EP4000130A1 - Aérodyne avec antenne et procédé d'agencement associé - Google Patents

Aérodyne avec antenne et procédé d'agencement associé

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Publication number
EP4000130A1
EP4000130A1 EP20736744.2A EP20736744A EP4000130A1 EP 4000130 A1 EP4000130 A1 EP 4000130A1 EP 20736744 A EP20736744 A EP 20736744A EP 4000130 A1 EP4000130 A1 EP 4000130A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
antennas
antenna
aerodyne
fuselage
structural element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20736744.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Thibault MAISONNAT
Eric Peyrucain
Alain Lagarrigue
Valery GINEST
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus SAS
Airbus Defence and Space SAS
Original Assignee
Airbus SAS
Airbus Defence and Space SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus SAS, Airbus Defence and Space SAS filed Critical Airbus SAS
Publication of EP4000130A1 publication Critical patent/EP4000130A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/28—Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons
    • H01Q1/286—Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons substantially flush mounted with the skin of the craft
    • H01Q1/287—Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons substantially flush mounted with the skin of the craft integrated in a wing or a stabiliser
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C1/00—Fuselages; Constructional features common to fuselages, wings, stabilising surfaces or the like
    • B64C1/36—Fuselages; Constructional features common to fuselages, wings, stabilising surfaces or the like adapted to receive antennas or radomes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/28—Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/28—Combinations of substantially independent non-interacting antenna units or systems

Definitions

  • the present invention relates to an aerodyne comprising one or more antennas, as well as an external structural assembly and a method of arrangement thereof. It applies in particular to fixed-wing aerodynes, such as airplanes or gliders.
  • An important aspect relating to antennas is their positioning. It is in particular known to have radome systems in the upper part of the aerodyne, on the fuselage. However, such arrangements have the drawback of increasing the drag of the aerodyne, and therefore the fuel consumption. In addition, substantial mechanical and aerodynamic tune-ups are required, at the cost of investment in time and budget. Typically, several days are thus required to install an antenna according to these solutions, relying on a highly qualified workforce. In addition, a flight authorization is only acquired under conditions of satisfactory analyzes and tests.
  • Patent application CN 103887605 (inventors Zhou Jinzhu et al.) Describes an aircraft wing incorporating array antennas (also referred to as antenna arrays, "antenna arrays" in English terminology). More specifically, the wing has a central structure bounded by an upper skin and a lower skin defining its external surfaces, each of these coatings including a central radiofrequency circuit layer framed by thermally insulating honeycomb layers and by top and bottom panels.
  • the core layer includes an array antenna.
  • the object of the present description is in particular to overcome the difficulties and drawbacks mentioned above with the existing antenna systems for aerodynes.
  • the invention makes possible a rapid and simplified installation, an economical realization, a reduced maintenance, a preservation of the aerodynamic properties of the aerodyne and / or a good reliability of communications by radio waves.
  • an aerodyne comprising a fuselage and at least one external structural element with a lifting surface (called the "airfoil” type in English) mounted to the fuselage and configured to provide the aerodyne with aerodynamic properties.
  • This outer structural element includes at least one outer shell and is provided with at least one antenna.
  • the antenna (s) are arranged inside the external structural element while being structurally dissociated from the external shell (s).
  • at least part of these external shells is substantially transparent to at least one range of radio frequencies, so that the antenna (s) can (s) perform an operation chosen from at least one reception and one transmission. of radio waves through this or these part (s) of the outer shell (s).
  • the external structural element advantageously corresponds to a fixed part of the aerodyne, which makes it possible to facilitate antenna orientation stability.
  • the aerodyne is therefore advantageously fixed-wing.
  • the external structural element can however also consist of a fixed part of a rotary wing aerodyne, such as for example a tail or possibly a fixed wing of a helicopter.
  • external structural element with a bearing surface is understood to mean a structural assembly forming an aerodynamic unit, whatever the composition or the multiplicity of the elements which constitute it.
  • a structural element can optionally include a vertical fin comprising a main structure, as well as lower, longitudinal and upper cowls of this main structure.
  • the outer shell can have common structural properties along its thickness, in the sense that independently in particular of stress gradients, deformations or temperatures along the thickness (variations in mechanical or thermal properties), movements or inclinations of the outer surface correspond substantially to corresponding movements or inclinations of the inner surface and of the whole of the intermediate part.
  • the array antenna forms with the honeycomb layers and the lower and upper panels which border it a single structure of the outer shell. composite constituting the upper covering or the lower covering, and are inseparably linked structurally.
  • changes in the curvature of one of the panels or of one of the honeycomb layers affect the shape, positioning and orientation of the array antenna sandwiched between the honeycomb layers. bee and signs.
  • the configuration of the present description can be particularly advantageous, since it allows positioning and orientation of the antenna disconnected from the contours of the external structural element. This potentially offers great flexibility of implementation, which can prove to be invaluable in ensuring good radio connectivity with, in particular, satellites.
  • the structural dissociation of the antenna and the outer shell is likely to greatly facilitate installation and maintenance operations.
  • the arrangement of antennas within an outer structural element with a bearing surface and with structural dissociation from the outer shell may prove to be surprising for a person skilled in the art. It goes against the apparently antagonistic imperatives of good aerodynamic behavior of the airfoil and efficient transmission of waves. radio.
  • the external structural elements with a bearing surface generally include parts that disrupt the circulation of waves, in particular metallic ones, so that the only feasible solutions for associating them with antennas could appear as external positioning or integration on the surface - at the price of the disadvantages mentioned above.
  • the radio frequency range (s) to which the parts of the outer shells are substantially transparent include in some modes at least one of the Ku (typically 12-18 GHz) and Ka (typically 26.5-40 GHz) bands.
  • the radio frequency range (s) at which the parts of the outer shells are substantially transparent include at least one cellular network frequency band, for example used for communications in 4G or 5G technology.
  • the outer structural member is removably mounted to the fuselage.
  • one or more parts of the external structural element are removable, and the antennas are accessible by removing this part or parts.
  • hatches or flaps for accessing the antennas are provided in the external structural element.
  • the external structural element comprises at least one free space between the antenna (s) and the external shell (s).
  • Such free space can be used in particular to flexibly adjust the positioning or orientation of the antennas, during the installation of the latter or during maintenance operations.
  • At least one of the antennas is separated from the inner surface of the outer shell by at least 3 times the thickness of the outer shell, and in more specific embodiments at least 5 times, at least 10 times or at least 20 times this thickness;
  • At least one of the antennas is separated from the inner surface of the outer shell by at least 5 cm, and in more specific embodiments, at least 10 cm, at least 15 cm or at least 20 cm;
  • the antennas has an inclination which differs by at least 10 ° from an inclination of the inner surface closest to the outer shell, and in more specific embodiments, at least 15 °, at least 20 ° or at least 30 °; the inclination of the internal surface is defined by a perpendicular to this surface, and the inclination of the antenna by the main line of sight of the antenna, or if the antenna is flat, by a perpendicular to the plane of this antenna.
  • the aerodyne comprises at least one support structure carrying the antenna (s), this or these support structure (s) being arranged inside the external structural element while being structurally dissociated from the outer shell (s).
  • the aerodyne comprises at least one modem cooperating with the antenna (s) and arranged inside the external structural element.
  • the modem (s) and the antenna (s) can then be integrated on at least the same card.
  • the modem is arranged apart from the antenna with which it cooperates, and can be used centrally for several antennas positioned at separate locations and with different orientations, if applicable.
  • the aerodyne having a horizontal plane (which can be defined for example as a plane perpendicular to a vertical plane of symmetry with respect to the wings), the antenna considered is oriented with an angle of inclination between 45 ° and 70 ° relative to this horizontal plane, and in particular implementations between 67 ° and 68 °, and more specifically still between 67.4 ° and 67.6 °.
  • the angle of inclination of the antenna is understood to mean the angle between a reference line of sight of the antenna and the vertical (an angle of 0 ° therefore corresponding to a horizontal positioning of a flat antenna).
  • the antennas are at least two in number and the aerodyne comprises one or more multiplexer (s) configured to multiplex signals respectively obtained from these antennas.
  • the antenna (s) includes (include) at least one transmission antenna and at least one reception antenna, these transmission and reception antennas being arranged on the same card and being spaced so as to avoid interference. full duplex cross interference.
  • at least one of the antennas is an array antenna, the latter possibly being in particular phase-controlled.
  • at least one of the antennas is a flat antenna.
  • the antenna (s) are electronically steerable.
  • the absence of a rotating mechanical part for the antennas makes it possible to reduce the risk of breakdowns and the need for maintenance.
  • the external structural element is a dorsal fin and the antenna (s) are arranged in a lower part of this dorsal fin.
  • antennas being able for example to be placed in the dorsal fin, in the upper and / or lower part, and / or other antennas being able to be placed in one. or two wings.
  • the antennas distributed at different locations on the aerodyne and in different orientations are likely to provide additional information, or to secure communications through deliberate redundancies.
  • the external structural element (s) is (are) composed at least partially of a material selected from polymer reinforced with carbon fibers or CFRP (for Carbon Fiber Reinforced Polymer), polymer reinforced with Kevlar fibers or KFRP (for Kevlar Fiber Reinforced Polymer), and polymer reinforced with glass fibers or GFRP (for Glass Fiber Reinforced Polymer).
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer
  • Kevlar fibers or KFRP for Kevlar Fiber Reinforced Polymer
  • GFRP Glass Fiber Reinforced Polymer
  • the description also relates to an external aerodyne structural assembly comprising an external structural element with a lifting surface adapted to be mounted to a fuselage of an aerodyne and configured to provide the aerodyne with aerodynamic properties.
  • This external structural element comprises at least at least one external shell and is provided with at least one antenna.
  • this or these antenna (s) is (are) arranged inside the external structural element while being structurally dissociated from this or these external shell (s).
  • at least part of this or these outer shell (s) is substantially transparent to at least one range of radio frequencies, so that the antenna (s) can perform a chosen operation. among at least one reception and one emission of radio waves through this or these part (s) of the outer shell (s).
  • Such an external structural assembly can thus be produced separately by integrating therein the desired antennas in an appropriate manner, and then be fixed to an aerodyne after, for example, packaging and transport.
  • the specification also relates to a method of arranging at least one antenna in an aerodyne comprising a fuselage and at least one external structural element with an airfoil mounted to the fuselage and configured to provide the aerodyne with aerodynamic properties.
  • This external structural element comprises at least one external shell.
  • the method comprises arranging the antenna (s) inside the outer structural element in a manner structurally dissociated from the outer shell (s).
  • at least part of this or these outer shell (s) is substantially transparent to at least one range of radiofrequencies, so that this or these antenna (s) can perform a selected operation. among at least one reception and one emission of radio waves through this or these part (s) of the outer shell (s).
  • This method is advantageously suitable for producing an aerodyne conforming to any one of the embodiments above.
  • the at least one dismantling component may be an aerodyne cowl.
  • the installation step may include a step of fixing an antenna supporting structure on the fuselage.
  • the reformation step may include a step of reassembling the dismantled component (s).
