FR3075758A1 - Procede de controle de la direction d'un aeronef, ainsi qu'un aeronef adapte pour mettre en œuvre ledit procede - Google Patents

Abstract

Procédé de contrôle de la direction d'un aéronef (1) à voilure fixe avec au moins une aile, ou à voilure tournante avec au moins une pale (3), l'aile ou la pale (3) étant soumise à un flux d'air générant au niveau de chacune des extrémités de l'aile ou de la pale (3), un tourbillon marginal (4) le procédé consiste à générer des tourbillons supplémentaires d'intensités différentes pour agir distinctement sur l'intensité desdits tourbillons marginaux (4) en fonction du sens et de la vitesse de rotation des tourbillons supplémentaires, pour ainsi aggraver ou contrecarrer sélectivement les effets des tourbillons marginaux (4) et donc diminuer ou augmenter sélectivement la force de portance et/ou de trainée exercée aux extrémités de l'aile ou de la pale (3) et provoquer un mouvement de roulis et/ou de lacet pour l'aéronef (1) à voilure fixe, ou un mouvement de basculement pour un aéronef (1) à voilure tournante.

Description

PROCEDE DE CONTROLE DE LA DIRECTION D’UN AERONEF. AINSI QU’UN AERONEF ADAPTE POUR METTRE EN ŒUVRE LEDIT PROCEDE

Domaine Technique

La présente invention se rapporte au domaine technique de l’aéronautique, et concerne plus particulièrement un procédé de contrôle de la direction d’un aéronef comprenant au moins une aile ou au moins une pale.

La présente invention vise également à protéger un aéronef adapté pour mettre en œuvre ledit procédé. L’invention trouve une application avantageuse dans le domaine des aéronefs sans pilote, communément appelé « drones ».

Art ANTERIEUR

Il existe dans l’état de la technique, des aéronefs du type à voilure fixe comprenant au moins une aile, ou du type à voilure tournante comprenant au moins une pale. En phase de vol, l’aile ou la pale est soumise à un flux d’air exerçant une force de portance sur l’aile ou la pale pour soulever et faire voler l’aéronef.

Dans le cas d’un aéronef à voilure fixe, il est connu que la ou les ailes comprennent au moins une hélice motorisée disposée sur le fuselage ou le long des ailes, avec l’axe des hélices sensiblement parallèle au plan des ailes et sensiblement orthogonal à l’axe longitudinal des ailes. Ces hélices motorisées permettent, d’une part, d’assurer la propulsion de l’aéronef et, d’autre part, de générer un flux d’air sous l’aile pour augmenter la force de portance.

Dans le cas d’un aéronef à voilure tournante, il est connu de disposer ce type d’hélices motorisées aux extrémités des pales, pour entraîner en rotation lesdites pales autour d’un axe principal, et générer ainsi la force de levage de l’aéronef.

Dans le cas des aéronefs à voilure tournante, pour diriger ledit aéronef, à savoir lui faire réaliser un mouvement de roulis et/ou de tangage, ou plus généralement un mouvement de basculement dans toutes les directions lorsqu’il s’agit d’un drone symétrique, sans partie avant ou arrière, il est connu d’utiliser un système de plateau cyclique permettant de varier mécaniquement et de façon cyclique l’inclinaison des pales pour modifier leur angle d’attaque et donc la force de portance, afin de provoquer le mouvement de basculement de l’aéronef. L’inconvénient de ce plateau cyclique est notamment le poids additionnel nécessaire à son implantation, et surtout la complexité d’une telle solution qui demande une maintenance très fréquente.

Une autre solution pour diriger l’aéronef serait de placer au niveau du moyeu des pales, un moteur par pale, avantageusement de type servomoteur, et de couple important pour modifier l’angle d’attaque individuellement et de manière cyclique des pales dans les positions désirées pour effectuer les mouvements de basculement. Une telle solution est cependant relativement onéreuse, lourde et d’une faible fiabilité sur le long terme.

Dans le cas des aéronefs à voilure fixe, pour diriger ledit aéronef, à savoir lui faire réaliser un mouvement de roulis et/ou lacet, il est connu d’utiliser un système piloté conjuguant ailerons et empennages horizontaux et verticaux. Un empennage en V peut également être employé. L’inconvénient dudit système piloté d’ailerons et empennages est notamment le poids additionnel nécessaire à son implantation, et surtout la complexité d’une telle solution en terme d’industrialisation, ainsi que sa relative fragilité et son relatif manque de fiabilité.

Un autre inconvénient de ce système, en l’absence d’empennage de grande taille et suffisamment efficace, est qu’il se crée en plus du mouvement de roulis désirée, un mouvement de lacet qui s’oppose au mouvement de roulis, bien connu sous l’acronyme anglais « adverse yaw ».

