FR3126533A1 - procédé d’entrainement à la panne d’une chaine de puissance d’un système propulsif hybride - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un procédé d’entrainement d’un pilote à une panne d’une chaine de puissance d’un système propulsif hybride pour aéronef comprenant n chaines de puissance reliées en parallèle sur une boîte de transmission (avec n≥2), dont une première et une deuxième chaines de puissance de natures hétérogènes. Il comprend, pendant un vol de l’aéronef, une simulation d’une panne de la première chaine de puissance et, de manière concomitante à la simulation, un contrôle de l’état des n chaines de puissance du système propulsif. En cas de détection d’une panne de l’une des n chaines de puissance, la simulation est arrêtée et la puissance instantanée délivrée par au moins l’une parmi la première et la deuxième chaine de puissance est augmentée, de sorte que la somme des puissances instantanées délivrées par les n chaines de puissance soit ≥ à une puissance instantanée totale minimum requise pour poursuivre le vol de l’aéronef. Figure pour l’abrégé : figure 1

Description

procédé d’entrainement à la panne d’une chaine de puissance d’un système propulsif hybride

La présente invention se rapporte à un procédé d’aide à l’entraînement des pilotes d’aéronefs à la panne d’une chaine propulsive parmi un ensemble d’au moins deux chaines propulsives parallèles redondantes d’un aéronef équipé d’un système propulsif hybride redondé.

Elle s’applique à des systèmes de propulsion et de sustentation d’aéronefs à voilure fixe ou tournante (hélicoptère), ou d’aéronefs à décollage et atterrissage verticaux (VTOL de l’anglais « Vertical Take-Off and Landing aircraft »).

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Les techniques de simulation de panne moteur pour l’entraînement des pilotes d’hélicoptère bimoteur (ou trimoteur) sont connues depuis plusieurs années.

On connait, entre autres, le principe de simulation de panne d’un moteur d’un hélicoptère multimoteur consistant à abaisser la puissance des deux moteurs (ou plus de deux) à un niveau correspondant à la puissance maximale d’urgence qu’un seul moteur (ou des moteurs restant disponibles après la panne de l’un d’entre eux) est capable de délivrer (méthode dite de simulation OEI/2 (de l’anglais « One Engine Inoperative »)).

On connait du document[1]une méthode de formation d'un pilote d'aéronef à répondre à la panne d'un ou plusieurs moteurs d'un aéronef multimoteur en vol. Le logiciel simule une panne de moteur en utilisant des limites de puissance de sortie imposées par logiciel sur le ou les moteurs pour lesquels une panne est simulée. Par exemple, dans le cas de deux moteurs, on crée un déséquilibre entre les deux moteurs en amenant le moteur simulé sain à sa puissance maximum continue en cas de panne d’un autre moteur (ou puissance OEIC pour « One Engine Inoperative Continuous » Power en anglais) et l’autre moteur simulé défectueux fournit le complément pour le rotor (niveau dit significativement plus bas).

On connait du document[2]un procédé et un système de simulation de conditions d'un moteur en panne (méthode OEI) dans un aéronef multimoteur qui implique le fonctionnement des moteurs au-dessus de réglages de puissance non nuls, et fonctionnant chacun par rapport à l'autre pour simuler la perte de puissance subie lors d'une panne réelle d'au moins un moteur. Plus particulièrement, on simule le trou de puissance transitoire subit par le pilote au moment d’une vraie panne moteur en limitant transitoirement la puissance délivrée par les deux moteurs en dessous de leur puissance maximale d’urgence.

On connaît également des architectures et procédés de gestion d’installation motrice hybride, composée d’un ou plusieurs moteurs principaux et d’un ou plusieurs moteurs secondaires destinés à pouvoir compenser une perte de puissance d’au moins un moteur principal. Les documents[ 3 ]et[ 4 ]font état de ces solutions.

Dans le cas de systèmes propulsifs hybrides, une solution simple et bien connue pour l’entraînement à la panne d’un moteur est de mettre ce même moteur au ralenti afin qu’il ne délivre quasiment plus aucune puissance au rotor. Le pilote peut alors s’entraîner au vol en n’ayant à disposition que la (ou les) chaine(s) de puissance restante(s), cette (ou ces) chaine(s) pouvant être réalisée(s) que par le (ou les) moteur(s) secondaire(s) de nature différente du moteur simulé en panne (par exemple, un (ou des) moteur(s) électrique(s)).

Un exemple représentatif et non limitatif d’un aéronef et de son système propulsif hybride peut consister en un hélicoptère muni d’un rotor principal et d’un rotor de queue, dit anti-couple.

L’hélicoptère est équipé d’une chaine de puissance principale ayant un moteur principal qui fournit de la puissance mécanique aux deux rotors par l’intermédiaire d’une boîte de transmission principale (BTP). Ce moteur principal peut par exemple être un turbomoteur d’hélicoptère ; ce moteur principal fournit l’essentiel de la puissance nécessaire au vol de l’hélicoptère.

L’hélicoptère est également équipé d’une chaine de puissance secondaire électrique, qui est constituée :
- d’un moteur électrique, qui fournit de la puissance mécanique aux deux rotors par l’intermédiaire d’une deuxième entrée sur la BTP ;
- d’une électronique de puissance et de contrôle, qui permet de moduler la puissance délivrée par le moteur électrique ;
- d’organes de distribution électrique ; et
- d’une source de puissance électrique pouvant être une batterie.

