FR3114299A1 - Voilure tournante à pales déportées et aéronef comportant une telle voilure - Google Patents
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Abstract
VOILURE TOURNANTE A PALES DEPORTEES ET AERONEF COMPORTANT UNE TELLE VOILURE L’invention concerne un dispositif de sustentation (10) de type voilure tournante, pour un aéronef (100) tel qu’un véhicule aérien sans pilote, comportant une pluralité de pales (11) fixées latéralement à un moyeu (12) apte à être couplé en rotation à un rotor de l’aéronef, chaque pale est déportée par rapport au moyeu en étant reliée à celui-ci par un lien souple (13) qui se tend lors de la rotation du moyeu sous l’effet de la force centrifuge. L’invention porte également sur un aéronef (100) comportant un tel dispositif de sustentation. Figure pour l’abrégé : figure 1
Description
La présente invention appartient au domaine de l’aéronautique, et notamment des dispositifs de sustentation et de propulsion des aéronefs. Elle concerne plus particulièrement une voilure tournante à pales déportées pour aéronef, et un aéronef comportant une telle voilure.
L’invention vise par exemple les véhicules aériens sans pilote, couramment appelés drones, et trouve une application directe dans les drones stratosphériques.
Etat de l’art
La construction aéronautique a connu de nombreuses évolutions techniques qui ont permis de modifier progressivement les conceptions des aéronefs et d’améliorer leurs systèmes de sustentation et de propulsion.
Contrairement aux aéronefs à ailes fixes, les aéronefs à voilure tournante, tels que les hélicoptères et certains drones aériens, ont connu un développement nettement plus lent en raison de la complexité de leurs architectures mécaniques en termes de mécanismes et de transmission de puissance. Ce développement a également été conditionné par la capacité de calcul des différents systèmes de contrôle, de commande et de pilotage disponibles.
Dans les aéronefs à voilure tournante, celle-ci est généralement constituée par des pales fixées à un moyeu central, lui-même couplé à un rotor entrainé par un groupe motopropulseur. Les pales s’étendent par rapport au moyeu, le plus souvent de façon sensiblement radiale, et leur rotation dans un plan d’équilibre assure la portance nécessaire à la sustentation de l’aéronef.
La mécanique du vol et l’aérodynamique des aéronefs à voilure tournante sont principalement régies par la théorie de Rankine-Froude et la théorie des éléments de pale.
Partant de ces principes de base, un aéronef à voilure tournante peut être conçu selon différentes configurations bien connues : une configuration classique avec un rotor principal et un rotor anticouple, une configuration avec des rotors contrarotatifs, et une configuration monorotor avec éjection de gaz.
En particulier, dans la configuration avec des rotors contrarotatifs, ceux-ci peuvent être coaxiaux pour assurer une meilleure stabilité en vol. Il existe également des drones de type multirotor présentant deux rotors contrarotatifs coaxiaux à chaque bras, permettant une plus grande stabilité.
Afin d’obtenir une portance suffisante, la vitesse linéaire des pales doit être relativement importante. Or, dans le cas de pales rigidement fixées au rotor, cette vitesse peut être augmentée soit en augmentant la vitesse de rotation du rotor et donc la puissance motrice, soit en rallongeant la longueur des pales, auquel cas la vitesse linéaire en bout de pales est augmentée. Néanmoins, cette vitesse en bout de pale ne doit pas être indéfiniment augmentée pour éviter de franchir le mur du son.
Dans le dernier cas, les pales, rigidement fixées aux rotors, présentent un encombrement en raison de leurs dimensions, encombrement souvent problématique lorsqu’il s’agit de stocker ce type d’aéronefs.
Il existe quelques parades à cet inconvénient, comme les pales rabattables, rétractables, pliables et/ou démontables. Toutefois, outre leur complexité d’assemblage, ces solutions nuisent aux performances aérodynamiques des pales.
Il convient également de noter que la portance est plus importante au niveau des extrémités distales des pales car la vitesse y est plus grande, et que donc, les parties des pales à proximité du rotor présentent une efficacité moindre.
Aucune solution ne permet actuellement de tirer profit de ce constat en proposant une conception à la fois performante et peu encombrante.
En outre, aucune solution, à la connaissance du demandeur, ne permet de bénéficier d’un effet cinématique favorable tel qu’un effet de « fronde », grâce à une modification de la conception générale de la voilure tournante.
Présentation de l’invention
La présente invention vise à pallier les inconvénients de l’art antérieur exposés supra, en proposant une solution simple, présentant une performance et une stabilité aérodynamiques améliorées, tout en étant peu encombrante et adaptée à différents types d’aéronefs.
À cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de sustentation de type voilure tournante, pour un aéronef tel qu’un véhicule aérien sans pilote, comportant une pluralité de pales fixées latéralement à un moyeu apte à être couplé en rotation à un rotor de l’aéronef. Ce dispositif sustentateur est remarquable en ce que chaque pale est reliée au moyeu par un lien souple de sorte à être déportée par rapport à ce dernier, la rotation dudit moyeu entrainant une mise en tension des liens souples et un déploiement des pales.
Ainsi, la rotation de la voilure tournante bénéficie d’un effet de fronde permettant d’obtenir une vitesse linéaire à l’extrémité des pales, déportées, plus importante que dans les voilures tournantes de l’état de la technique avec une même longueur de pales et une même vitesse de rotation du rotor.
Selon un mode de réalisation, chaque pale présente un profil aérodynamique conventionnel et comporte un stabilisateur limitant l’instabilité longitudinale de ladite pale due à la rotation du dispositif. L’instabilité longitudinale d’une pale prise isolément correspond à une instabilité en tangage (moment piqueur).
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le moyeu comporte une pluralité de branches s’étendant radialement et présentant une répartition angulaire uniforme, chacune desdites branches étant reliée à une pale par le biais d’un lien souple.
Les liens souples sont par exemple des fils. De préférence, les liens souples sont des fibres textiles résistantes.
Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif de sustentation comporte huit pales, les extrémités desdites pales formant un octogone régulier lorsque le dispositif est en rotation et à l’équilibre.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de sustentation comporte en outre des liens supplémentaires reliant, chacun, deux pales successives.
L’invention a également pour objet un aéronef caractérisé en ce qu’il comporte au moins un dispositif de sustentation tel que présenté.
Selon un mode de réalisation l’aéronef est de type véhicule aérien sans pilote, ou drone, et comporte au moins une paire de dispositifs de sustentation contrarotatifs et coaxiaux.
Plus particulièrement, l’aéronef est apte au vol stratosphérique et comporte des panneaux solaires, une batterie électrique et un module de gestion de puissance.
Les concepts fondamentaux de l’invention venant d’être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d’autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d’exemple non limitatif un mode de réalisation d’un dispositif de sustentation et d’un aéronef le comportant conformes aux principes de l’invention.
Présentation des dessins
Les figures sont données à titre purement illustratif pour l’intelligence de l’invention et ne limitent pas la portée de celle-ci. Les différents éléments sont représentés de manière schématique et ne sont pas nécessairement à la même échelle. Sur l’ensemble des figures, les éléments identiques ou équivalents portent la même référence numérique.
Il est ainsi illustré en :
Description détaillée de modes de réalisation
Certains éléments, bien connus de l’homme du métier, sont ici décrits pour éviter toute insuffisance ou ambiguïté dans la compréhension de la présente invention.
Dans le mode de réalisation décrit ci-après, on fait référence à un dispositif de sustentation de type voilure tournante pour aéronef, destinée principalement aux drones aériens. Cet exemple, non limitatif, est donné pour une meilleure compréhension de l’invention et n’exclut pas l’utilisation de la voilure tournante dans d’autres catégories d’aéronefs avec ou sans pilote.
Dans la suite de la description, le terme « voilure tournante » désigne un dispositif de sustentation dont la rotation, par le biais d’un ou plusieurs rotors, assure la portance d’un aéronef. Il convient de rappeler que les aéronefs à voilure tournante constituent une catégorie à part entière d’aéronefs, qui se distingue des aéronefs à voilure fixe tels que les avions.
Lafigure 1représente une voilure tournante 10 selon l’invention, dans une configuration déployée, comportant principalement une pluralité de pales 11, un moyeu 12 couplé en rotation à un rotor non représenté, et des liens souples 13 reliant chacun une pale 11 au moyeu 12. Ces liens permettent de déporter les pales 11 par rapport au moyeu 12 afin de bénéficier de l’effet de fronde, contrairement aux modèles classiques de voilures tournantes dans lesquels les pales sont directement raccordées par leurs extrémités, ou emplantures, au moyeu avec ou sans adjonction d’articulations.
Au repos, autrement dit lorsque la voilure tournante 10 n’est pas en rotation, les liens 13 sont détendus et suspendus par gravité au moyeu 12. De ce fait, les pales 11 attachées aux liens 13 sont reployées et rabattues contre le corps d’un aéronef équipé de la voilure tournante 10. En revanche, lorsque la voilure tournante 10 s’anime d’un mouvement de rotation, les liens 13 se tendent et s’élèvent sous l’effet de la force centrifuge, celle-ci étant accentuée par la présence des pales aux extrémités desdits liens.
