FR3004699A1 - Aeronef comprenant une motorisation hybride - Google Patents

Abstract

L'objet de l'invention est un aéronef comprenant au moins un moteur à combustion (18), caractérisé en ce qu'il comprend au moins une propulsion électrique (22), chaque propulsion électrique comprenant un moteur électrique, un rotor (26) entraîné en rotation par le moteur électrique et des pales (28) solidaires du rotor (26). L'invention propose également un procédé de gestion du fonctionnement des moteurs d'un aéronef qui se caractérise en ce que la ou les propulsions électriques (22) sont mises en fonctionnement lors des pics de poussée de l'aéronef de manière à fournir une poussée additionnelle au(x) moteur(s) à combustion (18) afin de réduire le besoin en puissance crête du ou des moteur(s) à combustion (18).

Description

AERONEF COMPRENANT UNE MOTORISATION HYBRIDE La présente invention concerne un aéronef équipé d'une motorisation hybride. bans le domaine de l'aviation civile, un avion destiné au transport de passagers ou de marchandises comprend un fuselage approximativement cylindrique, une voilure généralement implantée en position basse sur le fuselage, des trains d'atterrissage prévus sous le fuselage et/ou la voilure et des moteurs pour sa propulsion. Le fuselage comprend à l'avant une pointe avant intégrant un cockpit et à l'arrière un empennage avec des surfaces d'équilibrage verticales et horizontales. En matière de propulsion, un aéronef comprend plusieurs moteurs répartis de manière symétrique par rapport au fuselage qui peuvent être suspendu sous la voilure ou raccroché directement au fuselage. La présente invention vise plus particulièrement les aéronefs équipés de moteurs de type turboréacteur à double flux. Selon un mode de réalisation, un turboréacteur comprend, de l'avant vers l'arrière, une soufflante, au moins un compresseur, une chambre de combustion, au moins une turbine et une tuyère. Un turboréacteur comprend généralement plusieurs étages de compression et plusieurs étages de turbine. Il est disposé dans une nacelle qui permet entre autre de canaliser l'air en direction de la soufflante et du ou des compresseur(s). Une nacelle comprend également des inverseurs de poussée sous forme par exemple de volets pour ralentir l'aéronef lors de la phase d'atterrissage. Les turboréacteurs d'un avion sont dimensionnés pour les phases de vol qui demandent le plus de puissance à savoir lors des pics de poussée au décollage et en fin de montée en altitude de croisière. Pour les autres phases de vol qui représentent la majorité du temps de fonctionnement des turboréacteurs, ces derniers sont surdimensionnés ce qui tend à augmenter le coût du turboréacteur, sa masse et sa consommation en carburant.

Pour réduire la consommation en carburant des avions, une solution consiste à utiliser des turboréacteurs avec une tuyère à section variable. Ainsi, il est possible d'adapter le flux traversant la tuyère, en modifiant sa section, aux conditions extérieures et au régime de fonctionnement du moteur. Même si cette solution permet d'optimiser le rendement des turboréacteurs, ces 10 derniers sont toujours dimensionnés en fonction des pics de poussée et par conséquent surdimensionnés. bans le domaine militaire, on connait des avions pouvant décoller verticalement. Selon un mode de réalisation, un avion de ce type comprend des turboréacteurs reliés au fuselage et des ailes pivotantes équipées d'hélices entraînés en rotation 15 par un moteur thermique. bans ce cas, les turboréacteurs ne fonctionnent pas au moment du décollage et ne viennent qu'en appoint lors du vol. Cette solution permettant d'obtenir un décollage vertical ne permet pas de réduire la consommation en carburant. Par ailleurs, elle ne peut pas être transposée à un avion de ligne ou à un avion-cargo compte tenu de son poids. 20 Aussi, l'invention vise à remédier à ces inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet un aéronef équipé d'au moins un moteur à combustion qui se caractérise en ce qu'il comprend au moins une propulsion électrique disposée de manière symétrique par rapport au plan médian vertical, chaque propulsion électrique comprenant un moteur électrique, un rotor entraîné 25 en rotation par le moteur électrique et des pales solidaires du rotor. Cette solution permet de réduire la consommation en carburant de l'aéronef. be préférence, la ou les propulsions électriques sont disposées à proximité de l'extrémité arrière du fuselage.