Cette chaine de puissance secondaire est essentiellement destinée à fournir un niveau de puissance minimum pour assurer un atterrissage sécurisé, mais rapide, de l’aéronef. La puissance maximum disponible par le moteur électrique est donc significativement inférieure à celle fournie par le moteur principal. Le domaine de vol et les manœuvres permises sont donc très limités.

En cas de panne d’au moins un moteur propulsif d’un aéronef, en particulier à voilure tournante, la puissance maximale disponible est inférieure à la puissance disponible en conditions normales de fonctionnement (sans panne). Le pilotage de l’aéronef est alors plus complexe et nécessite un apprentissage et un entraînement dédié des pilotes. Ces entraînements consistent, en général, à « simuler » la panne d’un moteur en vol et à demander au pilote de piloter l’aéronef et d’atterrir dans ces conditions dégradées.

L’évolution des technologies permet d’introduire des systèmes propulsifs hybrides, intégrant une ou plusieurs chaines de puissance d’une autre nature que le(s) moteur(s) principal(aux). On peut citer notamment des chaines électriques ou hydrauliques.

Ces chaines de puissance d’une autre nature que le(s) moteur(s) principal(aux) peuvent être dimensionnées pour pouvoir fournir une puissance maximale équivalente ou significativement inférieure au(x) moteur(s) principal(aux) ; elles peuvent avoir pour rôle essentiel de fournir une puissance « de secours » en cas de panne d’un moteur principal.

La particularité de ces systèmes hybrides (par rapport à des installations de plusieurs moteurs identiques) est que les régimes de puissance maximum et la dynamique de variation de la puissance peuvent être très différents des moteurs principaux. L’ergonomie de pilotage peut donc être très affectée lors des situations de panne réelle ou d’entraînement à la panne. Ces entraînements doivent donc être fidèles de ces différences de comportement pour être représentatifs des situations de panne réelles.

Enfin, l’inconvénient majeur de la technique d’entraînement à la panne moteur décrite précédemment (i.e. la mise au ralenti du moteur supposé en panne) est qu’en cas de panne réelle d’une des chaines de puissance restantes pendant l’entraînement, le temps de réactivation et de mise en puissance du moteur mis au ralenti est très long. La sécurité du vol peut donc être très dégradée pendant les quelques secondes qui suivent la panne d’une chaine propulsive.

Les motoristes de turbomoteurs ont élaboré l’écolage dit « CAA » (pour « Civil Aviation Authority » en anglais) pour résoudre le problème de la sécurité, mais parfois au détriment de la représentativité. Ce mode d’écolage est aussi connu sous le nom d’OEI/2, car les deux moteurs sont limités à la puissance OEI/2.

Pour résumer, l’invention vise à apporter une solution aux problèmes suivants :
- permettre l’entraînement des pilotes au vol avec une panne moteur (i.e. lorsqu’un des éléments d’une chaine propulsive ou de sustentation est simulé en panne) ;
- en assurant un niveau de sécurité élevé en maintenant le moteur simulé en panne sur un régime de fonctionnement lui offrant une réactivité suffisante en cas de panne réelle de la chaine propulsive simulée saine (en particulier, une panne réelle quelconque de la chaine propulsive pendant l’entrainement doit pouvoir être accommodée sans danger pour l’aéronef, ce qui implique une bonne réactivité des éléments de la chaine propulsive encore intègre après la panne réelle) ;
- sur un aéronef équipé d’un système propulsif hybride comprenant n chaines de puissance parallèles (n étant un nombre entier supérieur ou égal à 2) dont au moins une première et une deuxième chaines de puissance de natures hétérogènes, les première et deuxième chaines possédant de préférence des performances en puissance et/ou en dynamique très différentes ; en fait, l’ensemble des n chaines va être utilisé pour simuler la panne de la première chaine, en simulant la perte d’une quantité de puissance équivalente à la puissance maximale de la première chaine ; à titre d’exemple pour l’ordre de grandeur des première et deuxième chaines, en puissance, on peut avoir un niveau de puissance maximum de la deuxième chaine au moins 30% inférieur à celui de la première chaine et, en dynamique, une dynamique de la deuxième chaine au moins deux fois plus rapide que la première chaine ;
- sans solliciter exagérément chacun des éléments de la(les) chaine(s) de puissance restant active(s).

