Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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Structure composite améliorée pour aéretlef
L'invention vise une structure composite anti-crash pour un aéronef,
ainsi qu'un tel aéronef comportant une telle structure.
L'invention s'applique en particulier aux giravions, notamment aux
hélicoptères.
La structure de tels appareils doit être compatible avec des
contraintes fonctionnelles, normatives, ainsi que de certification,
notamment.
Notamment lors d'un impact (crash) de l'appareil avec le sol, les
dégâts matériels doivent être limités voire annihilés, notamment à
proximité de la cabine et de constituants vitaux de l'appareil. En effet, tous
dommages humains inacceptables doivent alors être évités.
A l'heure actuelle, le respect de certaines spécifications est
antinomique à l'obtention de fonctions souhaitées pour tel ou tel
constituant d'un aéronef, cc qui oblige à des compromis qui ne sont pas
toujours acceptables en pratique. Ceci est particulièrement pertinent pour
les appareils à voilure tournante.
La recherche d'une capacité accrue d'absorption de Pénergic due à
un choc (accident) par la structure d'un aéronef, a abouti à diverses
propositions.
Le brevet FR-2632604 décrit une structure d'hélicoptère comportant
un cadre essentiellement constitué d'un portique dont les extrémités sont
reliées par une traverse ; la traverse est principalement constituée d'un
panneau présentant une structure sandwich et constitué de deux
âmes minces verticales délimitant un espace rempli d'un matériau
déformable (nid d'alieille ou mousse) sur lequel elles adhèrent ; les âmes du
panneau présentent en partie inférieure des ondulations horizontales ; une
structure particulière permet d'obtenir une déformation contrôlée de la
traverse par amorce de flambage en cas de choc.
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Les brevets US-4084029, US-4734146 et FR-2817608 sont relatifs à
des poutres comportant une amie ondulée composite de forme sinusoïdale ;
la poutre selon FR-2817608 est conçue pour absorber de façon contrôlée
un effort de compression intense et brutal appliqué dans la direction de sa
hauteur, sous l'effet de l'énergie cinétique produite par un choc violent tel
que le crash d'un aéronef. L'ime comporte plusieurs nappes de fibres de
carbone et de tissus d'aramide empilés ; des découpes formées sur un bord
adjacent à la semelle de chaque nappe de fibres servent d'initiateur de
rupture, de façon à charger et dégrader progressivement la nappe lors de
l'application d'un effort de compression apte à provoquer la rupture de la
poutre.
La présente invention s'applique en particulier aux giravions dont la
structure compte plusieurs cadres tels que ceux décrits dans FR-2632604,
ainsi que des poutres reliant ces cadres deux à deux.
Diverses autres structures d'absorption d'énergie en cas d'impact du
fuselage d'un aéronef contre le sol ont par ailleurs été proposées.
Le brevet US-6620484 décrit une structure d'absorption comportant
des panneaux composites verticaux au travers desquels un fil est cousu
selon une densité croissante de la base de la structure vers sa partie
supérieure.
Le brevet US-4593870 est relatif à un absorbeur de choc s'étendant
sous le plancher de la cabine d'un hélicoptère et comportant un réseau de
poutres entrecroisées comportant un laminé ou deux laminés recouvrant un
noyau à structure en nid d'abeille ; des amorces de rupture sont prévues à
la base du stratifié.
Le brevet US-4941767 décrit un croisillon et des liaisons par des
pièces à section en anneau. Le brevet FR-2763313 décrit une installation de
suspension d'un réservoir.
Le brevet US-5069318 décrit un renfort entourant une paroi mince
afin de stabiliser sa tenue en cas de crash. Le brevet US-5451015 décrit une
=
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installation de protection d'un réservoir en cas de crash. Le brevet US
6,718,713
décrit un organe préformé avec un canal d'insertion d'une cloison plane. Le
document VVO 03018295 décrit un organe préformé en forme de lettre "Pi", pour
l'assemblage de pièces en composite.
Malgré ces recherches, il subsiste un besoin pour une structure améliorée
d'aéronef pour la reprise d'effort et l'absorption d'énergie résultant d'un
choc.