Expose de l’invention L’un des buts de l’invention est donc de remédier aux inconvénients de l’art antérieur en proposant un procédé permettant de contrôler la direction d’un aéronef, aussi bien à voilure fixe avec au moins une aile, qu’à voilure tournante avec au moins une pale, d’une manière fiable, légère, et peu onéreuse. A cet effet, le demandeur utilise le phénomène naturel de tourbillon, appelé tourbillon marginal généré naturellement par le flux d’air au niveau de chacune des extrémités de l’aile ou de la pale. En effet, du fait de la différence de pression entre l’intrados et l’extrados de l’aile ou de la pale, au niveau des extrémités de ladite aile ou pale, la barrière physique que constituait l’aile ou la pale s’arrête brusquement de sorte que la zone de surpression est naturellement attirée par la zone de dépression qui va donc migrer très violemment vers celle-ci en créant ce que l’on appelle un tourbillon marginal, ou vortex. Un inconvénient de ce tourbillon marginal est qu’il va diminuer très fortement en bout d’aile ou de pale la différence de pression entre l’extrados et l’intrados, diminuant donc d’autant la force de portance. Un autre inconvénient de ce tourbillon marginal est qu’il augmente également la traînée, appelée traînée induite.

Ainsi, partant de ce phénomène naturel, et conformément à l’invention, il a été mis au point un procédé de contrôle de la direction d’un aéronef à voilure fixe avec au moins une aile, ou à voilure tournante avec au moins une pale, consistant à générer des tourbillons supplémentaires d’intensités différentes, sensiblement coaxiaux aux tourbillons marginaux, pour agir distinctement sur l’intensité desdits tourbillons marginaux en fonction du sens et de la vitesse de rotation des tourbillons supplémentaires. De cette manière, les tourbillons supplémentaires générés permettent ainsi d’aggraver ou de contrecarrer sélectivement à l’une des extrémités des pales ou de l’aile, les effets des tourbillons marginaux. Ceci permet donc de diminuer ou d’augmenter sélectivement la force de portance et/ou traînée induite exercée aux extrémités de l’aile ou de la pale, afin de provoquer un mouvement de roulis et/ou de lacet pour l’aéronef à voilure fixe, ou un mouvement de basculement pour un aéronef à voilure tournante. Globalement, les tourbillons supplémentaires générés s’opposeront aux tourbillons marginaux de l’aile ou de la pale et donc augmenteront la portance et diminueront la traînée induite.

De cette manière, l’invention permet de diriger un aéronef, de manière économique, fiable, efficace en termes d’aérodynamisme, et relativement légère, par l’intermédiaire de moyens permettant de générer des tourbillons.

Les moyens pour générer les tourbillons supplémentaires sont de tous types appropriés, tels que par exemple des turbines. Avantageusement, les tourbillons supplémentaires sont générés par des hélices motorisées principales agencées au niveau des extrémités de l’aile ou de la pale. L’invention s’applique aussi bien à un aéronef à voilure fixe, qu’à un aéronef à voilure tournante. Par ailleurs, lorsque l’aéronef est à voilure fixe et qu’il présente au moins une aile comprenant à chacune de ses extrémités des hélices motorisées principales tournant dans un sens contraire à celui des tourbillons marginaux et des hélices motorisées secondaires tournant dans le sens des tourbillons marginaux, le procédé consiste par exemple, à faire tourner l’hélice principale d’une première extrémité de l’aile plus rapidement que l’hélice secondaire de la première extrémité pour générer le mouvement de roulis, à faire tourner l’hélice secondaire d’une deuxième extrémité de l’aile plus rapidement que l’hélice principale de la deuxième extrémité pour amplifier le mouvement de roulis, et à agir sur la puissance de l’hélice secondaire de la deuxième extrémité pour diminuer voire supprimer le mouvement de lacet si la puissance de l’hélice secondaire de la deuxième extrémité est égale à la puissance de l’hélice principale de la première extrémité.

Bien entendu, lorsqu’il est indiqué qu’une hélice tourne plus rapidement qu’une autre, le procédé peut consister à accélérer l’hélice qui tourne plus rapidement ou à ralentir l’hélice qui doit tourner moins rapidement. De la même manière lorsque le procédé consiste à agir sur les hélices de la première extrémité pour augmenter la portance, il peut être envisagé, sans sortir du cadre de l’invention, d’agir de manière inverse sur les hélices de la deuxième extrémité pour diminuer la portance et obtenir le même effet.

Dans cette même configuration, le procédé peut consister par exemple à faire tourner les hélices principale et secondaire d’une première extrémité de l’aile plus rapidement que les hélices principale et secondaire de la deuxième extrémité pour générer le mouvement de roulis et de lacet, et à agir sur la puissance de l’hélice secondaire de la première extrémité pour diminuer voire supprimer le mouvement de roulis si la puissance des hélices principale et secondaire de la première extrémité sont égales.

Dans une autre configuration, lorsque l’aéronef est à voilure tournante et qu’il présente au moins une pale, les tourbillons supplémentaires sont générés alternativement et de façon cyclique à chaque tour de pale pour obtenir le mouvement de basculement de l’aéronef dans une direction voulue.