Avantageusement, une propulsion électrique est disposée dans un carénage qui comprend un conduit intérieur approximativement cylindrique qui permet de canaliser l'air depuis un bord d'attaque vers un bord de fuite, l'axe du rotor étant sensiblement coaxial à l'axe du conduit intérieur.

Selon un mode de réalisation, l'aéronef comprend des batteries pour alimenter la ou les propulsions électriques qui sont stockées au niveau de la voilure et/ou d'un caisson central de voilure reliant la voilure au fuselage. Avantageusement, les pales sont reliées au rotor par l'intermédiaire d'une liaison qui permet de modifier le calage des pales. De préférence, les pales sont susceptibles d'occuper deux états, un premier état avec une incidence adaptée pour la propulsion et un second état avec une incidence adaptée pour annuler ou inverser la propulsion afin de freiner l'avance de l'aéronef. L'invention propose également un procédé de gestion du fonctionnement des moteurs d'un aéronef selon l'invention qui se caractérise en ce que la ou les propulsions électriques sont mises en fonctionnement lors des pics de poussée de l'aéronef de manière à fournir une poussée additionnelle au(x) moteur(s) à combustion afin de réduire le besoin en puissance crête du ou des moteur(s) à combustion. Ainsi, il est possible de réduire le besoin en puissance crête du ou des moteur(s) 20 à combustion, ce qui engendre une réduction de leurs dimensions, de leurs masses et de leurs coûts ainsi que la réduction de la consommation en carburant de l'aéronef. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard 25 des dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 est une vue latérale d'un aéronef illustrant l'invention, - La figure 2 est une vue de face de l'aéronef de la figure 1 en configuration de vol, - La figure 3 est une vue de face de l'aéronef de la figure 1 en configuration d'inversion de poussée, - La figure 4 est une vue en perspective de l'aéronef de la figure 1, - La figure 5 est une vue en perspective de l'arrière de l'aéronef de la figure 1, - La figure 6 est une vue en perspective d'un aéronef illustrant une autre variante de l'invention. Sur les différentes figures, on a représenté un aéronef 10 destiné au transport de passagers et/ou de marchandises.

Selon un mode de réalisation, un aéronef 10 comprend un fuselage 12, une voilure 14 reliée au fuselage par un caisson central de voilure et au moins trois trains d'atterrissage (non représentés). Selon un mode de réalisation, à l'exception de l'arrière, le fuselage 12 est sensiblement identique à celui des aéronefs de l'art antérieur. be même, les trains d'atterrissage et la voilure 14 peuvent être identiques à ceux de l'art antérieur et implantés de la même manière. Par conséquent, ces éléments ne sont pas plus décrits. Pour la suite de la description, on entend par axe longitudinal 16 l'axe qui s'étend de la pointe avant à l'arrière du fuselage. Un plan médian vertical correspond à un plan vertical passant par l'axe longitudinal 16. Concernant la propulsion, l'aéronef comprend au moins deux moteurs 18 de type turboréacteur à double flux, chacun d'eux étant disposé dans une nacelle 20 qui permet de canaliser l'air en direction du moteur 18. Les ensembles moteur/nacelle sont reliés au fuselage 12 ou à la voilure 14 et sont 25 disposés de manière symétrique par rapport au plan médian vertical. Selon une caractéristique de l'invention, l'aéronef 10 comprend au moins une propulsion électrique 22.

Une propulsion électrique 22 comprend un moteur électrique 24, un rotor 26 entraîné en rotation par le moteur électrique 24 et des pales 28 solidaires du rotor 26. Avantageusement, le rotor 26 est entrainé en rotation exclusivement par le moteur électrique 24. Cette solution permet de simplifier la propulsion électrique 22 et de l'alléger. L'axe du rotor 26 est sensiblement parallèle aux axes de rotation des turboréacteurs 18. Les pales 28 sont disposées dans au moins un plan perpendiculaire à l'axe du rotor 26.