En particulier, il convient pour sécuriser une telle structure en cas de
crash, que
les adaptations nécessaires n'entraînent pas de modifications importantes de
l'environnement de la structure de reprise d'efforts (existante ou en
conception); il
convient que la masse embarquée et l'encombrement supplémentaires soient
réduits ou négligeables, et que les cinématiques engendrées (flambage,
déplacement d'équipement embarqué) ne pénalisent pas le fonctionnement
normal de l'appareil; il est également souhaitable que les coûts
d'installation et de
maintenance soient faibles, et que les moyens mis en oeuvre soient simples,
robustes et pérennes.
Il est en particulier souhaitable d'obtenir une structure d'aéronef compatible
avec
une vitesse d'impact de l'ordre de 7 à 9 m/s, par exemple d'à peu près 8,2
mètre
par secondes (noté m/s). Il est également souhaitable que les forces d'impact
maximales sur la structure de l'aéronef (par exemple le plancher de cabine) en
fin
de crash, soient compatibles avec la résistance de la structure environnante,
afin
de ne pas dégrader celle-ci.
Un but de l'invention est de pallier les problèmes et de respecter le plus
grand
nombre possible de critères évoqués ci-avant.
A cet effet, selon un aspect de l'invention, il est proposé une structure (2)
d'aéronef
(1) comportant des parois transversales (3-8, 18B) reliées à des parois
longitudinales
(9-12,18),
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caractérisée en ce que:
les parois (3-12, 18, 18B) comportent chacune deux enveloppes (19) en
matériau composite disposées de part et d'autre d'un agencement (20)
intermédiaire,
elle comporte une barre (21) de liaisons de section cruciforme reliant une
paroi
transversale à une paroi longitudinale; et
elle comporte en outre un insert (26) pour détériorer la barre de liaison (21)
lors
d'un choc selon l'axe longitudinal (21B, Z) de celle-ci, ledit insert ayant
une forme
allongée selon l'axe longitudinal, et étant engagé dans un orifice pratiqué
dans
une base (21A) de la barre de liaison.
Selon des modes préférés de réalisation de l'invention :
la structure peut comporter un plancher, des parois transversales en forme de
cadre, et des parois longitudinales en forme de poutre dont l'âme s'étend
selon la
direction (Z) sensiblement verticale, et lesdites parois longitudinales et
ladite
barre de liaison s'étendent sous le plancher;
une première lame de la barre peut être insérée dans une fente formée dans
une première paroi de la structure, et une seconde lame de la barre peut
s'étendre contre une enveloppe d'une seconde paroi reliée à la première paroi
par ladite barre;
ladite barre peut être réalisée dans un matériau composite;
l'insert peut être engagé dans un orifice s'étendant à partir de la base de la
barre;
l'insert peut présenter une forme allongée selon l'axe longitudinal de la
barre,
en particulier une forme cylindrique pourvue d'une extrémité pointue et/ou une
tête tronconique;
au moins une des parois peut comporter une âme ondulée présentant des
ondulations s'étendant selon une direction (Z) sensiblement parallèle aux
enveloppes, de sorte que la capacité d'absorption d'énergie par la paroi lors
d'un
choc selon cette direction est augmentée;
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au moins une des parois peut comporter un affaiblissement favorisant
l'amorçage d'une dégradation contrôlée de la paroi lors d'un choc, les deux
enveloppes d'une paroi comportant de préférence chacune au moins un
affaiblissement pour favoriser une dégradation symétrique de la paroi
correspondante lors d'un choc;
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- des affaiblissements peuvent être en forme d'interruption(s)
localisée(s) d'une couche d'au moins une enveloppe ; des raidisseurs
peuvent être en forme de concavité(s) formée(s) dans une
enveloppe ;
5 - la
barre, une enveloppe, et le cas échéant une âme ondulée d'une
paroi, peuvent comporter une ou plusieurs couches de fibres ou
tissus de carbone, d'aramide, ou obtenues à partir de poly-
paraphénylène téréphthalarnid-e, -les fibres ou tissus étant
imprégné(e)s d'une résine époxy, et l'agencement intermédiaire peut
contenir un matériau alvéolaire tel qu'une mousse synthétique ou
une structure en nid d'abeille ;
- une paroi de la structure peut comporter une âme ondulée
comportant des parties aplanies de secteurs de peau à l'apogée
d'ondulations, pour offrir une surface plane d'assemblage.
