 3 voilure pour obtenir un nouveau compromis acceptable entre portance et traînée de compressibilité. Cette situation est cependant pénalisante, la définition et la réalisation d'une nouvelle voilure étant particulièrement onéreuses.

De plus, il en va de même pour la modification des appareils existants qui devront être équipés d'une nouvelle voilure. La présente invention a pour objet de proposer un procédé pour diminuer la traînée de compressibilité d'une voilure d'un aéronef, des ailes d'un avion par exemple, permettant de s'affranchir des limitations mentionnées ci-dessus en ne nécessitant pas une modification de la voilure de l'aéronef. Selon l'invention, un procédé pour réduire la traînée de compressibilité d'au moins une zone critique de la voilure d'un aéronef, est remarquable en ce que l'on dispose sous cette voilure au moins un conteneur ayant au niveau de son bord de fuite une partie arrière se restreignant selon une direction allant du bord d'attaque du conteneur vers son bord de fuite. Cette partie arrière du conteneur est au moins en partie agencée en amont du bord d'attaque de la voilure afin que le conteneur ralentisse la vitesse de l'air en amont de la zone critique à traiter pour réduire la traînée de compressibilité de la voilure. Cet agencement particulier d'un conteneur ayant au niveau de son bord de fuite une partie arrière se restreignant, permet en effet de réduire la vitesse de l'écoulement d'air en amont de la voilure ce qui implique une réduction de la traînée de compressibilité. Le nombre de Mach de divergence n'étant plus atteint sur l'extrados de la voilure, la traînée de compressibilité demeure à un niveau acceptable. On évite ainsi une redéfinition locale, voire complète, de la voilure. 4 Le résultat obtenu est surprenant et inattendu compte tenu des préjugés existants. En effet, jusqu'à présent, les constructeurs d'aéronefs considéraient que les éléments accrochés sous une voilure avaient tendance à dégrader l'écoulement et la traînée de la voilure au lieu de l'améliorer. Les carénages des moteurs en constituent le parfait exemple. Ce préjugé est d'autant plus compréhensible que le conteneur génère sa propre traînée et accélère généralement l'écoulement incident de la voilure. Il est donc naturel que l'homme du métier soit persuadé que la traînée de compressibilité de la voilure soit dégradée du fait de l'adjonction de la traînée propre du conteneur et de l'interaction entre le conteneur et la voilure. Toutefois, en passant outre ce préjugé, le procédé selon l'invention permet de réduire efficacement la traînée de 15 compressibilité d'une zone critique d'une voilure. De plus, le procédé revêt un autre intérêt non négligeable dans la mesure où le conteneur peut être utilisé en tant que tel. Selon une première variante, le conteneur est de plus un réservoir de carburant d'appoint. Selon une deuxième variante, le 20 conteneur est une soute à équipements, des équipements électroniques par exemple tels que des radars. Par conséquent, le procédé selon l'invention empêche non seulement une divergence de la traînée de compressibilité mais peut aussi, selon la première variante, augmenter de manière 25 significative le rayon d'action de l'aéronef sans pénalisation particulière. Par ailleurs, on donne avantageusement une forme dissymétrique au conteneur afin que les lignes iso-bars qui entourent la périphérie externe de ce conteneur soient parallèles au bord d'attaque de la voilure au niveau de la zone critique. En effet, en vol, l'écoulement d'air entourant le conteneur impose un champ de pressions sur la périphérie externe du conteneur. On peut donc définir des lignes iso-bars autour du conteneur, c'est-à-dire des lignes passant par des points soumis à une même pression. La forme dissymétrique du conteneur est choisie de manière à donner une orientation particulière aux lignes iso-bars. Plus particulièrement, la forme dissymétrique du conteneur implique que les lignes iso-bars soient parallèles au bord d'attaque de la voilure, au niveau de la zone critique à traiter pour éviter une divergence de la traînée de compressibilité. Cette caractéristique maximise donc précieusement l'efficacité du procédé. En outre, on accroche le conteneur sous la voilure via un moyen de fixation dont une extrémité avant saille au maximum du bord d'attaque de la voilure d'une distance maximale de l'ordre de la longueur du conteneur, cette longueur représentant la distance séparant le bord d'attaque du conteneur de son bord de fuite. Vu de dessus, le moyen de fixation n'est pas intégralement recouvert par la voilure mais saille de cette voilure, au niveau de son bord d'attaque, de cette distance maximale. Par ailleurs, il peut être avantageux de prévoir l'agencement d'une pluralité de conteneurs sous la voilure. Par exemple, la voilure possédant au moins une surface portante, telle qu'une aile, s'étendant transversalement d'un fuselage de l'aéronef jusqu'à une extrémité libre de la voilure, cette surface portante comportant un premier et un deuxième moteurs, on accroche un premier 6 conteneur sous la voilure entre les premier et deuxième moteurs, puis un deuxième conteneur entre le deuxième moteur et ladite extrémité libre. Cet enchainement moteur/conteneur en partant du fuselage 5 permet de maximiser les effets produits par chaque conteneur. La présente invention concerne un procédé pour réduire la traînée de compressibilité d'une voilure mais aussi un conteneur mis en oeuvre par ce procédé. Un tel conteneur d'un aéronef convenant à la mise en oeuvre 10 du procédé selon l'invention est muni successivement d'une partie avant au voisinage de son bord d'attaque puis d'une partie intermédiaire et d'une partie arrière au voisinage de son bord de fuite, cette partie arrière se restreignant progressivement selon une direction allant du bord d'attaque du conteneur vers son bord 15 de fuite. Ce conteneur est remarquable en ce que sa partie arrière est prolongée par un moyen d'accrochage longiligne permettant d'accrocher le conteneur sous la voilure de manière à ce que sa partie arrière se restreignant soit partiellement en amont du bord d'attaque de la voilure. 20 Comme expliqué précédemment, cela confère alors au conteneur la faculté inattendue et surprenante de réduire la traînée de compressibilité de la voilure en ralentissant l'écoulement de l'air en amont du bord d'attaque de cette voilure. De plus, une ligne génératrice étant une droite engendrant 25 une surface suite à une rotation, le conteneur comporte une pluralité de lignes génératrices au niveau de sa partie arrière. Ces lignes génératrices sont alors avantageusement parallèles au bord d'attaque de la voilure au niveau de la zone d'accrochage du conteneur à la voilure. Il est à noter que les lignes génératrices ne 7 sont donc pas forcément perpendiculaires à l'axe longitudinal du conteneur mais présentent au contraire une angulation par rapport à cet axe longitudinal afin de demeurer parallèles au bord d'attaque de la voilure.