  • FIG. 1 represents an airliner according to several embodiments making it possible to make it conform to an aerodyne according to the description
  • FIG. 2 is a block diagram functionally illustrating an operation with satellite communications of an aerodyne in accordance with a particular embodiment (antennas in the lower part of the dorsal fin);
  • FIG. 3 represents schematically and in a simplified manner an angular distribution of radiation from aerials in flight for an aerodyne of the type of FIG. 2;
  • FIG. 4 illustrates more precisely in cross section and in partial view an example of an arrangement of flat antennas in the lower part of the dorsal fin, corresponding to the mode of FIGS. 2 and 3;
  • FIG. 5 shows in longitudinal section and in partial view the example of FIG. 4;
  • Figure 6 shows a side view of the components of a dorsal fin assembly, in which can be installed antennas according to the example shown in Figures 4 and 5;
  • FIG. 7 shows a lower part of the dorsal fin cover at the fuselage level, called a shoe, the latter forming part of the dorsal fin assembly of FIG. 6 and being intended to place antennas in accordance with the example Figures 4 and 5;
  • FIG. 8 shows in the absence of the shoe of Figure 7 a corresponding fuselage area
  • Figure 10 shows in perspective a supporting structure configured for the positioning of antennas and intended to be installed in the fuselage area of Figures 8 and 9;
  • Figure 1 1 shows the fuselage area of Figures 8 and 9 after installation of the supporting structure of Figure 10 fixed on the support legs of Figure 9;
  • Figure 12 shows in perspective the fuselage area with supporting structure of Figure 1 1 after installation of panels for the attachment of flat antennas;
  • FIG. 13 represents in side view the fuselage zone with supporting structure equipped with the panels of FIG. 12;
  • Figure 15 is an exploded view of the array antenna block of Figure 14;
  • Figure 17 is a block diagram illustrating connections between four array antenna blocks of the type of Figures 14 and 15 in position and processing modems which may form part of the functional architecture of Figure 16;
  • FIG. 18 is a diagram of an electrical and electronic wiring harness within an aerodyne of the type of FIG. 2;
  • FIG. 19 is a photo showing an installation for testing network antennas such as for example those of FIGS. 14 and 15 in position in a shoe such as that of FIG. 7;
  • Figure 20 partially shows a variant of a supporting structure with network antenna blocks
  • FIG. 22 is a schematic illustration in cross section of different methods of installing antenna panels inside a shoe, in relation for example to FIG. 13 or to FIGS. 20 and 21;
  • Figure 23 shows schematically in cross section another method of installing antenna panels than those of Figure 22;
  • FIG. 24 is a block diagram functionally showing an aerodyne according to the embodiment of FIG. 2, with a different type of array antennas than those of the previous figures;
  • FIG. 25 is a block diagram functionally showing an aerodyne according to a particular embodiment distinct from that of FIG. 2 (antennas inside a wing on the fuselage side);
  • FIG. 26 shows a flowchart for implementing an antenna arrangement method according to the present description, in the context of an adaptation or maintenance of an operational aerodyne
  • FIG. 27 shows a flowchart for implementing an antenna arrangement method according to the present description, in the context of an aerodyne construction or transformation.
  • FIG. 1 An airplane 1 (FIG. 1), which may for example be an airliner such as that marketed under the brand A321 by the company Airbus, has an airframe including a fuselage 10 and wings 13 provided with covers 131 at their root for fixing to the fuselage 10, these cowls 1 31 being for example made of polymer reinforced with Kevlar fibers (KFRP) and contributing to the aerodynamic fairing of the wings 13 in addition to a main part 130, metallic.
  • KFRP Kevlar fibers
  • the aircraft 1 also comprises a tail unit including a dorsal fin 1 1 and horizontal stabilizers 12, the dorsal fin 1 1 being provided with cowls such as a lower cowl 1 1 1 at its zone of attachment to the fuselage 10, said shoe cover ("shoe cover” in English) a cover 1 12 at the upper end of the fin 1 1, called a "hood cover” in English, and an elongated cover in the upper part of the fin 1 1 and connecting the shoe 1 1 1 and the cap 1 12, said longitudinal cowl (“roof cover” in English), these cowls 1 1 1, 1 12 and 1 13 contributing to the aerodynamic fairing of the fin 1 1 in addition to a main part 1 10, metallic.
  • the shoe 1 1 1 and the cap 1 13 are for example made of glass fiber reinforced polymer (GFRP).
  • the aircraft 1 is particularized by the presence of one or more antennas inside the fin 11 and / or at least one of the wings 13, and more precisely inside at least one of their parts consisting of the shoe 1 1 1 and the fin cover 1 12 and the wing covers 131, as detailed below.
  • antennas can be placed for example inside the longitudinal cover 1 12 made of GFRP.
  • antennas are present at various locations of the aircraft 1 and are operated jointly, for example by combined processing of signals obtained from these antennas and / or of transmitted signals. by these antennas. It is thus possible to enrich the transmission and reception capacities, in particular in terms of range, directional coverage and / or gain.
  • an antenna 2 inside the shoe 1 1 1 of the fin 1 1 in the aircraft 1 is for example carried out as explained below in relation to FIG. 2 (multiple antennas of the type antenna 2 which can be jointly active in the shoe 1 1 1).
  • the antenna 2 is integrated in an on-board communication system 5 also comprising a modem 6, an electronic and electrical network 51 1 of the aircraft 1, and a local wireless network (called LAN for “Local Area Network”) 512.
  • LAN Local Area Network
  • the aircraft 1 communicates with a satellite 31 in reception (downlink 31 1, for example at 10 Gbit / s) and in transmission (up link 312, for example at 1 Gbit / s) , the satellite 31 being in radio link with a gateway parabolic antenna 321 on the ground, which is connected to a processing center 322 and via the latter to computer resources 323 (for example of the cloud or cloud type) and associated interfaces.
  • the possible bandwidth depends above all on the capacities of the satellite (s) in connection with the aircraft.
  • Communications between aircraft 1 and satellite 31, a block diagram of which can be seen in Figure 3, is based on the transmission capacities via antenna 2 through the shoe 1 1 1 of the fin 1 1.
  • the location of the antenna 2 can provide right 313A or left 313B sight lines (right and left being defined with respect to the direction of navigation) substantially perpendicular to the axis of the fuselage 10, and relatively wide angular radiation apertures.
  • 314A or 314B respectively on the right and on the left (the representations of the radiation being purely of principle and not accounting for effective radiation patterns).
  • a selection of active antennas can thus be carried out in particular as a function of a spatial positioning and directional of the airplane 1 with respect to communication satellites (in particular taking into account the azimuthal positions of these satellites with respect to the airplane 1).
  • Such an arrangement uses for example eight blocks of antennas including on the left four blocks of flat array antennas 21 1 B, 212B, 213B and 214B, and symmetrically on the right four blocks of array antennas plates not shown. These antennas are close in their upper part to a vertical plane of symmetry of the shoe 1 1 1, and are inclined by approximately 72 ° with respect to a horizontal plane ( Figure 4), so that they have lines of sight elevated by about 18 ° relative to the horizontal of airplane 1 perpendicular to the axis of the fuselage 10.
  • the antenna blocks 21 1 B, 212B, 213B and 214B on the left and the corresponding ones on the right are carried two by two by panels 41 1 B and 412B on the left, and symmetrically on the right 41 1 A and 412A, which give the antennas the desired inclinations ( Figure 5), and are articulated by means of hinges 42 to one or more structures not shown.
  • the panels 41 1 A, 412A, 41 1 B and 412B have dimensions in height and width of the order of 50 cm, and the antenna blocks of the right panels 41 1 A and 412A are spaced horizontally by a distance of between 45 and 50 cm (for example 47 cm, the same for the antenna blocks of the left panels 41 1 B and 412B).
  • a partition can be made between antennas for reception and transmission, the antenna blocks 21 1 B and 212B being for example used for transmission and the antenna blocks 213B and 214B for reception.
  • the distance between the antenna blocks can then make it possible to operate in full duplex mode (called "full duplex" in English terminology), avoiding interference between reception and transmission.
  • the number and / or the size of the antenna blocks can be adapted as a function of the needs and of the available space, the examples presented in the present application not being limiting.
  • a method of installing such antennas 2 inside the shoe 11 1 of an existing aircraft can be carried out for example as follows, with reference to Figures 6 to 13.
  • the shoe 1 1 1 is removably attached to the fuselage 10 and borders the main part 1 10, metal, of the dorsal fin 1 1, the longitudinal cover 1 13 being positioned on the main part 1 10 in the extension shoe 1 1 1 (figure 6).
  • the shoe has, for example, a length of about 1.20 m (along the axis of the fuselage), and is mainly made of GFRP, adhesive film and honeycomb structure.
  • the longitudinal cover 1 13 (figure 7) is removed, then the shoe 11 1 (figure 8) is removed, before fixing on the fuselage 10 (figure 9) support legs 421 ("brackets" in English, three in number in a triangle in the example shown), which will be used to fix a supporting structure 40 (FIG. 10).
  • a simple gluing of the feet 421, as shown, may prove to be satisfactory for this purpose.
  • the supporting structure 40 is configured to be fixed to the fuselage 10 on the one hand by countersunk parts 422 and on the other hand to the legs 421 respectively by fixing elements 423, and to receive panels which hold flat antennas, such as for example the panels 41 1 A, 412A, 41 1 B and 41 2B above.
  • a block of antennas 20, as shown in Figures 14 and 15, for example comprises two sub-networks 221 and 222 of 256 elements ("patches" in English), and is identical in reception or transmission.
  • This antenna block 20 can take the form of a printed circuit board or PCB (for "Printed Circuit Board”).
  • PCB for "Printed Circuit Board”
  • modem functionality is reduced to controller boards.
  • 206 for antenna control and traceability
  • the antenna block 20 also includes connectors 205, a ventilation assembly 207 (for cooling a passive metal plate) and a DC power supply brick 208.
  • the antenna block 20, and its two sub-networks 221 and 222 are multibeam, and are for example suitable for satellite communications both with satellites in geostationary earth orbit or GEO (for “Geostationary Earth Orbit”) and in low earth orbit or LEO (for "Low Earth Orbit”).
  • the block of antennas 20 has for example a length (in the direction traversing the two sub-arrays 221 and 222) of between 46 and 47 cm, a width of between 42 and 43 cm, and a depth of the order of 5 , 5 cm.
  • the assembly formed by the supporting structure 40 provided with the panels 41 1 A, 412A, 41 1 B and 412B and the antenna blocks 20 may have a relatively limited weight, for example of the order of 50 kg.
  • a radio communication system 50 cooperating with the antenna blocks such as the antenna block 20 above and installed inside the fuselage 10, for example mainly comprises the following elements, with reference to the architecture of principle shown in figure 16.
  • the radio communication system 50 includes:
  • a processing unit 71 comprising a digital signal processor or DSP (for “Digital Signal Processor”) subsystem, a processor or CPU (for “Central Processing Unit”) subsystem, a direct access controller to the memory or DMA (for "Direct Memory Access”) and an external memory controller,
  • DSP Digital Signal Processor
  • CPU for “Central Processing Unit”
  • DMA Direct Memory Access
  • MAC layer for "Medium Access Control”
  • MAC layer for "Medium Access Control”
  • buses 74 interconnecting all the elements of the radio communication system 50.
  • the modem part 60 more specifically comprises a demodulation sub-part 601 (with parallel demodulation units) and a modulation sub-part 602, the demodulation being associated in reception upstream with analog-to-digital converters 603 and downstream with modules 605. for extracting data from transport trains by, in particular, decapsulation, and the modulation being associated in transmission upstream with modules 606 for preparing transport trains by, in particular, encapsulation and downstream with digital-to-analog converters 604.
