TITRE : SONDE AERONAUTIQUE

La présente invention concerne une sonde aéronautique notamment pour un aéronef.

Ces sondes sont des objets protubérants, souvent oblongs, et qui sont plongés dans un écoulement.

On trouvera un exemple de sonde de cette nature dans le document US 10,416,188.

Une sonde fait partie d’un système d’instruments de mesure des conditions de vol, à savoir vitesse, altitude, incidence, température, etc.

On peut en effet utiliser des systèmes constitués : de sondes monofonction différentes (sondes AOA à élément mobile, plus sondes de pression totale, plus sondes de pression statique, plus sondes de température). Un tel système comprend alors habituellement une sonde de Pitot une ou plusieurs prises de pression statique, des sondes d’incidence, ainsi que des instruments qui leur sont reliés tels qu’un anémomètre, un altimètre et un variomètre. Le système de mesure de pression statique sert à mesurer les éléments dont dépendent les forces qui agissent sur l’aéronef, comme la densité, la pression et la viscosité du fluide dans lequel évolue cet aéronef. Chaque sonde de pression (statique ou totale) requiert un capteur de pression pour fonctionner. La sonde d’incidence requiert un capteur angulaire de sondes multifonctions fixes ou mobiles chacune sensible à tous les paramètres de l’écoulement (pression totale, pression statique et incidence par exemple) qui peuvent avantageusement remplacer les sondes de pression statique, de pression totale et d’incidence. Ou encore, d’un réseau de nombreuses sondes de pression statique par exemple, qui mesurent chacune la pression en un point précis du fuselage de l’aéronef. Ce système permet alors de reconstruire le champ de pression autour de l’aéronef qui en est équipé, et d’en déduire les conditions de vol par traitement informatique.

Les sondes multifonctions présentent l’intérêt de pouvoir mesurer au moins trois éléments des conditions de vol, à savoir le plus souvent la pression totale, la pression statique et l’incidence. Parmi les sondes multifonctions, les sondes multifonctions fixes présentent l’avantage de ne pas posséder de partie mobile, contrairement aux sondes multifonctions mobiles.

Ces éléments mobiles peuvent être des sources de défaillance voire d’incidents en raison par exemple d’un blocage dû au gel ou à l’intrusion de poussière ou de sable dans le mécanisme de la partie tournante.

Or le blocage de la partie mobile a pour conséquence une perte de l’information d’incidence.

Leur performance en incidence est cependant éprouvée lorsqu’elles ne sont pas bloquées.

Le concept de sondes multifonctions fixes pneumatiques existe depuis plusieurs dizaines d’années, mais leurs performances en incidence sont moins bonnes que celles des sondes multifonctions mobiles, en particulier pour de hautes incidences.

Cependant, elles ne sont pas sensibles au blocage car elles ne possèdent pas de partie mécanique mobile.

Le but de l’invention est donc de résoudre ces problèmes en proposant une sonde fiable et précise y compris en incidence notamment pour les hautes incidences.

Ainsi, le problème à résoudre peut être résumé de la façon suivante, à savoir comment assurer à la fois une mesure de pression totale, de pression statique et d’incidence avec une bonne précision et avec un risque minimal de blocage d’éléments mobiles. De façon générale, l’invention porte sur l’amélioration des performances en sensibilité et précision des sondes aéronautiques.

Un exemple de sonde de type Pitot présentant un dispositif de contrôle de l’écoulement à des fins d’amélioration de précision est montré dans le brevet US 10,416,188. La sonde, de type Pitot présente un tube cylindrique monté sur un mat. Le brevet présente différentes formes pour la prise de pression totale permettant de générer une couche limite turbulente le long du tube. Ceci permet en effet d’améliorer la précision de la mesure de pression statique à condition que les prises soient situées sur le tube. Cette solution n’est pas satisfaisante puisqu’elle n’est adaptée qu’à un seul type et une seule géométrie de sonde.

La présente invention a pour objet une sonde aéronautique, caractérisée en ce qu’elle présente une forme générale profilée, munie d’une base de fixation et dont au moins une partie du bord d’attaque comporte des ondulations.

