FR3049575A1 - Dispositif propulsif a portance active - Google Patents
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Abstract
Un dispositif propulsif à portance active (100) comprend une aile annulaire (110) et un ensemble de propulsion à hélices (120) présent à l'intérieur de l'aile annulaire (110). L'ensemble de propulsion (120) comprend des première et deuxième hélices (122, 123) placées de manière colinéaire à l'intérieur de l'aile annulaire. Les première et deuxième hélices (122, 123) sont contra rotatives.
Description
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte aux dispositifs propulsifs de type à portance active.
Dans un contexte de mobilité accrue, alors que les infrastructures routières sont de plus en plus encombrées dans les grandes agglomérations, la mobilité aérienne intra-urbaine représente une solution intéressante.
Les dispositifs aériens adaptés pour le transport de personnes et/ou de marchandises doivent pouvoir décoller et se poser sur des distances ou surfaces réduites telles que des toits d'immeuble.
Le document FR 1 412 382 décrit un dispositif propulsif du type comportant des ailes en canal ou gouttière (« Custer Channel Wing ») qui permettent d'obtenir des distances de décollage très courtes. Le principe de cette technologie est de doter les ailes d'un profil concave définissant un canal ou une gouttière dans lequel est disposé un moteur à hélice, l'hélice étant conçue pour tourner au voisinage du bord de fuite du canal dans lequel elle est montée. On crée ainsi une portance sur chaque aile non pas par la vitesse de déplacement de celle-ci dans l'air mais par la vitesse de l'air autour de l'aile induite par l'hélice. L'hélice placée dans le canal de l'aile crée un écoulement et, par conséquent, une dépression au-dessus de l'aile qui, bien qu'immobile, subit une portance permettant un décollage sur une courte distance. Cependant, si une telle solution technique permet de diminuer significativement les distances de décollage, elle ne permet pas d'obtenir des dispositifs suffisamment compacts pour pouvoir évoluer dans des environnements urbains où l'espace de circulation est limité.
Objet et description succincte de l'invention
La présente invention a pour but d'apporter une solution pour des dispositifs propulsifs capables de décoller sur de courtes distances et qui présentent un encombrement réduit. L'invention a également pour but de proposer de tels dispositifs avec une réduction du bruit au niveau du système de propulsion.
Conformément à la présente invention, ce but est atteint grâce à un dispositif propulsif à portance active comprenant une aile annulaire et un ensemble de propulsion à hélices présent à l'intérieur de l'aile annulaire, l'ensemble de propulsion comprenant des première et deuxième hélices placées de manière colinéaire ou coplanaire à l'intérieur de l'aile annulaire, les première et deuxième hélices étant contra rotatives. L'utilisation de deux hélices contrarotatives à l'intérieur de l'aile annulaire permet de supprimer le couple de renversement du dispositif autour de son axe de roulis de sorte qu'il n'est pas nécessaire de prévoir un rotor de stabilisation. On optimise ainsi grandement la compacité du dispositif propulsif. L'utilisation de deux hélices contrarotatives permet en outre de redresser le flux d'air pour les surfaces de contrôle (gouvernes de pilotage) en aval dans l'hélice.
Par ailleurs, les deux hélices étant carénées à l'intérieur de l'aile annulaire on réduit significativement le bruit généré par le système de propulsion par annulation des vortex en bout d'hélice qui sont habituellement une source de bruit importante sur des hélices non carénées.
Selon un mode de réalisation du dispositif propulsif de l'invention, les première et deuxième hélices sont disposées de manière coaxiale à l'intérieur de l'aile annulaire.
Selon une caractéristique particulière de ce mode de réalisation, l'aile annulaire présente en coupe transversale une forme circulaire s'étendant autour d'un axe central longitudinal, l'aile annulaire comportant une partie supérieure s'étendant en aval d'un plan de référence perpendiculaire à l'axe central longitudinal et une partie inférieure s'étendant en amont dudit plan de référence, la première hélice s'étendant au voisinage du bord de fuite de l'aile annulaire au niveau de la partie inférieure de l'aile annulaire et au voisinage du bord d'attaque de l'aile annulaire au niveau de la partie supérieure de ladite aile annulaire.
Cette disposition permet de créer une dépression sur l'extrados de la partie basse de l'aile annulaire et une surpression sur l'intrados de la partie haute. On augmente ainsi la portance de l'aile annulaire.