Un autre objet de l'invention vise un aéronef à voilure tournante, qui
possède au moins une structure composite anti-crash conforme à
l'invention.
L'invention permet d'intégrer dans une structure de reprise d'efforts
essentiellement en composite, des moyens capables d'assurer une
----------------------------------------------------------------- sbse,tpt;e,n
remarquable d'énergie lors d'un crash, s..ns a1.é1 la résistance
statique de cette structure.
D'autres aspects, caractéristiques, et avantages de l'invention
apparaissent dans la description suivante, qui se réfère aux dessins
annexés et qui illustre, sans aucun caractère limitatif, des modes préférés
de réalisation de l'invention.
- la figure 1 est une vue schématique d'élévation longitudinale d'un
hélicoptère conforme à l'invention, représenté de côté avec son extrémité
avant dite nez vers la gauche et son extrémité arrière dite queue vers
la droite ;
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- la figure 2 est une vue en perspective éclatée (de côté et de
dessus) d'une structure d'hélicoptère selon l'invention, avec ses
constituants illustrés avant' assemblage ;
- la figure 3 est une vue en coupe transversale d'une première paroi
d'une structure selon l'invention, sur laquelle est également illustrée une
seconde paroi de la structure, qui est reliée à la première paroi par
l'intermédiaire d'une barre (ou profilé) de section cruciforme (croisillon
d'interconnexion) quatre branches;
- la figure 4 est une vue en coupe partielle selon 1V-IV de la
structure de la figure 3, qui illustre la position d'un insert de délaminage
du
profilé de section cruciforme.
Dans les dessins, où des éléments identiques ou similaires sont
désignés par les mêmes numéros de référence, sont représenté:es trois
directions orthogonales les unes aux autres.
Une direction Z dite d'élévation ou verticale, correspond aux hauteur
cc épaisseur des structures décrites : les termes haut/bas ou
inférieur/supérieur s'y réfèrent.
Une autre direction X dite longitudinale ou horizontale, correspond
.aux longueur ou dimension principales des structures décrites. Les termes
avant/arrière s'y réfèrent.
Une autre direction Y dite transversale ou horizontale, correspond
aux largeur ou dimension latérales des structures décrites. Le terme côté s'y
réfère.
Les directions X et Y définissent un plan X, Y horizontal. Les
directions X et Z définissent un plan X, Z longitudinal (et vertical). Les
directions Y et Z définissent un plan Y, Z transversal (et vertical).
Sur les figures 1 et 2, l'aéronef 1 est un hélicoptère comportant un
fuselage 2B, un rotor principal 15, et un rotor and-couple 16. Cet aéronef
1 est parfois appelé appareil . L'invention peur être mise en uvre dans
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d'autres types d'aéronefs, tant à voilure fixe que plus légers que l'air par
exemple.
Sur les figures 1 ou 2, on remarque une structure 2 de reprise
d'efforts_ Une telle structure 2 apporte notamment au fuselage 2B de
l'appareil 1, la rigidité requise à son fonctionnement, ainsi qu'un
comportement sécuritaire en cas de crash.
Cette structure 2 de reprise d'efforts comporte, sur la figure 2
notamment, des parois 18 porteuses sous forme : i) de cadres 3 à 8
transversaux repérés de l'arrière (à gauche) à l'avant (à droite) ; ii) de
poutres longitudinales 9 à 12 ; iii) d'un plancher 13 ; iv) d'un plancher
technique 14 apte à supporter une boîte de transmission principale couplée
au rotor 15 principal d'entraînement et de sustentation ainsi qu'au rotor
arrière 16 ; v) de parois en forme de cloisons, relies que celles repérées 17
et 17B qui servent à l'habillage de la structure 2 et forment des parties
latérale et ventrale du fuselage 2B_
La structure 2 de reprise d'efforts est de type composite (stratifiée).
