CH711721A2 - Carénage hypersustentateur à géométrie variable ou/et orientable pour systèmes propulsifs. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un carénage (9) hypersustentateur à géométrie variable et orientable, d’un système propulsif ou d’un ensemble de systèmes propulsifs, permettant de créer et d’orienter, une force normale à l’écoulement principale du flux de propulsion. Cette force, aérodynamique ou hydrodynamique, réglable en intensité et en direction, peut contribuer à faire évoluer et piloter un engin dans un fluide. L’invention concerne tous les types d’objets pilotés, radiocommandés ou téléguidés, évoluant dans l’air, sur ou sous l’eau, et sur terre.

Description

Description [0001] La présente invention concerne le carénage hypersustentateur à géométrie variable et orientable, d’un système propulsif, permettant de créer et d’orienter, une force normale à l’écoulement principal du flux de propulsion. Laquelle force, aérodynamique ou hydrodynamique, réglable en intensité et en direction, peut contribuer à faire évoluer et piloter un engin dans un fluide.

[0002] On sait, à partir de la théorie de Froude, qu’au passage d’une hélice ou d’une soufflante le fluide s’accélère (fig. 1) , provoquant en amont de celle-ci une dépression progressive (fig. 1). Dans le cadre d’un carénage fixe, situé au plan ou de manière dissymétrique légèrement en amont de l’hélice ou de la soufflante, prend naissance une force normale à la surface dirigée vers l’axe de l’hélice ou de la soufflante liée à la différence de pression entre le flux interne au carénage et le flux externe pratiquement non accéléré (fig. 2). Lorsque le carénage est une surface totalement fermée et parfaitement symétrique, la résultante de ces forces normales s’annule et il ne reste que les forces de propulsion traditionnelles. Si cette surface n’est pas fermée, par dissymétrie, prend alors naissance sur cette même surface, une force résultante, non nulle, dont le point d’application est sur l’axe médian de cette surface et dirigée vers l’axe de l’hélice ou de la soufflante (fig. 2) . Cette force est d’autant plus importante que la différence de vitesse du flux d’air interne (extrados) par rapport au flux externe (intrados) est substantielle et que la surface de la partie manquante du carénage projetée sur le plan médian formé par l’axe de rotation de l’hélice ou de la soufflante et orthogonal au plan de symétrie du carénage, est grande. On retrouve ici, l’invention de Willard R. Custer, qui adonné lieu à plus de 20 brevets sur des aéroplanes aux Etats-Unis de 1929 à 1974. Ces systèmes, souvent nommés Custer ou Channel wing, présentent l’inconvénient majeur d’associer physiquement la force de portance à la force de poussée, interdisant le réglage de l’une de manière indépendante de l’autre. La présente invention en agissant sur la géométrie et/ou l’orientation du carénage, permet de dissocier les intensités et directions des forces de portances de celles de propulsions, accordant à un engin ainsi équipé, des caractéristiques de maniabilités et d’évolutions jusqu’alors impossible avec ce type de technologies.

[0003] Une 1ere nuance consiste à mettre en place ce carénage partiel à la sortie d’un propulseur par jet, par exemple un turboréacteur (fig. 16). L’effet venturi accélérera le fluide ambiant sur l’extrados du profil (intérieur du carénage), alors que le flux de l’intrados (extérieur du carénage) conservera quasiment sa vitesse initiale. Se crée alors une force normale au flux de propulsion, provoquée par la différence de pression entre la pression interne et externe au carénage. La variation d’incidence du propulseur, permet alors d’ajuster la force résultante pour atteindre la capacité de décollage et atterrissage vertical, sans être obliger d’avoir un propulseur lui-même à la vertical, ni que l’intensité de sa ou ses forces de poussées soient supérieures au poids de l’engin total (fig. 16).

[0004] Que le carénage partiel soit accolé à l’amont d’une hélice ou d’une soufflante ou à l’aval d’un jet, sa rotation ou sa modification géométrique permet alors d’orienter la force aérodynamique résultante (fig. 4).

