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ELEMENTS RESISTIFS POUR LE CHAUFFAGE D'UN PROFIL
AERODYNAMIQUE, ET DISPOSITIF DE CHAUFFAGE D'UN PROFIL
AERODYNAMIQUE INCORPORANT DE TELS ELEMENTS
La présente invention concerne les dispositifs de
chauffage de profils aérodynamiques. Les profils concernés
sont généralement ceux dont la forme aérodynamique ne doit
pas être perturbée par la formation de glace, notamment des
pales d'hélicoptères (rotor principal ou rotor anti-
couple), ou encore des ailes d'avion...
Le problème du givrage des profils est bien connu
dans l'industrie aéronautique. La forme des profils
aérodynamiques peut être modifiée en raison de la formation
de glace résultant de ce que, en vol, le profil rencontre
des gouttelettes d'eau en surfusion contenues dans
l'atmostphère.
Ce problème est souvent traité en équipant le
profil d'une structure chauffante à effet Joule. On
distingue les "dégivreurs", dont les éléments résistifs
dissipateurs de chaleur sont alimentés de façon
intermittente pour éliminer la glace qui se forme
régulièrement, et les "antigivreurs", dont les éléments
résistifs sont continûment alimentés pour empêcher la
formation de glace. Bien que la présente invention soit
présentée ci-après dans son application aux antigivreurs, à
titre d'illustration, on comprendra qu'elle est également
applicable aux dégivreurs.
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Le plus souvent, la structure chauffante consiste
en des résistances métalliques. Ces résistances métalliques
posent des problèmes de tenue mécanique, particulièrement
dans le cas d'un profil aérodynamique en matériau
composite, de tolérance aux dommages (une redondance
multiple est nécessaire pour éviter que la rupture d'une
résistance métallique empéche l'ensemble du dispositif de
fonctionner), d'hétérogénéité surfacique du chauffage, et
de corrosion.
Pour limiter l'incidence de ces problèmes, il a été
proposé d'utiliser un dégivreur composite dont les éléments
résistifs se composent de fibres de carbone (voir brevet
français 2 578 377). Ces éléments résistifs forment des
bandes de fibres de carbone qui s'étendent de préférence le
long du bord d'attaque du profil.
L'invention trouve une application particulière
dans le domaine des pales d'hélicoptère.
Plusieurs phénomènes physiques complexes entrent en
jeu, de façon parfois antagoniste, dans le comportement
thermique, la captation et le dégivrage d'une pale. Pour
la clarté des explications, on se limitera ici à la
description des phénomènes les plus simples, et on les
considèrera indépendants les uns des autres .
a) l'échauffement cinétique généré par la rotation
d'une pale dans l'air est plus important à son extrémité
qu'au pied de pale. De ce fait, la puissance surfacique à
fournir pour la protection thermique tend à diminuer vers
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l'extrémité de la pale ;
b) les coefficients d'échange convectif sont
supérieurs à l'extrémité de la pale du fait de la vitesse
de rotation plus élévée. Toutes choses égales par ailleurs,
ce phénomène fait que la puissance surfacique à fournir
pour la protection thermique est plus élevée en extrémité ;
c) le volume de captation est plus important à
l'extrémité de la pale car les particules d'eau en
surfusion ont moins tendance à être déviées par
l'écoulement aérodynamique autour du profil quand les
vitesses relatives augmentent. Considéré isolément, ce
phénomène requiert une puissance thermique surfacique plus
élevée à l'extrémité de la pale ;
d) les simulations (codes et essais) du
comportement thermique d'une section de pale antigivrée
montrent que, dans certaines conditions de vol (vol en air
sec, antigivreur en marche), les températures atteintes
dans la pale dépassent les limites admissibles pour les
résines constituant cette pale. On utilise alors ces codes
2C pour résoudre le problème inverse et calculer les
puissances thermiques surfaciques admissibles pour ne pas
dépasser ces températures "critiques" pour les résines.
L'évolution de la puissance thermique surfacique obtenue
est inversée par rapport au cas "a" ci-dessus car le
phénomène en air sec est piloté par les échanges
convectifs, ce qui conduit à diminuer la puissance
surfacique de chauffage de manière plus importante en pied
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de pale qu'en extrémité.