Suivant d’autres caractéristiques de la sonde selon l’invention prises seules ou en combinaison :

- les ondulations sont décrites par une fonction sinusoïdale ; - la fonction sinusoïdale est du type y = A(x) s x est la distance à la pointe amont de la sonde, A(x ) est l’amplitude de l’ondulation, fonction de la corde (C(x) ) et l est la longueur d’onde de l’ondulation de bord d’attaque ;

- la pointe de la sonde opposée à sa base de fixation comporte un tube de pression totale adapté pour être raccordé par un conduit à un capteur de pression totale ;

- chaque côté de la sonde comporte des prises de pression statique ;

- les prises de pression statique sont disposées de façon symétrique de chaque côté de la sonde ;

- les prises de pression statique débouchent de chaque côté de la sonde dans une chambre de pression statique correspondante ; chaque chambre de pression statique est équipée d’un piège à eau ;

- les chambres de pression statique sont raccordées par des conduits correspondants d’une part à des moyens de détermination de pression absolue pour déterminer la pression statique, et d’autre part à des moyens de détermination de pression différentielle pour déterminer l’incidence ;

- les pièges à eau des chambres de pression sont prévus autour des jonctions de celles-ci avec les conduits ;

- elle est réalisée par impression 3D.

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : [Fig. 1] la figure 1 représente une vue de côté d’une sonde selon l’invention ;

[Fig. 2] la figure 2 illustre de façon plus détaillée la réalisation d’un bord d’attaque de cette sonde ;

[Fig. 3] la figure 3 illustre le raccordement des différentes prises d’une sonde selon l’invention ;

[Fig. 4 et 5] les figures 4 et 5 représentent respectivement des vues en coupes longitudinale et verticale d’une ou de plusieurs chambres de pression statique utilisées dans une sonde selon l’invention ;

[Fig. 6] la figure 6 illustre une vue en coupe d’un tube de pression totale entrant dans la constitution d’une sonde selon l’invention ; et

[Fig. 7] la figure 7 illustre une vue analogue à celle de la figure 1 sur laquelle une direction du flux d’air est représentée.

On a en effet illustré sur ces figures et en particulier sur la figure 1 , un exemple de réalisation d’une sonde aéronautique notamment pour aéronef, selon l’invention. Celle-ci est désignée par la référence générale 1 sur cette figure, et fait partie par exemple de la famille des sondes multifonctions fixes pneumatiques.

En fait, cette sonde 1 se présente alors sous la forme par exemple d’un corps profilé mince symétrique, et par exemple sous une forme générale triangulaire.

En particulier, par un profilé « mince », on entend un profilé de faible épaisseur par rapport à sa la longueur. Par exemple, le rapport de l’épaisseur sur la longueur d’un tel profilé est inférieur à 20%, avantageusement inférieur à 10% et dans certains exemples, inférieur à 8%. Avantageusement, ce profilé est en outre de faible cambrure. Dans le cas symétrique, une telle cambrure est nulle.

Bien entendu d’autres formes de réalisation de cette sonde peuvent être envisagées.

Cette sonde 1 est alors munie d’une base de fixation par exemple sur le reste de l’aéronef, cette base étant désignée par la référence générale 2.

À sa pointe opposée à cette base, la sonde comporte un tube de pression totale désigné par la référence générale 3.

Le corps profilé est également muni de plusieurs prises de pression statique désignées par la référence générale 4 sur ces figures.

Celles-ci sont réparties de façon symétrique autour du corps profilé de la sonde 1 et destinées à mesurer la pression statique par la moyenne des pressions perçues et l’incidence par le différentiel de pression perçu.

Comme est également illustré, la sonde selon l’invention comporte un bord d’attaque désigné par la référence générale 5. Comme cela est connu en soi, le bord d’attaque 5 correspond à une partie de la surface la sonde 1 faisant face au flux. Cette partie est plus particulièrement visible sur la figure 7 sur laquelle les flèches désignent la direction du flux d’air incident lorsqu’il rencontre le bord d’attaque 5.

Comme cela est illustré, au moins une partie de ce bord d’attaque 5 comporte des ondulations désignées par la référence générale 6.