Selon une autre caractéristique particulière, la première hélice est placée en amont de la deuxième hélice par rapport au bord d'attaque de l'aile annulaire.
Selon encore une autre caractéristique particulière, les parties inférieure et supérieure de l'aile annulaire présentent un profil cambré portant tandis que les parties latérales de l'aile annulaire présentent un profil droit symétrique.
Selon un autre mode de réalisation du dispositif propulsif de l'invention, les deux hélices sont disposées l'une à côté de l'autre à l'intérieur de l'aile annulaire, les deux hélices étant alignées suivant un plan de référence perpendiculaire à un axe longitudinal de l'aile annulaire.
Selon une caractéristique particulière de ce mode de réalisation, l'aile annulaire présente en coupe transversale une forme ovale s'étendant autour d'un axe longitudinal, l'aile annulaire comportant une partie supérieure s'étendant en aval d'un plan de référence perpendiculaire à l'axe longitudinal et une partie inférieure s'étendant en amont dudit plan de référence, les deux hélices s'étendant au voisinage du bord de fuite de l'aile annulaire au niveau de la partie inférieure de l'aile annulaire et au voisinage du bord d'attaque de l'aile annulaire au niveau de la partie supérieure de ladite aile annulaire. Avec une aile annulaire présentant en coupe transversale une forme ovale, on augmente le rapport entre surface portante (parties inférieure et supérieure de l'aile annulaire) et surface symétrique non portante (parties latérales de l'aile annulaire raccordant les parties inférieure et supérieure).
Cette disposition permet de créer une dépression sur l'extrados de la partie basse de l'aile annulaire et une surpression sur l'intrados de la partie haute. On augmente ainsi la portance de l'aile annulaire.
Selon une autre caractéristique, les parties inférieure et supérieure l'aile annulaire présentent un profil cambré portant tandis que des parties latérales de l'aile annulaire présentent un profil droit symétrique.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : les figures 1 et 2 sont des vues très schématiques en perspectives respectivement de devant et de derrière d'un dispositif propulsif conformément à un mode de réalisation de l'invention, la figure 3 est une vue en coupe radiale verticale selon le plan de coupe III indiqué sur la figure 2, la figure 4 est une vue en coupe radiale horizontale selon le plan de coupe IV indiqué sur la figure 3, la figure 5 est une coupe transversale de l'aile annulaire du dispositif propulsif de la figure 3 selon le plan de coupe V indiqué sur la figure 3, les figures 6 et 7 sont des vues très schématiques en perspectives respectivement de devant et de derrière d'un dispositif propulsif conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, la figure 8 est une vue en coupe radiale verticale selon le plan de coupe VIII indiqué sur la figure 7, la figure 9 est une vue en coupe radiale horizontale selon le plan de coupe IX indiqué sur la figure 8, la figure 10 est une coupe transversale de l'aile annulaire du dispositif propulsif de la figure 8 selon le plan de coupe X indiqué sur la figure 8.
Description détaillée des modes de réalisation de l'invention
Les figures 1, 2 et 5 illustrent schématiquement un dispositif propulsif ou aéronef 100 de type à portance active conformément à un premier mode de réalisation de l'invention. Le dispositif propulsif 100 comprend une aile annulaire 110 présentant en coupe transversale une forme circulaire s'étendant autour d'un axe central longitudinal Xcno de manière à définir un conduit 101 (figure 3). L'aile annulaire 110 comporte en amont un bord d'attaque 111 et en aval un bord de fuite 112.
Le dispositif propulsif 100 comprend également un ensemble de propulsion 120 logé à l'intérieur de l'aile annulaire 110. L'ensemble de propulsion 120 comprend ici un moteur rotatif 121 relié à la paroi interne de l'aile annulaire par deux bras 1210 et 1211 présentant un profil aérodynamique. L'ensemble de propulsion comprend en outre une première hélice 122 et une deuxième hélice 123 montées de manière coaxiale le long de l'axe central longitudinal Xcno, la première hélice 122 étant placée en amont de la deuxième hélice 123 par rapport au bord d'attaque 111 de l'aile annulaire 110. Dans le contexte de la présente description, on entend par « amont » et « aval » les directions respectivement en amont et aval de l’écoulement d'un fluide propulsif à travers des deux hélices indiqué par la flèche F sur les figures 1 et 2. Dans l'exemple décrit ici, les première et deuxième hélices comprennent chacune deux pales.