Pour ce faire, l’invention a pour objet un procédé d’entrainement d’un pilote à une panne d’une chaine de puissance d’un système propulsif hybride pour aéronef comprenant n chaines de puissance reliées en parallèle sur une boîte de transmission, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 2, dont une première et une deuxième chaines de puissance de natures hétérogènes, le procédé comprenant, pendant un vol de l’aéronef, une simulation d’une panne de la première chaine de puissance par la mise en œuvre des étapes suivantes :
- diminution de la puissance instantanée P_M1instdélivrée par la première chaine de puissance jusqu’à une puissance d’écolage P_{M1 E col}et maintien à cette puissance P_{M1 E col}jusqu’à la fin de la simulation, avec :
P_{M2ma x_OEI} > P_{M1 E col}> P_M1min
P_{M2ma x_OEI}étant la puissance maximale instantanée délivrable par la deuxième chaine de puissance hors mode école et P_M1minétant la puissance minimale instantanée délivrable par la première chaine de puissance ; et
- augmentation de la puissance instantanée P_M2instdélivrée par la deuxième chaine de puissance jusqu’à une puissance qui est inférieure ou égale à une puissance limite supérieure P_{M2lim _ E col}applicable à la deuxième chaine de puissance pendant le mode école, et régulation de la puissance P_M2instau cours de la simulation de sorte que la puissance totale instantanée P_{tot _ Ecol}délivrée par les première et deuxième chaines de puissance pendant le mode école soit inférieure ou égale à P_{M2max _OEI}, avec :
P_{tot _ Ecol}=P_{M1 E col}+P_M2inst
P_{tot _ Ecol}≤ P_{M2max _OEI}
P_M2inst≤ P_{M2lim _ E col} < P_{M2max_OEI}
P_{M2lim _E col}+ P_M1Ecol= P_{M2max_OEI}
P_{M2lim _E col}étant la puissance maximale délivrable par la deuxième chaine de puissance en mode école pour que P_{tot _ Ecol} ne dépasse pas P_{M2max _OEI};
le procédé comprenant en outre, de manière concomitante à la simulation, un contrôle de l’état des n chaines de puissance du système propulsif et, en cas de détection d’une panne de l’une des n chaines de puissance, arrêt de la simulation et augmentation de la puissance instantanée délivrée par au moins l’une parmi la première et la deuxième chaine de puissance, de sorte que la somme des puissances instantanées délivrées par les n chaines de puissance soit supérieure ou égale à P_{Rmin _OEI}, P_{Rmi n_OEI}étant une puissance instantanée totale minimum requise pour poursuivre le vol de l’aéronef.

Plus précisément, P_{Rmin_OEI}est la puissance minimale nécessaire pour poursuivre le vol en conditions de sécurité satisfaisantes ; cette puissance dépend uniquement des caractéristiques de l’aéronef et elle est indépendante du fait d’être en mode école, en vol nominal ou en cas de panne. À titre d’exemple, sur un hélicoptère bimoteur, cela correspond réglementairement à l’OEI30’’ (ou PSU pour « puissance de super urgence »), et sur un hélicoptère monomoteur, à 90% PMD (PMD pour « puissance maximale au décollage »).

On précise que, pour bien distinguer les limitations appliquées en mode école (c’est-à-dire pendant la simulation) de celles présentes hors mode école (par exemple en cas de vrai cas de panne), les indices « _Ecol » et « _OEI » ont respectivement été rajouté (par exemple P_M2limet P_{M2m in}pendant le mode école sont écrits P_{M2lim_Ecol}et P_{M2m in _Ecol}, et P_M2maxhors mode école est écrit P_{M2max_OEI}).

En outre, il est à noter que P_{M2max_OEI}et P_M2maxsont strictement identiques et font toutes les deux référence à la puissance maximum que peut délivrer la deuxième chaine de puissance en cas de panne réelle (c’est-à-dire hors mode école).

Par ailleurs, il est à noter que, dans le cadre de la présente invention, on parle indifféremment d’écolage ou de mode école.

Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants.

Avantageusement, la deuxième chaine de puissance est choisie parmi une chaine de puissance de type hydraulique ou électrique, et la première chaine de puissance est choisie parmi une chaine de puissance de type turbine à gaz.

Selon une variante de l’invention où la deuxième chaine de puissance est réversible, l’étape d’augmentation de la puissance instantanée P_{M2 inst}délivrée par la deuxième chaine de puissance peut être précédée d’une étape de prélèvement, par la deuxième chaine de puissance, d’une portion de la puissance instantanée P_M1délivrée par la première chaine de puissance à la boîte de transmission, moyennant quoi on obtient une chute plus rapide de la puissance totale instantanée P_{tot _ Ecol}délivrée par les première et deuxième chaines de puissance au cours de la simulation.

Selon une variante, l’étape de diminution de la puissance instantanée P_M1instdélivrée par la première chaine de puissance comporte une réduction transitoire de la puissance de la première chaine de puissance en dessous de P_{M1 E col}, suivie d’une augmentation de la puissance de la première chaine de puissance jusqu’à P_{M1 E col}.

Selon une variante, le déclenchement de l’étape d’augmentation de la puissance instantanée P_M2instdélivrée par la deuxième chaine de puissance est retardé et/ou l’augmentation de la puissance instantanée P_M2instdélivrée par la deuxième chaine de puissance est ralentie, moyennant quoi un trou de puissance transitoire est créé.