Dans cette configuration, le procédé consiste par exemple également, à faire tourner l’hélice motorisée principale de l’extrémité de la pale dans un sens contraire au tourbillon marginal, et à faire tourner une hélice motorisée secondaire disposée au niveau de cette même extrémité dans le même sens que le tourbillon marginal, avec une même puissance que l’hélice principale, de façon cyclique à chaque tour et en opposition de phase avec l’hélice principale pour atténuer d’éventuelles vibrations dues aux variations cycliques de la poussée de l’hélice principale.

Dans cette même configuration, lorsque l’aéronef est soumis à un vent relatif, il se crée une dissymétrie de traînée aérodynamique provoquée à chaque demi-tour de pale, le procédé consiste alors à faire tourner l’hélice principale motorisée de l’extrémité de la pale dans un sens contraire au tourbillon marginal, à faire tourner une hélice motorisée secondaire disposée au niveau de cette même extrémité, dans un sens inverse à celui de l’hélice principale, de façon cyclique à chaque tour et en phase avec l’hélice principale pour contrecarrer l’effet de l’hélice principale, et à agir sur la puissance de l’hélice secondaire pour compenser la dissymétrie de traînée aérodynamique. L’invention vise également à protéger un aéronef conçu et adapté pour mettre en œuvre le procédé précité.

De manière connue, l’aéronef est à voilure fixe avec au moins une aile, ou à voilure tournante avec au moins une pale. L’aile ou la pale est destinée à être soumise à un flux d’air exerçant une force de portance sur l’aile ou la pale, et générant naturellement au niveau de chacune des extrémités de l’aile ou de la pale, un tourbillon marginal du fait de la différence de pression entre l’intrados et l’extrados de l’aile ou des pales, lequel tourbillon marginal diminue la force de portance.

Selon l’invention, l’aéronef comprend des moyens pour générer des tourbillons supplémentaires, sensiblement coaxiaux aux tourbillons marginaux, pour agir distinctement sur l’intensité desdits tourbillons marginaux en fonction du sens et de la vitesse de rotation des tourbillons supplémentaires, pour ainsi aggraver ou contrecarrer sélectivement les effets des tourbillons marginaux et donc diminuer ou augmenter sélectivement la force de portance exercée aux extrémités de l’aile ou de la pale et provoquer un mouvement de roulis et/ou de lacet pour l’aéronef à voilure fixe, ou un mouvement de basculement pour un aéronef à voilure tournante.

Comme indiqué, les moyens pour générer les tourbillons supplémentaires peuvent être des turbines. De préférence, ceux-ci comprennent : des hélices motorisées principales disposées au niveau des extrémités de l’aile ou de la pale, l’axe des hélices étant sensiblement parallèle au plan de l’aile ou de la pale et sensiblement orthogonal à l’axe longitudinal de l’aile ou de la pale; et au moins une carte électronique de puissance connectée à la motorisation des hélices et pilotée par des moyens de calcul embarqués.

Les hélices sont préférées car il est possible de les faire tourner en fonction de leur type dans les deux sens de rotation.

Afin de pouvoir atténuer d’éventuelles vibrations ou de dissymétrie de traînée provoquée par un vent relatif dans le cas d’un aéronef à voilure tournante, ou gérer indépendamment les mouvements de roulis et de lacet dans le cas d’un aéronef à voilure fixe, les hélices principales sont conçues pour tourner dans un sens inverse à celui des tourbillons marginaux, et l’aéronef comprend des hélices motorisées secondaires contrarotatives aux hélices principales et connectées à la carte électronique de puissance.

Dans le cas d’un aéronef comprenant une voilure tournante avec au moins une pale montée sur un rotor, l’aéronef comprend un capteur de position du rotor connecté à la carte électronique de puissance.

Description sommaire des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront clairement de la description qui en est réalisée ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique vue de dessus d’un aéronef à voilure tournante avec des hélices motorisées principales, et contrôlé pour effectuer un mouvement de basculement vers la gauche ; - la figure 2 est une représentation schématique similaire à celle de la figure 1, l’aéronef comprenant également des hélices motorisées secondaires contrarotatives, l’aéronef étant contrôlé pour effectuer un mouvement de roulis vers la gauche, avec atténuation des éventuelles vibrations dues à la variation cyclique de poussée des hélices principales ; - la figure 3 est une représentation schématique similaire à celle de la figure 1, illustrant le comportement de l’aéronef face à un vent incident, tendant à lui faire réaliser un mouvement de roulis vers la gauche ; - la figure 4 est une représentation schématique similaire à celle de la figure 3, l’aéronef étant contrôlé pour assurer une stabilité face au vent incident ; - la figure 5 est une représentation schématique, similaire à celle de la figure 2, illustrant la dissymétrie de traînée sur les pales de l’aéronef face à un vent incident ; - la figure 6 est une représentation schématique similaire à celle de la figure 5, l’aéronef étant contrôlé pour contrecarrer la dissymétrie de traînée face au vent incident ; - la figure 7 est une représentation schématique illustrant, vue de dessus, un aéronef à voilure fixe équipé d’hélices principales et secondaires, et contrôlé pour effectuer un mouvement de roulis vers la gauche, sans mouvement de lacet ; - la figure 8 est une représentation schématique similaire à celle de la figure 7, l’aéronef étant contrôlé pour effectuer un mouvement de lacet, sans mouvement de roulis.