Par conséquent, les pales 11 sont ramenées dans un plan de rotation sensiblement perpendiculaire à l’axe de rotation de la voilure tournante 10.
Lafigure 2représente cette configuration déployée, dans laquelle les pales 11 sont déportées par rapport au moyeu 12, et donc par rapport à l’axe de rotation Z qui correspond également à l’axe du rotor d’un aéronef équipé de la voilure tournante 10.
Dès la mise en rotation de la voilure tournante 10, l’angle formé par l’axe de rotation Z et l’axe de chaque pale 11 augmente progressivement jusqu’à atteindre sa valeur d’équilibre dynamique pour une vitesse de rotation donnée. Cet angle d’équilibre détermine la position du plan de rotation des pales 11, à l’équilibre, par rapport au moyeu 12. Ce plan peut être sensiblement confondu avec un plan moyen du moyeu 12 ou en être décalé, aussi bien vers le bas que vers le haut.
Bien entendu, à l’équilibre dynamique, les pales sont inclinées vers le haut de sorte à former une surface portante tronconique autour du moyeu. De plus, chaque pale présente un angle par rapport à la direction radiale. L’analyse détaillée du mouvement des pales n’est cependant pas l’objet de la présente description.
Structuralement, les éléments de la voilure tournante 10, pris isolément, sont de conception relativement simple, et présentent des caractéristiques mécaniques et aérodynamiques conférant à ladite voilure des performances bien déterminées.
Chaque pale 11, selon l’exemple de réalisation illustré, est une surface portante présentant un profil aérodynamique bien défini et des dimensions adaptées pour assurer les performances visées.
De plus, les pales 11 doivent être légères et robustes pour résister aux contraintes mécaniques, aussi bien en traction et en flexion qu’en torsion, auxquelles la voilure tournante 10 est soumise en service. Ces contraintes restent nettement inférieures aux contraintes subies par les pales d’une voilure tournante conventionnelle, notamment grâce à la présence des liens souples 13 qui reprennent une majeure partie des efforts.
Par conséquent, les pales 11 sont fabriquées dans un matériau aéronautique approprié, métallique, composite ou autre. De préférence, les pales 11 sont en matériau composite, avec par exemple une structure primaire constituée de panneaux composites assemblés. Ces panneaux présentent par exemple une structure sandwich en nid d’abeille, abrégée en Nida, qui renforce leur résistance mécanique et garantit une légèreté maximale. En outre, des bandes de protection en titane par exemple peuvent être prévues pour recouvrir, totalement ou partiellement, les bords d’attaque des pales 11 pour les protéger.
Aussi, les pales 11 peuvent être fabriqués dans un matériau polymère par un procédé de fabrication additive (impression 3D), dans le cadre d’aéronefs légers tels que des drones de loisir.
Il convient de noter qu’en raison de leur liaison au moyeu 12 par les liens souples 13, les pales 11 préservent leurs degrés de liberté en totalité, autrement dit, tous les mouvements relatifs indépendants des pales 11 par rapport au moyeu 12 sont autorisés par ces liens. Hormis les stabilités en roulis et en lacet conditionnées, respectivement, par la vitesse de rotation du rotor et l’intensité de la force centrifuge, la stabilité en tangage de chaque pale 11, ou stabilité longitudinale « locale », doit être maitrisée. En effet, en raison de leur profil porteur cambré, les pales 11 sont instables en tangage (moment piqueur) lors de la rotation de la voilure tournante 10.
Une première solution à ce problème consiste à équiper chaque pale 11 d’un stabilisateur 111 placé sur l’extrados de la pale et dont l’axe est sensiblement perpendiculaire à l’axe de ladite pale. De préférence, chaque stabilisateur 111 est positionné suivant la corde moyenne de la pale 11 qui le comporte.
Les stabilisateurs 111 peuvent en outre limiter les effets de la trainée induite lors de la rotation de la voilure tournante 10.
La figure 4 représente schématiquement un exemple de stabilisateur 111.
Les pales 11 sont ainsi maintenues sensiblement dans le même plan de rotation en étant déportées par rapport au moyeu 12, de sorte que leur vitesse soit plus grande en raison de l’augmentation du rayon. Cela permet d’augmenter la portance qui dépend directement de la vitesse. Autrement dit, pour une même vitesse angulaire, et donc une même puissance motrice, la voilure tournante 10 confère plus de portance qu’une voilure classique avec les pales directement fixées au moyeu.