En fait, les ondulations 6 sont décrites par une fonction sinusoïdale qui peut être par exemple de type x est la distance à la pointe amont de la sonde,

4(x) est l’amplitude de l’ondulation, fonction de la corde (C(x) ) et l est la longueur d’onde de l’ondulation de bord d’attaque.

Il est à noter que l’amplitude de ces ondulations est maximale au bord d’attaque 5 et elle diminue au fur et à mesure de l’éloignement du bord d’attaque 5 (c’est-à-dire vers la gauche dans l’exemple des figures).

Il est à noter en outre que, comme cela est illustré sur la figure 7, en rencontrant le bord d’attaque 5, le flux d’air change localement la direction pour prendre une orientation qui tend à s’approcher de la direction normale au bord d’attaque 5. Autrement dit, au contact avec le bord d’attaque 5, la direction du flux d’air change localement pour suivre sensiblement les ondulations et donc, la direction normale au bord d’attaque 5. Les ondulations du bord d’attaque 5 sont donc configurées pour diriger le flux d’air incident vers la direction normale au bord d’attaque 5.

La figure 2 représente plus en détail les différents paramètres et les ondulations décrits précédemment.

Ce bord d’attaque ondulé 5 de la sonde 1 sert à prévenir le décollement de couche limite qui apparaît lorsqu’un profilé mince est placé à certaines incidences dans un écoulement.

Ce décollement de couche limite se manifeste alors par une zone de recirculation autour du profil, accompagnée d’une pression drastiquement plus faible qu’ailleurs sur le profil.

Lorsque l’incidence augmente, la zone de couche limite décollée s’étend, tout comme la zone de très faible pression.

Mais, à l’intérieur des régions décollées, la pression reste quasiment constante en fonction de l’incidence.

Supprimer ce décollement de couche limite avec un bord d’attaque ondulé permet alors de rendre plus symétrique l’évolution des pressions mesurées sur chaque face de la sonde.

Par ailleurs, et comme cela sera décrit plus en détails par la suite, deux chambres de pression statique peuvent être prévues et situées symétriquement de chaque côté de la sonde multifonction fixe proposée.

L’incidence est alors calculée comme le différentiel des pressions mesurées et la pression statique comme leur moyenne.

Avoir une évolution des pressions mesurées de chaque côté de la sonde la plus symétrique possible, permet d’obtenir une pression statique la plus stable possible en fonction de l’incidence et une incidence mesurée variant de manière monotone et sans point d’inflexion, c’est-à-dire sans rupture de pente, avec l’incidence vraie.

Bien entendu, des ondulations de bord d’attaque de cette nature peuvent également trouver leur place sur le mât d’une sonde multifonction du type L ou de la même manière sur celui d’une sonde de type PITOT statique.

Dans ce cas, les prises de pression statique doivent se situer sur le mât pour bénéficier de l’effet retardateur de décollement apporté par les ondulations du bord d’attaque. Par ailleurs, les ondulations décrites peuvent également trouver leur place sur l’élément tournant d’une sonde d’incidence ou de dérapage (AOA ou SSA).

En harmonisant les pressions sur les faces de cet élément tournant, elles permettent de mieux le stabiliser.

Ainsi, elles améliorent alors la précision des sondes de mesure d’angle à élément tournant.

Comme cela a été indiqué précédemment, dans la sonde selon l’invention différents tube et prises sont raccordés à des capteurs.

On a illustré sur la figure 3, un exemple de raccordement de ces différents tubes et capteurs.

En fait, et comme cela est illustré, le tube de pression totale désigné par la référence générale 3, est adapté pour être raccordé par un conduit 7, à un capteur de pression totale.

Ce conduit 7 traverse alors le profilé jusqu’à en sortir en 8 pour atteindre le capteur.

Les prises de pression statique 4 débouchent quant à elles de chaque côté du profilé de la sonde, dans une chambre de pression statique, par exemple 9 et 10. Chacune de ces chambres de pression statique débouche alors dans un conduit correspondant de raccordement de celles-ci.

