FR3106811A1 - Drone à voilure tournante et fixe à décollage et atterrissage verticaux, à traînée optimisée pour ces deux utilisations - Google Patents

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Abstract

Drone aérodyne (1) comprenant un corps principal (2), deux poutres (7, 8), au moins quatre soufflantes (16, 17) sustentatrices à motorisation. Selon l’invention, chacune des poutres comporte un évidement débouchant sur une surface supérieure et/ou inférieure de la poutre et formant un logement  ; chacune des pales étant logée dans un évidement ; chacune des poutres étant prévue pour recevoir, dans une configuration dite fermée, un capot fermant l’au moins un logement, la configuration étant dite ouverte sinon. Figure 1

Description

Drone à voilure tournante et fixe à décollage et atterrissage verticaux, à traînée optimisée pour ces deux utilisations
La présente invention se rapporte au domaine des aérodynes, c’est-à-dire au domaine des aéronefs « plus lourd que l’air » dont la sustentation est principalement assurée par une force aérodynamique, la portance d’une voilure tournante ou fixe.
Plus précisément, l’invention se rapporte au domaine des aérodynes présentant d’une part une voilure fixe et d’autre part une voilure tournante.
De manière encore plus précise, l’invention se rapporte à un aérodyne sans pilote, ci-après dénommé drone, présentant d’une part une voilure fixe et d’autre part une voilure tournante et ayant la capacité d’évoluer, par une phase de transition, d’une configuration de vol à voilure fixe à une configuration de vol à voilure tournante
État de la technique antérieure
On connaît des aéronefs à voilures fixes.
On connaît des aéronefs à voilure fixe capables de décollage et atterrissage verticaux. Un tel aéronef, dont l’acronyme est ADAV, en anglais VTOL, pour l’anglaisVertical Take-off and Landing aircraftest un aéronef à voilure fixe conçu pour s’affranchir des pistes qui lui sont normalement nécessaires pour le décollage et l’atterrissage. Ce type d’avion est parfois appelé hybride ou convertible. Cette catégorie ne recouvre donc ni les ballons et dirigeables, ni les hélicoptères.
Parmi les aéronefs de type VTOL, on connaît des aéronefs de type VTOL comportant en outre une voilure tournante.
En particulier, on connaît une sous-catégorie de ces derniers regroupant les aéronefs de type VTOL comportant une voilure tournante qui utilise deux groupes de moteurs différents suivant la phase de vol: des moteurs dits de sustentation placée verticalement pour le décollage et l’atterrissage et mettant en œuvre la voilure tournante, et au moins un moteur de propulsion placé horizontalement pour le vol de croisière.
Un inconvénient de cette sous-catégorie d’aéronefs est dû à la présence de la voilure tournante qui crée au contraire une traînée importante lors du vol de croisière, augmentant la consommation, limitant le domaine de vol.
L’idée d’utiliser une ou des mono pales dans des concepts de « stop rotor » hybrides est une idée très ancienne. Par exemple, dans ce domaine, on peut relever au niveau des brevets la demandeUS6340133 qui propose de déployer des mono pales pour leur utilisation et de les escamoter lorsqu’elles ne sont plus utiles. Ce système n’a pas été réellement développé et commercialisé.
De l’avis de la demanderesse, cela conduit, d’une part, à des mécanismes très complexes, et, d’autre part, à des situations d’instabilité́ aérodynamique du rotor au moment où il est mis à l’abri, après le décollage et la transition en vol de croisière, et au moment où il est déployé pour l’atterrissage.
Un but de l’invention est notamment de remédier à tout ou partie des inconvénients précités.
Selon un premier aspect de l’invention, il est proposé un drone aérodyne comprenant:
  • un corps principal, aussi appelé fuselage, s’étendant longitudinalement selon un axe formant axe de roulis du drone aérodyne, définissant un avant et un arrière du drone,
  • une aile s’étendant perpendiculairement à l’axe de roulis depuis le corps principal, présentant un saumon à chacune de ses extrémités,
  • deux poutres, chaque poutre étant sensiblement parallèle à l’axe de roulis, espacée du corps principal et fixée sur l’aile de part et d’autre du corps principal,
  • au moins quatre soufflantes sustentatrices à motorisation, au moins deux soufflantes étant fixées sur l’une des deux poutres, au moins deux autres soufflantes étant fixées sur l’autre des deux poutres, chaque soufflante comportant au moins une pale,
Selon le premier aspect de l’invention:
  • chacune des poutres comporte au moins un évidement, débouchant sur une surface supérieure et/ou inférieure de ladite poutre, formant un logement,
  • chacune des pales est logée dans l’au moins un évidement,
  • chacune des poutres est prévue pour recevoir, dans une configuration dite fermée, un capot fermant l’au moins un logement, la configuration étant dite ouverte sinon.