Description Detaillee de l’invention

La présente invention concerne un procédé de contrôle de la direction d’un aéronef (1). Par aéronef (1), on entend tout type d’engin volant, avec ou sans pilote, et à voilure fixe avec au moins une aile (2), ou bien à voilure tournante avec au moins une pale (3).

Que l’aéronef (1) soit à voilure fixe ou à voilure tournante, lorsque l’aéronef (1) est en vol, l’aile (2) ou la pale (3) est soumise à un flux d’air exerçant une force de portance sur l’aile (2) ou la pale (3). Sur les figures, la force de portance est matérialisée par les symboles « + », « - », et « = ».

Cette force de portance vient du fait que sous l’aile (2) ou la pale (3), c’est-à-dire sous l’intrados, le flux d’air crée une surpression, tandis qu’au-dessus de l’aile (2) ou de la pale (3), c’est-à-dire sur l’extrados, le flux d’air crée une dépression. La différence de pression entre l’intrados et l’extrados crée une force portance qui permet de faire voler l’aéronef (1).

Cependant, aux extrémités de l’aile (2) ou de la pale (3), la barrière physique que constituait ladite aile (2) ou pale (3) s’arrête brusquement et, le flux d’air en surpression qui est naturellement attiré par le flux d’air en dépression va donc migrer très violemment vers celui-ci, créant ainsi ce que l’on appelle un tourbillon marginal (4), ou bien un vortex, illustré uniquement à la figure 1. L’inconvénient de ce tourbillon marginal (4), bien connu de l’Homme du Métier, est qu’il diminue très fortement, aux extrémités de l’aile (2) ou de la pale (3), la différence de pression entre l’extrados et l’intrados, diminuant donc d’autant la force de portance.

De ce qui précède, l’invention consiste à agir directement et distinctement sur l’intensité desdits tourbillons marginaux, pour aggraver ou contrecarrer sélectivement les effets des tourbillons marginaux (4), pour ainsi diminuer ou augmenter sélectivement la force portance exercée aux extrémités de l’aile (2) ou de la pales (3) afin de provoquer un mouvement de roulis et/ou de lacet pour l’aéronef (1) à voilure fixe, ou un mouvement de basculement pour un aéronef (1) à voilure tournante.

Pour ce faire, l’invention consiste à générer volontairement des tourbillons supplémentaires d’intensités différentes, sensiblement coaxiaux aux tourbillons marginaux (4). De cette manière, en fonction du sens et de la vitesse de rotation des tourbillons supplémentaires, les tourbillons marginaux (4) seront, de manière distincte aux extrémités de la pale (3) ou de l’aile (2), aggravés, c’est-à-dire qu’ils tourneront avec une vitesse plus importante, ou contrecarrés, c’est-à-dire qu’ils tourneront avec une vitesse moins importante, voire nulle, voire inversée. Bien entendu, un léger écart entre l’alignement des tourbillons supplémentaires et marginaux est toléré. L’efficacité en sera réduite, mais le procédé fonctionnera tout de même. Il est précisé « sensiblement coaxiaux » car l’axe des tourbillons marginaux (4) a tendance à fuir vers le bas lorsque le tourbillon s’éloigne de l’aile (2) ou de la pale (3). L’essentiel réside dans le fait que les tourbillons supplémentaires générés permettent d’agir sur l’intensité des tourbillons marginaux (4).

Les tourbillons supplémentaires peuvent être générés de toute manière appropriée, par exemple par l’intermédiaire de turbines. De préférence, ces derniers sont générés par des hélices, dites principales (5), motorisées et agencées au niveau des extrémités de l’aile (2) ou de la pale (3).

De cette manière, en référence aux figures 7 et 8 et dans le cas par exemple d’un aéronef (1) à voilure fixe présentant au moins une aile (2), l’aile (2) comprend au niveau de ses extrémités des hélices motorisées principales (5) dont les axes sont sensiblement parallèles au plan de l’aile (2), et sensiblement orthogonaux à l’axe longitudinal de l’aile (2) pour pouvoir générer des tourbillons supplémentaires coaxiaux aux tourbillons marginaux (4). Bien entendu, l’invention s’applique de la même manière également lorsque l’aéronef (1) comprend deux ailes (2) reliées par un fuselage central.

Ainsi, si la propulsion de l’aéronef est assurée uniquement par l’intermédiaire des hélices principales (5) tournant dans un sens inverse au sens des tourbillons marginaux (4) et que l’on souhaite obtenir un mouvement de roulis et de lacet vers la gauche de l’aéronef (1), le procédé selon l’invention consiste à entraîner en rotation l’hélice motorisée principale (5) de droite, plus rapidement que l’hélice principale (5) de gauche afin de contrecarrer et de diminuer l’effet dudit tourbillon marginal (4) du côté droit. De ce qui précède, l’effet du tourbillon marginal (4) diminue au niveau de l’extrémité droite de l’aile (2), ce qui a pour effet d’augmenter la force de portance unilatéralement et provoquer un roulis de l’aéronef (1) vers la gauche. De plus, l’entraînement en rotation de l’hélice motorisée principale (5) de droite a tendance à propulser davantage et unilatéralement l’aéronef (1) de sorte à provoquer également un lacet vers la gauche. Ce mouvement de lacet n’est pas un mouvement parasite car il fait pivoter l’aéronef dans la direction désirée, il s’agit du phénomène bien connu de l’Homme du Métier sous l’acronyme anglais « proverse yaw ». Dans le cas d’un aéronef classique qui ne dispose pas d’empennage vertical, le mouvement de roulis s’accompagne également d’un mouvement de lacet mais dans le sens inverse de la direction désirée, il s’agit du phénomène bien connu de l’Homme du Métier sous l’acronyme anglais « adverse yaw ».