Par référence aux figures 3 et 4 notamment, chaque paroi 18 de la structure
2 comporte des enveloppes 19 externes généralement planes et disposées
de part et d'autre d'un agencement 20 intermédiaire.
Sur les figures 3 et 4, la structure 2 comporte deux parois 18 et 18B,
chacune avec un assemblage d'enveloppe 19 et un agencement 20. Les
peaux ou enveloppes 19 sont réalisées à partir d'un tissu de fibres
imprégnées d'une résine. Les pièces en matériau composite peuvent être
formées par moulage à chaud, par exemple à une température de moulage
de l'ordre de 180 C. L'agencement 20 est constitué d'un nid d'abeille
auquel adhèrent les enveloppes 19.
Chaque enveloppe 19 peut comporter plusieurs couches empilées,
par exemple :
- une couche extérieure en pli de tissu composite en fibres de
carbone imprégnées étendues sensiblement suivant un angle de
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l'ordre de 45 (degrés) par rapport à la direction principale
d'absorption d'énergie Z;
- une couche médiane en pli de tissu composite en fibres aramide
imprégnées étendues sensiblement suivant un angle de l'ordre de 450
par rapport à la direction Z; et
- une couche intermédiaire en pli de tissu composite en fibres de
carbone imprégnées étendues sensiblement suivant un angle dc
l'ordre de 00 ou 90 par rapport à la direction Z.
D'autres couches peuvent être prévues dont les fibres sont orientées
suivant un angle nul (00) par rapport à la direction Z ; dans un tel
empilement, on peut distinguer des couches impaires incluant la couche
extérieure de l'enveloppe 19 externe dire "premier pli", et des couches
paires pouvant inclure une couche intérieure dite dernier pli .
Certaines couches de la paroi peuvent comporter des fibres agencées
intérieurement en croix, c'est-à-dire en sous couches dc fibres s'étendant
selon des directions sécantes suivant un angle prédéterminé (900 par
exemple), d'une sous couche à l'autre. Ces sous couche, peuvent être
conjointement imprégnées au sein d'un même. substrat de résine.
Dans d'autres couches, les fibres sont disposées en nappes à
orientation uniforme, c'est-à-dire sensiblement en parallèle.
Les parois 18 et 183 illustrées figures 3 et 4 sont assemblées par
l'intermédiaire d'une barre cruciforme ¨ ou profilé ou croisillon - 21
d'interconnexion et sont remplies d'un matériau alvéolaire de type nid
d'abeille 20.
La paroi 18B comporte des conformations 25 ¨ dites externes - de
contrôle d'énergie, notamment des concavités de renfort formées au sein
des deux enveloppes 19.
Un insert 26 cylindrique d'axe 26A (parallèle à Z) comportant une
tête 26B tronconique est logé à la base 21A du profilé 21 d'axe 21B, pour
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provoquer une dégradation du matériau du profilé 21 entourant l'insert lors
d'un choc selon la direction Z.
Le profilé 21 et l'insert 26 s'étendent sensiblement suivant la
direction Z d'absorption d'énergie en cas de crash ; l'insert permet dans ce
cas, par dégradation partielle au moins du profilé 21, de diminuer la
résistance du profilé aux efforts selon Z et la rendre voisine de celle des
parois 18, 18E, favorisant ainsi une contribution équilibrée des
constituants de la structure à l'absorption de l'énergie du choc.
L'inserr ou 41 Cl011 favorise en cas de choc un déchirement,
éclatement, ou délaminage, du matériau du profilé 21, par forage d'un
canal à l'intérieur de la base au moins de ce profilé.
L'insert 26 permet ainsi de créer une amorce de rupture par
éclatement de la partie de liaison ou assemblage qui l'entoure au scin du
profilé 21 qui sert d'organe de raccordement entre les parois 18 et 18E.
Un tel profilé ou croisillon 21 peut par exemple 'être obtenu par
enroulement de fibres et/ou placement de tissu autour d'un noyau.
En situation normale, les lames du croisillon 21 assurent la
continuité structurale entre les parois 18 et 18B, et l'insert 26 n'a aucune
fonction.