L’ensemble poutre et capot forme un profil aérodynamique dans la configuration fermée.
Avantageusement, le drone aérodyne selon l’invention peut comprendre des moyens pilotables pour faire passer en vol le drone de sa configuration fermée à sa configuration ouverte.
Le système de passage de la configuration fermée à la configuration ouverte peut comporter des moyens de retenue du capot contre la poutre et des moyens d’éjection du capot à l’extérieur du logement.
Selon une première possibilité, le moyen d’éjection comporte des moyens explosifs agencés pour éjecter le capot.
Selon une deuxième possibilité, éventuellement combinable avec la première, la deuxième et ou la troisième possibilité, le moyen d’éjection comporte un aérofrein disposé sur une surface externe du capot.
Selon une troisième possibilité, éventuellement combinable avec la première et/ou la deuxième possibilité, le moyen d’éjection comporte un ressort disposé entre le capot et la poutre, lequel ressort est agencé pour travailler en extension.
Le capot peut comporter un tenon, de préférence de forme arquée, et la poutre peut comporter une mortaise, coopérant avant le tenon, de préférence de forme arquée. Pendant le passage de la configuration fermée à la configuration ouverte, le capot est en rotation par rapport à la poutre.
Le drone selon le premier aspect de l’invention peut en outre comporter des moyens pilotables pour faire passer en vol, le drone, de sa configuration ouverte à sa configuration fermée.
Le drone selon le premier aspect de l’invention peut en outre comporter un système de passage de la configuration fermée à la configuration ouverte, lequel système comporte des moyens de translation et/ou de rotation.
Le drone aérodyne selon le premier aspect de l’invention peut en outre comporter un train d’atterrissage fixé sous le corps principal.
Le drone aérodyne selon le premier aspect de l’invention peut en outre comporter en outre une nacelle fixée sous le corps principal apte à supporter une charge utile.
Selon un deuxième aspect de l’invention, il est proposé une utilisation d’un drone aérodyne selon le premier aspect de l’invention, ou l’un ou plusieurs de ses perfectionnements.
Selon une première possibilité, l’utilisation peut comporter une étape de transition d’une configuration de vol à voilure fixe à une configuration de vol à voilure tournante, lorsque le drone comporte des moyens de passage d’une configuration fermée à une configuration ouverte.
Selon une deuxième possibilité, éventuellement combinable avec la première possibilité, l’utilisation peut comporter une étape de transition d’une configuration de vol à voilure tournante à une configuration de vol à voilure fixe lorsque le drone comporte des moyens de passage d’une configuration ouverte à une configuration fermée.
Description des figures
D’autres avantages et particularités de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, au regard de dessins annexés sur lesquels:
  • [Fig.1] La figure 1 est une vue en perspective d’un drone selon l’invention,
  • [Fig.2] La figure 2 est une vue de dessus d’une poutre du drone représenté sur Figure1,
  • [Fig.3] La figure 3 est une coupe selon le plan GG représenté sur la figure2 d’une poutre du drone représenté sur Figure1,
  • [Fig.4] La figure 4 est un agrandissement du détail H représenté sur Figure3,
  • [Fig.5] La figure 5 est une vue de côté de la poutre représentée sur Figure2,
  • [Fig.6] La figure 6 est une coupe selon le plan GG représenté sur la figure2 dans une transition de configurations de vol,
  • [Fig.7] La figure 7 est une coupe selon le plan GG représenté sur la figure2 d’un premier mode de réalisation,
  • [Fig.8] La figure 8 est un agrandissement du détail C représenté sur Figure7,
  • [Fig.9] La figure 9 est une coupe d’une selon le plan GG représenté sur la figure2 d’un deuxième mode de réalisation,
  • [Fig.10] La figure 10 est un agrandissement du détail E représenté sur Figure9,
  • [Fig.11] La figure 11 est un agrandissement des détails (de gauche à droite) D, B et C représentés sur Figure6 et Figure7.
Description de mode de réalisation
Les modes de réalisation décrits ci-après n’étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites, par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure.
Sur les figures, un élément apparaissant sur plusieurs figures conserve la même référence.
La figure1 illustre un drone aérodyne1 selon l’invention.