Par conséquent, chaque ligne génératrice engendre un profil de section parallèle au bord d'attaque de la voilure L'écoulement d'air traversé par le conteneur arrive alors sur la voilure perpendiculairement au bord d'attaque de cette voilure ce qui maximise l'effet recherché, à savoir la réduction de la traînée de compressibilité de la voilure. Les parties arrière et avant du conteneur sont ainsi chacune dissymétriques par rapport à l'axe longitudinal du conteneur passant par le bord d'attaque et le bord de fuite de ce conteneur. De même, la partie intermédiaire est si nécessaire dissymétrique par rapport à cet axe longitudinal. Enfin, le conteneur est avantageusement amovible afin de pouvoir être enlevé si le vol de l'aéronef n'impose pas son utilisation. L'invention et ses avantages apparaîtront avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit avec des exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées qui représentent : - la figure 1, une vue de côté d'une voilure équipée d'un conteneur selon l'invention, - la figures 2, une vue de dessus d'une voilure équipée d'un conteneur selon l'invention, - la figures 3, un diagramme démontrant l'effet surprenant de l'invention, et 8 - la figure 4, une vue de dessus d'une voilure équipée d'une surface portante munie d'un premier et d'un deuxième moteurs. Les éléments présents dans plusieurs figures distinctes sont 5 affectés d'une seule et même référence. La figure 1 présente une vue de côté d'une voilure 1 équipée d'un conteneur 10 amovible selon l'invention. Le conteneur 10 comporte une partie avant 11 partant de son bord d'attaque 14 suivie d'une partie intermédiaire 12 et d'une 10 partie arrière 13 allant jusqu'au bord de fuite du conteneur 15. La périphérie externe de la partie avant 11, et éventuellement de la partie intermédiaire 12, s'agrandit progressivement en allant du bord d'attaque 14 au bord de fuite 15 du conteneur. A contrario, la partie arrière 13 se restreint selon cette même 15 direction. Conformément au procédé selon l'invention, le conteneur est agencé sous la voilure 1 de manière à ce que la partie arrière 13 qui se restreint soit au moins partiellement en amont du bord d'attaque 2 de cette voilure 1, l'amont et l'aval étant définis par 20 rapport au sens F de l'écoulement d'air traversé par l'aéronef. Le conteneur 10 ralentit alors la vitesse de l'écoulement d'air ce qui permet d'éviter que l'écoulement atteigne le nombre de mach de divergence de traînée au niveau de la zone critique 3 de la voilure. 25 Etonnamment, la traînée de compressibilité générée par l'ensemble conteneur 10/ voilure 1 au niveau de la zone critique 3 est plus faible que la traînée de compressibilité générée par la voilure 1 en l'absence du conteneur 10.