Selon une variante, la deuxième chaine de puissance étant réversible et P_{M1 E col}étant choisie supérieure ou égale à P_{Rmin _Ecol}(P_{Rmin_Ecol}étant la puissance instantanée totale minimum requise pour poursuivre le vol de l’aéronef en mode école), une étape de prélèvement d’une portion de la puissance délivrée par la première chaine de puissance à la boîte de transmission est réalisée, par la deuxième chaine de puissance, au moins une fois au cours de l’étape d’augmentation de la puissance délivrée par la deuxième chaine de puissance, la portion maximale prélevable P_{M2min _Ecol} étant une valeur négative et étant égale, en valeur absolue, à la puissance maximum que peut prélever la deuxième chaine de puissance de la boîte de transmission en mode école, avec P_M1Ecol+ P_{M2min _Ecol}≤ P_{Rmin_Ecol}. On précise qu’on choisit P_{M1 E col}≥ P_{Rmi n_Ecol}dans le but de maximiser la puissance de la première chaine de puissance pendant la phase d’entrainement à la panne (écolage), afin de pouvoir offrir le maximum de réactivité de la première chaine de puissance pour revenir à sa puissance maximale, en cas d’apparition d’une vraie panne de l’une des (n-1) autres chaines de puissance pendant cette phase d’entraînement ; en d’autres termes, les contraintes peuvent se résumer comme suit :
- pour respecter la puissance minimum :
P_M1Ecol+ P_{M2min_Ecol}= P_{Rmin_Ecol}
où P_{M2min_Ecol}est la puissance maximum (en valeur absolue) que peut prélever la deuxième chaine de puissance en mode école (sachant que P_{M2min_Ecol}peut être négative) ; et
- pour respecter la puissance maximum :
P_M1Ecol+ P_{M2lim_Ecol}= P_{M2max_OEI}
où P_{M2lim_Ecol}est la puissance maximum que peut délivrer la deuxième chaine de puissance en mode école pour que P_{tot_ Ecol}ne dépasse pas P_{M2max _OEI}.

Selon une variante, la puissance P_{M1 E col}de la première chaine de puissance et la limite de puissance de la deuxième chaine de puissance P_{M2 lim _ E col}sont adaptées en temps réel au cours de la simulation, de sorte qu’une moyenne de la puissance de la deuxième chaine de puissance au cours de la simulation soit égale à une puissance de référence P_M2réfchoisie pour garantir une marge de pilotage de l’aéronef, avec P_M2min< P_M2réf< P_{M2 lim _ E col}et P_{M2 lim _ E col}(t) + P_M1Ecol(t) = P_{M2max_OEI}

L’invention a également pour objet un dispositif d’entrainement d’un pilote à une panne d’une chaine de puissance d’un système propulsif hybride pour aéronef comprenant n chaines de puissance, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 2, dont une première et une deuxième chaines de puissance de natures hétérogènes et reliées en parallèle sur une boîte de transmission, le dispositif comprenant des moyens de commande configurés pour mettre en œuvre le procédé d’entrainement tel que défini selon l’invention.

Les moyens de commande peuvent inclure un système de régulation, qui va réguler les puissances respectives des première et deuxième chaines de puissance, ainsi qu’un système de contrôle, qui va contrôler les puissances respectives des n chaines de puissance.

Enfin, l’invention a pour objet un aéronef équipé d’un système propulsif hybride comprenant n chaines de puissance, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 2, dont une première et une deuxième chaines de puissance de natures hétérogènes et reliées en parallèle sur une boîte de transmission, et d’un dispositif d’entrainement tel que défini selon l’invention.

Le procédé selon l’invention permet d’entraîner les pilotes au vol dans des conditions dégradées simulant la panne d’une des chaines de puissance.

Le procédé selon l’invention permet de répartir la puissance délivrée par les au moins deux chaines de puissance propulsive de manière astucieuse, de façon à :
- limiter, pendant la simulation, la puissance totale délivrée aux deux chaines de puissance au niveau de la puissance maximale de la chaine de puissance qui est réputée saine ;
- maintenir la chaine de puissance qui est simulée en panne à un régime de fonctionnement suffisant pour qu’elle reste réactive, tout en la rendant « transparente » pour le pilote ;
- offrir un comportement et une dynamique de variation de la puissance délivrée à l’aéronef correspondant pleinement à celle de la chaine de puissance réputée saine ;
- détecter l’apparition d’une panne de la chaine de puissance réputée saine pendant l’entrainement, interrompre l’opération d’entraînement et réactiver très rapidement la chaine simulée en panne pour qu’elle fournisse la puissance nécessaire à la poursuite du vol dans des conditions de sécurité satisfaisantes.

D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

représente, de manière schématique, l’architecture d’un exemple de système propulsif hybride à deux chaines de puissance en parallèle et son système de régulation selon l’invention ;

représente un exemple de profils de puissance en cas de panne réelle d'une des chaines de puissance du système propulsif hybride de la ;

représente un exemple de profils de puissance en cas de panne simulée selon l’invention d’une des chaines de puissance du système propulsif hybride de la ;

représente un exemple des profils de perte de puissance en cas de panne simulée d’une chaine de puissance selon deux variantes de l’invention en comparaison d’une vraie panne ;

représente un exemple de profils de puissance d’une simulation de panne de la première chaine de puissance selon la variante 1 de l’invention ;

représente un exemple de profils de puissance d’une simulation de panne de la première chaine de puissance selon la variante 2 de l’invention ;

est une vue détaillée du système de régulation 5 de la , selon la variante 3 de l’invention ;

représente un exemple de profils de puissance d’une simulation de panne de la première chaine de puissance selon la variante 3 de l’invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Le système propulsif utilisé dans le cadre de l’invention est un système de génération et de fourniture de puissance propulsive qui est hybride et redondé. En d’autres termes, le système propulsif est hybride, car il comporte aux moins deux chaines de puissance de natures hétérogènes et il est redondé, car ces au moins deux chaines sont disposées en parallèle sur la boîte de transmission. Cela permet un atterrissage de l’aéronef dans des conditions de sécurité satisfaisantes en cas de panne partielle d’une des deux chaines de puissance. On entend ici par panne partielle une panne qui n’affecte qu’une des chaines propulsives en parallèle. Le système propulsif dans son ensemble est donc partiellement en panne puisqu’au moins une des chaines redondées est fonctionnelle.