Les première et deuxième hélices 122 et 123 sont des hélices contra rotatives ou à contra-rotation en ce que la première hélice 122 tourne dans un premier sens, par exemple le sens horaire, tandis que la deuxième hélice 123 tourne dans un deuxième sens opposé, par exemple le sens antihoraire. Dans l'exemple décrit ici, les première et deuxième hélices 122 et 123 sont entraînées par un même moteur rotatif 121, les hélices étant de façon bien connue en soi reliée chacune au moteur rotatif 121 par l'intermédiaire d'une boîte mécanique à engrenages (non représentée sur les figures 1 et 2) et d'un arbre indépendant (non représenté sur les figures 1 et 2) relié à la sortie de la boîte mécanique à engrenage correspondante. Selon une variante de réalisation, le système propulsif peut comprendre deux moteurs rotatifs entraînant directement chacun en rotation une des deux hélices. L'utilisation de deux hélices contrarotatives à l'intérieur de l'aile annulaire permet de supprimer le couple de renversement du dispositif propulsif autour de son axe de roulis de sorte qu'il n'est pas nécessaire de prévoir un rotor de stabilisation sur le dispositif. On optimise ainsi grandement la compacité du dispositif tout en réduisant le bruit grâce au carénage des hélices. Le carénage des hélices améliore en outre la sécurité des personnes à proximité du dispositif propulsif.
Un empennage 130 est fixé en aval de l'aile annulaire 110 par deux bras 131 et 132. L'empennage 130 présente ici une forme en chapeau ou V inversé permettant d'assurer le pilotage en tangage, roulis et lacet du dispositif propulsif. Le dispositif propulsif 100 comprend encore un cockpit 140 placé en amont de l'ensemble de propulsion 120, le cockpit 140 étant destiné à embarquer au moins un passager et/ou des marchandises à transporter. L'aile annulaire 110 est formée de quatre parties : une partie inférieure 1100, une partie supérieure 1101 et deux parties latérales 1102 et 1103 reliant la partie inférieure 1100 à la partie supérieure 1101. Comme illustrées sur les figures 3 et 4, la partie inférieure 1100 et la partie supérieure 1101 présentent un profil cambré c'est-à-dire portant, par exemple de type NACA 2412 ou Clark Y, tandis que les parties latérales 1102 et 1103 présentent un profil symétrique, c'est-à-dire non portant, par exemple de type NACA 0012. Si l'on parcourt l'aile annulaire dans sa direction circonférentielle, celle-ci présente donc un profil aérodynamique évolutif qui alterne entre profil cambré, sur les parties basse et haute de l'aile, et profil symétrique, sur les parties latérales de l'aile. Les parties latérales 1102 et 1103 à profil symétrique permettent de raccorder les parties inférieure et supérieure 1100 et 1101 de l'aile annulaire en minimisant la traînée.
Par ailleurs, la partie inférieure 1100 et la partie supérieure 1101 de l'aile annulaire 110 sont décalées suivant l'axe central longitudinal Xcno. Plus précisément et comme représentées sur la figure 3, la partie supérieure 1101 de l'aile 110 s'étend en aval d'un plan de référence Pri perpendiculaire à l'axe central longitudinal Xcno tandis que la partie inférieure 1100 de l'aile 110 s'étend en amont du plan de référence Pri. Le plan de référence Pri coupe l'aile annulaire 110 à la fois au niveau du bord d'attaque 111 dans sa partie supérieure 1101 et au niveau du bord de fuite 112 dans sa partie inférieure de sorte que le bord d'attaque 111 de l'aile annulaire 110 au niveau de la partie supérieure 1101 est sensiblement à l'aplomb du bord de fuite 112 au niveau de la partie inférieure 1100. Cette disposition permet de créer une dépression sur l'extrados de la partie basse 1100 de l'aile annulaire 110 et une surpression sur l'intrados de la partie haute 1101, ce qui augmente la portance de l'aile annulaire.
La première hélice 122 s'étend sensiblement au niveau du plan de référence Pri tandis que la deuxième hélice 123 est placée en aval de la première hélice. Les première et deuxième hélices 122 et 123 présentent chacune de préférence un diamètre proche du diamètre intérieur de l'aile annulaire 110 de manière à minimiser l'espace entre les extrémités des hélices et l'aile annulaire.
