MÉTHODES DE MESURE EN AÉRODYNAMIQUE. Partie 1 Mesure des efforts. Jean-François Bret Jean-Philippe Vieira Direction Réseau Ingénierie Maquettes

Transcription

1 MÉTHODES DE MESURE EN AÉRODYNAMIQUE Partie 1 Mesure des efforts Jean Délery Conseiller émérite à l Onera jean.delery@free.fr Jean-François Bret Jean-Philippe Vieira Direction Réseau Ingénierie Maquettes

2 Méthodes de mesure en aérodynamique Partie 1 Mesures des efforts De Havilland Mosquito

3 Méthodes de mesure en aérodynamique Rappels sur les effort aérodynamiques

4 Efforts aérodynamiques résultante des actions de contact de l'écoulement (pression et frottement) sur le véhicule en mouvement force aérodynamique F F point d'application de ou centre de poussée C problème mouvement de l'avion déterminé par transport de F au centre de gravité G données équivalente force F appliquée (transportée) en G F M connaître F et le point d'application C M moment de par rapport à G ensemble torseur aérodynamique F, M CGF

5 Efforts aérodynamiques Forces et moments du torseur aérodynamique Y tangage moment M moment L lacet force latérale Y O traînée X X moment roulis N por Z tance Z

6 Décomposition des efforts aérodynamiques composantes du moment M M projection de selon l'axe moment de roulis x Mz Efforts aérodynamiques y M M projection de selon l'axe moment de lacet M projection de selon l'axe moment de tangage M X a a Z Y a

7 Décomposition des efforts aérodynamiques le trièdre avion ou maquette système lié à la maquette X m Z Y m m dans le plan de symétrie de l'avion, dirigé vers l'avant dans le plan de symétrie, normal à, orienté vers l'intrados normal au plan de symétrie, orienté vers le côté droit de l'avion X m le trièdre balance système lié à la balance de mesure du torseur X b Z b dans le plan de symétrie de l'avion, dirigé vers l'avant dans le plan de symétrie, normal à, orienté vers l'intrados X b Y b normal au plan de symétrie, orienté vers le côté droit de l'avion l'origine du trièdre balance est un point bien défini de la balance

8 Décomposition des efforts aérodynamiques R matrice de passage d'un trièdre T1 à un autre trièdre T X' Y' Z' T R X Y Z T1 R cos(c)cos(b) sin(c)cos(a) cos(c) sin(b) sin(a) sin(c) sin(a) cos(c) sin(b)cos(a) sin(c)cos(b) cos(c)cos(a) sin(c) sin(b) sin(a) cos(c) sin(a) sin(c) sin(b)cos(a) sinb cos(b) sin(a) cos(b)cos(a) a rotation autour b rotation autour c rotation autour de de de X Y Z

9 Efforts aérodynamiques Composantes trièdre avion ou maquette décomposition de la force selon l'axe vertical Z selon l'axe longitudinal X selon l'axe transversal Y décomposition du moment autour de l'axe vertical Z autour de l'axe horizontal X autour de l'axe transversal Y effort normal effort axial effort latéral moment de lacet moment de roulis moment de tangage F N F A F Y M Z M X M Y

10 Efforts aérodynamiques Cas simplifié : profil bidimensionnel écoulement invariant selon l'envergure supposée infinie bord d'attaque BA extrados V bord de fuite vitesse amont intrados angle d'incidence BF

11 Efforts aérodynamiques Profil bidimensionnel résultante et décomposition des forces aérodynamiques F N point d'application de la force résultante F Z F centre de poussée V F A F X

12 Efforts aérodynamiques Profil bidimensionnel résultante et décomposition des forces aérodynamiques repère lié au profil repère lié à la vitesse amont F N force normale F Z portance F A force axiale F X traînée F Z F N cos F A sin F X F N sin F A cos

13 Moment aérodynamique centre de réduction F N centre de poussée centre de gravité X CG X BA X CP X CR moment/bord d'attaque moment/centre de gravité M M BA CG X M BA BA F N X CG F N moment/centre de poussée M M X F 0 moment/centre de réduction des efforts CP BA CP M CR N M BA X M CP X CR F N BA / F N

14 Efforts aérodynamiques Profil bidimensionnel moment aérodynamique M (positif) M (négatif) moment cabreur moment piqueur

15 Transport du moment aérodynamique moment en P de la force appliquée en O F M M P OP M G F le moment est normal au plan défini par la force F et le vecteur position OP moment transporté au point d'application G M P GP F O P appliquée au centre de gravité trajectoire de l'avion appliqué au centre de gravité équilibrage de l'avion M F

