FR2997924A1

FR2997924A1 - Vehicule aerien a decollage vertical et vol horizontal

Info

Publication number: FR2997924A1
Application number: FR1260772A
Authority: FR
Inventors: Yannick Faivre
Original assignee: NFELEC
Current assignee: FCTRONIC, FR
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2014-05-16
Anticipated expiration: 2032-11-13
Also published as: FR2997924B1; WO2014076403A1

Abstract

L'invention concerne un véhicule aérien comprenant un fuselage (30) s'étendant selon un axe principal longitudinal (AA), deux ailes (10, 20) positionnées de part et d'autre du fuselage, deux unités de propulsion (11, 21) chacune fixée respectivement à une aile, chaque unité de propulsion étant configurée pour produire une poussée dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal, et une unité d'équilibrage statique (31) fixée au voisinage d'une extrémité du fuselage et configurée pour produire une poussée selon une direction sensiblement orthogonale à l'axe longitudinal, véhicule caractérisé en ce que chaque aile (11, 21) est montée rotative selon un axe transversal (BB) entre une position de vol aérodynamique où l'aile s'étend dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal et une position de vol statique où l'aile s'étend dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal.

Description

Véhicule aérien à décollage vertical et vol horizontal Domaine technique et état de l'art L'invention concerne un véhicule aérien comprenant un fuselage s'étendant selon un axe principal longitudinal, deux ailes positionnées de part et d'autre du fuselage, deux unités de propulsion chacune fixée respectivement à une aile, chaque unité de propulsion étant configurée pour produire une poussée dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal, et une unité d'équilibrage statique fixée au voisinage d'une extrémité du fuselage et configurée pour produire une poussée selon une direction sensiblement orthogonale à l'axe longitudinal. Le véhicule aérien développé dans le cadre de l'invention est un drone, c'est-à-dire un avion sans pilote. Le document WO 2010/137016 décrit un tel véhicule aérien. Les deux unités de propulsion fixées sur les ailes sont orientables pour produire soit une poussée verticale, pour un décollage / atterrissage vertical de l'avion, soit une poussée horizontale pour un vol horizontal Les avantages d'un avion à décollage / atterrissage vertical et vol horizontal sont bien connus, parmi lesquels les avantages suivants. Le vol horizontal permet à l'avion de voler loin et à grande vitesse. Le décollage / atterrissage vertical ne nécessite pas d'infrastructure de grande dimension (piste d'envol) spécifique au sol. La stabilité droite / gauche du véhicule est assurée par le positionnement de part et d'autre des deux unités de propulsion par rapport à l'axe longitudinal du fuselage. La stabilité avant / arrière est assurée par la portance des ailes en vol horizontal, et par l'unité de stabilisation positionnée à l'arrière du fuselage en vol vertical. L'inconvénient d'un avion selon le document WO 2010 / 137 016 est sa voilure de dimension importante. Une telle voilure est intéressante pour la portance de l'appareil en vol aérodynamique (vol horizontal ici), mais elle pénalise fortement l'appareil en phase de vol stationnaire et de décollage / atterrissage (vol vertical).

Description de l'invention L'invention propose un nouveau véhicule aérien ne présentant pas les inconvénients des véhicules aériens existants. Plus précisément, l'invention propose un nouveau véhicule aérien, par ailleurs conforme à un véhicule aérien tel que décrit ci-dessus, et caractérisé en ce que chaque aile est montée rotative selon un axe transversal entre une position de vol aérodynamique où l'aile s'étend dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal et une position de vol statique où l'aile s'étend dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal. Les ailes montées rotatives permettent d'avoir une surface de voilure importante en vol horizontal, et une voilure minimale en vol vertical, ce qui facilite grandement les phases de décollage / atterrissage : la poussée des moteurs peut être réduite et le volume et le poids des moteurs peut être réduits en conséquence, l'équilibre de l'avion est meilleur, etc. Selon un mode de réalisation, chaque aile présente un bord d'attaque à proximité de son axe transversal de rotation et un bord longitudinal de dimension comprise entre 1,25 et 3 fois une longueur du bord d'attaque, une extrémité libre du bord longitudinal opposée au bord d'attaque étant positionnée au voisinage d'une queue du fuselage lorsque les ailes sont en position de vol aérodynamique.