I1 est à noter qu'en général, le pilote n'a pas à
sa disposition un détecteur de formation de givre
suffisamment fiable. Ainsi, lorsqu'il se trouve dans des
conditions pouvant devenir givrantes (approche de nuages
givrants,...), il met en marche l'antigivreur en anticipant
l'air peut alors être encore sec. L'antigivreur risque
dans ces conditions d'être trop efficace et de provoquer
sur la pale des températures trop élévées. Ces conditions
doivent donc être prises en considération dans la
conception de l'antigivreur.
En tenant compte des différents phénomènes
pertinents, les aérodynamiciens et thermiciens énoncent des
spécifications sur l'évolution de la puissance thermique
surfacique à fournir sur la surface du profil. Pour obtenir
une variation de la puissance thermique par unité de
surface perpendiculairement à la direction des bandes, on
peut prévoir des épaisseurs de carbone différentes d'une
bande à l'autre. Pour obtenir une variation parallèlement à
une bande, la pratique courante est d'interrompre certaines
des nappes de fibres constituant la bande en certaines
positions le long de la bande, ce qui conduit à des
épaisseurs et des résistances électriques différentes sur
des tronçons successifs. Cette façon de procéder provoque
des variations brusques de la puissance surfacique et ne
permet pas de respecter aisément les spécifications
thermiques.
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Un but de la présente invention est de proposer une
structure composite de chauffage permettant de faire
évoluer progressivement la puissance thermique surfacique
dissipée parallèlement au bord d'attaque.
5 L'invention propose ainsi un élement résistif pour
le chauffage d'un profil aérodynamique, comprenant
plusieurs nappes superposées de fibres électriquement
conductrices, les nappes et les fibres conductrices
s'étendant parallèlement à un bord d'attaque du profil
aérodynamique. Au moins une première des nappes superposées
a une largeur constante, tandis qu'au moins une seconde des
nappes superposées a une largeur continûment variable le
long du bord d'attaque et inférieure à la largeur constante
de la première nappe.
Un dispositif de chauffage du profil pourra ainsi
comprendre un ou plusieurs éléments résistifs de ce type
disposés parallèlement au bord d'attaque et alimentés
électriquement pour dissiper de la chaleur par effet Joule.
Les nappes de carbone de largeur variable assurent
une progressivité de la résistance de l'élément résistif le
long du bord d'attaque, qu'on peut aisément adapter à la
variation requise de la puissance thermique surfacique. Les
nappes de largeur constante permettent de conserver un
intervalle constant entre éléments adjacents, ce qui évite
l'apparition de points froids susceptibles de capter le
givre.
D'autres particularités et avantages de la présente
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invention apparaîtront dans 1a description ci-après
d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux
dessins annexés, dans lesquels .
- la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un
profil aérodynamique équipé d'un dispositif selon
l'invention ;
- la figure 2 montre une section transversale d'un
tapis chauffant d'un dispositif selon l'invention,
représenté à plat, prise selon le plan II-II indiqué sur la
figure 3 ;
- la figure 3 est une vue en plan des éléments
résistifs du tapis chauffant de la figure 2, représenté à
plat ;
- la figure 3A montre une variante du tapis de la
figure 3 ; et
- les figures 4 à 9 sont des vues de dessus
schématiques d'éléments résistifs selcn l'invention.
La figure 1 montre schématiquement en coupe
transversale un profil aérodynamique ~0 constitué par une
pale d'hélicoptère, par exemple de rctor anti-couple, et
équipé d'un antigivreur selon l'invention. Les références
numériques 12, 14 et 16 désignent respectivement
l'intrados, l'extrados et le bord d'attaque de la pale 10.
La pale est réalisée en matériau composite, et le
voisinage de son bord d'attaque 16 est couvert par un
blindage métallique 20 de protection contre les impacts.
Immédiatement derrière le blindage 20 se trouve un tapis
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chauffant en matériau composite constituant l'antigivreur.
Ce tapis chauffant comporte plusieurs éléments résistifs
24, 26 constitués par des bandes de fibres conductrices
(carbone) s'étendant longitudinalement selon l'envergure de
la pale, c'est-à-dire parallèlement au bord d'attaque 16.
Les figures 2 et 3 montrent un exemple de tapis
chauffant utilisable dans un dispositif selon l'invention.