[0005] Le réglage de la vitesse et/ou du pas de rotation de l’hélice (fig. 5), ou de la soufflante (fig. 6), ou du jet (fig. 16), associé à la modification de cette surface de carénage en grandeur et/ou par modification du positionnement du plan médian, en rotation ou en translation (fig. 7), permet d’obtenir une force vectorielle orientable et ajustable en intensité, qui peut contribuer soit à la sustentation, soit à l’orientation, soit au déplacement général d’un objet.

[0006] Une solution dite allégée et réduite consiste à n’utiliser que deux éléments cylindriques partiels mobiles (2) dans le même plan, par exemple de 2 quarts de cylindre (fig. 8). Par rotation simultanée des 2 parties mobiles, il est possible d’orienter ou d’annuler la force orthogonale à l’axe de rotation de l’hélice, créant ainsi un système de pilotage sur un moteur (fig. 8) ou sur plusieurs moteurs (fig. 9).

[0007] Afin de diminuer les pertes de forces dues aux phénomènes de tourbillons marginaux aux extrémités du carénage, celui-ci pourra comporter à ses extrémités des prolongateurs sous forme d’ailettes(3) (fig. 3).

[0008] Si nous avons déjà évoqué la dépression présente en amont de l’hélice ou de la soufflante, à l’origine des forces sur les surfaces dans les systèmes précédents. Il existe juste en aval de l’hélice un phénomène comparable de surpression capable de créer le même effort sur une surface en position opposée de la précédente solution (fig. 1). Une solution dite complète, à l’efficacité augmentée, consiste donc à décomposer le carénage en 2 parties (1), une en amont de l’hélice et l’autre, opposée en aval de l’hélice (fig. 10). Ces 2 parties pouvant coulisser, ou non parallèlement à l’axe de rotation de l’hélice afin de faire varier l’intensité de la force normale au flux de propulsion (fig. 11). Ce système complet améliore grandement la valeur maximale de la force résultante perpendiculaire à la force de propulsion. Ce système peut également être mis en rotation autour de l’axe de l’hélice et permet alors de contribuer au système de guidage par sa capacité à modifier les directions vectorielles de la force aérodynamique résultante.

[0009] Les présentes inventions pourront également être montées sur des systèmes orientables indépendant ou interdépendant du mouvement de la voilure, par exemple via un mat (10). Le nouveau système permettra alors d’optimiser en intensité et en direction, la force totale résultante de l’effort du carénage à géométrie variable, des forces de propulsion et des forces aérodynamiques des systèmes aérodynamiques traditionnels (fig. 12).

[0010] Les présentes inventions peuvent être associées avec un système d’ailes à incidences variables de type volets [11] , rétractables ou pas, situés à l’arrière au centre du flux de propulsion, afin d’augmenter l’efficacité du système (fig. 13).

[0011] Les présentes inventions peuvent être enrichies par un système de trappes de décharge (4), composé de trappes rétractables ou plus généralement mobiles, qui permettent d’ajuster et d’orienter la force de sustentation souhaitée, d’agir sur le moment piqueur, ainsi que créer une dissymétrie à l’origine d’un moment de roulis (fig. 14).

[0012] De même, les présentes inventions peuvent être additionnées de becs de bond d’attaque (5) et de volets de bord de fuite (6), rétractables ou pas, mobiles ou fixes, afin d’augmenter les forces aérodynamiques en question (fig. 15).

[0013] Le présent propulseur sustentateur à carénage à géométrie variable et/ou orientable, en version partielle ou complète, pourra être utilisé seul ou en multiple, reliés ou séparés, en séries (les uns derrière les autres) ou en parallèle (les uns à côté des autres).

[0014] L’efficacité du montage relié en parallèle peut être augmentée par l’ajout de jupes (7) aux jonctions des hélices et du carénage pour diminuer les pertes aérodynamiques instationnaires, les interférences et canaliser le flux de chacune des hélices (fig. 15).