Les figures 6, 7 et 10 illustrent schématiquement un dispositif propulsif ou aéronef 200 de type à portance active conformément à un autre mode de réalisation de l'invention. Le dispositif propulsif 200 comprend une aile annulaire 210 présentant en coupe transversale une forme ovale s'étendant autour d'un axe longitudinal Χαιο de manière à définir un conduit 201 (figure 10). L'aile annulaire 210 comporte en amont un bord d'attaque 211 et en aval un bord de fuite 212.
Le dispositif propulsif 200 comprend également un ensemble de propulsion 220 logé à l'intérieur de l'aile annulaire 210. L'ensemble de propulsion 220 comprend ici un premier et un deuxième moteurs rotatifs 221 et 222, le premier moteur 221 étant relié à la paroi interne de l'aile annulaire par un premier bras 2210 et au fuselage 202 du dispositif propulsif par un deuxième bras 2211 présentant chacun un profil aérodynamique tandis que le deuxième moteur 222 est relié à la paroi interne de l'aile annulaire par un premier bras 2220 et au fuselage 202 du dispositif propulsif par un deuxième bras 2221 présentant chacun un profil aérodynamique. L'ensemble de propulsion comprend en outre une première hélice 223 montée sur le premier moteur rotatif 221 et une deuxième hélice 224 montée sur le deuxième moteur rotatif 222, les première et deuxième hélices 223 et 224 étant coplanaires, c'est-à-dire alignées suivant un plan de référence Pr2 (figure 8). Dans le contexte de la présente description, on entend par « amont » et « aval » les directions respectivement en amont et aval de l'écoulement d'un fluide propulsif à travers des deux hélices indiqué par la flèche F sur les figures 6 et 7. Dans l'exemple décrit ici, les première et deuxième hélices comprennent chacune deux pales.
Les première et deuxième hélices 223 et 224 sont des hélices contrarotatives ou à contra-rotation en ce que la première hélice 223 tourne dans un premier sens, par exemple le sens horaire, tandis que la deuxième hélice 224 tourne dans un deuxième sens opposé, par exemple le sens antihoraire. L'utilisation de deux hélices contrarotatives à l'intérieur de l'aile annulaire permet de supprimer le couple de renversement du dispositif propulsif autour de son axe de roulis de sorte qu'il n'est pas nécessaire de prévoir un rotor de stabilisation sur le dispositif. On optimise ainsi grandement la compacité du dispositif propulsif tout en réduisant le bruit grâce au carénage des hélices. Le carénage des hélices améliore en outre la sécurité des personnes à proximité du dispositif propulsif.
Dans l'exemple décrit ici, l'aéronef 200 comporte un empennage en V ou papillon 230 comprenant deux volets 231 et 232 servant à la fois de gouvernes de profondeur et de direction (pilotage en tangage et lacet). L'empennage 230 est ici fixé sur le fuselage 202 du dispositif propulsif en aval de l'aile annulaire 110.
Le fuselage 202 de l'aéronef 100 comprend encore un cockpit 240 placé en amont de l'ensemble de propulsion 220, le cockpit 240 étant destiné à embarquer au moins un passager et/ou des marchandises à transporter. L'aile annulaire 210 est formée de quatre parties : une partie inférieure sensiblement plane 2100, une partie supérieure sensiblement plane 2101 et deux parties latérales courbées 2102 et 2103 reliant la partie inférieure 2100 à la partie supérieure 2101. Comme illustrées sur les figures 8 et 9, la partie inférieure 2100 et la partie supérieure 2101 présentent un profil cambré c'est-à-dire portant, par exemple de type NACA 2412 ou Clark Y, tandis que les parties latérales 2102 et 2103 présentent un profil symétrique, c'est-à-dire non portant, par exemple de type NACA 0012. Si l'on parcourt l'aile annulaire dans sa direction circonférentielle, celle-ci présente donc un profil aérodynamique évolutif qui alterne entre profil cambré, sur les parties basse et haute de l'aile, et profil symétrique, sur les parties latérales de l'aile.
Les parties latérales 2102 et 2103 à profil symétrique permettent de raccorder les parties inférieure et supérieure 2100 et 2101 de l'aile annulaire en minimisant la traînée.