Un exemple d’application caractéristique est un système propulsif hybride parallèle d’hélicoptère, composé d’un turbomoteur et d’une motorisation électrique entraînant, tous les deux, les rotors principaux et d’anti-couple.

Dans les exemples illustratifs qui vont suivre, l’invention va être appliquée à un système propulsif hybride composé de deux chaines indépendantes en parallèle (situation dite bimoteur), à savoir une première chaine de puissance avec un moteur de type turbine à gaz et une deuxième chaine de puissance avec un moteur électrique.

Dans la est représentée l’architecture d’un système propulsif hybride et de son système de régulation 5.

Dans le cas d’application particulier représenté dans la , le système propulsif hybride comporte deux chaines de puissance redondées, à savoir une chaine principale et une chaine secondaire, que nous appellerons respectivement première chaine de puissance 1 et deuxième chaine de puissance 2. Les deux chaines de puissance sont indépendantes et de natures différentes et elles sont redondantes (on dit également qu’elles sont en parallèle), c’est-à-dire qu’elles délivrent de la puissance mécanique au rotor 4 par l’intermédiaire d’une boite de transmission 3 qui adapte et somme les puissances des deux chaines.

Dans cet exemple de réalisation, la chaine principale 1 comporte un moteur thermique 10 pouvant être une turbine à gaz, cette chaine principale étant conçue pour fournir l’essentiel de la puissance nécessaire au vol de l’aéronef. La chaine secondaire 2 comporte un ou plusieurs moteurs électriques (ici, un seul moteur électrique 20), et permet de fournir une puissance complémentaire permettant essentiellement de poursuivre le vol, dans un domaine restreint, jusqu’à l’atterrissage en conditions de sécurité satisfaisantes. Cette chaine secondaire 2 a pour rôle principal de pouvoir palier à la panne de la chaine principale 1, tout en minimisant la masse supplémentaire embarquée. La puissance maximum qu’elle peut délivrer est inférieure ou égale à la puissance maximale de la chaine principale.

Dans la , N_R* est la consigne de vitesse de rotation du rotor 4 (également appelée hélice) ; N_M1(N_M2) est la mesure de vitesse du moteur de la première (deuxième) chaine de puissance ; C_M1(C_M2) est la mesure du couple délivré par le moteur de la première (deuxième) chaine de puissance ; P_M1* (P_M2*) est la commande de puissance du moteur de la première (deuxième) chaine de puissance.

Les données N_R*, N_M1, N_M2, C_M1, C_M2sont délivrées au système de régulation 5. Les données P_M1* et P_M2* sont respectivement délivrées au moteur thermique 10 de la première chaine de puissance 1 et au moteur électrique 20 de la deuxième chaine de puissance 2. Chacun des moteurs est relié par un arbre 6 à une boite de transmission principale 3, qui va transmettre la puissance du ou des moteurs au rotor. Chacun des arbres est muni d’un dispositif de mesure 7 permettant de mesurer la vitesse et le couple délivré par le moteur auquel il est rattaché.

Dans la est représentée la puissance totale courante délivrée au cours du temps au rotor de l’aéronef de la (courbe 3), en cas d’une panne réelle du moteur de la première chaine de puissance. Les courbes 1 et 2 représentent respectivement la puissance instantanée délivrée au cours du temps par la première et la deuxième chaine de puissance.

Lorsqu’il y a une panne du moteur de la première chaine de puissance (panne symbolisée par un éclair), la puissance délivrée par la première chaine de puissance chute rapidement jusqu’à l’arrêt complet. Pour pallier cette panne, la puissance de la deuxième chaine de puissance est augmentée jusqu’à sa puissance maximale P_M2max, que l’on peut noter P_{M2max_OEI}pour faire explicitement mention de la situation de panne réelle (hors mode école).

Dans la est représenté le cas d’une panne simulée du moteur 10. Comme dans la , les courbes 1, 2, 3 représentent respectivement la puissance instantanée délivrée par la première chaine de puissance, par la deuxième chaine de puissance et la puissance totale courante délivrée au cours du temps au rotor.

On part initialement d’un point de fonctionnement où la puissance totale courante est supérieure à la puissance maximum du moteur réputé sain pendant la phase de simulation. Dans cet exemple, il s’agit du moteur de la deuxième chaine de puissance et la puissance maximum est donc P_{M2max_OEI}. En effet, le but du mode école est de simuler une situation de vol où la puissance totale disponible est limitée par cette puissance maximum de la deuxième chaine de puissance P_{M2max_OEI}.

Lorsque le mode entraînement est sélectionné par le pilote et que la panne du moteur 10 est déclenchée, le système de régulation 5 réduit le plus rapidement possible la puissance délivrée par la première chaine de puissance, sans l’éteindre. Cette réduction de puissance rapide simule ainsi la perte de puissance disponible au rotor lorsque la première chaine de puissance tombe en panne.