  • the signals transmitted and received by the radio communication system 50 via the modem part 60 are for example satellite signals conforming to the DVB-S2 standard (standing for “Digital Video Broadcasting” - second generation for satellite broadcasting).
  • the antenna blocks 20 and the modem part 60 can in particular be configured for transmissions in Ku and / or Ka bands.
  • the antenna blocks 20 are configured to receive and transmit in the Ku band, between 10.7 and 12.7 GHz in reception and between 14 and 14.5 GHz in transmission, with a transmission efficiency of around 80%.
  • these antenna blocks 20 have in transmission an equivalent effective radiated power or EIRP (for "Effective Isotropy Radiated Power") of 32 dBW and in reception have a performance factor G / T (gain over noise temperature). of 3 db / K.
  • EIRP effective radiated power
  • antenna blocks 20 and modem part 60 can be configured to perform beamforming (also called beamforming) with phase and gain adjustment for each path, thereby providing multibeam capabilities. For example, up to 32 separate beams can be generated and up to 32 separate beams can be processed (32 signal inputs and 32 signal outputs), with a simultaneously processed signal bandwidth of 880 MHz (split between channels) . In other examples, up to 16 beams, or up to 8 beams can be processed.
  • beamforming also called beamforming
  • phase and gain adjustment for each path thereby providing multibeam capabilities.
  • up to 32 separate beams can be generated and up to 32 separate beams can be processed (32 signal inputs and 32 signal outputs), with a simultaneously processed signal bandwidth of 880 MHz (split between channels) .
  • up to 16 beams, or up to 8 beams can be processed.
  • the antenna blocks 20 can use components developed by the company SatixFy such as a specialized integrated circuit or ASIC (for “Application Specifies Integrated Circuit”) for an active flat array antenna, marketed under the trademark “ PRIME ”, and an integrated component for radio frequencies or RFIC (for“ Radio Frequency Integrated Circuit ”), interfaced between a phased array antenna and a“ PRIME ”ASIC and acting as a front module, marketed under the brand“ BEAT ” .
  • ASIC Application Specifies Integrated Circuit
  • PRIME Radio Frequency Integrated Circuit
  • the antenna blocks 20 provided to be arranged inside the shoe 1 1 1 are connected in series to two modems 621 and 622 provided to be placed inside the fuselage 10.
  • an electronic and electrical wiring harness between the antennas 2 arranged inside the shoe 1 1 1 and the functions present inside the fuselage 10 may for example, as in figure 18, comprise an electronic path 51 for routing to one or more modems 62 (for example modems 621 and 622 above) and an electrical path 52 to a power supply electric 53 on the front of the device.
  • the wiring path can for example pass through ceilings.
  • the power supply can be divided into several cables (for example four) in order to avoid too high amperage. Maximum values of around 12.5 A for amperage and 28 V direct current for voltage are, for example, observed.
  • FIG. 20 and 21 and referenced 43 Another embodiment of a supporting structure than that explained above, shown schematically in Figures 20 and 21 and referenced 43, comprises two tilted right 431 A and left 431 B panels, joined in their upper part and arranged symmetrically with respect to a plane vertical in the axis of the fuselage 10.
  • the supporting structure 43 is designed to receive four blocks of antennas of the type 20 described above, including two blocks of antennas 215A and 216A on the right panel 431 A, and two blocks of '215B and 216B antennas on the left panel 431 B.
  • a supporting structure of this type can be produced according to the present description, depending on the angles of inclination of such panels 431 A and 431 B with respect to the horizontal.
  • principle illustrations show in Figure 22, in position inside the shoe 1 1 1, a supporting structure 441 with tilt angles of 45 °, a supporting structure 442 with tilt angles of 60 °, and suggest various intermediate inclinations of 48 °, 50 °, 52 °, 54 °, 56 ° and 58 ° respectively.
  • a supporting structure comprises a mechanism, for example based on notches or hooks, which makes it possible to adjust the inclination of the panels at different angles.
  • This embodiment can be particularly advantageous for use in series of the same model of supporting structure, because it allows flexible adaptation of the configuration of this structure with several types of aerodynes, external structural elements chosen for the positioning of the antennas, categories of antennas, or radio communications applications.
  • a supporting structure 45 has for its right panel 451 A and its left panel 451 B inclination angles of 70 °.
  • a block of antennas 23 comprises on the right a flat array antenna 231 extended to the right, and to the left, a substantially square flat array antenna 232 and smaller in size than the array antenna 231 and spaced therefrom.
  • the network antennas 231 and 232 are provided respectively for the reception and the transmission of radio waves, the reception being more demanding in performance than the transmission.
  • the space between the antennas 231 and 232 helps prevent interference between transmission and reception in full duplex operation.
  • antennas 2 are arranged inside 'at least one of the cowls 131 of the wings 13 in the vicinity of the fuselage 10.
  • the antennas 2 are connected to one or more modems 6 dedicated to the combined processing of the corresponding signals.
  • the antennas operated in this configuration are advantageously small in size, compared to those that can be installed inside a fin as discussed above.
  • the radio communication systems 50 cooperating with the antenna blocks 2 can take any suitable form known to a person skilled in the art to perform the functions mentioned and produce the effects or results mentioned. They may in particular include devices, components, or physical parts of device (s) or component (s), which these parts be grouped together in the same machine or in separate machines, which can be separated within the aerodyne considered. Furthermore, the signal processing functionalities can be performed in the form of hardware, software, firmware (also called firmware), or any mixed form thereof.
  • the antennas 2 can for their part be arranged in any relevant area of the aircraft or in several of them, and the corresponding signals can be processed separately or jointly by means of the radio communication systems 50 in all technically feasible ways to achieve the functions mentioned and to produce the effects or results mentioned.
  • a method of arranging 81 a set of antennas in an existing aerodyne can be implemented either during an initial installation operation or in a subsequent maintenance or updating operation.
  • Such a method 81 comprises for example the following steps, illustrated in FIG. 26:
  • step 811 disassembly of at least one component (such as a cover) from an external structural element with a bearing surface;
  • step 812 placing the set of antennas in an area cleared by the dismantling of step 81 1, for example by fixing an antenna supporting structure on the fuselage;
  • step 813 of an electronic and electrical harness connecting the antenna assembly to a radio communication system and to a power supply inside the fuselage;
  • step 814 of the external structural element, for example by reassembling the dismantled component (s), so as to cover the set of antennas in place.
  • a method of arranging 82 a set of antennas in an aerodyne under construction can be implemented separately in an external structural element with an airfoil before connection to the fuselage.
  • Such a method 82 comprises for example the following steps, illustrated in FIG. 27:
  • step 821 clearing a placement area within the outer structural member, configured to receive at least one component (such as a cover) of that member;
  • step 822 placement of the set of antennas in this open area, for example by fixing an antenna supporting structure, and covering the set of antennas by placing the one or more components;
  • step 824 of the outer structural member to a fuselage, during aerodyne construction operations
  • Such an installation of antennas upstream in elements intended for the construction of aerodynes is particularly advantageous, because it makes it possible to implement mass productions, for example of wings or fins, which can then be the subject of distribution or export to remote locations. It is thus possible to rationalize manufacturing and reduce fixed costs, while centralizing corresponding expertise.
  • antennas radio communication systems, and placement configurations in external airfoil airfoil structural elements can also be developed while preserving the functionality discussed.
  • the selection of these entities is advantageously carried out jointly, taking into account their interactions and the desired purposes.
  • positioning and the orientation of the antennas can be determined by means of supporting structures as a function of the number, capacities and types of operation, and of the possibly combined processing (in transmission and / or in reception) of these antennas.
  • the antennas and radio communication systems described in the description are dedicated to satellite transmissions, they can also consist of antennas of radio communication systems configured for terrestrial transmissions, for example provided for receptions and transmissions. in 4G and / or 5G, particularly useful in particular when the aerodyne is on a tarmac.
  • the joint presence of antennas intended for satellite and terrestrial transmissions in an aerodyne can be of particular interest.
  • Other types of antennas than flat antennas and / or arrays can also be used.
  • antennas in addition to the installation of antennas inside a shoe or a fin cap, or a wing cover at the level of their root for attachment to the fuselage, those- these can also be installed, for example (exclusively or in combination with some of the above arrangements) inside other parts of external structural elements having the desired transparency to the radio waves to be received or transmitted (longitudinal fin cover , horizontal stabilizer cowl, etc.). It may then be appropriate to provide an appropriate harness for electronic and electrical connections, or other means fulfilling similar functions.
  • the antenna blocks are provided with a set of processing capabilities, particularly in terms of modems, which significantly reduce or make unnecessary additional processing performed remotely inside the fuselage.
  • antenna-carrying structures have been detailed in the description. However, all kinds of other supporting structures can be used, including mobile structures which can give the antennas orientations and / or positions that vary over time, in particular by remote control or prior programming.
  • the supporting structures offer advantageously the possibility of applying to the antennas positions and / or orientations inside the external structural element with a supporting surface, without these positions and / or orientations being dictated by the external shell of the external structural element.
  • Such a configuration can be implemented during the initial installation and / or during maintenance operations.
  • the supporting structures are fixed to the fuselage and have no direct structural link with the external structural element which surrounds them.
  • the supporting structures have at least one connection with this external structural element, which can in particular form one or more complete links and / or pivot links.
  • the supporting structures can be fixed and have adjustable flaps or panels, arms and / or fixing notches, making it possible to flexibly decide the position and orientation of the carried antennas, for example according to the capacities and the number of these and the missions to be carried out.

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Abstract

Un procédé d'agencement (81) d'un ensemble d'antennes apte à émettre ou recevoir dans une gamme de radiofréquence dans un aérodyne existant mis en œuvre soit au cours d'une opération initiale d'installation, soit dans une opération ultérieure de maintenance ou d'actualisation, le dit procédé (81) comprend les étapes de : démontage (811) d'au moins un composant d'un élément structurel externe à la surface portante de l'aérodyne existant, le composant étant substantiellement transparent à la gamme de radiofréquence; mise en place (812) de l'ensemble d'antennes dans une zone dégagée par le démontage de l'étape (811); ajustement (813) d'un harnais électronique et électrique connectant l'ensemble d'antennes à un système de communication radio et à une alimentation électrique à l'intérieur du fuselage; reformation (814) de l'élément structurel externe de manière à recouvrir l'ensemble d'antennes mis en place.

Description

DESCRIPTION
TITRE : AÉRODYNE AVEC ANTENNE ET PROCÉDÉ D’AGENCEMENT
ASSOCIÉ Domaine Technique
La présente invention concerne un aérodyne comprenant une ou plusieurs antennes, ainsi qu’un assemblage structurel externe et un procédé d’agencement correspondants. Elle s’applique en particulier à des aérodynes à voilure fixe, tels qu’avions ou planeurs.
État de la technique
La présence d’antennes dans des aérodynes s’avère nécessaire ou utile pour de multiples fonctions de communications, incluant l’acquisition d’informations requises pour le bon déroulement du vol et la transmission de données relatives au parcours effectué. Parmi ces fonctions, la connectivité d’aéronefs peut également permettre de procurer une connexion Internet, en particulier par WiFi (pour « Wireless Fidelity »), aux passagers et à l’équipage.
