CA2575332A1 - Structure composite amelioree pour aeronef - Google Patents

Abstract

Une structure (2) d'aéronef (1) comporte des parois transversales (3- 8) reliées à des parois longitudinales (9-12) ; 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 ; la structure comporte une barre (21) de section cruciforme reliant une paroi transversale à une paroi longitudinale.

Description

Structure composite méliorée po r aéronef L'invention visc 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 quc de çerriFi=,tj ~-..,.., notamtnent.

Notammcnt lors d'un impact (crash) de l'appareil avec le sol, les dégâts matériels doivent être limités voire annihilés, notamment à
flroximité de la cabine et de constituants vitaux de l'appareil. En effet, tous dommages humains inacceptables doiverit alors étre évités.

t1 l'heure actuelle, le respect de certaines spécifications est antinomique â l'obtention de fonctions souhaitées pour tel ou tel constituant d'un aéronef, cc qui oblige à des compromis qui ne yont pas toujours acceptables en pratique. Ccci est particulièrement pertincnr pour les appareils à voilure tournante.

I.a recherche d'une capacité accruç d'absnrnri-n de due à
. 1,- ....i~ia. c 1 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 imes minces verticales délimitant un espace rempli d'un matériau déformable (nid d'abeille ou mousse) sur lequel elles adhèrent ; les àmcs 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.

2 Les brevets LiS-4084029, US-4734146 et FR-2817608 sont relatifs à
des poutres comportant une irne 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 car.bone et de tissus d'arainide empilés ; des découpes fornlées sur un bord adjacent à la semelle de chaque nappe de fibres servent d'iniriateur de rupture, de façon i charger et dégrader progressivement la nappc lors de l'application d'un effort de compression apte à provoquer la rupture de 1a poutre.

La prescntc invcntion s'applique en particulier aux giravions dont la structure compte plusieurs cadres tels que ceux décrits dans FR-2632604, ainsi quc 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 compnrtant des panneaux composites verticaux au travers desquels un fil cst cousu selon une densité croissance 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

3 installation de protection d'un réservoir en cas de crash. Le brevct US-6718713 décrit un cirganc préformé avec un canal d'insertion d'une cloison plane. Le document WO-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 amclioréc 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'enrraïnent pas de modifications importantes de l'environnement de la structure de reprise d'efforts (existante ou en conception) ; il convient que la massc embarquée et l'encombrement supplémentaires soient réduirs ou négligeables, et que les cinématiques engendrées (flambage, déplacemenr d'équipement embarqué) ne pénalisent pas le fonctionnement normal de I'appareil : il tyt également souhaitable que les coûts d'installacion et de maintenance soient faibles, et que les moyens mis en oeuvte 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 rrx/c, 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 réeistance de la structure environnante, afin dc ne pas dégrader celle-ci.

Un but de l'invention est de pallier les problèmes et de respecter le plus grand notnbre possible de critères évoqués ci-avant.

A cet effet, selon un aspect de l'invention, il est proposé une structure d'aéronef comportant des parois transversales re~liées à des parois longitudinales. Les parois comportent chacune deux enveloppes en matériau composite disposées de part et d'autre d'un agencernent intermédiaire, La structure comporte en outre une barre de section cruciforme reliant une paroi transversale à une paroi longitudinale.

4 Selon des modes préférés dc réalisation de 1'invention - la structure peut comporter un planchcr, des pardis transversales en forme de cadre, et des parois longitudinales en forrne dc: poutre dont l'nme 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 ctrc itisérée dans une fente forrnée dans une première paroi de la structure, ec 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 étre réalisée dans un matériau composite - la structure peut comporter en outre un insert apte à détériorer la barre lors d'un choc selon l'axe longitudinal de celle-ci - l'insert peut être engagé dans un orifice s'étendant à partir de la base de la barre ;

- l'inserr peut présenter une forme allongée sclUn l'axe longitudinal de la barre, en particulier une formr cylindrique pourvue d'une extrémité poititue et/ou une tête tronconique ;

- au moins unc des parois peut comporter une ime ondulée présentant des ondulations s'étcndant 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 ;

- au moins une des parois peut comporter un affaiblissemenr favorisant l'amorçage d'une dégradation contrôlée de la paroi lors d'uri 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 des affaiblissements peuvent étre 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 ;

S - la barre, une enveloppe, et le cas échéant une âme ondulée d'une paroi, peuvent comporter une ou plusieuts couches de fibres ou tissus de carbone, d'aramide, ou obtenues i partir de poly-paraphénylène téré~hth t mi-; ,- -les fibres ou tissus étant imprégné(e)s d'une résine énnay, et l'agencement inter,.édiaire peut contenir un matériau alvéolaire tel qu'une mou.se synthétiquc ou une structure en nid d'abeille ;

- une paroi de la structure peut cornporter = une âme ondulée comportant des parties aplanies de secteurs de peau à 1'apogéc d'undulations, 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'invtntion.