Pour ce faire, le système de régulation fait décélérer le moteur 10 de la première chaine de puissance à son taux de décélération maximum atteignable sans éteindre la chambre de combustion. Ainsi, au lieu de réduire la puissance du moteur 10 jusqu’à l’arrêt complet, le système de régulation réduit la puissance du moteur 10 jusqu’à un niveau de puissance intermédiaire P_{M1 E col}et il le maintient ensuite constant jusqu’à la fin de l’opération d’entraînement à la panne. En d’autres termes, on a une phase transitoire de décélération (chute de puissance initiale) du moteur 10 au moment du déclenchement du mode école, puis on maintient ensuite le niveau de puissance à un niveau de puissance stabilisé P_M1Ecol, la phase transitoire de décélération du moteur 10 étant indépendante du niveau P_{M1 E col}auquel on va le maintenir ensuite.

Le choix de ce niveau de puissance P_{M1 E col}du moteur 10 constitue l’intérêt majeur de cette invention.

Ce niveau P_{M1 E col}est choisi, d’une part, suffisamment haut pour que le moteur 10 conserve une capacité d’accélération suffisante pour pouvoir revenir rapidement à sa puissance maximum dans le cas où le moteur 20 tomberait en panne pendant l’opération d’entraînement. Cela permet donc d’améliorer le niveau de sécurité pendant les phases d’entraînement. De façon générale, plus le niveau de puissance P_{M1 E col}est haut, plus le moteur 10 sera rapide à se réactiver en cas de besoin. L’objectif est donc de placer le niveau de puissance P_{M1 E col}le plus haut possible en respectant le niveau de puissance maximum du moteur 20 (P_{M2max_OEI}).

D’autre part, ce niveau P_{M1 E col}est également choisi pas trop haut pour que le moteur 10 n’influe pas sur le comportement du système propulsif ressenti par le pilote.

Pour rappel, les contraintes peuvent se résumer comme suit :
P_M1Ecol+ P_{M2min _ Ecol}= P_{tot_min_Ecol}= P_{Rmin _Eco l}, pour respecter la puissance minimum ; et
P_{M1 E col}+ P_{M2 lim _ Ecol}= P_{tot_max_Ecol}= P_{M2max_OEI}, pour respecter la puissance maximum.

De cette manière, la puissance du moteur 10 peut être maintenue constante. Les variations de puissance du rotor peuvent donc être entièrement réalisées par le moteur 20. Le comportement de pilotage est donc fidèle à ce que le pilote ressentirait avec la puissance délivrée entièrement par le moteur 20.

La représente une comparaison des profils de perte de puissance sur panne simulée et sur panne réelle, la courbe 1 représentant le profil d’une panne réelle du moteur 10, la courbe 2 représentant le profil de la décélération sur la limite dite « anti-extinction » du moteur 10 et la courbe 3 représentant le profil d’une panne simulée selon la variante 1 de l’invention. Comme illustré dans cette , la décélération sur la limite « anti-extinction » du moteur 10 (courbe 2) peut, selon les performances du moteur 10, être plus lente que la chute de puissance observée sur certains cas de panne (par exemple, dans le cas d’un serrage du moteur par perte de lubrification ou fermeture d’un clapet d’alimentation en carburant).

Variante 1 : u tilisation du moteur 2 en frein pendant le transitoire de panne

Dans la variante 1, on agit sur la phase transitoire initiale de chute de puissance au moment de l’entrée en mode école.

Comme nous venons de l’évoquer, une limitation possible de la simulation de panne moteur en commandant une décélération contrôlée du régime du moteur 10 est que cette décélération maximale accessible peut être significativement plus lente qu’une vraie perte de puissance liée à une vraie panne moteur.

Si la chaine de puissance 2 du moteur 20 est réversible, c’est-à-dire que le moteur 20 peut prélever de la puissance mécanique de la BTP (que ce soit en freinant la BTP pour recharger une batterie ou en dissipant la puissance électrique), le moteur 20 peut être utilisé pour faire chuter plus rapidement la puissance délivrée au rotor en prélevant de la puissance mécanique sur le moteur 10.

Comme illustré dans la , cette variante 1 consiste à commander transitoirement une puissance négative sur le moteur 20 (partie de la courbe désignée par le cercle 4), afin d’obtenir une chute de la puissance totale plus représentative du profil de puissance résultant d’un vrai cas de panne moteur.

