STRUCTURE D'AÉRONEF

Domaine de l'invention

L'invention concerne un dispositif d'absorption d'énergie passif pour élément de structure d'aéronef, tel qu'une pale, une aube ou tout autre élément d'hélice, de voilure ou de fuselage d'un aéronef. Ce dispositif d'absorption d'énergie est prévu pour être intégré dans un élément de structure d'aéronef afin de limiter le risque de détachement partiel ou de fragmentation de l'élément de structure en cas d'impact et, ainsi, réduire la vulnérabilité de cet élément de structure à la menace d'impact durant le vol de l'aéronef.

L'invention concerne aussi un élément de structure tournant d'aéronef comportant un tel dispositif d'absorption d'énergie cinétique. Elle concerne en outre un procédé d'intégration de ce dispositif d'absorption d'énergie cinétique.

L'invention trouve des applications dans le domaine de l'aéronautique et, notamment, dans le domaine des aéronefs à motorisation arrière. Elle trouve, en particulier, des applications dans le domaine de la fabrication des turbopropulseurs et des rotors d'hélicoptères ainsi que dans le domaine de la fabrication des aubes en composites. L'invention peut également trouver des applications dans la réalisation des zones de bord d'attaque des voilures fixes d'avion ou de fuselage arrière.

Etat de la technique

Il est connu, dans le domaine de l'aéronautique, que les éléments de structure tournants et les éléments de voilure sont soumis à un risque élevé d'impacts d'oiseaux, de grêle, de blocs de glace, de cailloux ou encore de morceaux de pneu ou autre débris durs rencontrés par l'aéronef en vol, à l'atterrissage ou au décollage.

Les éléments tournants associés au moteur ou à la voilure mobile d'un aéronef, par exemple les hélices ou éléments d'hélices comme les aubes et les pales d'aéronef, sont particulièrement exposés au contact dynamique généré par les oiseaux ou autres débris rencontrés par l'aéronef. En particulier, les pales en matériaux composites de certains moteurs sont particulièrement vulnérables. Or, ces impacts sont très énergétiques car la vitesse de l'impact peut atteindre 100m/s. Ils peuvent donc s'avérer particulièrement vulnérables pour les éléments de structure tournants et, dans des cas extrêmes, entraîner le crash de l'aéronef.

Dans le cas des moteurs d'aéronef à hélices contrarotatives à motorisation arrière, les moteurs sont généralement situés à proximité du fuselage. Comme ce type de moteur n'est généralement pas caréné, un impact sur les éléments tournants du moteur peut générer le détachement d'un élément du moteur ou d'une partie de cet élément de moteur, avec toutes les conséquences que cela induit pour le vol de l'aéronef. Il existe donc, lors d'un impact, un fort risque de détachement partiel ou complet d'un élément tournant du moteur et de conséquences en chaîne avec le ré-impact de cet élément détaché sur un autre élément tournant du moteur ou d'un moteur opposé, la vitesse d'impact sur un élément de fuselage arrière étant alors estimée à 300m/s.

Les constructeurs aéronautiques cherchent donc à minimiser au mieux une perte partielle ou totale des éléments tournants des moteurs en cas d'impact en créant des éléments de structure tournants aptes à résister à ces impacts.

Exposé de l'invention

L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des techniques exposées précédemment. A cette fin, l'invention propose un dispositif d'absorption d'énergie pour élément de structure d'aéronef, tels qu'une voilure fixe d'avion ou des pales, des aubes ou tout autre élément tournant de moteur d'avion ou d'hélicoptère, permettant de réduire la menace liée à l'impact d'oiseaux ou de débris durs.

Pour cela, l'invention propose d'intégrer, dans les éléments de structure, un dispositif permettant d'absorber, de façon passive, l'énergie cinétique générée par l'impact afin d'éviter la fragmentation de cet élément de structure. Ce dispositif d'absorption d'énergie comporte une enveloppe externe réalisée dans un matériau composite tressé résistant à la fragmentation et un cœur en mousse intégrant des éléments de renfort en fibres sèches aptes à dissiper l'énergie cinétique générée par l'impact. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif d'absorption d'énergie cinétique pour élément de structure d'aéronef susceptible d'être soumis à un impact dynamique, caractérisé en ce qu'il comporte :

- une enveloppe externe en matériau composite tressé apte à conserver, après impact, une intégrité,

- un cœur en mousse, contenu dans l'enveloppe externe et apte à remplir au moins partiellement ladite enveloppe externe, ledit cœur en mousse étant apte à absorber au moins partiellement l'énergie cinétique générée par l'impact, et

- des éléments de renfort comportant au moins une préforme en fibres composites sèches intégrée dans le cœur en mousse pour dissiper, en association avec le cœur en mousse, l'énergie cinétique générée par l'impact.