L'invention permet d'intégrer dans une structure de reprise d'efforts e.ssenriellement en eomposite, des moyens capables d'assurer une ?Q aiivnrntinn rerwe n,p{-+le '7'n~-t...; lors .7' t t=
,- -1 b.e i:;a CraSu, ; âî~â âatérér la r=èiist3üCe 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 confotme à l'invention, représenté de côté avec son extrémité
avant dite nez vers la gauche et son extrémité arricre dite quCue nvers la droite - la figure 2 est une vue en perspective 14 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 structuze selon l'invcntion, 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) à quatre branches;

- la figure 4 est une vue en coupe partielle selon 1V-IV de la structure de la figure 3, qui illu,trc la position d'un insert de délaminage du profilé de section czuciformc.

Dans les dessins, où des éléments identiques ou similaires sont désignés par les mémea numéros de référence, sont représentées trois directions orthogonales les unes aux autres.

Une direction Z dite d'élévation ou verticale, correspond aux hauteur et épaisseur des structures décrites les rermes haut/bas ou inférieur/supérieur s'y réfèrent.

Une autre direction X dite longitudinale ou horizontale, correapond aux longueur ou dimensinn 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 c6té s'y réfèrc.

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 trànsversal (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 anti-couple 16. Cet aéronef 1 est parfois appelé appareil . L'invention peut étre mise en auvre dans d'autres types d'aéroncfy, tant à voilure fixe que plus légers que l'air par exemple.

Sur les figures 1 ou 2, on remarque une structure 2 de rcPrisc 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'efft>rts coinporte, 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 planchcr technique 14 apte à supporter une boïte de transmission principale couplée au rotor 15 principal d'entra?ncment et de sustentation ainsi qu'au rotor arrière 16 ; v) de parois en forme de cloisons, telles que celles repérées 17 et 17B qui servent à l'habillage de la structure 2 et forment des parties latérale et vcntrale du fuselage 2B_ La structure 2 dc reprise d'efforts est de type composite (stratifiée).
Par référence aux figures 3 et 4 noramment, 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.

Ç:.. :e+ figures 3 c: 4, la stâucturé 2 cotiiFioïte deüX paY17iJ 18 et '1SD, 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 rnoulage à chaud, par exemple à urle 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 cornposite en fibres de carbone imprégnées étendues seasiblernent auivant un angle de l'ordre dc 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 45 par rapport à la direction Z; et - une couche intermédiaire en pli de tissu composite en fibres de carbone iinprégnces étenducy sensiblement suivant un angle dc l'ordre de 0 ou 90 par rapport à la direction Z.

D'autres couches peuvent étre prévues dont les fibres sont orientées suivant un angle nul (0 ) par rapport à la direction Z ; dans un tel empilemcnt, on peut distinguer des couches impaires incluant la couche extérieure de l'enveloppe 19 externe dite "premier pli", et des couches paires pouvant inclure une couche intérieure ditc dernier pli .

Certaincs couches de la paroi peuvent comporter des fibreQ agencéey inrérieurement en croix, c'cst-à-dire en sous couches dc fibres s'étendant selon des directions sécantes suivant un angle prédéterminé (90 par exemple), d'une sous couche à l'autre. Ces sous couchea peuvent étre conjointement imprégnées au sein d'un mëme substrat de résixte.

Dans d'autres couches, les fibres sont disposées en nappes à
orientation uniforme, c'est-à-dire sensiblemeat en pasallèlc.

Les parois 18 et 18B illustrées figures 3 et 4 sont assemblées par l'inrermédiaire d'une barre cruciforme - ou profilé ou croisillon - 21 d'interconnexion et sont remplien 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 coneavités 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 â la base 21A du profilé 21 d'axe 21B, pour 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 sensiblemenr quivant la direction Z d'absorptioti d'énergie en cas de crash ; l'insert pcrmet dans ce cas, par dégradation partielle au moins du profilé 21, de diminuer la résistancc du profilé aux efforts selon Z et la rendre voisine de celle des parois 18, 18B, favorisant ainsi une contribution équilibrée des constituants dc la structure à l'absorption dc l'énergie du choc.

L'inserr ou a clou favorise en cas de choc un déchirement, éclatement, ou délaminage, du matériau du profilé 21, par forage d'un canal â l'intétieur 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 lcs parois 18 et 18B.

Un tel profilé ou croisillon 21 peut par exemple étre obtenu par enroulement de fibres et/ou placement de tiysu autour d'un noyau.

