La présente invention concerne un élément en matériau composite stratifié, plus particulièrement destiné à entrer dans la constitution d'une structure d'aéronef.

L'invention s'inscrit plus particulièrement dans le domaine de l'installation d'un réseau de distribution de puissance dans un aéronef.

L'utilisation de matériaux composites est de nos jours largement répandue dans de nombreux domaines industriels, notamment dans les domaines de l'aéronautique et de l'aérospatiale. Ainsi, les structures travaillantes d'aéronefs sont généralement fabriquées à base d'éléments structuraux en matériaux composites à renfort fibreux, constituant par exemple des tronçons de fuselage. Les propriétés combinées de légèreté et de résistance mécanique de ces éléments permettent de fabriquer des structures travaillantes plus légères qu'en utilisant des matériaux conventionnels, mais de résistance mécanique équivalente, et donc de fabriquer un aéronef qui consomme moins d'énergie et qui est apte à transporter une charge utile plus importante.

La fabrication des structures travaillantes nécessite une étape de dimensionnement des éléments structuraux dans laquelle les contraintes auxquelles les différentes structures seront soumises (mécaniques, thermiques, etc.) sont identifiées, et les caractéristiques des matériaux composites qui les composent sont déterminées.

Après la fabrication des structures travaillantes, les différents systèmes que comporte l'aéronef sont installés. Un aéronef comporte en général plusieurs types de systèmes comme par exemple les systèmes électriques/électroniques, tels que l'avionique, ou encore le réseau de distribution de puissance.

Le réseau de distribution de puissance est généralement situé sous la structure plancher, entre les bielles de plancher verticales et le fuselage, dans un espace réduit.

L'installation de ce réseau est complexe et nécessite de déployer une pluralité de faisceaux de câbles qui sont généralement tenus par des supports fixés sur des structures travaillantes. Ces faisceaux de câbles y sont exposés à d'éventuelles sources d'endommagement.

La présente invention vise à proposer une solution pour assurer le déploiement d'un réseau de distribution de puissance qui permette à la fois d'obtenir un gain de masse pour l'aéronef et de protéger le réseau de distribution de puissance des sources d'endommagement.

L'invention vise également à ce que les opérations d'installation du réseau de distribution de puissance au niveau de la structure soient simples et rapides à mettre en œuvre.

La présente invention concerne un élément structural destiné à entrer dans la constitution d'une structure, par exemple un fuselage ou plus particulièrement un plancher d'aéronef, pour conjointement renforcer ladite structure et transporter une puissance électrique.

Suivant l'invention, l'élément structural est en matériau composite stratifié et comporte, dans une épaisseur de la stratification, un noyau constitué d'un matériau électriquement conducteur recouvert d'une enveloppe en matériau électriquement isolant.

Par matériau composite stratifié, on entend un empilement de plis de fibres de renfort noyés dans une résine polymérisable.

Le noyau a un double rôle : un rôle de transport de puissance électrique et un rôle structural.

Le matériau électriquement conducteur constituant le noyau est avantageusement un matériau métallique, par exemple de l'aluminium.

Le noyau présente une dimension, largeur et épaisseur, inférieure à une dimension, largeur et épaisseur, de l'élément structural. Il présente une section transversale adaptée au transport d'une puissance électrique. La section transversale du noyau est déterminée en fonction de l'intensité d'un courant à y faire transiter de sorte à ne pas échauffer l'enveloppe recouvrant le noyau.

L'élément structural comporte, autour du noyau et de son enveloppe, un empilement de plis à base de fibres imprégnés d'une résine électriquement isolante. Les fibres sont par exemple des fibres de carbone.

Cet empilement de plis, dits structuraux, apporte une rigidité mécanique élevée entourant le noyau et son enveloppe. L'empilement contribue principalement à la résistance structurale de l'élément.

L'enveloppe isolante est composée d'un empilement de plis à base de fibres imprégnés d'une résine électriquement isolante. Les fibres sont électriquement isolantes et peuvent être aussi bien minérales, telles que des fibres de verre, qu'organiques, telles que des fibres d'aramide. La résine formant matrice de l'enveloppe est de préférence compatible avec la résine de l'empilement de plis structuraux, avantageusement c'est la même résine. La résine est par exemple de la résine époxyde.