Par ailleurs, la partie inférieure 2100 et la partie supérieure 2101 de l'aile annulaire 210 sont décalées suivant l'axe central longitudinal Χαιο. Plus précisément et comme représentées sur la figure 8, la partie supérieure 2101 de l'aile 210 s'étend en aval d'un plan de référence Pr2 perpendiculaire à l'axe central longitudinal Xc2io tandis que la partie inférieure 2100 de l'aile 210 s'étend en amont du plan de référence Pr2. Le plan de référence Pr2 coupe l'aile annulaire 210 à la fois au niveau du bord d'attaque 211 dans sa partie supérieure 2101 et au niveau du bord de fuite 212 dans sa partie inférieure de sorte que le bord d'attaque 211 de l'aile annulaire 210 au niveau de la partie supérieure 2101 est sensiblement à l'aplomb du bord de fuite 212 au niveau de la partie inférieure 2100. Cette disposition permet de créer une dépression sur l'extrados de la partie basse 2100 de l'aile annulaire 210 et une surpression sur l'intrados de la partie haute 2101.
Les hélices 223 et 224 s'étendent sensiblement au niveau du plan de référence Pr2.
Le pilotage du dispositif propulsif peut être automatique et réalisé de façon connue en soi par un système automatique programmable (non représenté sur les figures) ou semi-automatique, c'est-à-dire avec la possibilité pour le passager de prendre manuellement les commandes de pilotage le cas échéant.
Les hélices utilisées dans le dispositif propulsif selon l'invention peuvent comporter deux pales comme décrit ci-avant ou plus.
Le ou les moteurs utilisés dans l'ensemble de propulsion du dispositif propulsif selon l'invention sont de préférence des moteurs électriques alimentés par des batteries ou des piles à combustible.
Les batteries ou les piles à combustible ainsi que toute masse inerte du dispositif de propulsion sont de préférence disposées de manière équilibrée sur ou dans les parties latérales 1102 et 1103 de l'aile annulaire 110 afin de ne pas perturber le pilotage du dispositif.
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Dispositif propulsif à portance active (100) comprenant une aile annulaire (110) et un ensemble de propulsion à hélices (120) présent à l'intérieur de l'aile annulaire (110), l'ensemble de propulsion (120) comprenant des première et deuxième hélices (122, 123) placées de manière colinéaire ou coplanaire à l'intérieur de l'aile annulaire, les première et deuxième hélices (122, 123) étant contrarotatives.
- 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les première et deuxième hélices (122, 123) sont disposées de manière coaxiale à l'intérieur de l'aile annulaire (110).
- 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'aile annulaire (110) présente en coupe transversale une forme circulaire s'étendant autour d'un axe central longitudinal (Xcno), l'aile annulaire (110) comportant une partie supérieure (1101) s'étendant en aval d'un plan de référence (Pri) perpendiculaire à l'axe central longitudinal (Xcuo) et une partie inférieure (1100) s'étendant en amont dudit plan de référence (Pri) et dans lequel la première hélice (122) s'étend au voisinage du bord de fuite (112) de l'aile annulaire au niveau de la partie inférieure (1100) de l'aile annulaire (110) et au voisinage du bord d'attaque (122) de l'aile annulaire au niveau de la partie supérieure (1101) de ladite aile annulaire.
- 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la première hélice est placée en amont de la deuxième hélice par rapport au bord d'attaque de l'aile annulaire.
- 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel des parties inférieure et supérieure (1200, 1201) de l'aile annulaire (110) présentent un profil cambré portant tandis que des parties latérales (1202,1203) de l'aile annulaire (110) présentent un profil droit symétrique.
- 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les deux hélices (223, 224) sont disposées l'une à côté de l'autre à l'intérieur de l'aile annulaire (210), les deux hélices étant alignées suivant un plan de référence (Pr2) perpendiculaire à un axe longitudinal (Xc2io) de l'aile annulaire.
- 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l'aile annulaire (210) présente en coupe transversale une forme ovale s'étendant autour de l'axe longitudinal (Xcno), l'aile annulaire comportant une partie supérieure (2101) s'étendant en aval du plan de référence (Pr2) perpendiculaire à l'axe longitudinal (Xc2io) et une partie inférieure (2100) s'étendant en amont dudit plan de référence et dans lequel les deux hélices (223, 224) s'étendent au voisinage du bord de fuite (212) de l'aile annulaire au niveau de la partie inférieure (2100) de l'aile annulaire (210) et au voisinage du bord d'attaque (211) de l'aile annulaire au niveau de la partie supérieure (2101) de ladite aile annulaire.
- 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, dans lequel des parties inférieure et supérieure (2200, 2201) de l'aile annulaire (210) présentent un profil cambré portant tandis que des parties latérales (2202, 2203) de l'aile annulaire (210) présentent un profil droit symétrique.
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