FR3045566A1

FR3045566A1 - Drone avec rotor comprenant des pales articulees

Info

Publication number: FR3045566A1
Application number: FR1502628A
Authority: FR
Inventors: Arthur Gardin; Florent Roque
Original assignee: Individual
Current assignee: Evodrone Fr
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-23
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: FR3045566B1; WO2017103867A1

Abstract

Drone multirotors comprenant un fuselage et une pluralité de groupe motopropulseurs entrainant une pluralité de rotors caractérisé en ce que chaque rotor comporte deux pales (5) montées en opposition de part et d'autre d'un axe de basculement BP des pales, de sorte que chacune des pâles (5) comporte un degré de liberté en rotation autour dudit axe de basculement BP des pales.

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

[0001] La présente invention concerne un drone. Elle concerne plus particulièrement un drone multirotors comprenant un fuselage et une pluralité de groupe motopropulseurs entraînant une pluralité de rotors.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

[0002] Avec la miniaturisation permanente de l’électronique, un nouveau type de drone a vu de jour depuis une petite décennie dans la catégorie des mini-drones (MTOW < 25kg) : les drones multirotors. Ces aéronefs à voilure tournante sont constitués de plusieurs rotors (au moins trois) dont les différentes poussées permettent la sustentation et le contrôle du drone. L’avantage majeur de cette configuration, par rapport aux hélicoptères classiques, réside dans sa simplicité : il suffit de quelques moteurs entraînant directement des rotors, asservis par une centrale inertielle et commandés par un petit calculateur, pour faire voler presque n’importe quel objet, similairement à un hélicoptère.

[0003] D’abord utilisés comme engins de loisir, ces drones multirotors ont vu leurs domaines d’utilisations se diversifier considérablement : ils sont dorénavant exploités professionnellement pour accomplir des missions très diverses. Ces missions peuvent prendre la forme d’objets à transporter/élever dans l’air, ou bien de captation d’informations sous toutes leurs formes au moyen de capteurs embarqués dans l’aéronef (prise de vue aérienne, cartographie, relevés en tous genres, etc.).

[0004] Ces applications professionnelles nécessitent à la fois des performances en vol optimales (autonomie, manoeuvrabilité et charge embarquée du drone), ainsi qu’une fiabilité exemplaire.

[0005] La recherche de performances toujours meilleures guide les concepteurs de multirotors vers une augmentation de la surface portante de leurs rotors, et donc du diamètre de ces derniers. Cette augmentation s’accompagne inéluctablement d’une amplification de certains effets pervers, qui étaient jusqu’alors souvent négligés sur des rotors de petit diamètre. Notamment, les rotors de grand diamètre génèrent des efforts gyroscopiques importants et incompatibles avec la mécanique embarquée, les systèmes d’amortissement de vibrations ou encore les structures très légères de certains multirotors. Parmi les conséquences néfastes de la transmission d’efforts gyroscopiques du rotor à la structure du drone, on pourra citer quelques exemples : fatigue prématurée des pièces rotatives de la tête de rotor du fait de l’introduction d’efforts cycliques importants, déplacements importants, voire franchissement des butées d’un groupe motopropulseur monté de façon souple (isolation vibratoire) lors de l’inclinaison du drone ou encore sollicitation excessive de la structure du drone, du fait de la transmission à celle-ci de vibrations et d’efforts gyroscopiques générés par le rotor de grand diamètre.

[0006] Pour pallier ces différents inconvénients, l’invention prévoit différents moyens techniques.

EXPOSE DE L'INVENTION

[0007] L’objet de l’invention consiste à prévoir une architecture de tête de rotor de drone multirotors permettant de limiter la transmission d’efforts gyroscopiques du rotor vers la structure du drone.

[0008] Pour ce faire, l’invention prévoit un drone multirotors comprenant un fuselage et une pluralité de groupe motopropulseurs entraînant une pluralité de rotors, dans lequel chaque rotor comporte deux pales montées en opposition de part et d’autre d’un axe de basculement BP des pales, de sorte que chacune des pâles comporte un degré de liberté en rotation autour dudit axe de basculement BP des pales.