L'enveloppe, en plus d'isoler électriquement le noyau, participe à l'apport structural de l'élément.

Ainsi, le noyau est avantageusement protégé, d'une part électriquement par l'enveloppe et d'autre part par l'ensemble enveloppe- empilement de plis structuraux, ledit ensemble présentant une rigidité mécanique élevée.

De façon générale, le nombre et la nature des plis structuraux sont déterminés, selon des calculs du ressort de l'homme du métier, de manière à conférer à l'élément structural les propriétés structurales requises pour participer au raidissement de la structure sur laquelle est fixé ledit élément. Ces calculs prennent en compte le fait que l'enveloppe et le noyau contribuent avantageusement aux performances mécaniques de l'élément structural. La prise en compte des apports de l'enveloppe et du noyau permet ainsi de ne pas surdimensionner le nombre de plis structuraux et par conséquent l'élément structural final. L'ensemble structural est fixé à la structure par tous moyens, notamment par vissage, collage ou rivetage.

Dans un mode de réalisation de l'élément structural, ledit élément se présente sous la forme d'un profilé allongé, c'est-à-dire présentant une longueur grande par rapport à ses dimensions transversales.

Le profilé peut présenter différente formes de section transversale, notamment une section transversale fermée, par exemple de section transversale triangulaire ou une section transversale ouverte, par exemple une section transversale en forme de I.

Le profilé peut être par exemple un rail ou un faux rail d'un plancher d'aéronef.

Le noyau s'étend sur tout ou partie de la longueur dudit profilé. Ainsi, il est possible de faire circuler du courant sur une grande longueur, dans l'aéronef, sans recourir à des faisceaux de câbles.

Le noyau peut prendre la forme d'un insert, sous forme d'une plaque, ou d'une tresse.

Dans un exemple préféré de réalisation, le profilé structural comporte trois noyaux.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les barycentres des trois noyaux sont disposés, selon une section transversale du profilé, aux sommets d'un triangle équilatéral. Cette configuration permet ainsi le passage d'un courant triphasé, chaque noyau étant relié à une phase d'un réseau triphasé.

Dans le cas d'une section transversale triangulaire, les noyaux sont par exemple disposés au niveau des cotés du profilé, un noyau par coté.

Dans le cas d'une section transversale en forme de I, le profilé comportant une semelle reliée à une tête par une âme sensiblement perpendiculaire auxdites semelles et âmes, les noyaux sont par exemples disposés, un dans l'âme et deux dans la tête.

Dans une forme de réalisation du profilé, les trois noyaux sont chacun dans une enveloppe isolante indépendante. Dans une autre forme de réalisation du profilé, les trois noyaux sont dans une même enveloppe. La section transversale du profilé est de préférence fermée. Dans un mode de réalisation de l'enveloppe, l'enveloppe regroupant les trois noyaux forme une couche isolante dans l'épaisseur de la stratification et est située entre deux couches, dites structurales, formée chacune par un empilement de plis structuraux.

Selon une caractéristique de l'invention, le profilé structural comporte des moyens de connexion électrique raccordés électriquement aux noyaux. Ces moyens de connexion sont par exemple répartis le long du profilé ou au niveau des extrémités longitudinales dudit profilé.

Dans un mode de réalisation des moyens de connexion, lesdits moyens de connexion électrique sont des inserts conducteurs débouchant sur une face du profilé.

Le profilé ainsi obtenu par l'invention comporte avantageusement un réseau de distribution de puissance tout en participant à la rigidification de la structure dont il fait partie intégrante.

Une structure intégrant un tel profilé présente un gain de masse et un encombrement réduit par rapport aux structures de l'art antérieur équipées d'un réseau de distribution de puissance conventionnel. Les noyaux sont en outre avantageusement protégés dans l'épaisseur du profilé. Il résulte de toutes ces caractéristiques avantageuses une diminution des coûts de fabrication des structures ainsi formées par rapport aux solutions de l'art antérieur.