Selon un mode de réalisation, le rotor 26 et les pales 28 constituent une soufflante. Selon une première variante, la soufflante comprend un seul disque. bans ce cas, les pales sont toutes disposées dans un unique plan perpendiculaire à l'axe du rotor 26. Selon une autre variante, la soufflante comprend plusieurs disques. bans ce cas, les pales sont disposées selon plusieurs plans perpendiculaires à l'axe du rotor, le nombre de plans étant égal au nombre de disques. Selon les configurations, l'axe du rotor 26 peut être aligné avec celui de l'arbre de sortie du moteur électrique 24 ou il peut être déporté. Sur le plan aérodynamique, une propulsion électrique 22 comprend à l'avant des 20 pales 28 un cône avant 30, une portion légèrement tronconique 32 évasée vers l'arrière contenant le moteur électrique 24 et à l'arrière un cône arrière 34. L'aéronef comprend des batteries 35 pour permettre d'alimenter la ou les propulsions électriques 22 ainsi que des systèmes associés pour contrôler la ou les propulsions électriques et réguler le courant d'alimentation fourni par les 25 batteries. be préférence, les batteries 35 sont stockées au niveau de la voilure et/ou du caisson central de voilure de l'aéronef à proximité du centre de gravité de l'aéronef.

Chaque propulsion électrique 22 est reliée au fuselage 12 par l'intermédiaire d'un mât 36. Ce mât 36 a un profil aérodynamique et comprend une section creuse pour permettre le passage de câbles assurant l'alimentation électrique du moteur électrique et/ou sa commande.

Selon un mode de réalisation, le mât a un profil qui présente à l'avant un bord d'attaque et à l'arrière un bord de fuite et dont les sections dans des plans horizontaux rétrécissent en partant du fuselage vers l'axe du rotor. Lorsque l'aéronef comprend une unique propulsion électrique 22, le mât 36 est centré par rapport au plan médian vertical.

Avantageusement, une propulsion électrique est réversible, bans ce cas, les pales 28 sont reliées au rotor 26 par l'intermédiaire d'une liaison qui permet de modifier le calage des pales afin d'inverser leurs profils. Ainsi, pour certaines phases du vol, le moteur électrique 24 peut être moteur et entraîné en rotation le rotor 26 et les pales 28. Pour d'autres phases du vol, le moteur électrique 24 fonctionne comme une génératrice et permet de recharger les batteries 35. Selon un aspect important de l'invention, la ou les propulsions électriques 22 sont mises en fonctionnement lors des pics de poussée de l'aéronef, à savoir essentiellement au moment du décollage et/ou en fin de montée à l'altitude de croisière. Ainsi, la ou les propulsions électriques 22 fournissent une poussée additionnelle requise pour les phases de vol correspondant aux pics de poussée qui sont généralement des phases de courtes durées. Cette solution permet de réduire le besoin en puissance crête des turboréacteurs 18, ce qui engendre une réduction de leurs dimensions, de leurs masses et de leurs coûts.

A l'exception de la descente, la ou les propulsions électriques 22 fonctionnent afin d'augmenter l'efficacité globale. Concernant les turboréacteurs 18, ils sont généralement associés chacun à un système de génération électrique pour produire l'électricité nécessaire au fonctionnement de l'aéronef. Ces systèmes de génération électrique peuvent également être utilisés pour recharger les batteries 35 nécessaires à l'alimentation en énergie électrique de la ou des propulsions électriques. Ces systèmes sont par conséquent dimensionnés pour assurer cette fonction de recharge. Selon une autre caractéristique de l'invention, les systèmes de génération électrique associés aux turboréacteurs sont utilisés pour recharger les batteries 35 lorsque les besoins en énergie électrique pour le reste de l'aéronef et/ou en poussée sont réduits. Cette configuration permet d'obtenir un régime pour les turboréacteurs plus stable.

Selon une autre caractéristique de l'invention, une propulsion électrique 22 est disposée dans un carénage 38. A la manière d'une nacelle, le carénage 38 comprend un conduit intérieur 40 approximativement cylindrique qui permet de canaliser l'air depuis un bord d'attaque 42 vers un bord de fuite 44, l'axe du rotor 26 étant sensiblement coaxial à l'axe du conduit intérieur 40. Le carénage 38 permet également de retenir les éventuels éléments susceptibles d'être éjectés lors du bris d'une pale. Sur le plan aérodynamique, le carénage 38 comprend une surface extérieure 46 qui s'étend entre le bord d'attaque 42 et le bord de fuite 44, le conduit intérieur 40 et la surface extérieure 46 délimitant des profils 48 en aile d'avion dans des plans contenant l'axe du rotor 26 et sur la majorité de la circonférence du carénage. Comme illustré sur les figures 2 et 3, la surface extérieure 46 présente un profil en U inversé dans des plans perpendiculaires à la direction longitudinale. Au niveau des zones de jonction avec le fuselage 12 (extrémités des branches du 25 U), le carénage 38 comprend des surfaces aérodynamiques 50, 50' qui s'étendent vers l'avant du fuselage et des surfaces aérodynamiques 52, 52' qui s'étendent vers l'arrière du fuselage.