[0009] Les pales étant agencées libres en basculement minimisent la transmissions des efforts engendrés du rotor vers la structure, notamment les effets gyroscopiques et aérodynamiques. Une telle architecture présente plusieurs avantages : la simplicité et la robustesse sont accrues par rapport à un système classique constitué de roulements à contact radial et de butées à billes. Le maintien très rigide des pales évite ainsi des déséquilibrages dynamiques du rotor en vol. Le ratio de Masse/Robustesse/Prix est particulièrement intéressant, notamment dans de petites dimensions compatibles avec les drones dont fait l’objet cette invention et une maintenabilité améliorée du fait de la simplicité du montage.

[0010] Selon un mode de réalisation avantageux, l’axe de basculement des pales passe par une articulation de basculement des pales, agencée entre les deux pales.

[0011] Selon un mode de réalisation avantageux, l’axe de basculement BP des pales est perpendiculaire à l’axe des pales. Dans un autre mode de réalisation, l’axe de basculement BP des pales est non perpendiculaire à l’axe des pales.

[0012] Egalement de manière avantageuse, les rotors sont à pas variable et l’axe de basculement BP des pales correspond à l’axe reliant les points d’ancrage des commandes de pas.

[0013] Selon un mode de réalisation avantageux, l’axe de basculement BP forme un angle Delta par rapport à l’axe AP d’articulation des pales.

[0014] L’angle Delta est avantageusement compris entre -90° > δ > 0° > δ > 90°,et plus préférentiellement entre -80° > δ > -30° ; 30° > δ > 80°, et encore plus préférentiellement entre -60° > δ > -40° ; 40° > δ > 60°.

[0015] Egalement de manière avantageuse, la valeur de l’angle Delta est prévue de façon à faire varier l’angle d’incidence des pales en fonction de leur basculement. Une telle architecture permet de ramener les pales dans le plan perpendiculaire à l’axe de rotation.

DESCRIPTION DES FIGURES

[0016] Tous les détails de réalisation sont donnés dans la description qui suit, complétée par les figures 1 à 4C, présentées uniquement à des fins d’exemples non limitatifs, et dans lesquelles: -les figures 1A et 1B sont des représentations schématiques illustrant un exemple de pivotement des pales autour d’un axe de basculement BP ; -la figure 1C est une vue en perspective d’un exemple de drone ; -la figure 2 est une vue de dessus d’un exemple de mise en oeuvre d’un rotor basculant ; -la figure 3 montre l’agencement de la figure 2 vu en perspective ; -les figures 4A, 4B et 4C permettent d’illustrer l’effet du basculement des pales.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

DEFINITIONS

[0017] Par « drone » on entant un aéronef télépiloté tels que défini dans l’arrêté du 11 avril 2012 relatif à « la conception des aéronefs civils qui circulent sans aucune personne à bord, aux conditions de leur emploi et sur les capacités requises des personnes qui les utilisent ». En résumé, il s’agit de tout aéronef capable de voler sans pilote à bord, dont le contrôle est réalisé soit par un ordinateur (embarqué ou au sol), soit par un opérateur au sol, utilisé à des fins de loisirs, de compétitions, ou professionnelles.

[0018] Par « multirotors » on entend tout aéronef à voilure tournante, dont la sustentation dans l’air est obtenue au moyen de l’utilisation d’au moins trois rotors, non coaxiaux, qui participent chacun à une fraction significative de la portance totale nécessaire au vol.

[0019] Par «voilure tournante» on entend tout drone dont la sustentation dans l’air est obtenue au moyen de l’utilisation d’au moins un rotor, permettant au drone d’effectuer du vol stationnaire. L’invention porte préférentiellement sur les drones multirotors équipés de trois à huit rotors.

[0020] L’invention porte plus préférentiellement sur les multirotors équipés de quatre à six rotors 4.

[0021] L’invention porte plus préférentiellement sur les drones multirotors à pas variable, dont le contrôle est obtenu au moyen de la modification du pas collectif d’au moins trois de leurs rotors 4.