16 Décomposition des efforts aérodynamiques F M appliquée au centre de gravité trajectoire de l'avion appliqué au centre de gravité équilibrage de l'avion G

17 Efforts aérodynamiques Moments aérodynamiques et équilibrage de l'avion portance de l'aile empennage G poids équilibrage moment [aile + empennage] / centre de gravité = 0

18 Efforts aérodynamiques Équilibrage de l'avion portance de l'aile empennage poids centrage arrière centre de poussée de l'aile en avant du centre de gravité l'empennage a une portance positive

19 Efforts aérodynamiques Équilibrage de l'avion portance de l'aile poids empennage centrage avant centre de poussée de l'aile en arrière du centre de gravité l'empennage a une portance négative ou déportance

20 Efforts aérodynamiques Finesse aérodynamique portance F Z V poussée T G traînée F X poids mg forces agissant sur un avion en vol stabilisé

21 Efforts aérodynamiques Finesse aérodynamique z V r F Z T F X mg x trajectoire de l'avion dans un plan vertical forces : poids mg, portance F Z, traînée F X, poussée T

22 Efforts aérodynamiques Finesse aérodynamique équations du mouvement du centre de gravité selon la trajectoire m dv dt T F X mgsin T 1 V SC X mgsin selon la normale m r F Z mgcos 1 V SC Z mgcos vitesse angulaire d dt V r

23 Efforts aérodynamiques Finesse aérodynamique vol rectiligne, à vitesse constante, sans moteur 1 0 FX mgsin V SCX 1 0 FZ mgcos V SCZ mgsin mgcos F X mgsin F Z mgcos

24 Efforts aérodynamiques Finesse aérodynamique cot g F F Z X C C pente faible point d'impact au sol éloigné Z X f C C Z X finesse aérodynamique caractérise la qualité planante de l'aile ou de l'avion planeur de vol à voile 50 - Airbus 0 - Concorde 9 Navette Spatiale à 3

25 Efforts aérodynamiques Finesse aérodynamique définition f F F z pente de la trajectoire en vol plané qualité planante de l'avion x por tance traînée tg 1 f en vol à vitesse constante F z mg poids de l'avion traînée = effort propulsif consommation en carburant finesse poids del'avion consommation charge utile coût d'exploitation finesse efficacité aérodynamique

26 Efforts aérodynamiques Formule de Bréguet consommation en carburant diminution de masse dm C s Tdt Cs consommation spécifique masse de kérosène/newton de poussée/seconde vol à vitesse constante T 1 V SC x mg 1 V SC z dm m g 1 V SC z C s 1 V SC x dx V dm Cs g dx m f V

27 Efforts aérodynamiques Formule de Bréguet distance franchissable L x x 1 am g f C s Log m m 1 importance du groupement fm C s finesse nombre de Mach consommation spécifique Boeing 707 Airbus A340 Concorde Avion de combat C s 0,95 0,65 1,1,5 f ,3 3,5 M 0,75 0,83 fm/c s 1,6 4,3 1,8

28 Méthodes de mesure en aérodynamique Mesure des efforts et moments Vickers Supermarine Spitfire

29 Méthodes de mesure en aérodynamique Mesure des efforts et moments Utilisation d'une balance d'efforts ou balance aérodynamique la balance est soumise à la force et au moment à mesurer elle réalise la décomposition du torseur en ses 6 composantes problème du découplage chaque composante doit être mesurée séparément sans influence des autres composantes Principe général mesure de la déformation d'une lame ou poutre sous l'effet de la composante considérée chaque composante est mesurée par un dynamomètre à jauges de contrainte

30 Déformation et contrainte force F A force F L L taux de déformation contrainte F A relation contrainte - déformation L L exprimée en pascals E E module de Young mesure de

31 Poutre encastrée élongation en traction (+) élongation en compression (-) force F moment X répartition du moment le long de la poutre

32 Composantes de la contrainte contrainte normale y force F x force F contrainte de cisaillement force F t y F n F t n x force F

33 Mesure des contraintes Jauge de déformation (ou de contrainte) L allongement variation de résistance R élément résistant fil ou semi-conducteur variation de résistance R R k L L facteur de jauge k R /R L /L R /R

34 Mesure des contraintes Jauge de contrainte sens de la force mesurée longueur de la jauge longueur totale plots de soudure