Bien entendu, parallèlement à l’augmentation de la force de portance à l’extrémité droite de l’aile (2) il est possible d’agir simultanément à l’extrémité gauche de l’aile (2) en ralentissant l’hélice principale (5) pour diminuer la force de portance et amplifier le mouvement de roulis.

Dans le cas où le pilote souhaiterait éviter ou modifier le mouvement induit de lacet, l’aéronef (1) présente en pratique un empennage vertical arrière pilotable. Selon l’invention, il est possible de s’affranchir dudit empennage arrière et d’utiliser des hélices motorisées secondaires (6) contrarotatives aux hélices principales (5) et disposées au niveau des extrémités de l’aile (2), par exemple en aval, et par exemple en opposition des hélices principales (5).

Par exemple, dans le cas précité, en référence à la figure 7 l’aéronef comprend au moins une aile (2) comprenant à chacune de ses extrémités des hélices motorisées principales (5) tournant dans un sens contraire à celui des tourbillons marginaux (4) et des hélices motorisées secondaires (6) tournant dans le sens des tourbillons marginaux (4). Ainsi, pour éviter le mouvement de lacet vers la gauche, le procédé consiste à faire tourner l’hélice principale (5) de l’extrémité droite plus rapidement que l’hélice secondaire (6) de l’extrémité droite pour générer le mouvement de roulis, et à faire tourner l’hélice motorisée secondaire (6) de l’extrémité gauche de l’aile (2) plus rapidement que l’hélice principale (5) de l’extrémité gauche pour amplifier le mouvement de roulis, avec la puissance de l’hélice secondaire (6) de l’extrémité gauche égale à la puissance de l’hélice principale (5) de l’extrémité droite pour supprimer le mouvement de lacet. Sur les figures, les forces de propulsion des hélices (5, 6) sont schématisées par des flèches F.

Bien entendu, le procédé permet également, dans cette configuration, d’agir sur la puissance de l’hélice secondaire (6) pour diminuer le mouvement de lacet, sans le supprimer, pour obtenir ainsi une combinaison de mouvements de lacet et de roulis.

Il est également possible de piloter les différentes hélices (5, 6) pour obtenir un mouvement de lacet vers la gauche de l’aéronef (1), sans mouvement de roulis. A cet effet, et en référence à la figure 8, le procédé selon l’invention consiste à faire tourner les hélices principales (5) et secondaires (6) de l’extrémité droite de l’aile plus rapidement que les hélices principales (5) et secondaires (6) de l’extrémité gauche, et à une même puissance, pour générer le mouvement de roulis sans mouvement de lacet.

De la même manière que précédemment, le procédé permet d’agir sur la puissance de l’hélice secondaire (6) pour diminuer le mouvement de roulis, sans le supprimer, et obtenir une combinaison de mouvements de roulis et de lacet. L’invention trouve également une application avantageuse pour contrôler la direction d’un aéronef (1) à voilure tournante comprenant au moins une pale (3) montée sur un rotor. De préférence, et l’aéronef (1) comprend deux pales (3) diamétralement opposées. Selon l’invention, les pales (3) comprennent au niveau de leur extrémité, des hélices motorisées principales (5), par exemple disposées au niveau du bord d’attaque de chaque pale (3). Ces hélices principales (5) peuvent également être utilisées pour entraîner directement en rotation les pales (3) qui génèrent la force de levage de l’aéronef (1).

Tel que décrit précédemment, les hélices principales (5) motorisées permettent de générer des tourbillons supplémentaires, sensiblement coaxiaux aux tourbillons marginaux (4) pour agir sur l’intensité desdits tourbillons marginaux (4).

De la même manière, l’actionnement en rotation de l’hélice principale (5) d’une pale (3) dans un sens contraire à celui du tourbillon marginal (4), permet de diminuer l’effet dudit tourbillon marginal (4) et ainsi augmenter la force de portance sur ladite pale (3) et diminuer sa traînée induite. Dans le cas où les pales (3) sont entraînées en rotation par les hélices principales (5) disposées aux extrémités des pales (3), pour augmenter la force de portance, il faudra entraîner en rotation l’hélice principale (5) d’une pale plus rapidement que celle des autres pales (3), ou inversement ralentir les hélices principales (5) des autres pales.