Le dispositif d'absorption d'énergie cinétique de l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- la préforme en fibres composites sèches forme un textile (appelé aussi tissu) entourant une partie du cœur en mousse.

- les éléments de renfort comportent plusieurs préformes en fibres composites sèches formant chacune un textile apte à entourer une partie du cœur en mousse de façon à cloisonner ledit cœur en mousse.

- les fibres sèches sont en carbone, en aramide et/ou en PBO ou autre.

- l'enveloppe externe comporte une pluralité de plis de mèches imprégnées, tressées avec au moins deux fibres sèches.

- les éléments de renfort comprennent des fils insérés par piquage dans le cœur en mousse.

- les fils sont imprégnés d'une résine durcissante.

L'invention concerne également un élément de structure tournant d'aéronef, comportant un bord d'attaque et un bord de fuite, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'absorption d'énergie cinétique tel que décrit précédemment, situé dans une zone du bord d'attaque.

De plus, l'invention concerne un procédé d'intégration d'un dispositif d'absorption d'énergie cinétique tel que décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes :

a) fabriquer un bloc de mousse, b) placer une préforme en fibres composites sèches autour du bloc de mousse,

c) disposer une couche complémentaire de mousse autour du bloc de mousse et de la préforme en fibres composites sèches pour former un cœur en mousse, et

d) installation de l'enveloppe externe autour du cœur en mousse obtenu à l'étape c).

Les étapes b) à c) peuvent être répétées en plaçant d'autres préformes en fibres composites sèches autour du cœur en mousse obtenu à l'étape c).

Le procédé peut comporter une opération de piquage des fils dans le cœur en mousse obtenu à l'étape c), cette opération étant effectuée avant l'étape d) d'insertion du cœur en mousse dans l'enveloppe externe. Brève description des dessins

La figure 1 représente une vue en coupe d'un exemple d'élément de structure tournant d'aéronef muni du dispositif d'absorption d'énergie de l'invention.

Les figures 2A et 2B représentent le dispositif d'absorption d'énergie de l'invention avec ses préformes en fibres composites sèches intégrée dans le cœur en mousse.

Les figures 3A et 3B représentent le dispositif d'absorption d'énergie de l'invention avec deux couches de préformes en fibres composites sèches intégrées dans le cœur en mousse.

La figure 4 représente une variante du dispositif d'absorption d'énergie des figures 3A et 3B.

Description détaillée de modes de réalisation de l'invention

L'invention propose un dispositif d'absorption d'énergie cinétique de type passif, destiné à être intégré dans une voilure fixe d'avion, dans un élément de fuselage (exemple fuselage arrière) ou dans une pale, une aube ou tout autre élément de structure tournant d'avion ou d'hélicoptère. Qu'il soit fixe ou tournant, l'élément dans lequel le dispositif d'absorption d'énergie cinétique est intégré sera appelé, par la suite, élément de structure. Cet élément de structure est destiné, d'une part, à absorber ou dissiper l'énergie cinétique générée par un impact et, d'autre part, à empêcher la fragmentation ou la dislocation de cet élément de structure afin qu'il conserve son intégrité même en cas d'impact.

Un exemple d'élément de structure pouvant accueillir le dispositif d'absorption d'énergie cinétique de l'invention est représenté sur la figure 1 . Cette figure 1 montre l'exemple d'une pale selon une vue en coupe. Cette pale 10 a une forme de section oblongue avec, à l'avant, un bord d'attaque 1 1 et, à l'arrière, un bord de fuite 12 opposé au bord d'attaque.

Cette pale 10 comporte une enveloppe de pale 15 à l'intérieur de laquelle est logé un corps de pale 13. L'enveloppe de pale 15 contient également le dispositif d'absorption d'énergie cinétique 20 de l'invention. Ce dispositif d'absorption d'énergie cinétique 20 est placé dans la zone du bord d'attaque 1 1 ou dans tout autre corps de la pale comme par exemple le corps de pale 13. En effet, lors d'un impact, c'est la zone du bord d'attaque 1 1 , situé en extérieur de l'hélice, qui reçoit l'impact en premier. C'est donc cette zone 1 1 qui doit être capable d'absorber l'énergie cinétique générée par l'impact.

Pour assurer une unité entre le corps de pale 13 et le dispositif d'absorption d'énergie cinétique 20, une interface dispositif/corps de pale 14 est logée entre le dispositif d'absorption d'énergie cinétique 20 et le corps de pale 14 et assure l'accolement du dispositif d'absorption d'énergie cinétique avec le corps de pale à l'intérieur de l'enveloppe de pale 15.