ROTORS BIPALES

[0022] L’invention décrite porte uniquement sur les drones multirotors dotés de rotors bipales, soit des rotors 4 équipés de deux pales 5 diamétralement opposées.

ARTICULATION DE BASCULEMENT DU ROTOR

[0023] L’invention porte sur un rotor 4 articulé de sorte que les deux pales 5 puissent basculer ensemble par rapport à leur axe de rotation. De cette façon, le plan dans lequel s’inscrit la trajectoire des pales 5 peut s’incliner par rapport à l’axe de rotation 6 principal du rotor : ce plan n’est donc pas systématiquement normal à cet axe de rotation.

[0024] L’axe de cette articulation doit par ailleurs être judicieusement choisi afin de respecter les contraintes suivantes : permettre le basculement des pales 5 par rapport à leur axe de rotation et ne pas introduire de vibrations supplémentaires du fait de ce nouveau degré de liberté.

[0025] Pour cela, selon un premier mode de réalisation tel que montré aux figures 1A et 1B, l’axe de basculement BP est positionné dans le respect de ces trois règles : être inscrit dans un plan orthogonal à l’axe de rotation 6 principal du rotor, ne pas être parallèle à l’axe de l’articulation de pas des pales 5 et être positionné de façon à ce que le centre d’inertie des pièces pouvant basculer (pales 5, pieds de pale, tête de rotor 10, etc) soit coïncident à l’axe en question.

[0026] L’intérêt de cette articulation réside dans ce qui suit : le rotor 4 tout entier est libre de s’incliner au gré des sollicitations extérieures (sollicitations aérodynamiques et effets gyroscopiques induits par une inclinaison du drone dans l’espace) indépendamment des mouvements de son axe principal de rotation. Par exemple, lorsque le drone 1 s’incline dans l’espace, les efforts gyroscopiques générés par le rotor 4 tendent à maintenir constante l’orientation du disque rotor dans l’espace, et ce malgré l’inclinaison du drone 1. L’articulation de basculement 7 permet de ne pas forcer le rotor 4 à suivre l’inclinaison du drone 1, mais d’utiliser les efforts centrifuges et certains efforts aérodynamiques pour rétablir l’orientation du disque rotor. Ainsi, ce n’est pas la structure qui contrecarre les efforts gyroscopiques par réaction à ces derniers, mais des efforts extérieurs (force centrifuge et efforts aérodynamiques). La transmission d’efforts gyroscopiques est donc grandement réduite.

ANGLE DELTA DE COUPLAGE BASCULEMENT - PAS

[0027] Au-delà des efforts centrifuges qui tendent naturellement à ramener le rotor vers sa position d’équilibre (soit dans un plan orthogonal à l’axe principal de rotation du rotor), on peut également introduire des efforts aérodynamiques permettant de contrecarrer les efforts gyroscopiques. Pour cela, comme le montre la figure 2, on cherche à faire en sorte que le basculement des pales 5 par rapport à leur axe de rotation soit couplé avec une modification de leur pas, qui tend à lutter contre ce basculement. Pour obtenir cet effet, on étudie l’orientation de l’axe d’articulation AP de pas des pales, par rapport à la direction formée par les deux points d’ancrage 8 de la commande de pas des pales. On appelle <5 l’angle formé par ces deux directions.

[0028] 0n constate alors que si cet angle est différent de 90°, le basculement des pales 5 entraîne une modification de leur pas dans un sens ou dans l’autre, suivant si l’axe d’articulation de pas des pales est situé en avant ou en arrière du point d’ancrage de la commande de pas. Par convention, on dira que l’angle δ est positif lorsque le point d’ancrage de la commande de pas 8 est situé en avant de l’axe de l’articulation de pas (du côté du bord d’attaque de la pale 5), et négatif dans l’autre sens. Notons enfin que dans le cas extrême où cet angle serait nul, le basculement des pales n’est alors plus possible. On exclue donc ce cas de figure de la présente invention.