Le moyeu 12, selon l’exemple de réalisation illustré, comporte plusieurs branches 121 s’étendant radialement et uniformément réparties autour de l’axe dudit moyeu, présentant ainsi une forme en étoile.
Chaque pale 11 est reliée à une branche 121 du moyeu 12 au moyen d’un lien souple 13 qui se tend entre une extrémité de ladite pale et une extrémité de ladite branche sous l’effet de la force centrifuge lors de la rotation du moyeu.
Bien entendu, le moyeu 12 peut présenter d’autres formes adaptées au maintien des pales 11 par l’intermédiaire des liens 13. Par exemple, le moyeu peut être discoïdal et comporter des points de raccordement uniformément répartis sur sa surface latérale pour recevoir les liens 13.
Les liens souples 13 sont par exemple des fils inextensibles aptes à résister aux contraintes de traction induites par le fonctionnement de la voilure tournante 10.
De préférence, les liens souples sont des fibres textiles ultrarésistantes telles que les fibres utilisées dans le domaine nautique pour confectionner des cordages.
Des élingues peuvent également être utilisées pour relier les pales 11 au moyeu 12.
De toute évidence, le nombre de pales 11 dans la voilure tournante 10 correspond au nombre de branches 121 du moyeu 12, et donc au nombre de liens souples 13 reliant lesdites pales auxdites branches.
Dans l’exemple de réalisation illustré, la voilure tournante 10 comporte huit pales 11, de sorte que les extrémités distales desdites pales, ou saumons, forment un octogone régulier lorsque la voilure tournante est en rotation stabilisée, comme représenté sur la figure 1.
Le nombre de pales 11 de la voilure tournante 10 détermine la surface portante de celle-ci. Afin d’augmenter cette surface portante, le nombre de pales et/ou leurs dimensions peuvent être augmentés.
Jusqu’à une certaine limite, l’augmentation du nombre de pales 11 sans augmentation de leur longueur, a pour effet d’augmenter, à charge alaire égale, la force de traction au niveau du moyeu 12, force permettant de soulever l’aéronef. Cela permet aussi, pour une même portance, de réduire la vitesse de rotation du rotor et donc la puissance nécessaire.
En outre, les pales 11 présentent un profil aérodynamique conventionnel, par exemple d’une famille NACA (National Advisory Committee for Aeronautics, prédécesseur de la NASA). Les familles NACA sont référencées dans de nombreuses bases de données techniques.
La voilure tournante 10 telle que décrite peut équiper différents types d’aéronefs. Son intégration ne constitue aucune difficulté particulière.
Lafigure 3représente un aéronef 100, de type drone, comportant deux voilures tournantes contrarotatives et coaxiales, une voilure supérieure 10a placée au-dessus d’un corps principal 20 d’aéronef et une voilure inférieure 10b placé au-dessous dudit corps. Selon l’exemple de réalisation illustré, l’aéronef 100 comporte en outre des panneaux solaires 30, d’un côté et de l’autre du corps principal 20, ainsi qu’une batterie électrique associée et un système de gestion de puissance pour assurer une alimentation en énergie électrique des systèmes de l’aéronef.
Un tel aéronef est par exemple un drone solaire destiné à voler en haute altitude, notamment au sein de la stratosphère pour opérer différentes missions comme l’observation de la Terre.
Il convient de noter que l’aéronef 100 peut comporter différents systèmes nécessaires à son fonctionnement tels qu’un groupe motopropulseur, une avionique comprenant l’ensemble des équipement électroniques requis (capteurs, calculateurs de bord, systèmes de communication, etc.), des batteries électriques, un système de gestion des panneaux solaires (orientation, déploiement, etc.), ainsi que d’autres servitudes bien connues de l’homme du métier, et notamment des systèmes adaptés de pilotage stabilisé et de navigation, tels qu’un système de commande d’attitude.
Les voilures tournantes 10a et 10b peuvent être commandées indépendamment l’une de l’autre pour permettre leur actionnement suivant des séquences bien définies. Par exemple, les séquences de décollage et d’atterrissage peuvent nécessiter la mise en marche/arrêt d’une voilure avant l’autre.
De façon avantageuse, lorsque les deux voilures contrarotatives 10a et 10b sont en rotation, la surface portante de l’aéronef est doublée, comme illustré sur lafigure 5, de même que la portance générée, à quelques pertes près générées par les interactions entre lesdites voilures.
En référence auxfigures 6 et 7, un aéronef 100 équipé d’au moins une voilure tournante 10 peut être assemblé à un autre aéronef 100 identique pour constituer un aéronef 200 étagé pouvant recevoir plus de charge utile.