Il est à noter que la figure 1 représente un exemple de pale. Toutefois, tout élément de structure est constitué de façon similaire d'une enveloppe d'élément, d'un corps d'élément, d'une interface et du dispositif d'absorption d'énergie cinétique de l'invention. Ainsi, quel que soit l'élément de structure considéré (pale, aube, voilure fixe, fuselage, etc.) ce dernier comporte un bord d'attaque dans lequel est logé le dispositif d'absorption d'énergie cinétique de l'invention.

Selon l'invention, le dispositif d'absorption d'énergie cinétique comprend un cœur en mousse ainsi que des éléments de renfort, logés dans une enveloppe externe. Cette enveloppe externe du dispositif d'absorption d'énergie cinétique peut s'interfacer avec l'enveloppe de pale 15. L'enveloppe externe entoure alors à la fois le cœur en mousse, les éléments de renfort et le corps de pale 13. Dans ce cas, la totalité de l'enveloppe de pale 15 est réalisée de façon identique pour s'interfacer à l'enveloppe externe telle qu'elle sera décrite ultérieurement.

Un exemple de ce dispositif d'absorption d'énergie cinétique est représenté sur les figures 2A et 2B.

La figure 2A représente une vue en perspective partiellement éclatée d'un dispositif d'absorption d'énergie cinétique selon l'invention. La figure 2B représente une vue en coupe de ce même dispositif d'absorption d'énergie cinétique. Ces figures 2A et 2B montrent le dispositif d'absorption d'énergie cinétique de l'invention selon un premier mode de réalisation des éléments de renfort.

Le dispositif d'absorption d'énergie cinétique 20 de l'invention comporte une enveloppe externe 21 dont le rôle est de conserver au mieux l'intégrité de la forme de l'élément de structure après un impact. Cette enveloppe externe 21 , qui sera décrite ultérieurement, est remplie par un cœur en mousse 22 dont le rôle est, d'une part, de rigidifier l'enveloppe externe 21 et, d'autre part, d'absorber au moins une partie de l'énergie cinétique générée par l'impact.

Ce cœur de mousse 22 comporte en son sein des éléments de renfort 30 qui permettent de dissiper l'énergie cinétique qui provient de l'impact et qui n'a pas été absorbée par le cœur en mousse 22. Cette dissipation de l'énergie cinétique par les éléments de renfort 30 est obtenue par le frottement des fibres sèches dans le cœur en mousse.

Le dispositif d'absorption d'énergie cinétique, avec son enveloppe externe 21 , son cœur en mousse 22 et ses éléments de renfort 30, est destiné à être intégré sur un produit industriel tel qu'une pale ou tout autre élément de structure. Le dispositif d'absorption d'énergie cinétique de l'invention doit donc être apte à s'interfacer avec le produit industriel pour permettre une intégrité de ce produit. Aussi, l'enveloppe externe 21 du dispositif d'absorption d'énergie cinétique contient le cœur en mousse 22 et les éléments de renfort 30 de l'invention mais il peut également contenir d'autres éléments faisant parti du produit industriel.

L'enveloppe externe 21 du dispositif d'absorption d'énergie cinétique de l'invention forme une sorte de housse qui entoure et retient le cœur en mousse 22 et les éléments de renfort 30. L'ensemble est apte à dissiper l'énergie cinétique provenant de l'impact avec une fragmentation contenue ce qui permet d'éviter tout risque de générer des impacts en chaîne. Pour cela, l'enveloppe externe 21 doit pouvoir atteindre un fort niveau de déformation au moment de l'impact sans perdre son intégrité. Elle doit donc avoir un comportement en déformation. Selon l'invention, l'enveloppe externe 21 est réalisée au moyen de matériaux composites tressés. Autrement dit, l'enveloppe externe 21 constitue une tresse de fibres composites. Cette tresse comporte une pluralité de mèches imprégnées à base de renfort fibreux pour assurer l'interfaçage avec le corps de pale ou de tout élément de structure. Elle peut comporter, en particulier, 2 à 4 plis de mèches imprégnées. La tresse comporte également des couches des mèches tressées et imprégnées. Dans ce cas, la tresse est une tresse 2D, c'est-à-dire en deux dimensions.

La tresse composite peut également être une tresse 3D, c'est-à-dire en trois dimensions. Dans ce cas, la tresse composite comporte, en plus de la tresse 2D, un renfort dans l'épaisseur. Le maillage de la tresse est alors plus dense et participe à l'absorption d'énergie.