En cas de crash, la rigidité (selon l'axe Z) du croisillon et de la
liaison à laquelle il coopère est nuisible à l'absorption d'énergie. Grâce à
la
présence de l'insert de délaminage, le croisillon est dans ces conditions
dégradé ou partiellement détruit, autorisant le cas échéant la séparation des
éléments de structure (cadre ou poutre notamment) qu'il reliait, ces
éléments pouvant ainsi contribuer à l'absorption de l'énergie du crash.
L'assemblage des deux parois ,18 et 183 (figures 3 et 4) est effectué
lors de la fabrication du constituant de la structure 2 qui intègre ces
parois,
au moulage. Cette fabrication peut comporter les étapes principales
suivantes.
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La paroi 18B s'étend le long d'un premier plan (Y, Z), tandis que la
paroi 18 s'étend le long d'un second plan (X, Z) perpendiculaire au premier
plan. Chaque paroi comporte les conformations 25 d'absorption d'énergie
ainsi qu'un remplissage 20, 23 en nid d'abeille.
5 Pour
l'assemblage de ces parois, on utilise un moule à coques
multiples délimitant une cavité intérieure.
Une coque est recouverte de couches ou nappes de fibres, le cas
échéant pré imprégnées. Les remplissages en nid d'abeille et le croisillon 21
d'interconnexion équipé de l'insert 26 de délaminage, sont ensuite placés
10 dans le
moule, une laine (21C figure 4) du profilé 21 étant engagée dans
une fente prévue dans le remplissage 23 de la paroi 18. Le croisillon 21
apporte une rigidité additionnelle à la structure 2 à fabriquer.
Des couches supplémentaires sont empilées, et de la résine
d'imprégnation est adjointe et/ou intégrée aux couches.
Suite à empilement d'une série externe de couches, une contre-coque
pouvant comporter un élément gonflable de confinement, est placée au
dessus de l'ensemble des couches et constituants disposés dans le moule.
Une compression à chaud (par exemple à 1500 kg/mml et 180 C) est
alors opérée. L'ouverture ultérieure du moule par éloignement des coque et
contre-coque permet la libération de la structure 2 où les deux parois 18,
18B sont reliées par le profilé 21.
Une telle intégration limite les risques d'erreur de positionnement
et/ou dc montage lors du regroupement des constituants de la structure 2.
Les parois 18 porteuses de la structure 2 possèdent des moyens anti-
crash déformables plastiquement, notamment sous forme de conformations
contribuant à l'absorption d'énergie contrôlée par flambage localisé.
Ces moyens anti-crash déformables peuvent être calculés pour une
vitesse d'impact de l'appareil 1 de l'ordre de 8 m/s. Dès lors, les forces
d'impact maximales sur la structure 2 en fin de crash, doivent grâce à
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l'intervention de ces moyens anti-crash, participer à la résistance de la
structure 2 afin qu'elle ne se dégrade pas de manière inacceptable. Jusqu'à
une valeur acceptable des forces d'impact de crash, ces forces ne sont pas
transmises à la partie de la structure 2 s'étendant au dessus des poutres, et
leur énergie est absorbée par ces moyens anti-crash notamment.
Afin d'initier en cas de crash la rupture de la paroi 18, celle-ci est
équipée de conformations ou zones 45 (figure 3) d'affaiblissement sous
forme d'arrêts de couches composite au sein des enveloppes 19 de la paroi
18.
Par ailleurs, afin d'empêcher en cas de crash la déflexion latérale de
la paroi 18B, une telle déflexion risquant de perturber l'écrasement vertical
de la paroi et donc le processus d'absorption d'énergie, la paroi peut être
équipée de conformations 25 dont le rôle est de renforcer la paroi 18B en
flexion latérale.
Ces zones 25 concaves sont généralement étendues suivant la
direction d'élévation Z, et dessinent des gorges oblongues parallèles et
régulièrement espacées suivant la direction transversale Y.
A l'emplacement de ces conformations 25, la paroi 18 présente une
épaisseur réduite. Un guidage de la propagation du flambage de la paroi 18
selon la direction Z peut être obtenu grice a ce réseau de gorges.
=