Il est à noter qu’il n’est pas fait mention ici d’une simulation de trou de puissance transitoire, comme cela peut être le cas dans les documents décrivant une méthode de simulation à la panne OEI en bimoteur (voir, par exemple, le document[2]). Cette simulation de trou de puissance transitoire peut ne pas être nécessaire dans le cas d’un système propulsif hybride électrique, car le moteur 20 (électrique) offre une réactivité bien supérieure à une turbine à gaz. Cette réactivité intrinsèque à la technologie électrique peut donc permettre de compenser très rapidement la perte de puissance du moteur 10 et donc de supprimer, ou au moins grandement atténuer, le trou de puissance transitoire suite à la panne. Toutefois, la présente invention peut également simuler ce trou de puissance transitoire, sans limitation. Cela peut être réalisé de trois manières, qui peuvent potentiellement être combinées :
- le système de régulation peut réduire transitoirement la puissance du moteur 10 en dessous de P_{M1E col}, avant de revenir à ce niveau ;
- le système de régulation peut aussi retarder et/ou ralentir la mise en puissance du moteur 20, afin que la somme des puissances des deux moteurs soit transitoirement inférieure à la puissance maximum que peut délivrer la deuxième chaine de puissance (notée P_M2max) ou à la puissance requise par l’aéronef P_{Rmin _Ecol};
- selon la variante 1 proposée ci-dessus, un niveau de puissance négatif peut transitoirement être commandé sur le moteur 20, afin qu’il prélève de la puissance sur la BTP. En jouant sur la durée du prélèvement de puissance, on peut simuler un trou de puissance transitoire plus ou moins long avant de revenir à la puissance maximale.

Par ailleurs, le compromis entre la réactivité du moteur 10 et la puissance minimum requise P_{Rmin _Ecol}pour la suite du vol peut être difficile à réaliser.

Deux variantes de l’invention, décrites plus bas (ci-après appelées variante 2 et variante 3), permettent de faciliter ce compromis en permettant de choisir un niveau P_{M1 E col}au-dessus de la puissance minimum requise pour la suite du vol P_{Rmin _Ecol}.

Le système de régulation 5 maintient le moteur 10 à la puissance P_{M1E col}constante et adapte en permanence la puissance du moteur 20 au niveau requis pour maintenir la vitesse de rotation du rotor à la vitesse désirée.

Le système de régulation 5 limite également la puissance du moteur 20 au niveau P_{M2lim _E col}afin que la puissance totale délivrée par les deux moteurs ne dépasse pas la puissance maximale P_{M2max_OEI}du moteur 20. La butée P_{M2lim _E col}est donc calculée comme suit :

Le moteur 20 travaille donc ainsi à un niveau de puissance moyen bien inférieure à sa puissance maximum, sans que cela soit perceptible par le pilote. Cela a aussi l’avantage de consommer une quantité d’énergie électrique bien moins importante, ce qui peut être intéressant lorsque l’énergie électrique est fournie par une batterie dont la quantité d’énergie disponible est forcément limitée.

Pendant toute la durée de l’entraînement, les paramètres moteurs renvoyés par le système de régulation pour l’affichage pilote sont « truqués » pour qu’ils soient représentatifs de ce qui serait affiché lors d’une vraie situation de panne. Ainsi, la vitesse, le couple ou la puissance du moteur 10 est indiqué à zéro pour représenter son état de panne simulée, alors que ce même moteur délivre effectivement un niveau de puissance significatif. A l’inverse, les paramètres équivalents du moteur 20 sont indiqués aux niveaux où ils seraient si ce moteur était le seul à fournir la puissance au rotor.

Toujours pendant toute la durée de l’entraînement, le système de régulation surveille en permanence le fonctionnement des deux moteurs. Ainsi, en cas de panne réelle détectée sur l’un ou l’autre moteur, le système de régulation interrompt immédiatement la procédure d’entraînement et de simulation de panne et réactive instantanément le moteur ne présentant pas de panne, afin qu’il délivre toute la puissance nécessaire à la poursuite du vol.

Variante 2 : u tilisation du moteur 2 en frein au cours de la suite du vol d’entraînement

Dans la variante 2, on agit sur le niveau moyen de puissance délivré par le moteur 1 pendant la suite du mode école.

Comme évoqué ci-dessus, le compromis entre la puissance nécessaire pour maintenir une bonne réactivité du moteur 1 et le niveau de puissance minimum nécessaire pour la suite du vol d’entraînement peut être très difficile à satisfaire.

Pour faciliter ce compromis, une variante de l’invention consiste à utiliser le moteur 2 de façon réversible pour pouvoir augmenter la puissance P_{M1 E col}du moteur 1. Cette solution ne peut être réalisée que si le moteur 2 peut prélever de la puissance mécanique sur la BTP et que la chaine de puissance du moteur 2 est réversible, soit en rechargeant un organe de stockage (par exemple, une batterie), soit en dissipant instantanément cette puissance (par exemple à travers des résistances électriques de puissance).

Selon cette variante 2, le système de régulation commande un niveau de puissance P_{M1 E co l}supérieur à ce qui serait commandé selon l’invention de base. La puissance P_{M1E col}délivrée par le moteur 10 pendant qu’il est simulé en panne est, dans cette variante 2, supérieure à la puissance minimum du vol P_{Rmin _Ecol}. Pour maintenir la vitesse de rotation du rotor au niveau désiré lorsque P_{Rmin _Ecol}(t) < P_{M1E col}, le système de régulation commande une puissance négative sur le moteur 20. La somme des puissances des deux moteurs est ainsi maintenue au niveau du besoin rotor.