Un aspect important relatif aux antennes consiste en leur positionnement. Il est notamment connu de disposer des systèmes de radômes en partie supérieure de l’aérodyne, sur le fuselage. De telles dispositions ont cependant pour inconvénient d’augmenter la traînée de l’aérodyne, donc la consommation de carburant. De plus, des mises au point mécaniques et aérodynamiques substantielles sont requises, au prix d’investissements en temps et en budget. Typiquement, plusieurs journées sont ainsi nécessaires pour installer une antenne selon ces solutions, en s’appuyant sur une main d’œuvre hautement qualifiée. Au surplus, une autorisation de vol n’est acquise que sous conditions d’analyses et de tests satisfaisants. La maintenance d’antennes correspondantes, fréquemment rendue nécessaire par des environnements de navigation difficiles (vibrations, température, contraintes mécaniques...), requiert par ailleurs une longue immobilisation des aérodynes, accroissant ainsi les coûts de revient dans la durée. Il est également connu de disposer un radar dans un cône de nez d’aérodyne, faisant office de radôme, afin de détecter des objets ou des conditions météorologiques. Un tel système fournit cependant des informations limitées à une vue avant, et n’est pas adapté par exemple à des communications avec des satellites ou des relais terrestres.
D’autres réalisations proposées reposent sur un couplage d’antennes avec des ailes d’aéronefs. Ainsi, la demande de brevet GB-2169866 A (inventeur : R. S. Fitzpatrick) divulgue une capsule de radôme fixée de manière rétractile sous une aile d’aéronef et abritant un radar en mode S. Une telle réalisation met cependant en oeuvre des mécanismes qui nécessitent des installations demandeuses en temps et en précision, et une maintenance relativement fréquente. De plus, en mode déployé, elle impacte l’aérodynamisme de l’aéronef. Qui plus est, son positionnement la rend surtout efficace pour des communications avec des antennes terrestres, mais peu adaptée pour des communications satellites.
La demande de brevet CN 103887605 (inventeurs Zhou Jinzhu et al.) décrit quant à elle une aile d’aéronef incorporant des antennes réseaux (également qualifiées de réseaux d’antennes, « antenna arrays » en terminologie anglo- saxonne). Plus précisément, l’aile comporte une structure centrale bornée par un revêtement supérieur et un revêtement inférieur définissant ses surfaces externes, chacun de ces revêtements incluant une couche centrale de circuit de radiofréquence encadrée par des couches thermiquement isolante en nids d’abeille et par des panneaux supérieur et inférieur. La couche centrale inclut une antenne réseau.
Cette réalisation d’aile avec antenne intégrée rend possibles à la fois une réduction de poids et une préservation des performances aérodynamiques de l’aéronef qui en est équipé. Elle a cependant pour inconvénients des exigences contraignantes sur le positionnement antenne, étroitement lié à la configuration de l’aile, et une forte exposition à des sollicitations externes.
Résumé Le présent descriptif a en particulier pour objet de surmonter les difficultés et inconvénients mentionnés plus haut avec les systèmes existants d’antennes pour aérodynes.
Ses champs d’applications potentiels s’étendent aux communications satellites, mais également aux réseaux terrestres, et sont susceptibles d’offrir diverses possibilités d’émission et/ou réception, notamment à des fins de connectivité orientée loisirs.
Dans des modes particuliers, l’invention rend possible une mise en place rapide et simplifiée, une réalisation économique, une maintenance réduite, une préservation des propriétés aérodynamiques de l’aérodyne et/ou une bonne fiabilité de communications par ondes radio.
A cet effet, le descriptif a pour objet un aérodyne comprenant un fuselage et au moins un élément structurel externe à surface portante (dit de type « airfoil » en anglais) monté au fuselage et configuré pour assurer à l’aérodyne des propriétés aérodynamiques. Cet élément structurel externe comprend au moins une coque externe et est pourvu d’au moins une antenne.
Selon le descriptif, la ou les antenne(s) sont disposée(s) à l’intérieur de l’élément structurel externe en étant structurellement dissociée(s) de la ou des coque(s) externe(s). De plus, au moins une partie de ces coques externes est substantiellement transparente à au moins une gamme de radiofréquences, de façon à ce que la ou les antenne(s) puisse(nt) effectuer une opération choisie parmi au moins une réception et une émission d’ondes radio à travers cette ou ces partie(s) de la ou des coque(s) externe(s).
Un tel élément structurel externe à surface portante peut consister en particulier en une aile ou en une pièce d’empennage - pour cette dernière, la surface portante se manifeste de manière substantielle en cas de perturbation d’équilibre au regard d’un vol de croisière stable, et a une incidence faible ou négligeable sinon. Il peut ainsi s’agir notamment d’une dérive dorsale également appelée stabilisateur vertical (stabilisation en lacet) ou d’un stabilisateur horizontal (stabilisation en tangage).
L’élément structurel externe correspond avantageusement à une partie fixe de l’aérodyne, ce qui permet de faciliter une stabilité d’orientation d’antenne. L’aérodyne est donc avantageusement à voilure fixe. L’élément structurel externe peut cependant aussi consister en une partie fixe d’un aérodyne à voilure tournante, telle que par exemple une queue ou éventuellement une aile fixe d’hélicoptère.
Par « élément structurel externe à surface portante », on entend un ensemble structurel formant une unité aérodynamique, quelles que soient la composition ou la multiplicité des éléments qui la constituent. Par exemple, un tel élément structurel peut éventuellement inclure une dérive verticale comprenant une structure principale, ainsi que des capots inférieur, longitudinal et supérieur de cette structure principale.
La coque externe (ou les coques externes) définit (définissent) au moins une partie des contours de l’élément structurel, c’est-à-dire son interface avec l’espace environnant l’aérodyne, notamment avec l’atmosphère ambiante. Par « coque externe », on entend ainsi la partie périphérique de cet élément structurel, délimitée d’une part par une surface externe interfaçant l’élément structurel externe avec l’espace environnant l’aérodyne, et d’autre part par une surface interne sensiblement parallèle à la surface externe et proche de cette surface externe. Par « proche », on entend qu’une distance entre les surfaces externe et interne (dite épaisseur de la coque) est petite par rapport aux dimensions surfaciques, et par exemple inférieure à 15 % des deux dimensions surfaciques de la surface externe, et dans des réalisations particulières inférieure à 10 %, à 5 % et à 2 % de ces dimensions surfaciques. La coque externe peut avoir des propriétés structurelles communes le long de son épaisseur, au sens où indépendamment notamment de gradients de contraintes, de déformations ou de températures au long de l’épaisseur (variations de propriétés mécaniques ou thermiques), des mouvements ou des inclinaisons de la surface externe correspondent sensiblement à des mouvements ou des inclinaisons correspondants de la surface interne et de l’ensemble de la partie intermédiaire.
Par antenne « structurellement dissociée » de la coque externe, on entend que l’antenne disposée à l’intérieur de l’élément structurel externe est associée à une structure distincte de la coque externe, sans être unie solidairement à la coque externe par exemple par incorporation ou accolement. L’antenne relève ainsi d’une structure à part et autonome au regard de cette coque externe. Elle peut avantageusement être en particulier mobile en éloignement et/ou inclinaison par rapport à cette dernière, au moins pour son installation et sa maintenance.
Par contraste, dans une aile d’avion telle que par exemple divulguée dans la demande de brevet CN 103887605, l’antenne réseau forme avec les couches en nids d’abeille et les panneaux inférieur et supérieur qui la bordent une structure unique de coque externe composite constituant le revêtement supérieur ou le revêtement inférieur, et sont indissociablement liés structurellement. En particulier, des modifications de courbure d’un des panneaux ou d’une des couches en nids d’abeille se répercutent sur la forme, le positionnement et l’orientation de l’antenne réseau disposée en sandwich entre les couches en nids d’abeille et les panneaux.
La configuration de la présente description peut être particulièrement avantageuse, puisqu’elle autorise un positionnement et une orientation de l’antenne déconnectés des contours de l’élément structurel externe. Ceci offre potentiellement une grande flexibilité de mise en oeuvre, qui peut s’avérer précieuse pour assurer une bonne connectivité radio avec notamment des satellites.
Cette configuration peut également offrir l’avantage de permettre une meilleure protection de l’antenne vis-à-vis de sollicitations extérieures, liées par exemple à des conditions atmosphériques difficiles, à d’importants écarts de températures, ou à des chocs ou micro-impacts.
Qui plus est, la dissociation structurelle de l’antenne et de la coque externe est susceptible de faciliter considérablement les opérations de mise en place et de maintenance.
La disposition d’antennes au sein-même d’un élément structurel externe à surface portante et avec dissociation structurelle par rapport à la coque externe peut s’avérer surprenante pour une personne du métier. Elle va en effet à l’encontre d’impératifs en apparence antagonistes de bonne tenue aérodynamique de la surface portante et de transmission efficace des ondes radio. De fait, les éléments structurels externes à surface portante comportent généralement des parties perturbatrices pour la circulation des ondes, notamment métalliques, de sorte que les seules solutions réalisables pour les associer à des antennes pourraient apparaître comme un positionnement externe ou une intégration en surface - au prix des inconvénients mentionnés plus haut.
Or une caractéristique remarquable de l’aérodyne du descriptif est qu’au moins une partie des coques externes est substantiellement transparente à au moins une gamme de radiofréquences, de façon à ce que les antennes puissent recevoir et/ou émettre des ondes radio à travers cette ou ces partie(s) des coques externes.
Il est ainsi possible, dans des réalisations particulières, de préserver les qualités aérodynamiques de l’aérodyne, qui font souvent l’objet de mises au point complexes et coûteuses, tout en bénéficiant d’une grande efficacité d’émission et de réception des antennes, y compris en termes directionnels. En préservant les qualités aérodynamiques, il est en particulier possible de limiter l’impact de la traînée et ainsi de réduire la consommation de carburant. En disposant les antennes à l’intérieur de l’élément structurel externe à surface portante, on peut par ailleurs éventuellement protéger les antennes de perturbations dues à des équipements électriques existants.
Les parties des coques externes concernées par la transparence substantielle peuvent être constituées de matériaux appropriés à cet effet, faisant corps avec d’autres pièces par exemple métalliques au sein de l’élément structurel externe. Il peut s’agir par exemple d’un capot ou d’un capuchon d’une aile ou d’une dérive.
La ou les gamme(s) de radiofréquences auxquelles les parties des coques externes sont substantiellement transparentes incluent dans certains modes au moins une des bandes Ku (typiquement entre 12 et 18 GHz) et Ka (typiquement entre 26,5 et 40 GHz).
Dans d’autres modes, qui peuvent être combinés avec les précédents pour les mêmes parties ou d’autres parties, la ou les gamme(s) de radiofréquences auxquelles les parties des coques externes sont substantiellement transparentes incluent au moins une bande de fréquences de réseau cellulaire, par exemple utilisées pour des communications en technologie 4G ou 5G.
Différents moyens d’accéder aux antennes disposées à l’intérieur de l’élément structurel externe, en particulier pour des opérations de maintenance ou d’actualisation, peuvent être prévus. Dans certaines réalisations, l’élément structurel externe est monté au fuselage de manière amovible. Dans d’autres réalisations, une ou plusieurs parties de l’élément structurel externe sont amovibles, et les antennes sont accessibles par enlèvement de cette ou ces parties. Dans des variantes, des trappes ou volets d’accès aux antennes sont prévues dans l’élément structurel externe.
Dans des réalisations avantageuses, l’élément structurel externe comprend au moins un espace libre entre la ou les antenne(s) et la ou les coque(s) externe(s).