En complément, la partie arrière du fuselage est modifiée sur le plan aérodynamique pour tenir compte de la présence de la ou des propulsions électriques. Le carénage 38 participe à l'efficacité aérodynamique mais n'est pas indispensable. En présence d'un carénage, les surfaces 50, 50', 52 et 52' assurent la continuité aérodynamique entre le fuselage 12 et le carénage 38. Enfin, le carénage 38 comprend au moins une surface qui assure la fonction de surface de stabilisation arrière. Selon une autre caractéristique de l'invention, la ou les propulsions électriques 10 22 sont disposées de manière symétrique par rapport au plan médian vertical de l'aéronef. Selon un mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 5, l'aéronef comprend une unique propulsion électrique 22 dont l'axe du rotor 26 est disposé dans le plan médian vertical de l'aéronef. be préférence, la propulsion électrique 22 est 15 disposée au-dessus du fuselage 12. Selon un autre mode de réalisation illustré sur la figure 6, l'aéronef comprend deux propulsions électriques 22 disposées de manière symétrique par rapport au plan médian vertical. Selon une caractéristique de l'invention, la ou les propulsions électriques 22 sont 20 les plus éloignées possible de la voilure. Selon un mode de réalisation, la ou les propulsions électriques sont disposées à proximité de l'extrémité arrière 54 du fuselage. Ainsi, le carénage 38 assure au moins partiellement la fonction de la dérive. be ce fait, selon un mode de réalisation illustré sur les figures, l'aéronef ne comprend pas de dérive verticale. 25 Selon un autre aspect, en présence d'une propulsion électrique 22, la perte d'un turboréacteur 18 ne se traduit plus par la perte de la moitié de la poussée mais par la perte d'approximativement un tiers de la poussée. Par conséquent, cette configuration entraine une réduction du moment nécessaire pour compenser la perte d'un turboréacteur si bien que les stabilisateurs verticaux prévus au niveau de l'empennage ont des dimensions réduites par rapport à ceux de l'art antérieur. be préférence, les pales 28 sont reliées au rotor 26 par l'intermédiaire d'une liaison qui permet de modifier le calage des pales. Ainsi, il est possible de faire varier l'incidence des pales. Ainsi, dans un premier état illustré sur la figure 2, les pales sont positionnées avec une incidence adaptée pour la propulsion. bans un second état illustré sur la figure 3, les pales sont positionnées avec une incidence adaptée pour annuler ou inverser la propulsion, pour freiner l'avance de l'aéronef. be préférence, en mode propulsion, le calage des pales peut varier continument dans une première plage donnée afin d'optimiser le fonctionnement de la propulsion électrique. En parallèle, en mode d'annulation ou d'inversion de poussée, le calage des pales peut varier dans une seconde plage donnée en fonction de l'effet d'inversion de poussée recherché. Selon un avantage procuré par l'invention, lorsque les pales sont reliées au rotor par l'intermédiaire d'une liaison permettant de régler le calage des pales, la propulsion électrique 22 peut être utilisée comme un mécanisme pour ralentir l'avion lors de l'atterrissage à la manière des inverseurs de poussée équipant les nacelles des aéronef de l'art antérieur. Ainsi, l'aéronef ne comprend aucun mécanisme d'inversion de poussée au niveau des nacelles des turboréacteurs ce qui tend à réduire la masse embarquée et à compenser partiellement la masse de la propulsion électrique, du carénage, des batteries et des systèmes associés. Les avantages procurés par la mise en place d'au moins une propulsion électrique à l'arrière d'un aéronef sont les suivants : Elle permet de réduire les dimensions des turboréacteurs 18, ces derniers n'étant plus dimensionnés en fonction des pics de poussée. Ainsi, la masse, le prix et la consommation des turboréacteurs sont réduits.