Afin de pouvoir être fixé dans la position prévue par le procédé précédemment décrit, la partie arrière 13 du conteneur est prolongée par un moyen d'accrochage 17 longiligne que l'on fixe à un moyen de fixation 30 de la voilure 1. On comprend bien que le moyen d'accrochage 17 fait partie intégrante du conteneur, ce conteneur étant ainsi successivement pourvu d'une partie avant 1 1 , d'une partie intermédiaire 12, d'une partie arrière 13 prolongé par un moyen d'accrochage 17 longiligne. Ce moyen de fixation 30 est agencé sur l'intrados de la voilure 1. L'extrémité avant 31 du moyen de fixation 30 saille alors au maximum de la voilure 1, au niveau de son bord d'attaque 2, d'une distance maximale L1 de l'ordre de la longueur L du conteneur 10. Par suite, en appliquant cette étape du procédé, on s'assure que le moyen de fixation ne va pas avoir un effet néfaste sur la traînée de compressibilité de la zone critique 3 de la voilure 1 en venant perturber l'écoulement d'air. La figure 2 présente une vue de dessus de la voilure 1, munie d'une surface portante s'étendant du fuselage 100 d'un aéronef à une extrémité libre 1' de la voilure, équipée du conteneur 1. Le conteneur 10 est réalisé à l'aide d'une pluralité de lignes génératrices 18, 18' présentant une angulation avec un axe longitudinal 40 du conteneur 10 passant par le bord d'attaque 14 et le bord de fuite 15 de ce conteneur. La rotation de ces lignes génératrices, autour de l'axe longitudinal 40, permet de générer la périphérie externe du conteneur 10. Les lignes génératrices 18 sont sensiblement perpendiculaires à l'axe longitudinal 40 au bord d'attaque 14 du conteneur puis s'inclinent régulièrement par rapport à cet axe 10 longitudinal 40 en allant de ce bord d'attaque 14 vers le bord de fuite 15. Eventuellement, selon une variante alternative de l'invention, les lignes génératrices 18 sont inclinées par rapport à l'axe longitudinal 40 dès le bord d'attaque 14 afin de ne jamais être perpendiculaires à cet axe longitudinal 40. Au niveau de la partie arrière 13 en rétreint du conteneur 10, les lignes génératrices 18 sont ainsi parallèles au bord d'attaque 2 de la voilure au niveau de la zone critique 3, à savoir au niveau de la zone d'accrochage 3' du conteneur 10 à la voilure 1. Cette configuration induit une forme dissymétrique du conteneur 10 par rapport à l'axe fictif 40. Une telle caractéristique technique est importante puisqu'elle permet de maximiser la réduction de la traînée de compressibilité 15 de la voilure 1. En effet, une première particule d'air qui longerait un premier côté du conteneur selon la flèche F1 aurait une vitesse supérieure à une deuxième particule d'air qui longerait un deuxième côté du conteneur selon la flèche F2. 20 Lorsque la première particule atteint le point A, alors la deuxième particule atteindra seulement le point B. Ces deux particules induisant alors des pressions identiques sur le conteneur, une ligne iso-bar qui entoure la périphérie du conteneur passe par les points A et B. 25 Tout comme la ligne génératrice 18, cette ligne iso-bar est alors parallèle au bord d'attaque 2 de la voilure 1. 11 De façon générale, il en va de même des lignes iso-bars qui entourent la périphérie du conteneur au niveau de la partie arrière 13. L'écoulement d'air est alors parfaitement positionné en arrivant sur la voilure 1 ce qui permet d'éviter que cet écoulement d'air atteigne le nombre de Mach de divergence de traînée. Ainsi, le procédé et le conteneur selon l'invention empêchent la création d'une traînée de divergence sans que l'avionneur n'ait à modifier la voilure, ce qui induit des gains importants en termes de coût. Le gain généré est en plus accompagné avantageusement d'une capacité d'emport accrue, le conteneur 10 pouvant être rempli de carburant ou encore d'équipements nécessaires au vol de l'aéronef, des radars par exemple.

La figure 3 présente un diagramme démontrant l'effet surprenant de l'invention, et présentant la production de traînée de compressibilité en fonction de l'envergure de la surface portante. Les courbes Cl et C2 explicitent cette production de traînée, respectivement lorsque la surface portante est équipée ou non du conteneur selon l'invention. On note que la présence du conteneur induit de manière surprenante une baisse notable de la traînée de compressibilité dans un secteur précis de la surface portante, située à une distance du fuselage comprise entre 0,5 fois et 0, 7 fois l'envergure. Contrairement aux préjugés existants, le conteneur permet donc bien de réduire la traînée de compressibilité de la voilure.