Un tel espace libre peut notamment servir à ajuster de manière flexible le positionnement ou l’orientation des antennes, lors de la mise en place de ces dernières ou au cours d’opérations de maintenance.
Dans des configurations particulières :
au moins une des antennes est séparée de la surface interne de la coque externe d’au moins 3 fois l’épaisseur de la coque externe, et dans des réalisations plus spécifiques, d’au moins 5 fois, au moins 10 fois ou au moins 20 fois cette épaisseur ;
au moins une des antennes est séparée de la surface interne de la coque externe d’au moins 5 cm, et dans des réalisations plus spécifiques, d’au moins 10 cm, au moins 15 cm ou au moins 20 cm ;
au moins une des antennes a une inclinaison qui diffère d’au moins 10° d’une inclinaison de la surface interne la plus proche de la coque externe, et dans des réalisations plus spécifiques, d’au moins 15°, au moins 20° ou au moins 30° ; l’inclinaison de la surface interne est définie par une perpendiculaire à cette surface, et l’inclinaison de l’antenne par la ligne de visée principale de l’antenne, ou si l’antenne est plate, par une perpendiculaire au plan de cette antenne. Selon des modes particuliers, l’aérodyne comprend au moins une structure de support portant la ou les antenne(s), cette ou ces structure(s) de support étant disposée(s) à l’intérieur de l’élément structurel externe en étant structurellement dissociée de la ou des coque(s) externe(s).
Une telle structure de support peut notamment être fixée au fuselage, par exemple par collage.
Selon des modes particuliers, l’aérodyne comprend au moins un modem coopérant avec la ou les antenne(s) et disposé à l’intérieur de l’élément structurel externe.
Le(s) modem(s) et la (les) antenne(s) peuvent alors être intégrés sur au moins une même carte. Dans une variante, le modem est disposé à part au regard de l’antenne avec laquelle il coopère, et peut être utilisé de manière centralisée pour plusieurs antennes positionnées à des endroits distincts et avec le cas échéant des orientations différentes.
Dans des modes de réalisation, l’aérodyne ayant un plan horizontal (pouvant être défini par exemple comme un plan perpendiculaire à un plan vertical de symétrie par rapport aux ailes), l’antenne considérée est orientée avec un angle d’inclinaison compris entre 45° et 70° par rapport à ce plan horizontal, et dans des mises en oeuvre particulières entre 67° et 68°, et plus spécifiquement encore entre 67,4° et 67,6°.
Par angle d’inclinaison de l’antenne, on entend l’angle entre une ligne de visée de référence de l’antenne et la verticale (un angle de 0° correspondant donc à un positionnement horizontal d’une antenne plate).
Dans des modes de réalisation, les antennes sont au moins au nombre de deux et l’aérodyne comprend un ou plusieurs multiplexeur(s) configuré(s) pour multiplexer des signaux respectivement obtenus en provenance de ces antennes.
Dans certains modes, la ou les antenne(s) inclut (incluent) au moins une antenne de transmission et au moins une antenne de réception, ces antennes de transmission et de réception étant disposées sur une même carte et étant espacées de façon à éviter des interférences croisées en mode duplex intégral. Dans des réalisations avantageuses, au moins une des antennes est une antenne réseau, celle-ci pouvant être notamment à commande de phase. Dans des réalisations particulières, qui peuvent être combinées avec les précédentes, au moins une des antennes est une antenne plate.
Dans des modes avantageux, la ou les antennes sont électroniquement orientables. L’absence de partie mécanique rotative pour les antennes rend possible une diminution des risques de pannes et des besoins de maintenance.
Dans un premier type de choix de positionnement des antennes, l’élément structurel externe est une dérive dorsale et la ou les antenne(s) sont disposées dans une partie inférieure de cette dérive dorsale.
Dans un deuxième type de choix de positionnement des antennes, l’élément structurel externe est une dérive dorsale et la ou les antenne(s) sont disposées dans une partie supérieure de cette dérive dorsale.
Dans un troisième type de choix de positionnement des antennes, l’élément structurel externe est une aile.
Ces réalisations portant sur le positionnement des antennes peuvent être combinées de toutes les façons possibles, certaines antennes pouvant par exemple être disposées dans la dérive dorsale, en partie haute et/ou basse, et/ou d’autres antennes pouvant l’être dans une ou deux ailes. Notamment, les antennes réparties à différents endroits de l’aérodyne et selon différentes orientations sont susceptibles de fournir des informations complémentaires, ou de sécuriser les communications par des redondances délibérées.
Dans des modes particuliers, le ou les élément(s) structurel(s) externe(s) est (sont) composé(s) au moins partiellement d’un matériau sélectionné parmi du polymère renforcé de fibres de carbones ou CFRP (pour Carbon Fiber Reinforced Polymer), du polymère renforcé de fibres de Kevlar ou KFRP (pour Kevlar Fiber Reinforced Polymer), et du polymère renforcé de fibres de verre ou GFRP (pour Glass Fiber Reinforced Polymer).
Le descriptif a aussi pour objet un assemblage structurel externe d’aérodyne comprenant un élément structurel externe à surface portante adapté à être monté à un fuselage d’un aérodyne et configuré pour assurer à l’aérodyne des propriétés aérodynamiques. Cet élément structurel externe comprend au moins au moins une coque externe et est pourvu d’au moins une antenne. Selon le descriptif, cette ou ces antenne(s) est (sont) disposée(s) à l’intérieur de l’élément structurel externe en étant structurellement dissociée(s) de cette ou ces coque(s) externe(s). De plus, au moins une partie de cette ou ces coque(s) externe(s) est substantiellement transparente à au moins une gamme de radiofréquences, de façon à ce que le ou les antenne(s) puisse(nt) effectuer une opération choisie parmi au moins une réception et une émission d’ondes radio à travers cette ou ces partie(s) de la ou des coque(s) externe(s). Un tel assemblage structurel externe peut ainsi être réalisé séparément en y intégrant les antennes souhaitées de manière appropriée, et être ensuite fixé à un aérodyne après par exemple conditionnement et transport.
Avantageusement, il est adapté à un aérodyne conforme à l’un quelconque des modes de réalisation exposées plus haut.
Le descriptif concerne également un procédé d’agencement d’au moins une antenne dans un aérodyne comprenant un fuselage et au moins un élément structurel externe à surface portante monté au fuselage et configuré pour assurer à l’aérodyne des propriétés aérodynamiques. Cet élément structurel externe comprend au moins une coque externe.
Selon le descriptif, le procédé comprend l’agencement de la ou des antenne(s) à l’intérieur de l’élément structurel externe de manière structurellement dissociée de la ou des coque(s) externe(s). De plus, au moins une partie de cette ou ces coque(s) externe(s) est substantiellement transparente à au moins une gamme de radiofréquences, de façon à ce que cette ou ces antenne(s) puisse(nt) effectuer une opération choisie parmi au moins une réception et une émission d’ondes radio à travers cette ou ces partie(s) de la ou des coque(s) externe(s).
Ce procédé est avantageusement adapté à réaliser un aérodyne conforme à l’un quelconque des modes de réalisations ci-dessus.
Le descriptif concerne également un procédé d’agencement d’un ensemble d’antennes apte à émettre ou recevoir dans une gamme de radiofréquence dans un aérodyne existant mis en oeuvre soit au cours d’une opération initiale d’installation, soit dans une opération ultérieure de maintenance ou d’actualisation, le dit procédé comprenant les étapes de :
démontage d’au moins un composant d’un élément structurel externe à la surface portante de l’aérodyne existant, le composant étant substantiellement transparent à la gamme de radiofréquence ; mise en place de l’ensemble d’antennes dans une zone dégagée par le démontage de l’étape; ajustement d’un harnais électronique et électrique connectant l’ensemble d’antennes à un système de communication radio et à une alimentation électrique à l’intérieur du fuselage ; reformation de l’élément structurel externe de manière à recouvrir l’ensemble d’antennes mis en place.
L’au moins un composant de démontage peut être un capot de l’aérodyne. L’étape de mise en place peut comprendre une étape de fixation d’une structure porteuse d’antennes sur le fuselage. L’étape de reformation peut comprendre une étape de remontage du ou des composants démontés.
Présentation des figures
L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lumière de la description ci-après d’exemples de réalisation, donnée à titre non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :
[Fig. 1 ] la figure 1 représente un avion de ligne selon plusieurs modes de réalisation permettant de le rendre conforme à un aérodyne selon le descriptif
[Fig. 2] la figure 2 est un schéma de principe illustrant fonctionnellement une exploitation avec communications satellite d’un aérodyne conforme à un mode de réalisation particulier (antennes en partie basse de dérive dorsale) ;
[Fig. 3] la figure 3 représente schématiquement et de manière simplifiée une distribution angulaire de rayonnement d’antennes en vol pour un aérodyne du type de la figure 2 ;
[Fig. 4] la figure 4 illustre plus précisément en coupe transversale et en vue partielle un exemple de disposition d’antennes plates en partie basse de dérive dorsale, correspondant au mode des figures 2 et 3 ; [Fig. 5] la figure 5 montre en coupe longitudinale et en vue partielle l’exemple de la figure 4 ;
[Fig. 6] la figure 6 représente en vue latérale des composantes d’un ensemble de dérive dorsale, dans lequel peuvent être installées des antennes conformément à l’exemple illustré sur les figures 4 et 5 ;
[Fig. 7] la figure 7 montre une pièce inférieure de recouvrement de dérive dorsale au niveau fuselage, appelée sabot, ce dernier faisant partie de l’ensemble de dérive dorsale de la figure 6 et étant prévu pour mettre en place des antennes conformément à l’exemple des figures 4 et 5 ;
[Fig. 8] la figure 8 montre en l’absence de sabot de la figure 7 une zone de fuselage correspondante ;
[Fig. 9] la figure 9 montre la zone de fuselage de la figure 8 après fixation de pieds de support par collage ;
[Fig. 10] la figure 10 représente en perspective une structure porteuse configurée pour le positionnement d’antennes et prévue pour être installée dans la zone de fuselage des figures 8 et 9 ;
[Fig. 1 1 ] la figure 1 1 montre la zone de fuselage des figures 8 et 9 après mise en place de la structure porteuse de la figure 10 fixée sur les pieds de support de la figure 9 ;
[Fig. 12] la figure 12 montre en perspective la zone de fuselage avec structure porteuse de la figure 1 1 après mise en place de panneaux destinés à la fixation d’antennes plates ;
[Fig. 13] la figure 13 représente en vue latérale la zone de fuselage avec structure porteuse équipée des panneaux de la figure 12 ;
[Fig. 14] la figure 14 montre un exemple de bloc d’antennes réseaux pouvant être utilisé pour un aérodyne selon le descriptif, et plus précisément en positionnement dans des panneaux de structure porteuse telle que ceux des figures 12 et 13 ;
[Fig. 15] la figure 15 est une vue éclatée du bloc d’antennes réseaux de la figure 14 ;
[Fig. 16] la figure 16 montre une architecture fonctionnelle de communications radio, pouvant être utilisée notamment en combinaison avec un ou plusieurs blocs d’antennes réseaux des figures 14 et 15 dans un aérodyne conforme au descriptif ;
[Fig. 17] la figure 17 est un schéma de principe illustrant des connexions entre quatre blocs d’antennes réseaux du type des figures 14 et 15 en position et des modems de traitement pouvant faire partie de l’architecture fonctionnelle de la figure 16 ;
[Fig. 18] la figure 18 schématise un harnais de câblage électrique et électronique au sein d’un aérodyne du type de la figure 2 ;
[Fig. 19] la figure 19 est une photo montrant une installation de test d’antennes réseaux telles que par exemple celles des figures 14 et 15 en position dans un sabot tel que celui de la figure 7 ;
[Fig. 20] la figure 20 montre partiellement une variante d’une structure porteuse avec blocs d’antennes réseaux ;
[Fig. 21 ] la figure 21 représente schématiquement en vue de haut la structure porteuse avec blocs d’antennes réseaux de la figure 20, en position dans un sabot tel que par exemple celui de la figure 7 ;
[Fig. 22] la figure 22 est une illustration de principe schématisant en coupe transversale différents modes d’installation de panneaux d’antennes à l’intérieur d’un sabot, en relation par exemple avec la figure 13 ou les figures 20 et 21 ;
[Fig. 23] la figure 23 montre schématiquement en coupe transversale un autre mode d’installation de panneaux d’antennes que ceux de la figure 22 ;
[Fig. 24] la figure 24 est un schéma de principe montrant fonctionnellement un aérodyne conforme au mode de réalisation de la figure 2, avec un autre type d’antennes réseaux que celles des précédentes figures ;
[Fig. 25] la figure 25 est un schéma de principe montrant fonctionnellement un aérodyne conforme à un mode de réalisation particulier distinct de celui de la figure 2 (antennes à l’intérieur d’une aile côté fuselage) ;
[Fig. 26] la figure 26 présente un organigramme de mise en oeuvre d’un procédé d’agencement d’antenne selon la présente description, dans le cadre d’une adaptation ou de la maintenance d’un aérodyne opérationnel ; [Fig. 27] la figure 27 présente un organigramme de mise en œuvre d’un procédé d’agencement d’antenne selon la présente description, dans le cadre d’une construction ou d’une transformation d’aérodyne.