Elle permet de réduire la masse des surfaces de stabilisation au niveau de l'empennage. Ainsi, la dérive peut être supprimée et la surface des stabilisateurs verticaux peut également être réduite. Elle permet de réduire la consommation en carburant dans la mesure où il est possible de n'utiliser que la propulsion électrique pour déplacer l'aéronef au sol. be plus, la réduction de la consommation en carburant découle de l'augmentation du taux de dilution de l'ensemble des systèmes de propulsion 18 et 22 de l'aéronef. Selon un autre avantage, il est possible d'utiliser la propulsion électrique 22 10 durant les phases de descente afin de recharger les batteries 35 ou tout autre élément de stockage de l'énergie électrique. Le fait de n'utiliser que la ou les propulsion(s) électrique(s) au sol permet de réduire l'impact sonore et les émissions de CO2 au niveau des aéroports. Enfin, lorsque le calage des pales est ajustable, la propulsion électrique peut être 15 utilisée comme inverseur de poussée ce qui permet de supprimer les inverseurs de poussée au niveau des turboréacteurs et engendre une simplification des nacelles des turboréacteurs et une réduction de leurs masses. Enfin, bien que décrite appliquée à un aéronef utilisant deux turboréacteurs à double flux pour sa propulsion, l'invention n'est pas limitée à ce type d'appareils.

20 Ainsi, l'invention peut s'appliquer à tout aéronef disposant d'au moins un moteur à combustion.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Aéronef comprenant un fuselage (12) avec un plan médian vertical, une voilure (14), au moins un moteur à combustion (18), caractérisé en ce que l'aéronef comprend au moins une propulsion électrique (22) disposée de manière symétrique par rapport au plan médian vertical, chaque propulsion électrique comprenant un moteur électrique (24), un rotor (26) entraîné en rotation par le moteur électrique (24) et des pales (28) solidaires du rotor (26).
2. 2. Aéronef selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou les propulsions électriques sont disposées à proximité de l'extrémité arrière (54) du fuselage.
3. 3. Aéronef selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une unique propulsion électrique (22).
4. 4. Aéronef selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des batteries (35) stockées au niveau de la voilure et/ou d'un caisson central de voilure reliant la voilure au fuselage.
5. 5. Aéronef selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor (26) est entrainé en rotation exclusivement par le moteur électrique (24).
6. 6. Aéronef selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une propulsion électrique (22) est disposée dans un carénage (38).
7. 7. Aéronef selon la revendication 6, caractérisé en ce que le carénage (38) comprend au moins une surface qui assure la fonction de surface de stabilisation arrière.
8. 8. Aéronef selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le carénage (38) comprend un conduit intérieur (40) approximativement cylindrique 25 qui permet de canaliser l'air depuis un bord d'attaque (42) vers un bord de fuite(44), l'axe du rotor (26) étant sensiblement coaxial à l'axe du conduit intérieur (40).
9. 9. Aéronef selon la revendication 8, caractérisé en ce que le carénage (38) comprend une surface extérieure (46) qui a un profil en U inversé ainsi que 5 des surfaces aérodynamiques (50, 50', 52, 52') au niveau des zones de jonction entre ledit carénage (38) et le fuselage (12).
10. 10. Aéronef selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pales (28) sont reliées au rotor par l'intermédiaire d'une liaison qui permet de modifier le calage des pales (28). 10
11. 11. Aéronef selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les pales (28) sont susceptibles d'occuper deux états, un premier état avec une incidence adaptée pour la propulsion et un second état avec une incidence adaptée pour annuler ou inverser la propulsion afin de freiner l'avance de l'aéronef. 15
12. 12. Procédé de gestion du fonctionnement des moteurs d'un aéronef selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les propulsions électriques (22) sont mises en fonctionnement lors des pics de poussée de l'aéronef de manière à fournir une poussée additionnelle au(x) moteur(s) à combustion (18) afin de réduire le besoin en puissance crête du ou des moteur(s) 20 à combustion (18).
13. 13. Procédé de gestion des systèmes de génération électrique d'un aéronef selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que lesdits systèmes de génération électrique sont utilisés pour recharger des batteries (35) qui alimentent en électricité la ou les propulsions électriques (22).
14. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les systèmes de génération électrique associés au(x) moteur(s) à combustion (18) sont utilisés pour recharger les batteries (35) lorsque les besoins en énergie électrique pour le reste de l'aéronef et/ou en poussée sont réduits.