Le drone1 comporte un corps principal2 (fuselage) s’étendant longitudinalement selon un axe X. L’axe X forme un axe de roulis du drone, définissant un avant et un arrière du drone.
Dans la présente description, l’aile est formée de deux demi-ailes3 et 4. L’aile pourrait, selon une variante, être formée d’un seul bloc.
Les deux demi-ailes3 et 4 s’étendent perpendiculairement à l’axe de roulis X depuis le corps principal2. Chacune des demi-ailes, respectivement 3 et 4, définit une extrémité distale, respectivementE3 et E4, par rapport au corps principal. Dans l’exemple représenté, chacune des ailes est de type trapézoïdal, la grande base du trapèze étant disposée du côté du corps principal, aussi appelé emplanture, la petite base du trapèze étant disposée du côté de l’extrémité distale, aussi appelée saumon.
Selon une variante, le drone pourrait présenter des demi-ailes ou une aile de formes différentes. Le drone1 comporte en outre un propulseur6 disposé à l’arrière du corps principal, à l’arrière d’un empennage5. Le propulseur6 peut par exemple être un moteur électrique. D’autres propulseurs peuvent être envisagés, tels qu’un moteur thermique, un moteur-fusée, un propulseur à poudre.
Le drone1 comporte en outre un autre propulseur(non numéroté) largable disposé sous le fuselage, au centre de gravité. Dans l’exemple présenté, l’autre propulseur est un propulseur à poudre. Selon une variante, le drone pourrait ne pas comprendre d’autre propulseur.
Le drone1 comporte en outre deux poutres, respectivement poutre droite7 et poutre gauche8. Chaque poutre s’étend parallèlement à l’axe de roulis du drone et est espacée du corps principal2 par l’intermédiaire d’une demi-aile sur laquelle est fixée ladite poutre.
Selon une possibilité, chaque poutre est fixée au niveau du saumon d’une des demi-ailes.
Lorsque la demi-aile est en deux parties et comporte une partie centrale et une partie d’extrémité, chaque poutre peut être fixée au niveau d’une jonction entre la partie centrale et la partie extérieure.
La figure2 illustre une vue de dessus d’une poutre10. La poutre droite7 et/ou la poutre gauche8 sont conformes à la description qui suit de la poutre10.
En se référant à la figure3, illustrant une coupe selon le plan GG représenté sur la figure2, la poutre10 comporte, selon son axe longitudinal depuis l’avant vers l’arrière du drone1, deux logements, respectivement logement avant11 et logement arrière12.
Les logements avant 11 et arrière 12 sont formés sur une surface supérieure de la poutre.
Selon une première variante, les logements pourraient être formés sur une surface inférieure, au même positionnement longitudinal que les logements11 et 12. Selon une autre variante illustrée par la figure5, les logements pourraient être formés sur les surfaces supérieures et inférieures, au même positionnement longitudinal que les logements11 et 12.
Les logements avant 11 et arrière 12 sont espacés entre eux selon l’axe longitudinal de la poutre10 par une partie de poutre13, dite centrale.
Selon une variante, la poutre pourrait ne comprendre qu’un seul logement. Par exemple, l’unique logement pourrait s’étendre depuis l’avant du logement avant 11 jusqu’à l’arrière du logementarrière12 selon la figure3.
Les logements avant 11 et arrière 12 sont aussi entourés, par, respectivement, une partie de poutre14 formant bord d’attaque et une partie de poutre15 formant bord de fuite, selon l’axe longitudinal de la poutre10.
Selon le mode de réalisation représenté, chacun des logements avant 11 et arrière 12 accueille une soufflante sustentatrice avant 16, respectivement soufflante sustentatrice arrière17, à motorisation avant 18, respectivement motorisation arrière19.
La motorisation desdites soufflantes est électrique. Dans ce cadre, le drone1 est doté d’au moins une batterie (non représentée) pour l’alimentation électrique des motorisations. L’au moins une batterie peut être logée à l’intérieur du corps principal2 pour améliorer l’aérodynamisme et mieux répartir les masses.
Selon l’invention, la poutre10 est également dotée de capots, respectivement capot avant20 et capot arrière21.
Chacun des capots, respectivement capot avant20 et capot arrière21, coopère avec la poutre10 pour fermer les logements, respectivement logement avant11 et logement arrière12.
Chacun des capots est composé d’une partie22 recouvrant les logements, d’un arbre23 percé radialement à l’axe longitudinal d’un trou de perçage permettant la retenue dudit capot et d’un tenon24 suivant un arc de cercle permettant le pivotement dudit capot. Afin d’accueillir chaque tenon, chaque logement est pourvu d’une mortaise25 adoptant la forme arquée dudit tenon.