La forme triangulaire est utilisée pour augmenter la surface des ailes du véhicule et pour avoir ainsi une plus grande capacité de chargement en termes de poids ou d'économie d'énergie lors de vols sans charge. Les ailes aérodynamiques permettent des vols avec peu d'efforts de propulsion (énergie), et des extrémités d'ailes proches de la queue du véhicule lui permettent d'être très réactifs en terme de trajectoire (en terme de direction et en terme de profondeur). Des moyens tels qu'un ou des moteurs électriques sont prévus pour entraîner en rotation les ailes autour de leur axe de rotation respectif. De préférence, les moyens sont aptes à entraîner les ailes indépendamment l'une de l'autre, ce qui permet un guidage de l'appareil avec une meilleure stabilité. Lorsque les ailes du véhicule sont en position de vol stationnaire, l'extrémité libre du bord longitudinal de chaque aile peut former un pied sur lequel le véhicule aérien peut reposer. Ainsi, l'avion selon l'invention peut à l'arrêt reposer sur l'extrémité de ses ailes et n'a pas besoin de pied additionnel au moins à l'avant. L'appareil est ainsi simplifié et son poids est limité. En complément, le véhicule peut comprendre un pied arrière, positionné au voisinage de l'extrémité du fuselage ; le pied s'étend sous le fuselage, par exemple sous une dérive du véhicule, dans une direction parallèle aux ailes en position de vol stationnaire Un moyen de verrouillage peut être prévu pour solidariser les ailes sur le fuselage lorsque les ailes sont en position de vol aérodynamique. Le moyen de verrouillage est de préférence positionné au voisinage de l'extrémité libre des ailes de l'appareil. Le moyen de verrouillage limite les efforts mécaniques sur les moyens d'entraînement en rotation des ailes et évite la nécessité d'utiliser un asservissement mécanique des ailes pour les maintenir en position de vol aérodynamique. Un accumulateur électrique est prévu pour fournir une énergie électrique aux unités de propulsion, à l'unité d'équilibrage et / ou aux moyens d'entraînement des ailes en rotation. Pour recharger l'accumulateur, le véhicule peut encore comprendre au moins une prise de rechargement fixée à une extrémité d'une aile ; la prise est configurée pour coopérer avec un socle de prise associé d'un chargeur d'accumulateur électrique au sol lorsque les ailes sont en position de vol stationnaire Ainsi, l'accumulateur électrique peut être rechargé très simplement, en posant l'extrémité libre d'au moins une aile sur le socle de prise associé posé au sol. Le véhicule peut être complément par un volet d'occultation mobile entre une position fermée où le volet masque une ouverture de l'unité d'équilibrage et une position ouverte où le volet est effacé devant l'ouverture de l'unité d'équilibrage. La position ouverte du volet est utilisée pour les phases de décollage ou d'atterrissage du véhicule, lorsque les ailes sont en position de vol stationnaire Là, l'unité d'équilibrage joue son rôle d'équilibrage du corps du véhicule, en exerçant une poussée parallèle à la poussée exercée par les unités de propulsion. La position fermée du volet est utilisée au contraire pour les phases de vol aérodynamique du véhicule pour améliorer l'aérodynamisme du véhicule. Le volet peut être commandé par un petit moteur électrique additionnel, ou bien directement par le moyen de commande de rotation des ailes.

Avantageusement, le véhicule selon l'invention comprend également une nacelle agencée pour porter une charge utile du véhicule ; la nacelle est fixée sous le fuselage par un dispositif de connexion / déconnexion rapide pour faciliter le changement de nacelle. Le véhicule peut ainsi être envisagé pour de nombreuses applications : largage de matériel de secours, prise de mesure par du matériel de mesure embarqué dans une nacelle spécifique, etc. Avantageusement encore, la nacelle comprend des moyens de communication avec le véhicule, ce qui permet une commande à distance de la nacelle en général, et du dispositif de connexion / déconnexion en particulier.