Les éléments résistifs en carbone 24, 26 s'étendent sur la
plus grande partie de l'envergure de la pale. A son
extrémité proximale (vers le moyeu du rotor), chaque
élément résistif 24, 26 est relié à un conducteur
d'alimentation 28, 29 au moyen d'une gaine 30, 31 en forme
de treillis métallique (cf. FR-A-2 578 377). La gaine 30,
31 entoure l'extrémité proximale de l'élément résistif en
carbone sur une longueur d'environ 50 mm par exemple, et
elle emprisonne le conducteur 28, 29 pour assurer le
contact électrique. A leurs extrémités distales, les
éléments résistifs 24, 26 sont en contact électrique de
façon à être associés par paires. Chaque paire comporte une
bande 24, 26 pour la circulation du courant vers
l'extrémité de la pale et une bande 24, 26 pour le retour
du courant vers le pied de pale. Pour chaque paire, une ou
plusieurs nappes de fibres conductrices en carbone 32
s'étendent transversalement au bord d'attaque et sont en
contact avec les extrémités distales des éléments résistifs
24, 26 de la paire.
Dans 1e cas particulier montré sur les figures 2
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et 3, les paires d'éléments résistifs sont montées en série
au moyen des gaines 31 et des conducteurs 29, et reliées au
moyen des gaines 30 et des conducteurs 28 à une
alimentation électrique 34 de l'hélicoptère. Les bandes 24
situées sur le bord d'attaque 16 et l'extrados 14 de la
pale ont une largeur inférieure à celle des bandes 26
situées sur l'intrados 12.
Dans la variante de réalisation de la figure 3A,
le montage en série des paires d'éléments résistifs est
assuré non pas par des systèmes connecteurs de type
gaine 31/conducteur 29, mais par des nappes de fibres de
carbone 33 de même nature que les nappes 32 situées à
l'extrémité distale. Bien entendu, il serait encore
possible d'assurer les contacts électriques à l'extrémité
distale au moyen de systèmes connecteurs de type
gaine/conducteur. Une autre possibilité est de raccorder
les éléments résistifs ou les paires d'éléments résistifs
en parallèle plutôt qu'en série.
Chaque bande de carbone 24, 26 constituant un
élément résistif se compose d'une ou plusieurs nappes 34,
36 de fibres de carbone de largeur constante le long de
l'envergure de la pale, et d'une ou plusieurs nappes 44, 46
de fibres de carbone de largeur contini:ment variable le
long de l'envergure de la pale. Sur la figure 3 ou 3A, les
nappes de carbone de largeur constante sont représentées
par des hachures simples, et les nappes de carbone de
largeur variable sont représentées par des hachures
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croisées. La même convention de représentation sera
utilisée sur les figures 4 et suivantes. Dans chaque bande
24, 26, les nappes de carbone sont superposées, et les
nappes de largeur variable 44, 46 ont partout une largeur
inférieure à la largeur constante des nappes 34, 36, de
manière à ne pas déborder latéralement de celles-ci. Ceci
assure un intervalle constant entre les bandes le long de
l' envergure de la pale, ainsi que le montre la figure 3 ou
3A.
Dans l'exemple des figures 2 et 3 ou 3A, les bandes
24 du côté extrados comprennent chacune deux nappes 34 de
largeur constante et une nappe 44 de largeur variable,
tandis que les bandes 26 du côté intrados comprennent
seulement deux nappes, l'une 36 de largeur constante et
l'autre 46 de largeur variable.
Le tapis chauffant est par exemple fabriqué à plat
selon un procédé tel que celui décrit dans le brevet
français 2 578 377. Dans une première étape, on dispose sur
un support une enveloppe inférieure du tapis constituée par
exemple par trois couches 50 de tissu de fibres de verre
d'orientations différentes, ainsi qu'une couche
supplémentaire 52 de tissu de fibres de verre, couvrant
seulement la partie intrados du tapis pour compenser la
moindre épaisseur des bandes de carbone dans cette partie
(voir figure 2). On place ensuite sur cette enveloppe
inférieure 1a moitié des bandes de carbone 24, 26 (une
bande sur deux selon la largeur du tapis), ainsi que leurs
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gaines métalliques de raccordement 30 et/ou 31. Les nappes
de largeur constante 34, 36 de ces bandes peuvent être
dévidées à partir de bobines de fibres de carbone. Pour les
nappes 44, 46 de largeur variable, on procède d'abord à une
5 découpe des bords latéraux de ces nappes pour obtenir la
forme désirée. Cette découpe peut être effectuée par
poinçonnage, les fibres de la nappe étant supportées par
une feuille plastique pendant cette opération. Après avoir
placé la moitié des bandes de carbone, on positionne sur
10 celles-ci (sauf à leurs extrémités distales) une ou
plusieurs couches de tissu de fibres de verre 54 servant à
isoler les bandes entre elles et à assurer leur bon
positionnement. On met alors en place la moitié restante
des bandes de carbone 24, 26 selon le même processus que
précédemment. Aux extrémités des bandes, les nappes
transversales 32 et/ou 33 peuvent être placées avant et/ou
après les nappes constituant les bandes longitudinales.