Bien entendu, il n’est pas obligatoire d’utiliser les voilures tournantes selon l’invention par paire sur un aéronef dans une configuration contrarotative. Une seule voilure tournante selon l’invention peut par exemple remplacer le rotor principal sur un hélicoptère de configuration classique.
Pour plus de stabilité aérodynamique, et notamment de stabilité longitudinale des pales, la voilure tournante 10 peut comporter des liens souples supplémentaires 14 reliant les pales entre elles.
Lesfigures 8 et 9représentent une voilure tournante 10 dans laquelle les pales 11 sont reliées deux à deux par un lien supplémentaire 14. Ces liens supplémentaires souples 14 se tendent sous l’effet de la rotation de la voilure tournante 10 et présentent une longueur adaptée pour contraindre les pales 11 dans leur position d’équilibre, qui correspond à la forme octogonale régulière dans l’exemple de réalisation illustré.
Les liens supplémentaires 14 peuvent ne pas être souples et former un cerceau reliant les pales.
Il ressort clairement de la présente description que certains composants de la voilure tournante peuvent être modifiés et que certains ajustements peuvent être apportés aux aéronefs équipés de ladite voilure, sans pour autant sortir du cadre de l’invention défini par les revendications.
Claims (10)
- Dispositif de sustentation (10) de type voilure tournante, pour un aéronef (100) tel qu’un véhicule aérien sans pilote, comportant une pluralité de pales (11) fixées latéralement à un moyeu (12) apte à être couplé en rotation à un rotor de l’aéronef, ledit dispositif étant caractérisé en ce que chaque pale est reliée au moyeu par un lien souple (13) de sorte à être déportée par rapport à ce dernier, la rotation dudit moyeu entrainant une mise en tension des liens souples et un déploiement des pales.
- Dispositif de sustentation selon la revendication 1, dans lequel chaque pale (11) présente un profil aérodynamique conventionnel et comporte un stabilisateur (111) limitant l’instabilité longitudinale de ladite pale due à la rotation du dispositif.
- Dispositif de sustentation selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le moyeu (12) comporte une pluralité de branches (121) s’étendant radialement et présentant une répartition angulaire uniforme, chacune desdites branches étant reliée à une pale (11) par le biais d’un lien souple (13).
- Dispositif de sustentation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les liens souples (13) sont des fils.
- Dispositif de sustentation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les liens souples (13) sont des fibres textiles.
- Dispositif de sustentation selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant huit pales (11), les extrémités desdites pales formant un octogone régulier lorsque le dispositif est en rotation et à l’équilibre.
- Dispositif de sustentation selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant en outre des liens supplémentaires (14) reliant chacun deux pales (11) successives.
- Aéronef (100) caractérisé en ce qu’il comporte au moins un dispositif de sustentation (10) selon l’une des revendications 1 à 7.
- Aéronef (100, 200) selon la revendication 8, de type véhicule aérien sans pilote, comportant au moins une paire de dispositifs de sustentation (10a, 10b) contrarotatifs.
- Aéronef selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce qu’il est apte au vol stratosphérique et en ce qu’il comporte en outre des panneaux solaires (30), une batterie électrique et un module de gestion de puissance.
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|---|
| GB1051476A (fr) * | ||||
| US1350455A (en) * | 1919-06-14 | 1920-08-24 | Hewitt Peter Cooper | Helicopter |
| US4029435A (en) * | 1976-01-29 | 1977-06-14 | Barker Sidney L | Retractable blade for a helicopter rotor |
| US4593889A (en) * | 1983-03-18 | 1986-06-10 | Odobasic Steven Lazar | Laminated tubular link |
| CN102923302A (zh) * | 2012-11-12 | 2013-02-13 | 华南农业大学 | 一种直升机柔性连接旋转升力翼 |
-
2020
- 2020-09-21 FR FR2009537A patent/FR3114299B1/fr active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1051476A (fr) * | ||||
| US1350455A (en) * | 1919-06-14 | 1920-08-24 | Hewitt Peter Cooper | Helicopter |
| US4029435A (en) * | 1976-01-29 | 1977-06-14 | Barker Sidney L | Retractable blade for a helicopter rotor |
| US4593889A (en) * | 1983-03-18 | 1986-06-10 | Odobasic Steven Lazar | Laminated tubular link |
| CN102923302A (zh) * | 2012-11-12 | 2013-02-13 | 华南农业大学 | 一种直升机柔性连接旋转升力翼 |
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