35 Théorie du pont de Wheatstone R 1 A R 3 I AC : diagonale de mesure BD : diagonale d alimentation D B I intensité mesurée g g résistance interne de l appareil R 4 C E R E tension d'alimentation relation fondamentale I E g(r 1 R 3 )(R R 4 ) R3R 4 R1R R R (R 1 3 R 4 ) R R 4 (R 1 R 3 )

36 Théorie du pont de Wheatstone R 1 R j I intensité mesurée g résistance interne I E tension d'alimentation R 3 R pont équilibré I 0 E R j R résistance à mesurer R j R 3 R R R R j 3 R 1 R 4 R j R1R R 3 4 R j R,R 1 3, R4 si connues méthode de zéro rarement utilisée

37 Théorie du pont de Wheatstone R 1 R 4 I R j R I intensité mesurée g résistance interne E tension d'alimentation fonctionnement en pont non équilibré E R 1,R, R 4 connues mesure du courant de déséquilibre I étalonnage avec des résistance connues R 3 R j I R 3 relation f R j

38 Mesure des efforts Mesure d'un effort dont on ne connaît pas le point d'application R R 1 1 R 1 R 3 1 R 3 R 4 I R R, R 4 1, R 3 R R 4 E moment M 1 F(x a) réponse des jauges M F x R1 1 KF(x R 1 a) a x R R KFx

39 Mesure des efforts Mesure d'un effort dont on ne connaît pas le point d'application en l'absence d'effort R R R3 R 4 1 R R1 R (1 1) R (1 ) R R3 R (1 1) R (1 ) R 4 avec 1, 1 numérateur de l'expression générale R dénominateur R E g R I 1 I 1 k F 1 4R g I R E g R mesure de la force F KFa 1 k F

40 Mesure des efforts Mesure du moment de flexion dans une section R1 R R 1 R 3 R 3 R 4 I R R,, 1 R 3 R 4 R 4 E R M F x R 1 R R (1 ) R 4 3 R R (1 ) x KM

41 Mesure des efforts Mesure du moment de flexion dans une section numérateur de l'expression générale R R dénominateur 4R g R I E 4 4 E g R g R KM I k M

42 Mesure des efforts Mesure de l'effort et du moment avec deux ponts pont 1 R1 R R5 R6 1 R 1 R 3 1 R 3 1 R 4 O R7 R8 R 4 I R R 1 R R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 R 8 1 E 1 pont M 1 F(x a) R 5 R 7 M F x R 8 I R 6 a x E

43 Mesure des efforts Mesure de l'effort et du moment avec deux ponts I I E 1 1 E KM 1 g R g R I 1 1 k M kf x E a E KM g R g R I k M kf x soustraction des signaux I 1 F a k af I k F x k force F

44 Mesure des efforts Mesure de l'effort et du moment avec deux ponts I 1 1 k M kf x a I k M kf x addition des signaux I I1 k Fx k a F a k F x moment de la force F par rapport au point milieu O

45 Mesure des efforts Mesure de l'effort et du moment avec deux ponts pont 1 pont A B O C a/ a/ moment = moment constant + moment symétrique

46 Mesure des efforts Mesure directe de la traînée R 1 R R 1 R R3 R4 R R1 1 R R1 R 3 R1 R1 R 4 R 4 R 1 1 formule générale T I E 4R g R E R 3 coefficient de Poisson I E 1 g R I kx effort de traînée faible sensibilité insuffisante

47 Mesure des efforts Mesure de la force de traînée par parallélogramme déformant amplification des efforts à mesurer par les jauges jauges déplacement effort effort déplacement

48 Mesure des efforts Mesure du moment de roulis R 1 R moment L R 1 R R3 R4 I 45 R1, R 3 R, R 4 R 4 E R 3 jauges collées à 45 dans la direction des contraintes principales d'extension I kl

49 Méthodes de mesure en aérodynamique Mesure des efforts aérodynamiques maquette de Rafale montée sur dard anémométrique dans la soufflerie transsonique S1MA de l Onera

50 Mesure des efforts aérodynamiques dispositif pour mesurer les composantes des efforts d'origine aérodynamique (torseur aérodynamique) balance d'efforts aérodynamiques la balance est montée sur le dard supportant la maquette mesure des 6 composantes du torseur aérodynamique dynamomètres à jauges de contrainte effort déformation effet jauge signal électrique

51 Efforts aérodynamiques Constitution d'une balance aérodynamique F N effort aérodynamique sur la maquette fixation M centre de réduction de la balance dard

52 Efforts aérodynamiques Forces et moments du torseur aérodynamique Y tangage moment M moment L lacet force latérale Y O traînée X X moment roulis N por Z tance Z