Sur les figures, des éléments identiques ou similaires sont désignés par les mêmes références. De plus, les suffixes « A » et « B » utilisés pour des références spécifient conventionnellement des éléments comme étant situées respectivement du côté droit ou gauche d’un aérodyne dans le sens de navigation.
Description détaillée de modes de réalisation
La présente description illustre les principes exposés de telle sorte qu’une personne du métier est en mesure de concevoir diverses modalités qui, bien que non explicitement décrites ou montrées, incorporent les principes du descriptif et sont incluses dans son esprit et sa portée.
Tous les exemples et le langage conditionnel exposés ici ont des fins explicatives pour aider le lecteur à comprendre les principes du descriptif et les concepts développés par les inventeurs pour étendre l’état de l’art, et doivent être interprétés comme n’étant pas restreints à de tels exemples et conditions spécifiquement décrits.
De plus, toutes les mentions récitant des principes, aspects et modes de réalisation du descriptif, aussi bien que des exemples spécifiques correspondants, ont vocation à en couvrir à la fois des équivalents structurels et fonctionnels. De tels équivalents ont également vocation à inclure à la fois des équivalents connus et des équivalents qui seront développés dans l’avenir, à savoir tous éléments développés qui remplissent la même fonction, indépendamment de leur structure.
Ainsi, par exemple, une personne du métier appréciera que les schémas blocs présentés ici fournissent des vues conceptuelles incorporant les principes du descriptif. Les termes « adapté pour » et « configuré pour » sont utilisés dans le présent descriptif comme couvrant de manière large une configuration initiale, une adaptation ultérieure, un complément, ou toute combinaison de ces derniers. Un avion 1 (figure 1 ), pouvant être par exemple un avion de ligne tel que celui commercialisé sous la marque A321 par la société Airbus, a une cellule incluant un fuselage 10 et des ailes 13 pourvues de capots 131 en leur emplanture de fixation au fuselage 10, ces capots 1 31 étant par exemple constitués en polymère renforcé de fibres de Kevlar (KFRP) et contribuant au carénage aérodynamique des ailes 13 en complément d’une partie principale 130, métallique. L’avion 1 comprend également un empennage incluant une dérive dorsale 1 1 et des stabilisateurs horizontaux 12, la dérive dorsale 1 1 étant pourvue de capots tels qu’un capot inférieur 1 1 1 au niveau de sa zone de fixation au fuselage 10, dit sabot (« shoe cover » en anglais) un capot 1 12 en extrémité supérieure de dérive 1 1 , dit capuchon (« hood cover » en anglais), et un capot allongé en partie supérieure de dérive 1 1 et reliant le sabot 1 1 1 et le capuchon 1 12, dit capot longitudinal (« roof cover » en anglais), ces capots 1 1 1 , 1 12 et 1 13 contribuant au carénage aérodynamique de la dérive 1 1 en complément d’une partie principale 1 10, métallique. Le sabot 1 1 1 et le capuchon 1 13 sont par exemple constitués en polymère renforcé de fibres de verre (GFRP).
L’avion 1 est particularisé par la présence d’une ou plusieurs antennes à l’intérieur de la dérive 1 1 et/ou d’au moins une des ailes 13, et plus précisément à l’intérieur d’au moins une de leurs parties consistant en le sabot 1 1 1 et le capuchon 1 12 de dérive et les capots d’ailes 131 , comme détaillé ci- après.
Il est entendu que cette liste de parties d’éléments structurels externes à surface portante n’est pas exhaustive, et que dans des variantes de réalisation, des antennes peuvent être placées par exemple à l’intérieur du capot longitudinal 1 12 constitué en GFRP.
Dans certains modes, des antennes sont présentes à divers emplacements de l’avion 1 et sont exploitées conjointement, par exemple par traitement combiné de signaux obtenus en provenance de ces antennes et/ou de signaux transmis par ces antennes. Il est ainsi possible d’enrichir les capacités de transmission et de réception, notamment en termes de portée, de couverture directionnelle et/ou de gain.
L’exploitation d’une antenne 2 à l’intérieur du sabot 1 1 1 de la dérive 1 1 dans l’avion 1 est par exemple effectuée tel qu’exposé ci-après en relation avec la figure 2 (de multiples antennes du type de l’antenne 2 pouvant être actives conjointement dans le sabot 1 1 1 ). À l’intérieur de l’avion 1 , l’antenne 2 est intégrée dans un système de communication embarqué 5 comprenant également un modem 6, un réseau électronique et électrique 51 1 de l’avion 1 , et un réseau sans fil local (dit LAN pour « Local Area Network ») 512.
En fonctionnement de l’antenne 2 active, l’avion 1 communique avec un satellite 31 en réception (lien descendant 31 1 , par exemple à 10 Gbit/s) et en transmission (lien montant 312, par exemple à 1 Gbit/s), le satellite 31 étant en liaison radio avec une antenne parabolique passerelle 321 au sol, qui est connectée à un centre de traitement 322 et via ce dernier à des ressources informatiques 323 (par exemple du type en nuage ou cloud) et interfaces associées. La bande passante possible dépend surtout des capacités du ou des satellites en liaison avec l’avion.
Les communications entre l’avion 1 et le satellite 31 , dont un schéma de principe est visible sur la figure 3, reposent sur les capacités de transmissions via l’antenne 2 à travers le sabot 1 1 1 de la dérive 1 1 . L’emplacement de l’antenne 2 peut offrir des lignes de visée droite 313A ou gauche 313B (droite et gauche étant définies par rapport au sens de navigation) sensiblement perpendiculaires à l’axe du fuselage 10, et de relativement larges ouvertures angulaires de rayonnement 314A ou 314B respectivement à droite et à gauche (les représentations du rayonnement étant purement de principe et ne rendant pas compte de diagrammes de rayonnement effectifs).
La combinaison d’au moins deux antennes du type de l’antenne 2 dans le sabot 1 1 1 , judicieusement positionnées et orientées, rend possible des communications radio efficaces tant à droite qu’à gauche de l’avion 1 , conformes au schéma type de la figure 3. Une sélection d’antennes actives peut ainsi être effectuée en particulier en fonction d’un positionnement spatial et directionnel de l’avion 1 par rapport à des satellites de communication (notamment en tenant compte des positions azimutales de ces satellites par rapport à l’avion 1 ).
Une telle disposition, illustrée sur les figures 4 et 5, exploite par exemple huit blocs d’antennes incluant à gauche quatre blocs d’antennes réseaux plates 21 1 B, 212B, 213B et 214B, et symétriquement à droite quatre blocs d’antennes réseaux plates non représentées. Ces antennes sont proches en leur partie supérieure d’un plan vertical de symétrie du sabot 1 1 1 , et sont inclinées d’environ 72° par rapport à un plan horizontal (figure 4), de sorte qu’elles ont des lignes de visée élevées d’environ 18° par rapport à l’horizontale de l’avion 1 perpendiculairement à l’axe du fuselage 10.
Les blocs d’antennes 21 1 B, 212B, 213B et 214B de gauche et celles correspondantes de droite sont portées deux par deux par des panneaux 41 1 B et 412B à gauche, et symétriquement à droite 41 1 A et 412A, qui donnent aux antennes les inclinaisons souhaitées (figure 5), et sont articulés au moyen de charnières 42 à une ou plusieurs structures non représentées. À titre purement illustratif, les panneaux 41 1 A, 412A, 41 1 B et 412B ont des dimensions en hauteur et en largeur de l’ordre de 50 cm, et les blocs d’antennes des panneaux de droite 41 1 A et 412A sont espacés horizontalement d’une distance comprise entre 45 et 50 cm (par exemple 47 cm, de même pour les blocs d’antennes des panneaux de gauche 41 1 B et 412B).
Une partition peut être faite entre antennes pour la réception et la transmission, les blocs d’antennes 21 1 B et 212B étant par exemple utilisée pour la transmission et les blocs d’antennes 213B et 214B pour la réception. La distance entre les blocs d’antennes peut alors rendre possible un fonctionnement en mode duplex intégral (appelé « full duplex » en terminologie anglo-saxonne), en évitant des interférences entre la réception et l’émission.
Le nombre et/ou la taille des blocs d’antennes peuvent être adaptés en fonction des besoins et de l’espace disponible, les exemples exposés dans la présente demande n’étant pas limitatifs. Un procédé de mise en place de telles antennes 2 à l’intérieur du sabot 1 1 1 d’un avion existant peut être mené par exemple de la manière suivante, en référence aux figures 6 à 13. En l’absence d’installation des antennes 2, le sabot 1 1 1 est fixé de manière amovible sur le fuselage 10 et borde la partie principale 1 10, métallique, de la dérive dorsale 1 1 , le capot longitudinal 1 13 étant positionné sur la partie principale 1 10 dans le prolongement du sabot 1 1 1 (figure 6). Le sabot a par exemple une longueur d’environ 1 ,20 m (selon l’axe du fuselage), et est constitué principalement de GFRP, de film adhésif et de structure alvéolée. Pour l’installation, on dépose le capot longitudinal 1 13 (figure 7), puis on démonte le sabot 1 1 1 (figure 8), avant de fixer sur le fuselage 10 (figure 9) des pieds de support 421 (« brackets » en anglais, au nombre de trois en triangle dans l’exemple représenté), qui vont servir à fixer une structure porteuse 40 (figure 10). Un simple collage des pieds 421 , comme représenté, peut s’avérer satisfaisant à cet effet. La structure porteuse 40 est configurée pour être fixée au fuselage 10 d’une part par des parties fraisées 422 et d’autre part aux pieds 421 respectivement par des éléments de fixation 423, et pour recevoir des panneaux qui maintiennent des antennes plates, tels que par exemple les panneaux 41 1 A, 412A, 41 1 B et 41 2B ci-dessus. La structure porteuse 40 est ainsi fixée au fuselage 1 0 à un emplacement prévu pour le sabot 1 1 1 (figure 1 1 ). On met ensuite les panneaux 41 1 A, 412A, 41 1 B et 412B en position sur la structure porteuse 40 (figures 12 et 13), et après installation des blocs d’antennes réseaux plates correspondantes, par exemple 21 1 B, 212B, 213B et 214B du côté gauche, dans des espacements dédiés 413 des panneaux, et câblage approprié (électrique et électronique), on peut remettre en place le sabot 1 1 1 .