Avantageusement encore, le véhicule selon l'invention comprend un moyen de prise d'images ou de films, en deux ou trois dimensions, et des moyens de traitement d'images associés pour produire un signal d'alerte lorsqu'un obstacle est détecté à une distance inférieure à une distance minimale du véhicule. Le véhicule peut encore comprendre d'autres dispositifs de détection d'obstacle tel qu'un sonar pour produire un signal d'alerte lorsqu'un obstacle est détecté à une distance inférieure à une distance minimale du véhicule. De tels signaux d'alerte peuvent ensuite être utilisés par exemple pour modifier la commande des unités de propulsion, pour modifier la trajectoire du véhicule. Ainsi équipé, le véhicule peut être envisagé pour des utilisations en milieu confiné, à l'intérieur d'un bâtiment par exemple. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'un exemple de véhicule aérien selon l'invention. Cet exemple est donné à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés présentant différentes vues du prototype réalisé : - les figures 1 et 3 sont respectivement une vue de dessus, et une vue de face du véhicule en position de vol aérodynamique, et - les figures 2 et 4 sont respectivement une vue de côté et une vue de face du véhicule en position de repos et de vol stationnaire Description d'un mode de réalisation de l'invention Le prototype développé est un aéronef à décollage et atterrissage verticaux (ADAV) ou Vertical Take-off and Landing Aircraft (VTOL), sans pilote. Le prototype comprend un fuselage s'étendant selon un axe principal longitudinal AA, deux ailes 10, 20 positionnées de part et d'autre du fuselage 30, deux unités de propulsion 11, 21 chacune fixée respectivement à une aile et une unité d'équilibrage 31. Selon l'invention, les ailes sont rotatives pour un changement de voilure. Chaque unité de propulsion 11, 21 est par exemple du type moteur à hélice (ex. représenté) ou turbine ; dans l'exemple représenté, chaque unité de propulsion est fixée sur une aile 10, 20, à proximité d'un bord d'attaque 12, 22 de l'aile, et est configurée pour produire une poussée (ou force de poussée) selon une direction qui est dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal AA du fuselage et qui est également sensiblement parallèle à un plan principal de l'aile concernée.