Une description détaillée de modes de réalisation préférés de l'invention est faite ci-après, à simple titre illustratif, en référence aux figures 1 à 9 qui représentent :

Figure 1 , une vue en perspective d'un exemple d'un premier mode de réalisation d'un profilé structural selon l'invention ;

Figure 2 à 6, différents exemples de profilé structural selon le premier mode de réalisation illustrant des formes différentes de réalisation ;

Figure 7, une vue en perspective d'un exemple d'un deuxième mode de réalisation du profilé structural ;

Figure 8, une coupe transversale d'un autre exemple du deuxième mode de réalisation du profilé structural ;

Figure 9, une coupe transversale d'un autre exemple du deuxième mode de réalisation du profilé structural.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le profilé structural 1 , comme illustré sur les figures 1 à 9, est destiné à être fixé sur une structure 5, en particulier une structure d'aéronef.

Dans un exemple de réalisation non limitatif de l'invention, le profilé est un rail ou un faux rail d'un plancher d'aéronef.

Le profilé structural 1 est avantageusement en matériau composite stratifié, il présente une forme allongée et comporte, dans une épaisseur de la stratification, trois noyaux 131 constitués d'un matériau électriquement conducteur, pour le transport d'une puissance électrique. Chaque noyau 131 s'étend sur tout ou partie de la longueur du profilé structural.

Le profilé structural est avantageusement conçu pour le passage d'un courant triphasé, chaque noyau étant relié à une phase d'un réseau triphasé. Les trois noyaux sont alors régulièrement répartis, dans une section transversale du profilé structural 1 , de sorte à obtenir un réseau triphasé équilibré.

Les trois noyaux sont disposés de sorte que leurs barycentres géométriques forment les trois sommets d'un triangle équilatéral. Ainsi, la symétrie géométrique entre les trois phases est maintenue et le réseau triphasé est équilibré. Les trois noyaux, tels que répartis et isolés, constituent les trois phases d'un système triphasé de transport d'énergie électrique.

Bien que le profilé soit décrit, et les noyaux disposés, pour le passage d'un courant triphasé, il est également possible de faire passer un courant monophasé dans chaque noyau, sans se départir du cadre de l'invention.

Chaque noyau 131 présente une section transversale notamment déterminée, par des calculs à la portée de l'homme du métier, en fonction de l'intensité du courant à transiter. Le tableau ci-dessous illustre des valeurs d'intensité maximale qui peuvent transiter dans un noyau en fonction de la section transversale dudit noyau.

La densité de courant maximum admissible est définie par l'augmentation maximum de température admissible dans les matériaux qui entourent le noyau.

Le noyau 131 est de préférence formé dans un matériau présentant un bon rapport conductivité/densité, tel qu'un métal, par exemple l'aluminium.

Dans un exemple de réalisation, le noyau 131 est un insert conducteur, par exemple de section transversale trapézoïdale, comme illustré sur la figure 1 , ou de section transversale rectangulaire, comme illustré sur la figure 7.

Dans un autre exemple de réalisation (non représenté sur les figures), le noyau 131 est une tresse conductrice.

Le profilé 1 est fixé à la structure par tout moyen conventionnel, notamment par collage, vissage, clipsage ou rivetage, dès lors que les opérations de fixation n'endommagent pas les noyaux électriquement conducteurs.

Dans un premier mode de réalisation du profilé structural 1 , comme illustré sur la figure 1 , ledit profilé comporte une couche structurale 1 1 à base de fibres, à l'intérieur de laquelle sont disposés les trois noyaux 131 recouverts chacun d'une enveloppe en matériau électriquement isolant, dite enveloppe isolante 13.

Avantageusement, le profilé structural présente une section transversale ouverte. L'exemple de réalisation de ce deuxième mode est décrit dans le cas d'une section transversale en forme de I, sans que ce choix soit limitatif de l'invention.

Le profilé structural 1 comporte une tête 101 et une semelle 103 reliée l'une à l'autre par une âme 102 sensiblement perpendiculaire à la semelle 103 et à la tête 101 .

Le profilé structural 1 est fixé à la structure 5 au niveau de la semelle

103.

Dans un exemple non limitatif de répartition des noyaux, illustré figure 1 , un noyau 131 est disposé dans l'âme 102 du profilé structural, et deux noyaux 131 sont disposés dans la tête 101 du profilé, un de chaque coté de l'âme 102.