Dans des configurations appropriées, l’ensemble de ces opérations peut s’avérer particulièrement simple et économique à mettre en oeuvre sur des avions existants. Qui plus est, une fois l’installation faite, la maintenance peut ne requérir que des efforts limités, tant pour par exemple l’entretien des antennes et des câblages que pour celui de la structure porteuse 40.
Plus précisément, dans des exemples avec conditions favorables, il a été constaté que l’ensemble des opérations peut être effectué en moins de 5 heures, l’accès à la zone de positionnement des antennes et le câblage étant aisés.
Plus de précisions sont données ci-après sur la configuration des antennes 2 et de leurs composants associés, dans des exemples particuliers de réalisation. À cet effet, on notera que l’intégration locale de fonctionnalités associées aux antennes sous le sabot 1 1 1 peut être effectuée à différents degrés de complexité, tandis que des fonctionnalités non intégrées localement peuvent être reportées à l’intérieur du fuselage 10 en utilisant une connectique appropriée.
Un bloc d’antennes 20, tel que représenté sur les figures 14 et 15, comprend par exemple deux sous-réseaux 221 et 222 de 256 éléments (« patches » en anglais), et est identique en réception ou en transmission. Ce bloc d’antennes 20 peut prendre la forme d’une carte de circuit imprimé ou PCB (pour « Printed Circuit Board »). Dans le présent exemple, dans lequel les cartes d’antennes 201 sont incorporées avec d’autres éléments dans un boîtier 202 en aluminium avec scellement 204 en silicone et recouvert d’un couvercle 203 en plastique, la fonctionnalité modem est réduite à des cartes contrôleurs 206 (pour commande d’antenne et traçabilité), un ou plusieurs modems étant prévus à l’intérieur du fuselage 10 pour effectuer les traitements effectifs associés. Le bloc d’antennes 20 comprend également des connecteurs 205, un assemblage de ventilation 207 (permettant de refroidir une plaque métallique passive) et une brique 208 d’alimentation électrique en courant continu.
Le bloc d’antennes 20, et ses deux sous-réseaux 221 et 222, sont multifaisceaux, et sont par exemple adaptés à des communications satellite à la fois avec des satellites à orbite terrestre géostationnaire ou GEO (pour « Geostationary Earth Orbit ») et à orbite terrestre basse ou LEO (pour « Low Earth Orbit »). Le bloc d’antennes 20 a par exemple une longueur (dans le sens parcourant les deux sous-réseaux 221 et 222) comprise entre 46 et 47 cm, une largeur comprise entre 42 et 43 cm, et une profondeur de l’ordre de 5,5 cm. L’ensemble formé par la structure porteuse 40 munie des panneaux 41 1 A, 412A, 41 1 B et 412B et des blocs d’antennes 20 peut avoir un poids relativement limité, par exemple de l’ordre de 50 kg.
Un système de communication radio 50, coopérant avec les blocs d’antennes tels que le bloc d’antenne 20 ci-dessus et installé à l’intérieur du fuselage 10, comprend par exemple principalement les éléments suivants, en référence à l’architecture de principe représentée sur la figure 16. En plus d’une partie modem 60, le système de communication radio 50 inclut :
une unité de traitement 71 comprenant un sous-système de processeur de signal numérique ou DSP (pour « Digital Signal Processor »), un sous-système processeur ou CPU (pour « Central Processing Unit »), un contrôleur d’accès direct à la mémoire ou DMA (pour « Direct Memory Access ») et un contrôleur de mémoire externe,
des connectiques 72 de liaison à des périphériques,
des couches physiques et de liaison de données (couche MAC pour « Medium Access Control ») 73 pour communications avec des clients, incluant des interfaces utilisateurs, et
des bus 74 interconnectant l’ensemble des éléments du système de communication radio 50.
La partie modem 60 comporte plus spécifiquement une sous-partie démodulation 601 (avec unités parallèles de démodulation) et une sous-partie modulation 602, la démodulation étant associée en réception en amont à des convertisseurs analogique-numérique 603 et en aval à des modules 605 d’extraction de données à partir de trains de transport par notamment décapsulation, et la modulation étant associée en transmission en amont à des modules 606 de préparation de trains de transport par notamment encapsulation et en aval à des convertisseurs numérique-analogique 604.
Les signaux transmis et reçus par le système de communication radio 50 via la partie modem 60 sont par exemple des signaux satellite conformes à la norme DVB-S2 (pour « Digital Video Broadcasting » - deuxième génération pour diffusion satellites). De plus, les blocs d’antennes 20 et la partie modem 60 peuvent être notamment configurés pour des transmissions dans des bandes Ku et/ou Ka. Par exemple, les blocs d’antennes 20 sont configurés pour recevoir et transmettre dans la bande Ku, entre 10,7 et 12,7 GHz en réception et entre 14 et 14,5 GHz en transmission, avec une efficacité de transmission de l’ordre de 80 %. Par exemple également, ces blocs d’antennes 20 ont en transmission une puissance effective rayonnée équivalente ou EIRP (pour « Effective Isotropie Radiated Power ») de 32 dBW et ont en réception un facteur de performance G/T (gain sur température de bruit) de 3 db/K.
Également, les blocs d’antennes 20 et la partie modem 60 peuvent être configurés pour effectuer de la formation de faisceau (également appelée beamforming) avec ajustement de phase et de gain pour chaque chemin, fournissant ainsi des capacités multifaisceaux. Par exemple, jusqu’à 32 faisceaux distincts peuvent être générés et jusqu’à 32 faisceaux distincts peuvent être traités (32 entrées et 32 sorties de signaux), avec une largeur de bande de signal simultanément traitée de 880 MHz (répartie entre les canaux). Dans d’autres exemples, jusqu’à 16 faisceaux, ou jusqu’à 8 faisceaux peuvent être traités.
À titre d’exemple, les blocs d’antennes 20 peuvent utiliser des composants développés par la société SatixFy tels qu’un circuit intégré spécialisé ou ASIC (pour « Application Spécifie Integrated Circuit ») pour antenne réseau plate active, commercialisé sous la marque « PRIME », et un composant intégré pour radiofréquences ou RFIC (pour « Radio Frequency Integrated Circuit »), interfacé entre une antenne réseau à commande de phase et un ASIC « PRIME » et agissant comme un module frontal, commercialisé sous la marque « BEAT ».
De manière très schématique, comme représenté sur la figure 17, les blocs d’antennes 20 prévus pour être disposés à l’intérieur du sabot 1 1 1 sont connectés en série à deux modems 621 et 622 prévus pour être disposés à l’intérieur du fuselage 10.
À titre illustratif, un harnais de câblage électronique et électrique entre les antennes 2 disposées à l’intérieur du sabot 1 1 1 et les fonctionnalités présentes à l’intérieur du fuselage 10 peut par exemple, comme sur la figure 18, comprendre un cheminement électronique 51 de routage vers un ou plusieurs modems 62 (par exemple les modems 621 et 622 ci-dessus) et un cheminement électrique 52 vers une alimentation électrique 53 à l’avant de l’appareil. Une traversée de faible diamètre à proximité des antennes 2 au niveau du fuselage 10, par exemple à une distance comprise entre 1 m et 1 ,5 m, suffit à faire passer le câblage approprié vers une zone pressurisé sans poser de difficulté particulière, comme connu d’une personne du métier. À l’intérieur du fuselage 10, le trajet de câblage peut par exemple passer par des plafonds.
L’alimentation électrique peut être répartie en plusieurs câbles (par exemple quatre) afin d’éviter un ampérage trop élevé. Des valeurs maximales de l’ordre de 12,5 A pour l’ampérage et 28 V en courant continu pour la tension sont par exemple respectées.
La préexistence éventuelle de trous dans le fuselage à proximité du sabot 1 1 1 , exploités dans certains modèles d’avion 1 pour des tests préliminaires ou périodiques de performance, facilite d’autant plus la mise en place du harnais. Sinon, on peut percer la structure du fuselage 10 en minimisant l’intervention et d’une manière sécurisée connue d’une personne du métier.
On peut noter que des tests menés dans une chambre anéchoïque en réception et en transmission sur des exemples du type de ceux exposés plus haut, ainsi que représenté sur la photo de la figure 19, ont permis d’établir la bonne tenue en rayonnement d’antennes 2 lorsqu’elles sont positionnées à l’intérieur d’un sabot 1 1 1 , et d’obtenir des plages pertinentes d’utilisation en fréquences. Les cas particuliers examinés ont fait l’objet de mesures d’ElRP en transmission et d’indicateur d’intensité de signal reçu et de RSSI (pour « Received Signal Strength Indicator ») en réception, pour des ondes à polarisation verticale ou horizontale, différents angles d’incidence, et diverses fréquences. Les résultats obtenus ont conduit à observer un schéma de rayonnement préservé en présence du sabot 1 1 1 par comparaison avec des mesures en son absence, avec atténuation à différents angles pour différentes fréquences, et une transparence satisfaisante du sabot 1 1 1 pour des fréquences de l’ordre de 1 1 GHz en réception et de l’ordre de 14 GHz en émission, un bon compromis étant obtenu en émission-réception avec une fréquence commune de 1 1 ,5 GHz (bande Ku).
Des essais ont été également faits au sol sur des véhicules en déplacement avec la parte inférieure de la dérive dorsale (sabot 1 1 1 ) monté sur le toit et des liaisons satellites disponibles, et ont ainsi confirmé en conditions représentatives le bon fonctionnement du dispositif.
Dans d’autres modes de réalisation des blocs d’antennes, ceux-ci incorporent directement des fonctionnalités substantielles ou complètes de modems. Il n’est alors plus nécessaire de prévoir à l’intérieur du fuselage 10 des équipements modems tels que ceux décrits précédemment, et le harnais peut être simplifié en conséquence.
Une autre réalisation d’une structure porteuse que celle exposée précédemment, représentée schématiquement sur les figures 20 et 21 et référencée 43, comprend deux panneaux droit 431 A et gauche 431 B inclinés, joints en leur partie supérieure et disposés symétriquement par rapport à un plan vertical dans l’axe du fuselage 10. La structure porteuse 43 est prévue pour recevoir quatre blocs d’antennes du type 20 décrit ci-dessus, dont deux blocs d’antennes 215A et 216A sur le panneau droit 431 A, et deux blocs d’antennes 215B et 216B sur le panneau gauche 431 B.