Ces conduits de raccordement sont désignés par les références 11 et 12 respectivement et ceux-ci débouchent également en 8 pour sortir de la sonde.

Ainsi, ces prises peuvent être raccordées à des moyens de détermination de pression absolue pour déterminer la pression statique, et à des moyens de détermination de pression différentielle pour déterminer l’incidence.

À cet effet, on peut par exemple utiliser un capteur de pression absolue ou un capteur de pression différentielle, ou des capteurs de pression simple raccordés à des moyens de traitement des informations de sortie de ceux-ci pour obtenir cette pression différentielle.

Comme illustré sur la figure 4, les prises de pression statique 4 qui peuvent présenter un diamètre de l’ordre du millimètre, débouchent dans l’une des chambres de pression statique 9 et 10.

Ces chambres sont de mêmes dimensions et sont situées symétriquement de part et d’autre du profilé de la sonde.

Elles sont de géométrie symétrique pour ne pas introduire de facteurs supplémentaires au différentiel de pression obtenu lors de la mise en incidence de la sonde.

On a représenté de façon plus détaillée sur la figure 5 une coupe d’une chambre de pression statique, comme par exemple la chambre désignée par la référence générale 9. Les prises de pression statique 4 débouchent donc dans cette chambre de pression 9.

La forme de la chambre est allongée en un coin pour pouvoir être fabriquée par exemple par une fabrication additive c’est-à-dire par impression 3D métallique.

Chacune des chambres de pression est équipée d’un piège à eau, désigné par la référence générale 13 sur cette figure 5 pour la chambre 9.

Ce piège à eau est prévu par exemple autour des jonctions de ces chambres, avec des conduits correspondants et en particulier de la chambre 9 avec le conduit 11 comme cela est illustré.

Il en est de même pour la chambre 10 avec le conduit 12

En fait, ces pièges sont formés par une portion en forme de collerette dont le but est de capturer d’éventuelles gouttes d’eau ou autres, qui entreraient dans la chambre. Ces gouttes sont ensuite évacuées ou éliminées par exemple par évaporation à l’aide d’un système de réchauffage.

En raison de sa géométrie particulière et à cause des ondulations sinusoïdales relativement complexes à réaliser par usinage, on recommande d’utiliser un procédé de fabrication par impression 3D métallique, c’est-à-dire par fabrication additive, de cette sonde, comme indiqué précédemment.

C’est pourquoi, et comme cela est illustré, la section interne des tubes ou des conduits de raccordement par exemple de pression statique et totale, peuvent être en forme de goutte d’eau comme cela est illustré sur la figure 6 pour le conduit 7.

Ainsi, la sonde selon l’invention permet de mesurer l’incidence, la pression statique et la pression totale sans partie mobile tournante.

Les ondulations de bord d’attaque permettent d’éviter les décollements de couche limite, ce qui symétrise la répartition de pression autour de la sonde.

En effet, les sondes aéronautiques sont généralement équipées de systèmes antigivrage. Ces systèmes consistent la plupart du temps en un élément thermo-résistif. La chaleur dégagée par effet Joule permet de chauffer la sonde et empêche les gouttelettes d'eau surfondue ou les cristaux de s'y accréter. Si du givre venait à s'accréter sur le bord d'attaque ondulé, alors son efficacité serait grandement impactée. La couche limite décollerait et la pression statique mesurée serait erronée. La forme sinusoïdale des ondulations permet de limiter la possibilité d'accrétion comparativement à des formes crénelées à dérivée discontinue. Ceci permet de limiter la puissance de réchauffage nécessaire de la part du système antigivrage et d'assurer plus facilement le bon fonctionnement du dispositif en conditions givrantes. Ceci a pour effet d’avoir une augmentation plus monotone de la mesure d’incidence par rapport à l’incidence vraie de l’aéronef, surtout aux plus hautes incidences.

L’utilisation des mêmes prises de pression à destination du calcul de l’incidence et de la pression statique permet de proposer une architecture simplifiée de l’intérieur de la sonde multifonction fixe.

Bien entendu, d’autres modes de réalisation et d’autres formes et types de sondes encore (multifonctions, AOA-SSA, TAT...) peuvent être envisagés.