[0015] Dans le cadre d’une disposition, partielle ou complète, multiple, relié en parallèle, orientable au moins en incidence, associée ou non à des volets principaux axiaux (11), associée ou non à des becs de bord d’attaque (5) ou des volets de bord de fuite (6), combinée ou non à des trappes de décharge (4), additionnée ou non de jupes aérodynamiques (7), on parlera d’une configuration de type «Schulz’s-wing» (fig. 15).

[0016] Les présentes innovations peuvent être utilisées sur tous types d’objets pilotés, radiocommandés ou téléguidés, dans l’air, sur ou sous l’eau et sur terre.

[0017] Dans le cadre d’un aéronef, ladite invention permet dans certaines conditions de conception, un décollage vertical ou à distance très courte, un atterrissage vertical ou à très faible vitesse, les vols arrières ou latéraux purs ou combinés, les vols dans toutes les directions à de très faibles vitesses, une forte accélération ou à contrario une forte décélération longitudinale et encore une très grande maniabilité. Elle autorise également, la diminution, voir la suppression de tout ou partie des surfaces de portance, de profondeur et de dérive. De fait, elle contribue grandement à la diminution de la trainée totale et à l’amélioration des performances, ainsi qu’une réduction importante des consommations énergétiques. Ainsi dotée d’une très grande polyvalence d’attitudes et de vitesses, cette innovation permet d’envisager un nouveau type d’aéronef, associant en un seul engin les avantages de l’avion et de l’hélicoptère. Les principes aérodynamiques et mécaniques relativement simples de la présente nouveauté, laissent présager une grande sécurité, une haute fiabilité ainsi que de faibles coûts d’obtention, de maintenabilité et d’exploitation en générale.

[0018] Dans le cadre d’un navire de surface, qu’il soit équipé d’un ou de plusieurs moteurs hors-bords ou inbords ou avec une ou plusieurs lignes d’arbres ou une ou plusieurs transmissions z-drives, la présente invention permet sans action sur la position axiale de l’arbre de l’hélice de changer de direction et/ou de régler l’assiette du bateau. Dans certaines conditions de conception, ladite invention pourra être utilisée en qualité de propulseur d’étrave et/ou de moyen d’augmenter ou à défaut de diminuer la flottabilité, d’améliorer la stabilité ou encore de système dynamique d’anti-tangage et/ou d’antiroulis.

[0019] Dans le cadre d’un engin subaquatique (sous-marin), la présente innovation permet de diriger l’appareil dans les trois dimensions. Dans certaines conditions de conception, le système autorise en sus de la propulsion des déplacements verticaux et/ou latéraux, du type propulsion d’étrave ou modification de la flottabilité dans le but de limiter les quantités de ballasts. Enfin ce système associé à un système de pilotage automatique permet de diminuer les phénomènes dynamiques de tangage, de roulis ou de lacet, en fonction des courants, des turbulences ou de toutes autres contraintes.

[0020] Dans le cadre d’un appareil terrestre, qu’il soit composé par un système à roues, à chenilles, à skis, à coussin d’air, d’un autre moyen ou d’une combinaison de moyens, la présente invention permet de le mouvoir dans le plan, de contrer les forces de pesanteur ou d’inertie et par exemple de le délester de tout ou partie de son poids ou au contraire de le charger sur ses appuis. Ce système permettra également de fortes accélérations ou décélérations par orientation du carénage.

Liste des illustrations [0021] fig. 1 : Descriptif de l’écoulement aérodynamique au travers d’une hélice. fig. 2: Schématisation des champs de pression dans le carénage fixe partiel. fig. 3: Ailettes (winglet) d’extrémités d’un carénage fixe partiel. fig. 4: Orientation de la force de portance par mise en rotation du carénage partiel. fig. 5: Variation de la force de portance par variation de la géométrie du carénage. fig. 6: Exemple de cinématique de variation de géométrie dans le cadre d’un propulseur avec soufflante. fig. 7: Schématisation des champs de pression dans un carénage partiel avec réglage de l’intensité de la force de portance par translation du carénage.