D'autres répartitions sont possibles, telles que par exemple un noyau 131 dans la semelle 103, un noyau 131 dans l'âme 102 et un noyau 131 dans la tête 101 avec la condition que les barycentres des noyaux 131 forment les trois sommets d'un triangle équilatéral. Le profilé structural 1 présente une surépaisseur locale au niveau des noyaux 131 , surépaisseur liée à l'introduction des noyaux, et des enveloppes isolantes associées, à l'intérieur de la couche structurale 1 1 .

De préférence, l'enveloppe isolante 13 comporte un empilement de plis formés de fibres noyés dans une résine électriquement isolante. Les fibres sont électriquement isolantes et peuvent être de tout type, par exemple en verre ou en aramide. L'enveloppe apporte en outre une résistance mécanique propre qui participe à la résistance structurale du profilé structural 1 .

Les caractéristiques de la couche structurale 1 1 sont déterminées, par calcul suivant les méthodes de conception connues, à partir des contraintes auxquelles le profilé doit être soumis.

Avantageusement, les caractéristiques de la couche structurale 1 1 sont déterminées en considérant les contributions à la résistance structurale des enveloppes isolantes 13 et des noyaux 131 . La prise en compte de la contribution des enveloppes isolantes 13 et des noyaux 131 permet ainsi de ne pas surdimensionner la couche structurale 1 1 et le profilé final.

De préférence, la couche structurale 1 1 comporte une superposition de plis formés de fibres imprégnées d'une résine électriquement isolante formant matrice. Les fibres peuvent être orientées de façon unidirectionnelle et/ou tissées ou tressées. Il s'agit de préférence de fibres de carbone, qui offrent notamment l'avantage d'une bonne tenue mécanique combinée à une grande légèreté. La résine utilisée pour former cette couche peut être de tout type, aussi bien thermodurcissable que thermoplastique. La résine formant matrice dans cette couche structurale 1 1 est, de préférence, compatible avec la résine entrant dans la constitution des enveloppes isolantes 13, avantageusement c'est la même résine.

La détermination du nombre de plis et des orientations des fibres dans les plis successifs, des enveloppes isolantes 13 et de la couche structurale 1 1 , fait appel à des techniques de calculs connues par l'homme du métier.

La présente invention ne se limite pas à un profilé de section transversale en forme de I. D'autres sections transversales peuvent être réalisées dès lors que la condition selon laquelle les barycentres des noyaux forment les trois sommets d'un triangle équilatéral est respectée.

Dans un exemple de réalisation, comme illustré figure 2, le profilé structural 1 présente une section transversale en forme de C. Le profilé comporte une tête 101 reliée à une semelle 103 par une âme 102, chacune comportant un noyau 131 .

Dans un autre exemple de réalisation, comme illustré figure 3, le profilé 1 présente une section transversale en forme de T. Le profilé comporte une semelle 103 et une âme 102 sensiblement perpendiculaire à la semelle 103. L'âme 102 comporte un noyau 131 et la semelle 103 comporte un noyau 131 de part et d'autre de l'âme 102.

Dans un autre exemple de réalisation, comme illustré figure 4, le profilé 1 présente une section transversale en forme de Y. Le profilé 1 comporte une tête 101 reliée à deux semelles 103 par deux âmes 102. La tête 101 et les deux âmes 102 comportent chacune un noyau 131 . Dans une variante améliorée de réalisation de cet exemple, comme illustré sur la figure 5, le profilé 1 comporte en outre, à l'intersection des deux âmes 102 et de la tête 101 un noyau 19 de forme allongé, de préférence mais non limitativement de section transversale circulaire.

Ce noyau 19 est apte à fournir une référence électrique, par exemple un neutre. Il participe en outre aux caractéristiques mécaniques du profilé.

Dans un autre exemple de réalisation, illustré figure 6, le profilé 1 présente une section transversale en forme de oméga. Le profilé 1 comporte une tête 101 qui est reliée par deux âmes 102 respectivement à deux semelles 103. La tête 101 et les deux âmes 102 comportent chacun un noyau 131 . Ce premier mode de réalisation de la présente invention ne se limite pas non plus à un profilé de section transversale ouverte. Ce premier mode de réalisation peut également être réalisé pour des profilés de sections transversales fermées, telles que par exemple une section transversale triangulaire ou circulaire. L'homme du métier est en mesure d'adapter l'invention à des sections transversales non décrites.

Dans un deuxième mode de réalisation du profilé structural, comme illustré sur la figure 7, ledit profilé structural 1 , en matériau composite stratifié, comporte, dans son épaisseur, un ensemble de couches superposées.