L'ensemble est finalement recouvert par une enveloppe
supérieure constituée par exemple par une couche 56 de
tissu de fibres de verre. On passe ensuite un rouleau
compacteur sur le tapis ainsi assemblé pour lui conférer
une certaine tenue mécanique (les tissus de verre 50, 52,
54, 56 sont pré-imprégnés de résine), et pour assurer un
bon contact électrique des éléments résistifs 24, 26 avec
leurs gaines métalliques respectives 30, 31 et avec les
nappes transversales 32, 33. Pour mettre en forme le tapis
ainsi pré-compacté, on dispose de deux options. La première
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option consiste à mettre en forme le tapis sur un mandrin
reproduisant la forme du voisinage du bord d'attaque, et à
faire polymériser la résine sur ce mandrin, éventuellement
avec le blindage 20. La pièce ainsi obtenue peut être
ensuite collée sur la pale réalisée par ailleurs. La
seconde option consiste à faire polymériser la résine
directement lors du moulage de la pale, dans le même moule.
Les figures 4 à 7 montrent différentes
configurations possibles des bandes de fibres de carbone
pour procurer une puissance thermique surfacique évolutive
de l'extrémité proximale de la bande 24, 124, 224, 324 (bas
des figures 4 à 7) vers l'extrémité distale de la bande 24,
124, 224, 324 (haut des figures 4 à 7). Dans chacune de ces
quatre configurations, les nappes de carbone de largeur
variable 44, 144, 244, 344 ont une forme symétrique par
rapport à un plan contenant l'axe médian des nappes de
largeur constante 34, 134, 234, 334. Ceci permet d'obtenir
une dissipation thermique homogène entre les différents
intervalles inter-bandes. L'exemple de la figure 4
correspond au cas déjà représenté sur les figures 3 et 3A,
où la largeur des nappes 44 décroît du pied de pale vers
l'extrémité, ce qui correspond à une croissance de la
puissance thermique surfacique. Une telle configuration
sera adoptée dans les cas où les échanges convectifs
constituent le phénomène dominant dans le comportement
thermique de la pale.
La configuration de la figure 5 correspond au cas
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inverse où l'échauffement cinétique tend à dominer les
phénomènes d'échange convectif. Dans ce cas, on fait
croître la largeur des nappes 144 vers l'extrémité distale
de la pale.
Les configurations des figures 6 et 7 correspondent
à des cas intermédiaires, pour lesquels on souhaite que la
largeur des nappes 244, 344 présente un extremum entre les
deux extrémités de la bande 224, 324. Cet extremum est un
minimum dans le cas de la figure 6 et un maximum dans le
cas de la figure 7.
Les figures 8 et 9 se distinguent des figures 4 à 7
par la forme dissymétrique des nappes de carbone de largeur
variable, qui permet de privilégier le chauffage dans
certains des intervalles inter-bandes. Dans les deux cas,
les nappes de largeur variable 444 de chaque élément
résistif 424 ont un bord latéral 445 parallèle au bord
d'attaque et aligné sur un bord latéral des nappes de
largeur constante 434 de cet élément. L'intervalle inter-
bandes adjacent à un tel bord latéral 445 de la bande 424
aura tendance à recevoir davantage de puissance thermique
surfacique par conduction depuis cette bande 424, qu'un
intervalle adjacent au bord latéral opposé. Ainsi, l'inter
bande i recevra une puissance thermique surfacique plus
faible dans le cas de la figure 8 que dans le cas de la
figure 9.