Quel que soit le type de tresse, 2D ou 3D, les fibres constitutives de cette tresse peuvent être soit du carbone, soit de l'aramide, soit de la mèche d'aramide tressée avec du carbone, ou encore de la fibre PBO (poly- phénylène-2,6-benzobisoxazole) ou autre. La fibre carbone a l'avantage d'être rigide et de se rompre facilement, offrant une dissipation par rupture même lorsque la fibre carbone est dans l'enveloppe externe. Une tresse en fibres permet également une dissipation d'énergie par frottement des fibres entre elles.

L'aramide a l'avantage d'être un matériau plus souple qui se déforme.

Les fibres en aramide se déforment. Une tresse en aramide a donc l'avantage d'accompagner la déformation du cœur en mousse et permet également une dissipation de l'énergie par frottement.

On comprend donc que tresser des fibres de carbone avec des fibres en aramide peut apporter l'avantage d'une dissipation par rupture associée à une dissipation par frottement ou à une déformation du produit. Autrement dit, dans une configuration avec de l'aramide, l'aramide apportera l'aptitude à la déformation et garantit le maintien du dispositif pendant l'impact. Dans la configuration d'une enveloppe hybride carbone-aramide, le carbone contribue à réduire la profondeur d'impact ainsi qu'à dissiper de l'énergie cinétique dans la rupture des fibres.

Le cœur en mousse de l'élément de structure de l'invention est constitué d'une mousse pouvant avoir plusieurs degrés de densité. Quelle que soit sa densité, la mousse a pour objectif de remplir au moins partiellement l'enveloppe externe et de lui apporter de la raideur. Elle permet également de maintenir les éléments de renfort 30 en place.

La densité de la mousse peut varier entre 50Kg/m3 et 200Kg/m3.Une mousse de densité plus élevée a l'avantage d'absorber une plus grande quantité d'énergie cinétique. Une mousse de plus faible densité a l'avantage d'alléger l'ensemble du dispositif d'absorption d'énergie cinétique ce qui correspond à un critère constant en aéronautique de diminution de la masse totale de l'aéronef. En outre, une mousse de plus faible densité a l'avantage de pouvoir être injectée, ce qui permet une mise en place plus aisée des éléments de renfort. Quelle que soit sa densité, la mousse garantit la stabilité du dispositif d'absorption d'énergie cinétique pendant le fonctionnement.

Cette mousse peut avoir une forme creuse ou non. Autrement dit, le cœur en mousse peut comporter un centre creux. La mousse ne constitue alors qu'une interface avec l'enveloppe externe pour donner la rigidité à l'enveloppe.

Le cœur en mousse 22 est muni d'éléments de renfort 30 qui permettent de dissiper l'énergie cinétique provenant de l'impact. Selon l'invention, ces éléments de renfort 30 comportent au moins une préforme en fibres composites sèches intégrée dans le cœur en mousse. Cette préforme en fibres composites sèches a une forme de textile ou tissu, ajouré ou non, formant une sorte de filet autour d'une portion du cœur en mousse, appelée bloc de mousse.

Il est connu, dans le domaine de l'aéronautique, de ne pas utiliser de fibres composites sèches dans la fabrication des aéronefs car les fibres composites sèches n'ont pas de tenue, c'est-à-dire qu'elles ne restent pas en position sans liant entre elles. Des fibres composites pré imprégnées sont généralement utilisées. Toutefois, dans l'invention, il a été constaté que des fibres composites sèches pouvaient être encapsulées, c'est-à-dire intégrées au sein d'un cœur en mousse (pour un besoin plus spécifique, la mousse peut être remplacée par un matériau élastomérique à fort pouvoir amortissant), et modifier le comportement de l'ensemble constitué avec le cœur en mousse. En effet, sous l'effet d'un impact, les fibres composites sèches encapsulées produisent, à l'intérieur du cœur en mousse, un frottement apte à absorber au moins une partie de l'énergie cinétique générée par l'impact. Ces fibres composites sèches permettent ainsi une absorption d'énergie par frottement qui ne pourrait être obtenue avec des fibres composites imprégnées.