L'unité d'équilibrage 31 est également du type moteur à hélice ou turbine (ex. représenté) ; l'unité d'équilibrage est positionnée dans l'extrémité arrière du fuselage ; elle est fixe et produit une poussée selon une direction (verticale) sensiblement orthogonale à l'axe longitudinal AA. Un volet d'occultation 37 est prévu pour masquer l'unité d'équilibrage en position de vol aérodynamique. Le volet 37 est mobile entre une position fermée où le volet 37 masque une ouverture de l'unité d'équilibrage et une position ouverte où le volet 37 est effacé devant l'ouverture de l'unité d'équilibrage. Le volet est constitué d'une pluralité de lames rotatives. Chaque aile 10, 20 est montée rotative selon un axe transversal BB entre une position de vol aérodynamique et une position de vol statique (et de repos). En position de vol aérodynamique (figs 1-3), chaque aile s'étend dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal pour une voilure de taille maximale facilitant le vol aérodynamique. En position de vol statique (et également de repos, fig. 4) chaque aile s'étend dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal AA, pour une voilure de taille minimale facilitant le vol stationnaire Des verrous 17, 27 sont prévus pour solidariser les ailes sur le fuselage lorsque les ailes sont en position de vol aérodynamique. Dans l'exemple représenté, les ailes 10, 20 sont montées rotatives sur un même axe de rotation BB, et sont entraînées en rotation par un unique moteur électrique entraînant simultanément en rotation les deux ailes entre les deux positions de vol. Le moteur est positionné dans le fuselage, au plus proche de l'axe de rotation BB et de l'axe longitudinal AA. Dans une variante, les ailes sont non couplées et sont entraînées en rotation chacune par un moteur électrique, les deux moteurs étant logés dans le fuselage du véhicule. Les deux ailes peuvent ainsi basculer indépendamment l'une de l'autre, pour effectuer des manoeuvres en vol stationnaire par exemple. Dans l'exemple représenté également, les ailes 10, 20 ont une forme générale sensiblement triangulaire, avec un bord d'attaque 12, 22 sensiblement orthogonal à l'axe longitudinal AA du fuselage et parallèle à l'axe de rotation BB des ailes, avec un bord longitudinal 13, 23 qui vient au contact du fuselage en position de vol aérodynamique du véhicule, et une extrémité libre 14, 24 positionnée au voisinage de la queue 32 du fuselage. Le bord longitudinal a une dimension de préférence comprise entre 1,25 et 3 fois une longueur du bord d'attaque (2 fois dans l'exemple représenté). Ainsi, en position de vol aérodynamique, la voilure du véhicule a une forme similaire à une forme d'un corps de raie aigle. La surface des ailes et la surface du fuselage sont dessinées pour être affleurantes en position de vol aérodynamique. Les ailes sont complétées de manière connue par des volets 15, 25 de commande de roulis. Le fuselage comprend quant à lui également un nez 33, et la queue 32 du fuselage est dotée d'un empennage connu par ailleurs et comprenant des volets de commande de profondeur (tangage) 34, et une dérive 35 (commande de lacet). La forme des ailes 10, 20 et du fuselage 30, le choix et la position des unités de propulsion 11, 21 et de l'unité d'équilibrage 31 sont déterminés pour obtenir un véhicule aussi équilibré que possible, tant en vol stationnaire qu'en vol aérodynamique. Ainsi par exemple, les unités de propulsion 10, 20 sont positionnées symétriques par rapport à l'axe longitudinal AA du véhicule, l'unité d'équilibrage 30 est positionnées pour que le centre de gravité CG des trois unités 10, 20, 30 soit sur l'axe longitudinal, etc. En position de repos ou de vol stationnaire, l'extrémité 14, 24 du bord longitudinal 13, 23 de chaque aile 10, 20 forme un pied sur lequel le véhicule repose (figure 4). A l'arrière du fuselage est également prévu un pied arrière 36 s'étendant sous le fuselage dans une direction parallèle aux ailes en position de vol stationnaire La hauteur du pied est de préférence dimensionnée en fonction de la dimension du bord longitudinal des ailes de sorte que, au repos, le véhicule repose avec un fuselage sensiblement horizontal Les moteurs du véhicule sont de petits moteurs électriques, alimentés par un accumulateur électrique. L'ensemble des éléments mécaniques, électriques et électroniques de commande des moteurs, des volets, etc. du véhicule sont positionnés à l'intérieur du fuselage. Pour recharger l'accumulateur, une prise 16 de rechargement est fixée à une extrémité 14, 24 de l'une au moins des ailes 10, 20. La prise 16 est adaptée à coopérer avec un socle de prise associé d'un chargeur d'accumulateur (non représenté) lorsque le véhicule repose sur ses ailes. Dans le nez du véhicule, sont positionnées deux caméras de prise d'image en deux dimensions. Dans le fuselage du véhicule est positionné un moyen de traitement d'images permettant de construire, à partir des images prises en deux dimensions, une image en trois dimensions. Le moyen de traitement d'image est également configuré pour détecter, identifier un ou des obstacles (arbres, murs, etc.) fixes ou mobiles dans l'espace à proximité du véhicule, et produire un signal d'alerte fonction du danger représenté par les obstacles pour le véhicule. Sont également installés dans le fuselage un moyen des moyens de commande pour l'ensemble des moyens mécaniques et électriques du véhicule (unités de propulsion, unité d'équilibrage, volets d'orientation dans l'espace, volet d'occultation, moyens de rotation des ailes, etc.). Le véhicule peut encore embarquer des outils de navigation traditionnels tels qu'un altimètre, un dispositif de détection d'une position dans l'espace (Global Positioning System), etc. Un émetteur / récepteur est également positionné dans le nez ou le fuselage du véhicule, pour communiquer avec une base distante au sol. Ainsi, le véhicule peut transmettre à la base au sol les images obtenues par les caméras ou par le moyen de traitement d'images, les signaux d'alerte émis par le moyen de traitement d'images ou par d'autres dispositifs de détection d'obstacles, les paramètres mesurés par les outils de navigation, etc. Et le véhicule peut recevoir en retour des instructions de pilotage par exemple, des instructions pour le paramétrage des moyens de commande, des instructions pour le paramétrage des outils de navigation, etc. Dans une version perfectionnée, un moyen d'autopilotage est embarqué dans le fuselage, moyen adapté à recevoir les images des caméras, du moyen de traitement d'image, les signaux d'alerte des moyens de détection d'obstacle, les paramètres mesurés par les outils de navigation, etc., et à produire en retour des signaux de commande pour l'ensemble des moyens mécaniques et électriques du véhicule, en fonction d'une destination finale indiquée par un utilisateur. Enfin, une nacelle 38 de transport de charge est fixée sous le fuselage par un dispositif de connexion rapide. La nacelle peut embarquer tout type de matériel ou de matériau, comme par exemple des dispositifs de mesures de paramètres, par exemple pour mesurer des paramètres (température, radioactivité, etc.) dans des lieux distants éventuellement dangereux.