En situation nornzale, les lames du croisillon 21 assurcnr la continuité structurale entre le.ti parois 18 et 18B, et l'insurt 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 délarninage, le croisillon est dans ces conditions dégradé ou partiellement dctruit, 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 18B (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 suivantea.

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 parni 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 multiplcs délimitant une cavité intérieure.

Une coque est recouverte de couches ou nappes de fibres, le cas échéant pré imprégnécs. Les remplissages en nid d'abeille et le croisillon 21 d'interconnexion équipé de l'insert 26 de délaminage, aonc ensuite placés 10 dans Ic moule, une laine (21C figure 4) du profilé 21 étant engagée dans une fente prévue dans le remplissage 23 dc la paroi 18. Le croisillon 21 apporte une rigidité additionnelle à la structure 2 à fabriqucr.

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 contrc-coquc pouvant comporter un élément gonflable de confinement, est placée au dessus de l'ensemble des couches et consiituants disposés dans le moule.

Llne compression à chaud (par exemple à 1500 kg/mm'' 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 le, deux parois 18, 18B sont reliées par le profilé 21.

Une telle intégration limite les risques d'erreur de positionnement et/uu 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 déforrnables 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 rnaximales sur la structure 2 en fin de crash, doivent grace à

l'intervention de ces moyens anti-crash, rarticiper à la résistance de la structure 2 afin qu'elle ne se dégrade pas de manière inacceptable. Jusqu'à
üne valeur acceptable des forces d'impact de crash, ces forccs 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 équipcc dc 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'cmpécher en cas de crash la déflexion latérale de la paroi 18B, une telle déflexion risquanr de perturbcr l'écrasement vertical de la paroi et donc le processus d'absorption d'énergie, la paroi peut etre c:yuipée de conformations 25 dont le rôle est de r.enforccr 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 étre obtenu nrâce à ce réscau de onrges_

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Structure (2) d'aéronef (1) comportant des parois transversales (3-8, 18B) reliées à des parois longitudinales (9-12,18), 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, et en ce qu'elle comporte une barre (21) de section cruciforme reliant une paroi transversale à une paroi longitudinale.

2. Structure (2) selon la revendication 1, qui comporte un plancher (13), des parois transversales (3-8) en forme de cadre, et des parois longitudinales (9-12) en forme de poutre dont l'âme s'étend selon une direction (Z) sensiblement verticale, et dans laquelle lesdites parois longitudinales et ladite barre (21) de liaison s'étendent sous Ic plancher.

3. Structure (2) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle une première lame (21C) de la barre est insérée dans une fente formée dans une première paroi (18) de la structure (2), et dans laquelle une seconde lame (21D) de la barre s'étend contre une enveloppe (19) d'une seconde paroi (18B) reliée à la première paroi par ladite barre.

4. Structure (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle ladite barre est réalisée dans un matériau composite.

5. Structure (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, qui comporte en outre un insért(26) apte à détériorer la barre (21) lors d'un choc selon l'axe longitudinal (21B, Z) de celle-ci.

6. Structure (2) selon la revendication 5, dans laquelle l'insert est engagé dans un orifice s'étendant à partir de la base (21A) de la barre.

7. Structure (2) selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, dans laquelle l'insert présente une forme allongée selon l'axe longitudinal (21B, Z) de la barre, en particulier une forme cylindrique, et est pourvu d'une extrémité pointue et/ou une tête tronconique (26B).

8. Structure (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle au moins une des parois comporte une âme (70) 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 scion cette direction est augmentée, et en ce qu'au moins une des parois comporte un affaiblissement (45) favorisant une dégradation contrôlée de la paroi lors d'un tel choc, les deux enveloppes d'une paroi comportant de préférence chacune au moins un affaiblissement. (45) pour favoriser une déformation symétrique de la paroi correspondante lots d'un choc.

9. Structure (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle des affaiblissements (45) sont en forme d'interruption(s) localisée(s) d'une couche d'au moins une enveloppe (19), et dans laquelle des renforts (25) sont en forme de concavité(s) formée(s) dans une enveloppe (19).

Structure (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle la barre (21), une enveloppe (19), et le cas échéant une âme ondulée d'une paroi, comportent une ou plusieurs couches de fibres ou tissus imprégné(e)s d'une résine, et dans laquelle l'agencement (20) intermédiaire contient un matériau alvéolaite

11. Structure (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle une paroi comporte une âme ondulée comportant des parties aplanies de secteurs de peau à l'apogée d'ondulations, pour offrir une surface plane d'assemblage.

12. Aéronef (1) à voilure tournante caractérisé en ce que qu'il comporte une structure (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à
11.