De préférence, le profilé 1 est d'épaisseur sensiblement constante. Avantageusement, le profilé présente une section transversale fermée.

L'exemple de réalisation de ce premier mode est décrit dans le cas d'une section transversale creuse sensiblement triangulaire sans que ce choix soit limitatif de l'invention. De préférence, afin de diminuer le risque de blessure lors de sa manipulation, la section transversale présente un contour arrondi.

Le profilé structural 1 comporte, au niveau d'une première face, dite face externe 18, une première couche structurale 1 1 et au niveau d'une seconde face, dite face interne 19, une deuxième couche structurale 12.

De préférence, les deux couches structurales 1 1 , 12 comportent un pli ou un empilement de plis formés de fibres imprégnées d'une résine électriquement isolante formant matrice. Les fibres peuvent être orientées de façon unidirectionnelle et/ou tissées ou tressées. Il s'agit de préférence de fibres de carbone, qui offrent notamment l'avantage d'une bonne tenue mécanique combinée à une grande légèreté. La résine utilisée pour former cette couche peut être de tout type, aussi bien thermodurcissable que thermoplastique.

De préférence, les deux couches structurales 1 1 , 12 sont de même nature.

Le profilé 1 comporte, entre les deux couches structurales 1 1 , 12, une couche à propriétés électriquement isolantes, dite couche isolante 13. Ladite couche isolante est de préférence une couche structurale comportant un empilement de plis formés de fibres imprégnés d'une résine électriquement isolante. Ces fibres sont électriquement isolantes et peuvent être de tout type, par exemple en verre ou en aramide. La résine formant matrice dans cette couche isolante 13 est, de préférence, compatible avec la résine entrant dans la constitution des couches structurales 1 1 , 12, avantageusement c'est la même résine.

La couche isolante 13 comporte les trois noyaux 131 répartis, selon la section transversale du profilé, de sorte à maintenir une symétrie entre les trois phases et obtenir un réseau triphasé équilibré.

Dans un mode de réalisation de la couche isolante, ladite couche isolante est d'épaisseur constante.

Les caractéristiques des couches structurales sont déterminées, par calculs suivant les méthodes de conception connues, à partir des contraintes auxquelles le profilé doit être soumis.

Avantageusement, les couches structurales 1 1 , 12 sont déterminées en considérant des contributions à la résistance structurale de la couche isolante

13 et des noyaux 131 . La prise en compte des contributions de la couche isolante 13 et des noyaux 131 permet ainsi de ne pas surdimensionner les couches structurales 1 1 , 12 et le profilé final.

Les figures 7 et 8 illustrent deux exemples de répartition des noyaux sur le profilé à section transversale triangulaire. La figure 7 illustre une répartition des noyaux 131 sensiblement au niveau des côtés du profilé, un noyau par côté.

La figure 8 illustre une répartition des noyaux 131 sensiblement au niveau des angles émoussés du profilé, un noyau par angle.

Dans une variante de réalisation du profilé structural 1 , comme illustré sur la figure 9, ledit profilé comporte, entre les deux couches structurales 1 1 , 12, deux couches isolantes 13, 14, comportant chacune trois noyaux 131 , 141 . Les deux couches isolantes 13, 14 sont séparées, de préférence, par une couche conductrice continue 15.

Les deux couches isolantes 13, 14 sont de préférence de même nature, de préférence une couche structurale à base de fibres de verre ou aramide.

Cette variante de réalisation est particulièrement avantageuse pour le transport de courant d'un réseau triphasé, où deux noyaux 131 , 141 , un noyau par couche isolante, sont reliés à une même phase.

Recourir à de multiples noyaux pour une même phase permet de réduire la section de chaque noyau.

Les deux noyaux 131 , 141 liés à une même phase sont de préférence placés chacun dans une couche isolante, en regard l'un de l'autre, comme illustré sur la figure 3.

De préférence, les noyaux 131 , 141 des deux couches sont décalés les uns par rapport aux autres, comme illustré sur la figure 9, de manière à minimiser les interférences électromagnétiques entre lesdits noyaux.

L'exemple de réalisation est décrit pour deux noyaux 131 , 141 reliés à une même phase. Mais l'invention est applicable pour une phase reliée à un, trois ou plus noyaux, en adaptant le nombre de couches isolantes.