Un moyen de commande peut être prévu, soit dans le fuselage du véhicule, soit dans la nacelle elle-même, pour commander une ouverture du dispositif de connexion rapide en vol, à un instant prédéfini ou à une position de vol prédéfini, etc. Ceci permet de larguer la nacelle à volonté, en vol, et d'envisager des applications telles que la délivrance à distance de matériel de survie dans des zones non accessibles ou dangereuses par exemple.

NOMENCLATURE 10, 20 ailes 11, 21 unités de propulsion 12, 22 bord d'attaque 13, 23 bord longitudinal 14, 24 extrémité libre du bord longitudinal 15, 25 volets de contrôle du roulis 16 prise de rechargement d'un accumulateur électrique 17, 27 verrous 30 fuselage 31 unité d'équilibrage 32 queue 33 nez 34 volet de commande de profondeur (tangage) 35 dérive 36 pied arrière 37 volet d'occultation 38 nacelle

Claims

REVENDICATIONS1. Véhicule aérien comprenant un fuselage (30) s'étendant selon un axe principal longitudinal (AA), deux ailes (10, 20) positionnées de part et d'autre du fuselage, deux unités de propulsion (11, 21) chacune fixée respectivement à une aile, chaque unité de propulsion étant configurée pour produire une poussée dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal, et une unité d'équilibrage statique (31) fixée au voisinage d'une extrémité du fuselage et configurée pour produire une poussée selon une direction sensiblement orthogonale à l'axe longitudinal, véhicule caractérisé en ce que chaque aile (11, 21) est montée rotative selon un axe transversal (BB) entre une position de vol aérodynamique où l'aile s'étend dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal et une position de vol statique où l'aile s'étend dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal.
2. Véhicule selon la revendication 1 dans lequel chaque aile présente un bord d'attaque (12, 22) à proximité de son axe transversal (BB) de rotation et un bord longitudinal (13, 23) de dimension comprise entre 1,25 et 3 fois une longueur du bord d'attaque, une extrémité (14, 24) du bord longitudinal opposée au bord d'attaque étant positionnée au voisinage d'une queue (32) du fuselage lorsque les ailes sont en position de vol aérodynamique.
3. Véhicule selon la revendication 2 dans lequel, en position de vol aérodynamique, une voilure du véhicule a une forme similaire à une forme d'un corps de raie aigle.
4. Véhicule selon l'une des revendications 2 ou 3 dans lequel, lorsque les ailes sont en position de vol stationnaire, l'extrémité (14, 24) du bord longitudinal (13, 23) de chaque aile forme un pied sur lequel le véhicule peut reposer.
5. Véhicule selon l'une des revendications précédentes comprenant également un moyen de verrouillage (17, 27) pour solidariser les ailes sur le fuselage lorsque les ailes sont en position de vol aérodynamique.
6. Véhicule selon l'une des revendications précédentes comprenant également des moyens pour entraîner en rotation les ailes indépendamment l'une de l'autre.
7. Véhicule selon l'une des revendications précédentes comprenant également un pied arrière (36), positionné au voisinage de l'extrémité du fuselage, s'étendant sous le fuselage dans une direction parallèle aux ailes en position de vol stationnaire
8. Véhicule selon l'une des revendications précédentes comprenant un accumulateur électrique pour fournir une énergie électrique aux unités de propulsion, à l'unité d'équilibrage et / ou aux moyens d'entraînement des ailes en rotation, et comprenant au moins une prise (16) de rechargement fixée à une extrémité d'une aile, prise configurée pour coopérer avec une prise associée d'un chargeur d'accumulateur électrique lorsque les ailes sont en position de vol stationnaire
9. Véhicule selon l'une des revendications précédentes comprenant également un volet d'occultation (37) mobile entre une position fermée où le volet masque une ouverture de l'unité d'équilibrage et une position ouverte où le volet est effacé devant l'ouverture de l'unité d'équilibrage.
10. Véhicule selon l'une des revendications précédentes, comprenant également une nacelle (38) agencée pour porter une charge utile du véhicule, ladite nacelle étant fixée sous le fuselage par un dispositif de connexion rapide, la dite nacelle comprenant de préférence des moyens pour communiquer avec le véhicule.