Lorsque les capots ferment les logements avant 11 et arrière12, l’ensemble capots et poutre10 présente un meilleur aérodynamisme que celui de la poutre dépourvue desdits capots, notamment en ce que ces capots permettent de réduire les perturbations du flux d’air déformé par les volumes des logements11 et 12, les volumes des hélices16 et 17 et ceux des moteurs.
Ainsi, dans une configuration où les capots ferment les logements des poutres, le drone, selon l’invention, peut voler au moyen de son propulseur6 sans être pénalisé par la traînée des hélices et des moteurs.
Aussi, selon le type de mission envisagée, le drone peut être configuré soit pour être utilisé en tant que qu’aérodyne à voilure tournante, soit en tant qu’aérodyne à voilure fixe.
Pour passer d’une configuration à l’autre, il suffit d’ôter, respectivement de remettre, entre deux missions distinctes, les capots coopérant avec les logements.
Lorsqu’il est prévu un atterrissage sur piste au moyen du propulseur, le drone peut comporter un train d’atterrissage fixé sous le corps principal.
Selon la mission du drone, il peut être envisagé que ce dernier comporte une nacelle fixée sous le corps principal apte à supporter une charge utile. Selon une variante, la charge utile peut être insérée dans le corps principal du drone, afin de limiter les effets de traînée.
Le drone peut en outre comprendre des composants électriques et électroniques, comprenant au moins les moteurs électriques et batteries d’alimentation des soufflantes, ainsi que des contrôleurs de commande des moteurs, des connecteurs de liaison desdites batteries auxdits moteurs et au moins un alternateur de recharge de batteries sont regroupés dans une enceinte fermée, de préférence thermostatée, agencée sensiblement de manière centrale, et reliée à chaque soufflante, pour l’entraînement de sa ou ses pâles, par une transmission mécanique à arbre tournant.
Selon une possibilité avantageuse de l’invention, le drone peut comprendre des moyens pilotables pour faire passer en vol le drone, de sa configuration dans laquelle les capots ferment les logements, ci-après configuration fermée, à une configuration dans laquelle les logements ne sont pas recouverts des capots, ci-après configuration ouverte. Ce changement de configuration peut être illustré par la figure6.
Le passage d’une configuration de vol à voilure fixe à une configuration de vol à voilure tournante est connu dans la littérature sous le nom de phase de transition. Il s’agit du moment pendant lequel un drone de type VTOL passe du vol vertical au vol horizontal, ou du vol horizontal au vol vertical.
La première transition, lorsqu’elle existe, est très délicate car la portance doit être transférée des moteurs aux ailes, or les ailes ne jouent leur rôle qu’à condition que la vitesse horizontale de l’avion soit suffisante. Le basculement se fait donc de façon progressive. Il est possible de s’affranchir de cette première transition, par exemple en catapultant le drone selon l’invention dans une configuration fermée, ou bien en le larguant avec ou sans vitesse horizontale initiale, par exemple depuis un autre aéronef.
Lorsque le drone comprend des moyens pilotables pour faire passer en vol le drone de sa configuration fermée à sa configuration ouverte, il est alors possible de confier un troisième type de mission au drone selon l’invention: celle de projection rapide sur zone puis de mission particulière sur zone.
Lancé depuis un rail de lancement, le drone peut par exemple franchir une distance de quelques centaines de mètres en quelques secondes, passer en configuration ouverte, effectuer une transition, puis effectuer une mission sur zone, avant d’aller — ou non — en direction d’une base d’atterrissage, potentiellement après avoir effectué une nouvelle transition vers une configuration à voilure fixe.
À cet effet, il suffit de prévoir un moyen d’éjection du ou des capots fermant le ou les logements. Lorsque le capot fermant le logement est éjecté, le drone est alors en configuration ouverte. Les moyens d’éjection présentés par la suite permettent de soulever suffisamment la partie avant de chacun des capots. Cette surélévation de la partie avant du capot crée une surface d’opposition au flux d’air généralement appelée surface mouillée. Ledit flux d’air, en s’opposant à cette surface, crée un moment tendant à éjecter le capot de la poutre comme l’illustre la figure6.