53 Constitution d'une balance d'efforts aérodynamiques centre de réduction des efforts coupe 5 6 coupe mesure de la portance Z et du moment de tangage M mesure de l'effort latéral Y et du moment de lacet L

54 Efforts aérodynamiques Constitution d'une balance d'efforts aérodynamiques mesure de la force de traînée X centre de réduction des efforts équipage de mesure I II III IV

55 Efforts aérodynamiques Constitution d'une balance d'efforts aérodynamiques mesure du moment de roulis N centre de réduction des efforts 1 coupe 3 4

56 3 3 8 Efforts aérodynamiques Balance dard ONERA 7C à six composantes A B COUPE A 6 6 COUPE B I II III 4 IV C fils M et N fils X D E plaques Ó bornes X 1, X DARD 7C 4 fils 1X Tra núe Force latúrale Portance Roulis 1 3 Tangage 4 Lacet 19 0

57 Efforts aérodynamiques Balance dard ONERA à six composantes

58 Efforts aérodynamiques Balance dard ONERA à six composantes

59 Efforts aérodynamiques Dynamomètre pour force de traînée déformation Z jauges découplage 1 X 3 4 découplage Y X

60 Efforts aérodynamiques Dynamomètre pour force de traînée jauges J.F. Bret - mars 00 modélisation du dynamomètre de X

61 Efforts aérodynamiques Dynamomètre pour force de traînée J.F. Bret - mars 00 modélisation du dynamomètre de X en vue isométrique

62 Efforts aérodynamiques Dynamomètre pour force de traînée

63 Efforts aérodynamiques Dynamomètre pour efforts de portance et force latérale mobile jauges effort Y X Z fixe J.F. Bret - mars 00 déformation modélisation du dynamomètre de Y (ou de Z par pivotement de 90 )

64 Balance à plateaux partie pesée effort latéral effort vertical dynamomètre Z effort axial dynamomètre X dynamomètre Z dynamomètre Y partie fixe dynamomètre Y J.F. Bret - mars 00 document Onera

65 Méthodes de mesure en aérodynamique Étalonnage et utilisation des balances aérodynamiques Dassault-Aviation Falcon 50

66 Efforts aérodynamiques Étalonnage des balances aérodynamiques Les balances sont affectées d'interactions (linéaires et quadratiques) la réponse à une composante d'effort ou de moment est ressentie aussi par les autres ponts de jauges découplage imparfait exemple : l'application d'un effort de traînée X entraîne une réponse sur les ponts mesurant Y, Z, L, M, N causes erreurs d'ordre géométrique dissymétrie d'usinage écarts de positionnement des jauges déformations élastiques les balances doivent être étalonnées

67 Efforts aérodynamiques Banc d'étalonnage pour balance

68 Efforts aérodynamiques Étalonnage des balances aérodynamiques principe application d'efforts connus mesure des signaux électriques délivrés par les ponts de jauges signal P d'un pont P n6 n1 A P n X n m6 m1 l6 l1 B ml P X m X l 6 coefficients linéaires A et 1 coefficients quadratiques B pour la balance complète 36 coefficients linéaires A et 16 coefficients quadratiques B

69 Efforts aérodynamiques Étalonnage des balances aérodynamiques méthode d'étalonnage application de 1 cas de charges 6 cas simples 15 combinaisons deux à deux Charges Charges composées simples X XY XZ XL XM XN Y YZ YL YM YN Z ZL ZM ZN L LM LN M MN N 6 cas simples 36 coefficients linéaires A n P et B mm P 15 combinaisons 90 coefficients quadratiques ml B P

70 Efforts aérodynamiques Étalonnage des balances aérodynamiques mesures en soufflerie P à partir des signaux des ponts de jauges et des coefficients P qr inverses et a n b n détermination des composantes des efforts X n p6 p1 a P n n q6 q1 r6 r1 b qr n q r

71 Efforts aérodynamiques Étalonnage des balances aérodynamiques Exemple de matrice d'étalonnage d'une balance à 6 composantes termes linéaires seulement Ponts de jauges X Y Z L M N Linéaires A p X , Y +0, ,55 +0,075 +0,0-0,096-0,14 Z 3 -,61-0, ,47-0,156 +0,053 0 L 4 +1, ,1 M 5-4,4-0,68-0,8-1,7 +190,6 +0,34 N 6-1,6-7,4 +,7-0,6-0,6 +85,7 si découplage parfait seuls les coefficients de la diagonale principale seraient non nuls

72 MÉTHODES DE MESURE EN AÉRODYNAMIQUE Mesures des efforts fin de la leçon