Ainsi, en référence à la figure 1, si à une position donnée instantanée de la pale (3), la force de portance est augmentée au niveau de l’extrémité d’une première pale (3) il est créé un couple qui tend à faire basculer l’aéronef (1) dans la direction d’une deuxième pale (3) opposée. Un demi-tour plus tard, les pales (3) se retrouvent dans une configuration inverse, et il est nécessaire de diminuer ou stopper la motorisation de l’hélice principale (5). De cette manière, pour effectuer un mouvement de basculement, il est nécessaire d’entraîner en rotation l’hélice principale (5) de l’une des pales (3) selon un mouvement alternatif et de façon cyclique à chaque tour de pale (3), selon une loi périodique, avantageusement sinusoïdale.

Il faut bien comprendre que si les pales (3) sont entraînées en rotation par un rotor motorisé, les hélices principale (5) disposées aux extrémités des pales (3) sont démarrées alternativement et entraînées en rotation pour diriger l’aéronef (1). Dans le cas où le rotor n’est pas motorisé, et que les pales (3) sont entraînées en rotation par l’intermédiaire desdites hélices principales (5), le procédé pour diriger l’aéronef (1) consiste à faire tourner alternativement l’hélice principale (5) d’une pale (3) plus rapidement que celle de la pale (3) opposée pour créer une différence de portance. Dans la suite de la description, le procédé sera décrit en relation avec cette dernière configuration, dans laquelle les pales (3) sont entraînées en rotation par les hélices principales (5).

De ce qui précède, lors du contrôle de la direction d’un aéronef (1) à voilure tournante, le fait d’avoir une hélice principale (5) en bout de pale (3) tournant alternativement plus vite que l’hélice principale (5) de la pale (3) opposée, va générer des vibrations lors de la rotation des pales (3) dues à la variation cyclique de poussée des hélices principales. Ces vibrations seront d’autant plus importantes que l’asymétrie de la poussée des moteurs des hélices principales (5) sera importante, car l’hélice principale (5) de l’extrémité d’une pale (3) tourne à un régime moteur différent de celui de l’hélice principale (5) de l’extrémité de la pale (3) opposée.

Pour pallier ce défaut de vibrations, les hélices motorisées secondaires (6) sont utilisées. Selon l’invention, en référence à la figure 2, le procédé consiste à faire tourner l’hélice principale (5) de l’extrémité d’une première pale (3) dans un sens contraire au tourbillon marginal, plus rapidement que celle de la deuxième pale (3) opposée, et à faire tourner une hélice secondaire (6) disposée au niveau de l’extrémité de cette même première pale (3), dans le même sens que le tourbillon marginal (4), avec une même puissance que l’hélice principale (5), à chaque tour et en opposition de phase avec l’hélice principale (5) de la première pale (3) pour atténuer d’éventuelles vibrations dues aux mouvements cycliques.

Par ailleurs, les hélices motorisées secondaires (6) permettent également de gérer parfaitement la variation cyclique de portance et la traînée aérodynamique générée par le vent relatif sur les pales (3).

Par exemple, en référence à la figure 3, la présence d’un vent incident soufflant de l’avant vers l’arrière de l’aéronef (1) va créer une portance plus importante sur la pale (3) qui avance face au vent lors de la rotation desdites pales (3). Il s’ensuit que l’aéronef (1) va involontairement basculer vers la gauche et effectuer un mouvement de roulis.

En référence à la figure 4, pour pallier ce mouvement de roulis involontaire, l’hélice principale (5) disposée du côté vers lequel le mouvement de roulis est effectué, est entraînée en rotation dans un sens inverse à celui du tourbillon marginal (4) et plus rapidement que Γ hélice principale (5) de la pale (3) opposée, pour augmenter la portance et contrecarrer la dissymétrie de portance générée par le vent incident.

La figure 5, illustre un aéronef (1) avec, aux extrémités des pales (3), des hélices principales (5) motorisées conçues pour tourner dans un sens inverse à celui des tourbillons marginaux (4), et des hélices secondaires contrarotatives aux hélices principales (5), conçues donc pour tourner dans le même sens que les tourbillons marginaux (4).

Selon cette figure 5, lorsqu’un vent relatif est ressenti par l’aéronef (1), soit du fait de la présence d’un vent réel ou soit lors de l’avancement de l’aéronef (1), la pale (3) qui avance face au vent lors de la rotation des pales (3) présente une traînée plus importante que celle de la pale (3) opposée.

Ainsi, en référence à la figure 6, le procédé permet de contrecarrer la dissymétrie de traînée. Pour ce faire, le procédé consiste alors à faire tourner l’hélice principale (5) de la première pale (3) concernée plus rapidement que l’hélice principale (5) de la deuxième pale (3) opposée, et à faire tourner l’hélice secondaire (6) de la même première pale (3) dans un sens inverse à celui de l’hélice principale (5) et à chaque tour, en phase avec l’hélice principale (5) de la première pale (3), pour contrecarrer l’effet de l’hélice principale (5), et à agir sur la puissance de l’hélice secondaire (6) pour compenser la dissymétrie de traînée. En d’autres termes, la puissance de l’hélice secondaire (6) doit être telle que la force de propulsion générée par l’hélice secondaire (6) de la première pale (3) soit égale, en valeur absolue, à la différence de force entre la traînée T2 de la première pale (3) et la traînée Tl de la deuxième pale (3) opposée.