[0029] Si l’on observe le comportement d’une pale 5 dans le cas d’un angle δ positif, on constate, tel qu’illustré aux figures 4A, 4B et 4C, qu’un basculement vers le haut (figure 4B) de la pale a pour effet de réduire son pas. La figure 4C représente cet effet avec une flèche P illustrant la portance, orientée vers le bas. Inversement, un basculement vers le bas (figure 4C) a pour effet d’augmenter son pas. La figure 4B représente cet effet avec une flèche P illustrant la portance, orientée vers le haut. On obtient bien l’effet escompté : le basculement des pales engendre un effort aérodynamique tendant ramener le rotor dans un plan perpendiculaire à son axe de rotation. Notons enfin que plus l’angle δ est faible, plus l’effet obtenu est important ; inversement, plus l’angle <5 est proche de 90°, plus l’effet obtenu est faible.

[0030] Enfin, on note que l’utilisation d’un angle δ négatif (point d’ancrage de l’articulation de pas situé derrière l’axe de l’articulation de pas, soit du côté du bord de fuite de la pale) permet d’obtenir un résultat équivalent, principalement du fait de phénomènes dynamiques complexes que nous ne détaillerons pas dans ce document.

[0031] Par conséquent, l’angle <5 est préférentiellement choisi dans les plages suivantes :

ARTICULATION DE PAS

[0032] L’articulation de pas, uniquement présente sur les drones multirotors à pas variable, est la liaison de pivot entre une pale 5 et la tête de rotor 10. Elle permettant la modification du pas collectif du rotor. L’invention porte préférentiellement sur les drones multirotors à pas variable dont les rotors disposent d’une articulation de pas réalisée à l’aide de deux rotules sphériques.

[0033] Dans l’exemple de réalisation de la figure 3, la commande de pas est mise en œuvre par une chaîne cinématique comprenant un actionneur 11, connecté à une tige de commande 12 traversant le moteur à cage tournante 9. Du côté opposé du moteur, au-dessus de la tête de rotor 10, l’extrémité de tige de commande 13 est reliée de chaque côté de la tête du rotor 10 à une biellette de raccordement 14, chacune étant reliée à une pale, et commandant le pivotement des pales autour de l’axe AP, permettant ainsi de face varier l’angle de pas. D’autres modes d’actionnement du pas variable peuvent être utilisés dans le cadre de la présente invention.

1 Drone 2 Fuselage 3 Groupe motopropulseur 4 Rotor 5 Pales 6 Axe du rotor 7 Articulation de basculement 8 Points d’ancrage des commandes de pas 9 Moteur 10 Tête de rotor 11 Actionneur 12 Tige de commande de pas 13 Extrémité de tige de commande de pas 14 Biellette de raccordement 15 Support

Claims

REVENDICATIONS

1. Drone (1 ) multirotors comprenant un fuselage (2) et une pluralité de groupe motopropulseurs (3) entraînant une pluralité de rotors (4) caractérisé en ce que chaque rotor (4) comporte deux pales (5) montées en opposition de part et d’autre d’un axe de basculement BP des pales, de sorte que chacune des pales (5) comporte un degré de liberté en rotation autour dudit axe de basculement BP des pales.
2. Drone selon la revendication 1, dans lequel l’axe de basculement des pales passe par une articulation de basculement (7) des pales, agencée entre les deux pales.
3. Drone selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel l’axe de basculement BP des pales est perpendiculaire à l’axe des pales.
4. Drone selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel l’axe de basculement BP des pales est non perpendiculaire à l’axe des pales.
5. Drone selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les rotors sont à pas variable et l’axe de basculement BP des pales (5) correspond à l’axe reliant les points d’ancrage (8) des commandes de pas.
6. Drone selon la revendication 5, dans lequel l’axe de basculement BP forme un angle Delta par rapport à l’axe AP d’articulation des pales.
7. Drone selon la revendication 6, dans lequel l’angle Delta est compris entre -90°<ô<0° ; 0°<ô<90° et plus préférentiellement entre -80°<;δ<;-30ο ; 30°<;δ<;80ο, et encore plus préférentiellement entre -60°<;δ<;-40ο ; 40°<;δ<;60ο.