Selon l'invention, la préforme en fibres composites sèches est placée autour d'un bloc de mousse et l'ensemble constitué du bloc de mousse et de la préforme en fibres composites sèches est intégré dans un moule avec une portion complémentaire de mousse. La préforme de fibres composites sèches se trouve ainsi encapsulée dans le cœur en mousse. Les figures 2A et 2B montrent un dispositif d'absorption d'énergie cinétique 20 avec une préforme en fibres composites sèches 30 encapsulée dans le cœur en mousse 22. Ces figures montrent notamment le bloc de mousse 22c entouré de la préforme en fibres composites sèches 30, elle-même entourée d'une couche de mousse 22a. L'ensemble du cœur en mousse 22 (constitué du bloc de mousse 22c et de la couche de mousse 22a) et de la préforme en fibres composites sèches 30 est entouré de l'enveloppe externe 21 pour former le dispositif d'absorption d'énergie cinétique 20.

Dans un mode de réalisation de l'invention, plusieurs préformes sont encapsulées dans un même cœur en mousse. Une illustration de ce mode de réalisation est représentée sur les figures 3A et 3B. Comme on le voit sur ces figures, plusieurs préformes en fibres composites sèches 30a, 30b sont insérées au sein du même cœur en mousse 22. Dans ce mode de réalisation, une première préforme en fibres composites sèches 30b entoure un bloc de mousse 22c. Une première couche de mousse 22b entoure la première préforme 30b et le bloc de mousse 22c. Une deuxième préforme en fibres composites sèches 30a entoure cette deuxième couche de mousse 22b. Une troisième couche de mousse 22a entoure l'ensemble constitué de la deuxième préforme en fibres composites sèches 30b, de la deuxième couche de mousse 22b, de la première préforme en fibres composites sèches 30b et du bloc de mousse 22c, le tout étant finalement entouré de l'enveloppe externe 21 . On comprend de ces figures 2A, 2B, 3A et 3B que le dispositif d'absorption d'énergie cinétique de l'invention peut être fabriqué de la façon suivante :

a) fabrication d'un bloc de mousse,

b) installation d'une préforme en fibres composites sèches autour dudit bloc de mousse,

c) intégration d'une couche complémentaire de mousse autour du bloc de mousse entouré de la préforme en fibres composites sèches pour former le cœur en mousse, et

d) installation de l'enveloppe externe autour du cœur en mousse avec sa préforme en fibres composites sèches.

Lorsque plusieurs préformes en fibres composites sèches sont encapsulées dans le cœur en mousse, alors les étapes b) à c) sont répétées en plaçant une deuxième préforme en fibres composites sèches autour du cœur en mousse obtenu à l'étape c). Il est à noter que plusieurs préformes en fibres composites sèches peuvent être encapsulées dans le cœur en mousse en installant des préformes en fibres composites sèches et en intégrant des couches de mousse successivement. Les différentes préformes en fibres composites sèches sont alors parallèles les unes par rapport aux autres dans le cœur en mousse.

Dans une variante de l'invention, les éléments de renfort 30 décrits précédemment peuvent être complétés par des fils de renfort 31 piqués à travers le cœur en mousse. Un exemple d'un cœur en mousse 22 avec une préforme en fibres composites sèches 30 et des fils de renfort 31 est représenté sur la figure 4. Ces fils de renfort 31 sont des fils en carbone, continus ou discontinus, relativement souples, piqués à des intervalles réguliers ou à des intervalles irréguliers dans le cœur en mousse. Ces fils 31 en carbone sont imprégnés d'une résine durcissante. Ainsi, lors d'un impact, ces fils de renfort 31 sont aptes à dissiper, par rupture, une partie de l'énergie cinétique générée par l'impact.

On comprendra qu'un fil a une tension différente s'il est continu ou s'il est discontinu. Dans le cas d'un fil continu, l'endommagement se produit par rupture du fil. . Dans le cas de fils discontinus, l'endommagement peut se produire soit par glissement du fil dans la mousse soit par rupture. Mais quels que soient leurs points de rupture, chaque rupture de fils 31 dissipe une partie de l'énergie cinétique.

Ces fils de renfort 31 peuvent être piqués parallèles dans le cœur de mousse, dirigés longitudinalement par rapport au bord d'attaque 1 1 . Ils peuvent aussi être piqués suivant deux directions perpendiculaires ou autre de façon à former un quadrillage, comme montré sur la figure 4. Dans ce cas, leur rupture permet une dissipation de l'énergie cinétique suivant plusieurs incidences.

Pour fabriquer un dispositif d'absorption d'énergie cinétique conforme à cette variante, le procédé de fabrication doit comporter une opération supplémentaire, entre l'étape c) et l'étape d), de piquage des fils dans le cœur en mousse.

Tous les modes de réalisation et variantes décrits précédemment permettent un mécanisme de déclenchement progressif de la dissipation de l'énergie cinétique. De cette façon, le cœur en mousse se détruit plus ou moins en fonction de l'énergie cinétique développée lors de l'impact.