La couche conductrice continue 15 entre deux couches isolantes 13, 14 est, de préférence mais non limitativement, sous la forme d'une feuille métallique, par exemple d'aluminium ou de cuivre. Cette couche continue assure avantageusement un blindage électrique entre les noyaux 131 , 141 de chaque couche isolante. Du fait de sa nature métallique et continue, elle participe également de manière sensiblement homogène aux caractéristiques mécaniques du profilé 1 . Elle est en outre apte à fournir une référence électrique, par exemple un neutre.

Ce deuxième mode de réalisation de l'invention ne se limite pas à un profilé de section transversale triangulaire. D'autres sections transversales, par exemple une section circulaire, peuvent être utilisées.

Ce deuxième mode de réalisation de l'invention ne se limite pas non plus à un profilé de section transversale fermée. L'invention peut également être utilisée pour des sections transversales ouvertes, telles que par exemple une section transversale en I, J, .... L'homme du métier est en mesure d'adapter l'invention à des sections transversales non décrites dès lors qu'est respectée la condition selon laquelle les barycentres des noyaux forment les trois sommets d'un triangle équilatéral .

Quelque soit son mode de réalisation, le profilé structural 1 , du fait de la présence des noyaux 131 , 141 intégrés dans son épaisseur, est apte à conduire des courants électriques importants d'une extrémité à l'autre de chaque noyau.

De préférence, comme illustré sur les figures 1 et 7, le profilé structural 1 comporte des moyens de connexion électrique 2 raccordés aux noyaux 131 , 141 repartis au voisinage des extrémités longitudinales 16, 17 dudit profilé 1 , ainsi que le long du profilé.

Ces moyens de connexion 2 peuvent être de plusieurs formes, dont un mode de réalisation est illustré sur la figure 7.

Selon ce mode de réalisation des moyens de connexion électrique 2, lesdits moyens sont des connecteurs internes, par exemple des trous métallisés ou des inserts, qui débouchent sur la face externe 18 du profilé 1 , au voisinage des extrémités longitudinales 16, 17 du profilé, ainsi que le long du profilé.

Par trou métallisé, on entend des trous dont la surface reçoit après perçage un revêtement électriquement conducteur, par exemple sous la forme d'une peinture conductrice.

Chaque trou est en outre relié électriquement à un noyau 131 , 141 . Selon un autre mode de réalisation des moyens de connexion électrique 2 (non représenté), uniquement au voisinage des extrémités longitudinales 16, 17 du profilé 1 , lesdits moyens sont constitués par un évidement des couches structurales, et des couches isolantes selon le mode de réalisation du profilé, de manière à faire affleurer les noyaux 131 , 141 et les mettre à nu.

Selon d'autres modes de réalisation des moyens de connexion électrique 2 (non représentés), lesdits moyens peuvent être des connecteurs externes montés sur une des faces 18, 19 du profilé 1 , par exemple sous forme d'un connecteur plat multibroches, chaque broche étant reliée à un noyau 131 , 141 , ou encore des connecteurs internes intégrés entre des couches formant le profilé, pour un raccordement via une face d'interconnexion, qui peut par exemple être une tranche du profilé.

Les moyens de connexion électrique ne sont pas limités aux moyens décrits, et d'autres connecteurs conventionnels peuvent également être utilisés dans le cadre de l'invention.

Dans un mode de réalisation, différents modes de réalisation de moyens de connexion électrique peuvent être mis en œuvre conjointement pour un même profilé 1 .

Dans une variante simplifiée de réalisation du profilé structural 1 , ledit profilé ne comporte qu'un seul noyau, pour le passage d'un courant monophasé.

La présente invention permet donc de réaliser un profilé destiné à être fixé sur une structure d'aéronef et intégrant des noyaux participant à la fois à la résistance mécanique dudit profilé et au transport de la puissance électrique.

Le profilé suivant l'invention apporte de nombreux avantages par rapport à un ensemble découplé profilé classique/moyens de fixation de faisceaux de câbles de transport de puissance tels que par exemple un gain de masse, une réduction de l'encombrement, une réduction des risques d'endommagement et de l'usure des noyaux ainsi qu'une mise en place simplifiée et rapide.