Claims (9)

fig. 8: Exemple d’un aéronef à décollage très court monomoteur équipé d’une solution dite allégée avec un caré nage partiel mobile par rotation. fig. 9: Exemple d’un aéronef à décollage très court, équipé d’une solution dite allégée multi-moteurs avec des carénages partiels mobiles par rotation. Cette solution offre une très grande maniabilité y compris à très basses vitesses. fig. 10: Schématisation des champs de pression dans un carénage complet avec réglage de l’intensité de la force de portance par translation du Vi carénage bas. fig. 11 : Exemple d’un aéronef à décollage très court, équipé d’une solution dite allégée multi-moteurs avec des carénages partiels mobiles par translation. fig. 12: Exemple d’un aéronef monomoteur à décollage vertical avec carénage à géométrie variable et intégré dans voilure à incidence variable. fig. 13: Exemple et détail d’un carénage à géométrie variable intégré dans une voilure avec volets. fig. 14: Exemple et détail de trappes de décharge dans un carénage hypersustentateur multi-moteurs. fig. 15: «Schulz’s-wing» avec disposition à 4 moteurs en parallèles, carénage complet avec un bec de bord d’attaque, un volet de bord de fuite, un ensemble de trappes de décharge, des jupes aérodynamiques, intégré dans une voilure réglable en incidence et dotée de volets principaux axiaux. fig. 16: Carénage partiel à la sortie d’un turboréacteur et influence de la variation d’incidence sur la résultante des forces, dans le cas d’un appareil à décollage et atterrissage vertical. Revendications

1. Système propulsif et sustentateur composé d’un carénage complet ou partiel, rétractable ou mobile en rotation et/ou en translation, provoquant une force normale au flux de propulsion, réglable en intensité et direction et orientable.

2. Système propulsif et sustentateur composé d’un carénage en plusieurs parties rétractables ou mobiles en rotation (2) et/ou en translation (1 ), provoquant chacune une force réglable normale au flux de propulsion et dont le positionnement permet d’ajuster l’intensité et l’orientation de la force résultante du système complet.

3. Complément des revendications 1 ou 2, qui consiste à mettre aux extrémités des parties mobiles des ailettes (3) pour limiter les pertes tourbillonnaires liées à la différence de pression générée.

4. Complément suivant les revendications 1, 2 ou 3, qui consiste à insérer dans le ou les carénages une ou plusieurs trappes de décharge (4), permettant d’ajuster en intensité et en orientation la résultante de la force.

5. Complément suivant les revendications 1, 2, 3 ou 4, qui consiste à intégrer un ou plusieurs systèmes de carénage directement ou indirectement sur un ou des mâts (10) ou une ou plusieurs voilures, fixes ou mobiles.

6. Aile mobile (8) en incidence, ou/eten roulis, ou/eten tangage, ou/eten lacet, ou/et en translation longitudinale, ou/eten translation latérale, ou/et en translation verticale, ou non mobile, comportant un carénage partiel ou complet (9), fixe ou mobile, intégrant plusieurs systèmes propulsifs montés en séries ou en parallèles ou en combinaison de montage en séries et en parallèles, enrichie ou non de jupes (7), recevant ou non des trappes de décharges (4), permettant d’ajuster les forces résultantes souhaitées en intensité et en direction, et/ou d’agir sur les moments piqueurs ou plus généralement de tangage, de roulis et de lacet.

7. Complément suivant les revendications 1, 2, 3, 4, 5 et 6, qui consiste à intégrer dans le carénage, une aile (11) monobloc ou composée de plusieurs éléments réglables en incidence par rapport au flux de l’hélice et indépendants, situé sur l’axe orthogonal à celui de la traction de l’hélice.

8. Complément suivant les revendications 1,2, 3, 4, 5, 6 et 7, qui consiste à intégrer dans le carénage un ou plusieurs becs de bord d’attaque (5) et/ou un ou plusieurs volets de bord de fuite (6), fixes ou réglables.

9. Tout système issu des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8, installé sur tous les types d’objets ou de machines autonomes ou pilotées, radiocommandées ou téléguidées, dans l’air, sur ou sous l’eau et sur terre.