En pratique, pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention, qu’il soit à voilure tournante ou à voilure fixe, l’aéronef (1) comprend des hélices principales (5) motorisées disposées au niveau des extrémités de l’aile (2) ou de la pale (3), avec Taxe des hélices sensiblement parallèle au plan de l’aile (2) ou de la pale (3), et sensiblement orthogonal à l’axe longitudinal de l’aile (2) ou de la pale (3). Pour contrôler les hélices, l’aéronef (1) comprend au moins une carte électronique de puissance connectée à la motorisation des hélices (5, 6) et pilotée par des moyens de calcul embarqués, tel qu’un microcontrôleur. Cette carte électronique permet de contrôler de faire varier la vitesse de rotation de chaque moteur.

De préférence, et comme indiqué plus haut, l’aéronef (1) comprend des hélices motorisées secondaires (6) contrarotatives aux hélices principales (5) et connectées à la carte électronique de puissance. Ces hélices secondaire (6) contrarotatives, sont disposées aux extrémités de l’aile (2) ou de la pale (3), et disposées par exemple en opposition et en aval des hélices principales (5). Lorsque l’aéronef (1) comprend des hélices secondaires (6), les hélices principales (5) sont conçues pour tourner dans un sens inverse à celui des tourbillons marginaux (4).

Lorsque l’aéronef (1) est à voilure tournante avec au moins une pale (3) montée sur un rotor (7), l’aéronef (1) comprend également un capteur de position du rotor (7), connecté à la carte électronique de puissance pour envoyer les ordres de variation de vitesse des moteurs au bon moment en fonction de la position de la pale (3).

Le capteur de position peut être de tout type approprié, tel qu’une roue codeuse ou un capteur à effet hall, ou bien encore un compas magnétique, en combinaison éventuellement avec un ou plusieurs gyroscopes.

Le transfert d’énergie entre le rotor (7) et une partie fixe appelé stator peut se faire par exemple via l’ajout d’un collecteur tournant ou par induction. La présence d’un bloc batterie indépendant embarqué sur le rotor (7) est aussi envisageable.

La communication des ordres de vitesses aux moteurs peut se faire par tout autre moyen bien connu de l’Homme du Métier, par exemple avec un collecteur tournant avec plus de voies ou bien, avec une transmission optique de données, ou encore avec une transmission radio de type « Bluetooth », ou bien encore avec un moyen de communication filaire commandé par un dispositif de calcul directement embarqué sur la pale. Dans cette dernière configuration, la présence d’un stator fixe n’est donc pas nécessaire

Il ressort de ce qui précède que l’invention fournit bien un procédé de commande de la direction d’un aéronef (1), et un aéronef (1) adapté pour mettre en œuvre ce procédé, qui soit simple, peu onéreux, efficace, fiable, et qui permet un gain de poids considérable par rapport aux système de direction de l’état de la technique.

Claims (11)