À cet effet, et comme l’illustre la figure 7 décrivant un mode de réalisation d’une poutre10, selon une coupe longitudinale, mise en œuvre dans un drone selon l’invention, les moyens de passage de la configuration fermée à la configuration ouverte peuvent comporter des aérofreins, respectivement aérofreins avant 32 et aérofreins arrière34, disposés sur une surface externe des capots. Comme l’illustre plus en détail la figure8, chaque aérofrein représente une surface d’opposition au flux d’air et créé un moment poussant le capot à se désolidariser de la poutre. Ledit capot est retenu par un doigt de verrouillage33, s’insérant dans le trou de perçage de l’arbre23. Un actionneur34 permet de conserver le doigt de verrouillage33 dans une position verrouillée et de le faire passer en un instant dans une position déverrouillée. L’actionneur34 peut être commandé en position depuis une unité centrale (non représentée).
Selon une autre variante de réalisation des moyens de passage de la configuration fermée à la configuration ouverte, éventuellement combinable avec la précédente, illustrée par les figures7 et 8, les moyens de passage de la configuration fermée à la configuration ouverte peuvent comprendre, comme le montre la figure9, des moyens de retenuedes capots travaillant contre des moyens d’éjection des capots vers l’extérieur des logements qu’ils ferment.
Comme l’illustre plus en détail la figure10, le moyen de retenueest identique au mode de réalisation précédent. Les moyens d’éjections peuvent se faire par exemple, par l’intermédiaire d’un ressort43 travaillant en compression, guidé axialement par l’arbre23.
Bien entendu, le dimensionnement doit être adéquat, de sorte que la force de retenue exercée par le doigt de verrouillage33 dans la position verrouillée sur le capot soit supérieure aux forces d’éjection du capot par les moyens d’éjection.
La figure11 illustre un moyen de pivot commun aux précédents modes de réalisation, servant de point d’appui lors d’un passage d’une configuration fermée à une configuration ouverte. Le moyen de pivot peut être réalisé à l’aide du tenon24 solidaire du capot et de la mortaise25 formée dans le logement.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.

Claims (10)

  1. Drone aérodyne (1) comprenant:
    • un corps principal (2) s’étendant longitudinalement selon un axe de roulis (X) du drone aérodyne, définissant un avant et un arrière du drone,
    • une aile (3, 4) s’étendant perpendiculairement à l’axe de roulis depuis le corps principal, présentant un saumon à chacune de ses extrémités,
    • deux poutres (7, 8), chaque poutre étant sensiblement parallèle à l’axe de roulis, espacée du corps principal et fixée sur l’aile de part et d’autre du corps principal,
    • au moins quatre soufflantes (16, 17) sustentatrices à motorisation, au moins deux soufflantes étant fixées sur l’une des deux poutres, au moins deux autres soufflantes étant fixées sur l’autre des deux poutres, chaque soufflante comportant au moins une pale,
    caractérisé en ce que:
    • chacune des poutres comporte au moins un évidement, débouchant sur une surface supérieure et/ou inférieure de ladite poutre, formant un logement (11, 12),
    • chacune des pales est logée dans l’au moins un évidement,
      • chacune des poutres est prévue pour recevoir, dans une configuration dite fermée, un capot (20, 21) fermant l’au moins un logement, la configuration étant dite ouverte sinon.
  2. Drone selon la revendicationprécédente, comportant des moyens pilotables pour faire passer en vol le drone de sa configuration fermée à sa configuration ouverte.
  3. Drone selon la revendication précédente, dans lequel le système de passage de sa configuration fermée à sa configuration ouverte comporte des moyens de retenue du capot contre la poutre et des moyens d’éjection du capot à l’extérieur du logement.
  4. Drone selon la revendication précédente, dans lequel le moyen d’éjection comporte un aérofrein disposé sur une surface externe du capot.
  5. Drone selon la revendication3 ou 4, dans lequel le moyen d’éjection comporte un ressort disposé entre le capot et la poutre, lequel ressort est agencé pour travailler en extension.
  6. Drone selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant des moyens pilotables pour faire passer en vol, le drone de sa configuration ouverte à sa configuration fermée.
  7. Drone selon la revendication précédente, dans lequel le système de passage de la configuration fermée à la configuration ouverte comporte des moyens de translation et/ou de rotation du capot entre sa position fermée et sa position ouverte.
  8. Utilisation d’un drone aérodyne selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  9. Utilisation selon la revendication précédente, lorsque dépendante de la revendication2, comportant une étape de transition d’une configuration de vol à voilure fixe à une configuration de vol à voilure tournante.
  10. Utilisation selon la revendication8 ou 9, lorsque dépendante de la revendication6, comportant une étape de transition d’une configuration de vol à voilure tournante à une configuration de vol à voilure fixe.
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