Différentes configurations d’une structure porteuse de ce type sont réalisables selon le présent descriptif, en fonction des angles d’inclinaison de tels panneaux 431 A et 431 B par rapport à l’horizontale. Ainsi, des illustrations de principe montrent sur la figure 22, en position à l’intérieur du sabot 1 1 1 , une structure porteuse 441 avec angles d’inclinaison de 45°, une structure porteuse 442 avec angles d’inclinaison de 60°, et suggèrent diverses inclinaisons intermédiaires de respectivement 48°, 50°, 52°, 54°, 56° et 58°. Dans un mode particulier, une structure porteuse comprend un mécanisme, par exemple à base d’encoches ou de crochets, qui permet d’ajuster l’inclinaison des panneaux selon différents angles. Cette réalisation peut être particulièrement intéressante pour une utilisation en série d’un même modèle de structure porteuse, car elle permet une adaptation flexible de la configuration de cette structure à plusieurs types d’aérodynes, d’éléments structurels externes choisis pour le positionnement des antennes, de catégories d’antennes, ou d’applications de communications radio.
Dans une autre réalisation, représentée schématiquement sur la figure 23, une structure porteuse 45 a pour son panneau droit 451 A et son panneau gauche 451 B des angles d’inclinaison de 70°.
D’autres types d’antennes que celles décrites précédemment sont possibles. Par exemple, comme représenté sur la figure 24, avec l’avion 1 pouvant être par exemple un avion de ligne tel que celui commercialisé sous la marque A330 par la société Airbus, un bloc d’antennes 23 comprend à droite une antenne réseau plate 231 étendue vers la droite, et à gauche une antenne réseau plate 232 sensiblement carrée et de plus petite taille que l’antenne réseau 231 et espacée de cette dernière. Les antennes réseaux 231 et 232 sont prévues respectivement pour la réception et la transmission d’ondes radio, la réception étant plus demandeuse en performance que la transmission. L’espace entre les antennes 231 et 232 permet d’éviter des interférences entre émission et réception en fonctionnement en duplex intégral.
Dans une autre réalisation de l’avion 1 (pouvant être par exemple également celui commercialisé sous la marque A330 par la société Airbus) représentée sur la figure 25, qui peut être combinée avec les précédentes, des antennes 2 sont disposées à l’intérieur d’au moins un des capots 131 des ailes 13 au voisinage du fuselage 10. Les antennes 2 sont connectées à un ou plusieurs modems 6 dédiés aux traitements combinés des signaux correspondants.
Les antennes exploitées dans cette configuration sont avantageusement de petite taille, comparées à celles qui peuvent être installées à l’intérieur d’une dérive ainsi qu’exposé précédemment.
Les systèmes de communication radio 50 coopérant avec les blocs d’antennes 2 peuvent prendre toute forme appropriée connue d’une personne du métier pour réaliser les fonctions mentionnées et produire les effets ou résultats mentionnés. Ils peuvent en particulier inclure des appareils, des composants, ou des parties physiques d’appareil(s) ou de composant(s), que ces parties soient regroupées dans une même machine ou dans des machines distinctes, pouvant être éloignées au sein de l’aérodyne considéré. Par ailleurs, les fonctionnalités de traitement des signaux peuvent être exécutées sous forme matérielle, logicielle, de micrologiciel (également appelé firmware), ou de toute forme mixte de ces dernières.
Les antennes 2 peuvent quant à elles être disposées dans toute zone pertinente de l’aéronef ou dans plusieurs d’entre elles, et les signaux correspondants peuvent être traités séparément ou conjointement au moyen des systèmes de communication radio 50 de toutes manières techniquement réalisables pour réaliser les fonctions mentionnées et pour produire les effets ou résultats mentionnés.
Un procédé d’agencement 81 d’un ensemble d’antennes dans un aérodyne existant peut être mis en oeuvre soit au cours d’une opération initiale d’installation, soit dans une opération ultérieure de maintenance ou d’actualisation. Un tel procédé 81 comprend par exemple les étapes suivantes, illustrées sur la figure 26 :
tout d’abord (étape 81 1 ), démontage d’au moins un composant (tel qu’un capot) d’un élément structurel externe à surface portante ;
ensuite (étape 812), mise en place de l’ensemble d’antennes dans une zone dégagée par le démontage de l’étape 81 1 , par exemple via fixation d’une structure porteuse d’antennes sur le fuselage ;
ajustement (étape 813) d’un harnais électronique et électrique connectant l’ensemble d’antennes à un système de communication radio et à une alimentation électrique à l’intérieur du fuselage ;
reformation (étape 814) de l’élément structurel externe, par exemple par remontage du ou des composants démontés, de manière à recouvrir l’ensemble d’antennes mis en place.
Une telle installation d’antennes dans des aérodynes existants est particulièrement intéressantes, puisqu’elle permet à moindres coûts et avec des efforts réduits de transformer des aérodynes en cours d’exploitation afin de les rendre conformes au présent descriptif. Un procédé d’agencement 82 d’un ensemble d’antennes dans un aérodyne en construction peut être mis en oeuvre séparément dans un élément structurel externe à surface portante avant raccordement au fuselage. Un tel procédé 82 comprend par exemple les étapes suivantes, illustrées sur la figure 27 :
tout d’abord (étape 821 ), dégagement d’une zone de mise en place à l’intérieur de l’élément structurel externe, configurée pour recevoir au moins un composant (tel qu’un capot) de cet élément ;
ensuite (étape 822), mise en place de l’ensemble d’antennes dans cette zone dégagée, par exemple via fixation d’une structure porteuse d’antennes, et recouvrement de l’ensemble d’antennes par mise en place du ou des composants ;
transport (étape 823) de l’élément structurel externe jusqu’à un chantier de construction d’un aérodyne ;
fixation (étape 824) de l’élément structurel externe sur un fuselage, au cours des opérations de construction de l’aérodyne ;
ajustement (étape 825) d’un harnais électronique et électrique connectant l’ensemble d’antennes à un système de communication radio et à une alimentation électrique à l’intérieur du fuselage, éventuellement après démontage du ou des composants de l’élément structurel externe puis remontage après ajustements.
Une telle installation d’antennes en amont dans des éléments destinés à la construction d’aérodynes est particulièrement intéressante, car elle permet de mettre en oeuvre des productions en série, par exemple d’ailes ou de dérives, qui peuvent ensuite faire l’objet de distributions ou d’exportation vers des endroits éloignés. On peut ainsi rationaliser la fabrication et réduire les coûts fixes, tout en centralisant une expertise correspondante.
De multiples autres exemples d’antennes, de systèmes de communication radio et de configurations de mise en place dans des éléments structurels externes à surface portante d’aérodynes peuvent également être développés en préservant les fonctionnalités exposées. La sélection de ces entités est avantageusement effectuée de manière conjointe, en tenant compte de leurs interactions et des finalités recherchées. Par exemple, le positionnement et l’orientation des antennes peut être déterminée par le biais de structures porteuses en fonction du nombre, des capacités et types de fonctionnement, et du traitement éventuellement combiné (en émission et/ou en réception) de ces antennes.
En particulier, bien que les antennes et systèmes de communication radio décrits dans l’exposé soient dédiés à des transmissions satellites, ils peuvent également consister en des antennes de systèmes de communication radio configurés pour des transmission terrestres, par exemple prévues pour des réceptions et émissions en 4G et/ou 5G, particulièrement utiles notamment lorsque l’aérodyne est sur un tarmac. La présence conjointe d’antennes prévues pour des transmissions satellites et terrestres dans un aérodyne peut être particulièrement intéressante. D’autres types d’antennes que des antennes plates et/ou réseaux peuvent aussi être utilisées.
D’autre part, en plus de l’installation d’antennes à l’intérieur d’un sabot ou d’un capuchon de dérive, ou d’un capot d’ailes au niveau de leur emplanture de fixation au fuselage, celles-ci peuvent être également installés par exemple (exclusivement ou en combinaison avec certaines des dispositions ci-dessus) à l’intérieur d’autres parties d’éléments structurels externes ayant la transparence souhaitée aux ondes radio à recevoir ou à transmettre (capot longitudinal de dérive, capot de stabilisateur horizontal d’empennage, etc.). Il peut alors convenir de prévoir un harnais approprié pour les connexions électroniques et électriques, ou d’autres moyens remplissant des fonctions similaires.
Dans certains modes de réalisation, les blocs d’antennes sont pourvus d’un ensemble de capacités de traitement, notamment en termes de modems, qui réduisent sensiblement ou rendent inutiles des traitements complémentaires réalisés à distance à l’intérieur du fuselage.
Des exemples de structures porteuses d’antennes ont été détaillés dans le descriptif. Cependant, toutes sortes d’autres structures porteuses peuvent être utilisées, y compris des structures mobiles pouvant conférer aux antennes des orientations et/ou positionnements variables dans le temps, notamment par télécommande ou programmation préalable. Les structures porteuses offrent avantageusement la possibilité d’appliquer aux antennes des positions et/ou des orientations à l’intérieur de l’élément structurel externe à surface portante, sans que ces positions et/ou orientations soient dictées par la coque externe de l’élément structurel externe. Une telle configuration peut être mise en oeuvre lors de l’installation initiale et/ou lors d’opérations de maintenance. Dans des réalisations particulières, les structures porteuses sont fixées au fuselage et n’ont aucun lien structurel direct avec l’élément structurel externe qui les entoure. Dans d’autres réalisations, les structures porteuses ont au moins une connexion avec cet élément structurel externe, pouvant former notamment une ou plusieurs liaisons complètes et/ou liaisons pivots. Les structures porteuses peuvent être fixes et disposer de volets ou panneaux orientables, de bras et/ou de crans de fixation, permettant de décider de manière souple la position et l’orientation des antennes portées, par exemple en fonction des capacités et du nombre de ces dernières et des missions à effectuer.
Sur la base du présent descriptif et des modes de réalisation détaillés, d’autres mises en oeuvre sont possibles et à la portée d’une personne du métier tout en restant dans le cadre de la présente invention. Des éléments spécifiés peuvent notamment être intervertis ou associés de toutes manières restant dans le cadre de la présente divulgation. Également, des éléments de différentes mises en oeuvre peuvent être combinés, complétés, modifiés ou supprimés de façon à produire d’autres mises en oeuvre. L’ensemble de ces possibilités sont visées par la présente divulgation.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé d’agencement (81 ) d’un ensemble d’antennes apte à émettre ou recevoir dans une gamme de radiofréquence dans un aérodyne existant mis en oeuvre soit au cours d’une opération initiale d’installation, soit dans une opération ultérieure de maintenance ou d’actualisation, le dit procédé (81 ) comprenant les étapes de :
- démontage (81 1 ) d’au moins un composant d’un élément structurel externe à la surface portante de l’aérodyne existant, le composant étant substantiellement transparent à la gamme de radiofréquence ;
- mise en place (812) de l’ensemble d’antennes dans une zone dégagée par le démontage de l’étape (81 1 ) ;
- ajustement (813) d’un harnais électronique et électrique connectant l’ensemble d’antennes à un système de communication radio et à une alimentation électrique à l’intérieur du fuselage ;
- reformation (814) de l’élément structurel externe de manière à recouvrir l’ensemble d’antennes mis en place.
2. Procédé (81 ) selon la revendication précédente selon lequel l’au moins un composant de démontage est un capot de l’aérodyne.
3. Procédé (81 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes selon lequel l’étape de mise en place (812) comprend une étape de fixation d’une structure porteuse d’antennes sur le fuselage.
4. Procédé (81 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes selon lequel l’étape de reformation (814) comprend une étape de remontage du ou des composants démontés.
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