1. Revendications

   1. Procédé de contrôle de la direction d’un aéronef (1) à voilure fixe avec au moins une aile (2), ou à voilure tournante avec au moins une pale (3), l’aile (2) ou la pale (3) étant soumise à un flux d’air exerçant une force de portance sur l’aile (2) ou la pale (3), et générant naturellement au niveau de chacune des extrémités de l’aile (2) ou de la pale (3), un tourbillon marginal (4) du fait de la différence de pression entre l’intrados et l’extrados de l’aile (2) ou des pales (3), lequel tourbillon marginal (4) diminue la force de portance, et augmente la force de traînée le procédé étant caractérisé en ce qu’il consiste à générer des tourbillons supplémentaires d’intensités différentes pour agir distinctement sur l’intensité desdits tourbillons marginaux (4) en fonction du sens et de la vitesse de rotation des tourbillons supplémentaires, pour ainsi aggraver ou contrecarrer sélectivement les effets des tourbillons marginaux (4) et donc diminuer ou augmenter sélectivement la force de portance et/ou la traînée exercée aux extrémités de l’aile (2) ou de la pale (3) et provoquer un mouvement de roulis et/ou de lacet pour l’aéronef (1) à voilure fixe, ou un mouvement de basculement pour un aéronef (1) à voilure tournante.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tourbillons supplémentaires sont générés par des hélices principales (5) motorisées agencées au niveau des extrémités de l’aile (2) ou de la pale (3).
3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lorsque l’aéronef (1) est à voilure fixe et qu’il présente au moins une aile (2) comprenant à chacune de ses extrémités des hélices motorisées principales (5) tournant dans un sens contraire à celui des tourbillons marginaux (4) et des hélices motorisées secondaires (6) tournant dans le sens des tourbillons marginaux (4), le procédé consiste, à faire tourner l’hélice principale (5) d’une première extrémité de l’aile (2) plus rapidement que l’hélice secondaire (6) de ladite première extrémité pour générer le mouvement de roulis, à faire tourner l’hélice secondaire (6) d’une deuxième extrémité de l’aile (2) plus rapidement que l’hélice principale (5) de ladite deuxième extrémité pour amplifier le mouvement de roulis, et à agir sur la puissance de l’hélice secondaire (6) de la deuxième extrémité pour diminuer voire supprimer le mouvement de lacet si la puissance de l’hélice secondaire (6) de la deuxième extrémité est égale à la puissance de l’hélice principale (5) de la première extrémité.
4. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lorsque l’aéronef (1) est à voilure fixe et qu’il présente au moins une aile (2) comprenant à chacune de ses extrémités des hélices motorisées principales (5) tournant dans un sens contraire à celui des tourbillons marginaux (4) et des hélices motorisées secondaires (6) tournant dans le sens des tourbillons marginaux (4), le procédé consiste, à faire tourner les hélices principale (5) et secondaire (6) d’une première extrémité de l’aile (2) plus rapidement que les hélices principale (5) et secondaire (6) de la deuxième extrémité pour générer le mouvement de roulis et de lacet, et à agir sur la puissance de l’hélice secondaire (6) de la première extrémité pour diminuer voire supprimer le mouvement de roulis si la puissance des hélices principale (5) et secondaire (6) de la première extrémité sont égales.
5. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque l’aéronef (1) est à voilure tournante et qu’il présente au moins une pale (3), les tourbillons supplémentaires sont générés alternativement et de façon cyclique à chaque tour de pale (3) pour obtenir le mouvement de basculement de l’aéronef (1) dans une direction voulue.
6. 6. Procédé selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce qu’il consiste, à faire tourner l’hélice motorisée principale (5) de l’extrémité de la pale (3) dans un sens contraire au tourbillon marginal (4), et à faire tourner une hélice motorisée secondaire (6) disposée au niveau de cette même extrémité dans le même sens que le tourbillon marginal (4), avec une même puissance que l’hélice principale (5), à chaque tour et en opposition de phase avec l’hélice principale (5) pour atténuer d’éventuelles vibrations dues à la variation cyclique de poussée de l’hélice principale.
7. 7. Procédé selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que lorsque l’aéronef (1) est soumis à un vent relatif, il se crée une dissymétrie de traînée aérodynamique provoquée à chaque demi-tour de pale (3), le procédé consiste alors à faire tourner l’hélice principale (5) de l’extrémité de la pale (3) dans un sens contraire au tourbillon marginal (4), à faire tourner une hélice motorisée secondaire (6) disposée au niveau de cette même extrémité, dans un sens inverse à celui de l’hélice principale (5), à chaque tour et en phase avec l’hélice principale (5) pour contrecarrer l’effet de l’hélice principale (5), et à agir sur la puissance de l’hélice secondaire (6) pour compenser la dissymétrie de traînée aérodynamique.
8. 8. Aéronef (1) à voilure fixe avec au moins une aile (2), ou à voilure tournante avec au moins une pale (3), l’aile (2) ou la pale (3) étant destinée à être soumise à un flux d’air exerçant une force de portance sur l’aile (2) ou la pale (3), et générant naturellement au niveau de chacune des extrémités de l’aile (2) ou de la pale (3), un tourbillon marginal (4) du fait de la différence de pression entre l’intrados et l’extrados de l’aile (2) ou de la pale (3), lequel tourbillon marginal (4) diminue la force de portance, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens pour générer des tourbillons supplémentaires pour agir distinctement sur l’intensité desdits tourbillons marginaux (4) en fonction du sens et de la vitesse de rotation des tourbillons supplémentaires, pour ainsi aggraver ou contrecarrer sélectivement les effets des tourbillons marginaux (4) et donc diminuer ou augmenter sélectivement la force de portance exercée aux extrémités de l’aile (2) ou de la pale (3) et provoquer un mouvement de roulis et/ou de lacet pour l’aéronef (1) à voilure fixe, ou un mouvement de basculement pour un aéronef (1) à voilure tournante.
9. 9. Aéronef (1) selon la revendication 8 caractérisé en ce que les moyens pour générer les tourbillons supplémentaires comprennent : des hélices motorisées principales (5) disposées au niveau des extrémités de l’aile (2) ou de la pale (3), l’axe des hélices étant sensiblement parallèle au plan de l’aile (2) ou de la pale (3), et sensiblement orthogonal à l’axe longitudinal de l’aile (2) ou de la pale (3) ; au moins une carte électronique de puissance connectée à la motorisation des hélices et pilotée par des moyens de calcul embarqués.
10. 10. Aéronef (1) selon la revendication 9, caractérisé en ce que les hélices principales (5) sont conçues pour tourner dans un sens inverse à celui des tourbillons marginaux (4), et en ce que l’aéronef (1) comprend des hélices motorisées secondaires (6) contrarotatives aux hélices principales (5) et connectées à la carte électronique de puissance.
11. 11. Aéronef (1) selon la revendication 9 caractérisé en ce qu’il comprend une voilure tournante avec au moins une pale (3) montée sur un rotor (7), et un capteur de position du rotor (7) connecté à la carte électronique de puissance.