12 La figure 4 présente une vue de dessus d'un aéronef quadrimoteurs pourvu d'une voilure 1 munie d'une première et d'une deuxième surfaces portantes 111, 112, telles que des ailes. Chaque surface portante 111, 112 est alors équipée d'un premier et d'un deuxième moteurs disposés entre le fuselage 100 de l'aéronef et une extrémité libre 1' de la voilure, à savoir le bout de l'aile concernée. Dans ces conditions, chaque surface portante comporte un premier et un deuxième conteneurs selon l'invention afin de réduire 10 la traînée de compressibilité de la voilure 1. Par suite, le premier conteneur 10' est agencé entre les premier et deuxième moteurs 101, 102 alors que le deuxième conteneur 10" est disposé entre les deuxièmes moteurs 102 et l'extrémité libre 1' de la surface portante.

15 Naturellement, la présente invention est sujette à de nombreuses variations quant à sa mise en oeuvre. Bien que plusieurs modes de réalisations aient été décrits, on comprend bien qu'il n'est pas concevable d'identifier de manière exhaustive tous les modes possibles. II est bien sûr envisageable de 20 remplacer un moyen décrit par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour réduire la traînée de compressibilité d'au moins une zone critique (3) de la voilure (1) d'un aéronef, caractérisé en ce que l'on dispose sous ladite voilure (1) au moins un conteneur (10, 10', 10") ayant au niveau de son bord de fuite (15) une partie arrière (13) se restreignant selon une direction allant du bord d'attaque (14) du conteneur (10, 10', 10") vers son bord de fuite (15), ladite partie arrière (13) étant au moins en partie agencée en amont du bord d'attaque (2) de ladite voilure (1) afin que ledit conteneur (10) ralentisse la vitesse de l'air en amont de ladite zone critique (3) pour réduire sa traînée de compressibilité.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on donne une forme dissymétrique au dit conteneur (10) afin que les lignes iso-bars qui entourent la périphérie externe de ce conteneur (10) soient parallèles au bord d'attaque (2) de ladite voilure (1) au niveau de ladite zone critique (3).

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes, caractérisé en ce que l'on accroche ledit conteneur (10) sous la voilure (1) via un moyen de fixation (30) dont une extrémité avant (31) saille au maximum du bord d'attaque (2) de la voilure (1) d'une distance maximale (L1) de l'ordre de la longueur (L) de ce 25 conteneur (10).

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 14 caractérisé en ce que, ladite voilure (1) possédant au moins une surface portante (111, 112) s'étendant transversalement d'un fuselage (100) de l'aéronef jusqu'à une extrémité libre (1') de la voilure (1), cette surface portante (111, 112) comportant un premier et un deuxième moteurs (101, 102), on accroche un premier conteneur (10') sous la voilure entre les premier et deuxième moteurs (101, 102), puis un deuxième conteneur (10") entre le deuxième moteur (10") et ladite extrémité libre (1').

5. Conteneur (10, 10', 10") d'un aéronef convenant à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit conteneur (10, 10', 10") étant muni successivement d'une partie avant (11) au voisinage de son bord d'attaque (14) puis d'une partie intermédiaire (12) et d'une partie arrière (13) au voisinage de son bord de fuite (15), ladite partie arrière (13) se restreignant progressivement selon une direction allant du bord d'attaque (14) du conteneur vers son bord de fuite (15), caractérisé en ce que ladite partie arrière (13) est prolongée par un moyen d'accrochage (17) permettant d'accrocher le conteneur (10, 10', 10") sous la voilure (1) de manière à ce que ladite partie arrière (13) se restreignant soit partiellement en amont du bord d'attaque (2) de la voilure (2).

6. Conteneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, une ligne génératrice (18) étant une droite engendrant une surface suite à une rotation, ledit conteneur (10, 10', 10") comportant une pluralité de lignes génératrices (18) au niveau de ladite partie arrière (13), lesdites lignes génératrices (18) sont parallèles au bord d'attaque (2) de la voilure (1) au 15 niveau de la zone d'accrochage (3') dudit conteneur (10, 10', 10") à la voilure (1).

7. Conteneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites parties arrière (13) et avant (11) du conteneur (10, 10', 10") sont dissymétriques par rapport à un axe longitudinal (40) allant du bord d'attaque (14) du conteneur vers le bord de fuite (15) de ce conteneur (10, 10', 10").

8. Conteneur selon l'une quelconque des revendications 10 précédentes, caractérisé en ce que ledit conteneur (10, 10', 10") est amovible.