Dans cette variante 2, le choix de la puissance P_{M1 E col}constante est toujours soumis à deux contraintes :
- elle doit toujours être le plus haut possible pour améliorer la réactivité du moteur 10 en cas de panne du moteur 20 pendant l’entraînement ;
- elle ne peut pas dépasser la puissance minimum du moteur 20, P_M2min:

Cette puissance minimum P_M2minest ici négative et correspond (en valeur absolue) à la puissance maximum que peut prélever le moteur 20 de la BTP. Cette puissance minimum P_M2minn’est pas forcément égale (au signe près) à la puissance maximum P_{M2max_OEI}, et peut dépendre de la capacité de la chaine de puissance du moteur 20 à absorber la puissance regénérée par ce moteur. Dans le cas d’une chaine électrique, il peut s’agir de la puissance de recharge maximum de la batterie, ou de la puissance maximum dissipable par les « résistances de freinage ». Dans le cas où seule une batterie permet d’absorber la puissance prélevée par le moteur 20, la puissance minimum P_M2minpeut aussi être contrainte par des considérations énergétiques. En effet, il faut, à tout instant du vol d’entrainement, que l’énergie régénérée par le moteur 20 ne dépasse pas la capacité maximum de la batterie.

Variante 3 : a daptation en temps réel de P _{M1 E col} pour supprimer le compromis sécurité/représentativité pour le choix de la constante P _{M1 E col}

Dans la variante 3, on agit sur le niveau moyen de puissance délivré par le moteur 1 pendant la suite du mode école.

Il a été expliqué ci-dessus que, lors d’un entrainement, P_{M1E col}doit être le plus haut possible dans le but de :
- garantir la sécurité du vol en cas de panne réelle du moteur 20 en gardant en mémoire que :
la perte de puissance due à la panne réelle du moteur 20 sera d’autant plus faible que le moteur 20 travaille à faible puissance (et donc que le moteur 10 travaille à forte puissance) ;
la réactivité du moteur 1 sera d’autant plus rapide que le moteur 10 travaille à forte puissance (cas des turbines à gaz uniquement) ;
- permettre au moteur 20 de travailler à faible puissance et préserver ainsi sa source d’énergie (particulièrement intéressant si c’est une batterie, pour permettre des séances d’entrainement à la panne du moteur 10 répétées sans recharge batterie).

D’autre part, il a été expliqué aussi que P_{M1E col}doit être assez bas pour que le moteur 20 puisse compenser les baisses de puissance requises par le rotor tout en respectant P_{M2 inst} >P_M2min(avec P_M2min=0 si la chaine de puissance du moteur 20 n’est pas réversible et P_M2min< 0 si la chaine de puissance du moteur 20 est réversible) afin d’assurer une bonne représentativité du comportement dynamique de la chaine propulsive.

Dans la pratique, le compromis visant à définir la constante P_{M1 E col}ci-dessus peut être difficile à trouver (voire impossible).

Dans la variante 3, il est proposé d’adapter en temps réel le régime P_{M1 E col}au cours du temps, afin de faire travailler le moteur 20 autour d’une puissance juste nécessaire (marge de pilotage) P_{M2_réf(t)}, afin d’assurer une bonne représentativité du comportement dynamique de la chaine propulsive. Un exemple d’adaptation en temps réel du P_{M1 E col}est donné dans les figures suivantes (figures 7 et 8).

Dans la , on a détaillé un mode de réalisation particulier de la variante 3 dans le système de régulation.

Le caractère « lent » de l’adaptation en temps réel de la puissance P_{M1E col}permet au moteur 20 (plus rapide) de parfaitement compenser la puissance additionnelle apportée au rotor et ainsi de rendre les variations de la puissance du moteur 10 transparentes pour le pilote.

Il va de soi que dans le cas de la variante 3, il faut aussi adapter en temps réel la limite de puissance du moteur P_{M2lim _E col}afin que la puissance totale fournie par les deux moteurs ne dépasse jamais la puissance maximum du moteur 20 :
P_{M2lim _E col}(t) = P_{M2max_OEI}- P_M1Ecol(t)
Pour adapter le régime P_{M1 E col}de la turbine à gaz (turbomoteur) en temps réel, cette adaptation peut être réalisée en se basant, par exemple, sur un ou plusieurs des éléments listés ci-dessous :
- la commande de pas collectif de l’aéronef ;
- l’information d’anticipation de puissance venant de l’aéronef ;
- la puissance délivrée par le moteur 20, moyennée sur une certaine durée ;
- toute autre information permettant d’estimer le niveau moyen de besoin en puissance du rotor.

A titre d’exemple, on peut avoir :
P_M1Ecol(t) = Filtre Passe Bas (P_{H é lico}(t) – P_{M2r é f})
où P_{M2r é f}est une valeur constante et où la puissance en temps réel de l’hélicoptère (P_{H é lico}(t)) est égal à, par exemple :
- P_{M1 inst}(t) + P_{M2 inst}(t), où P_{M1 inst}(t) est la puissance délivrée en temps réel par la première chaine de puissance et P_{M2 inst}(t) est la puissance délivrée en temps réel par la deuxième chaine de puissance ; ou
- une puissance estimée de type pas collectif ; ou
- une puissance estimée par l’avionique ; etc.

On aura donc en moyenne :
- P_M1Ecol(t) = P_{M1 inst}(t)
- P_{M2 inst}(t) = P_{M2r é f}, P_M2réfétant la marge au pilotage désirée.

On précise que la dynamique du filtre Passe Bas doit être plus lente que la dynamique possible de la première chaine de puissance.

Les exemples illustratifs décrits ci-dessus sont basés sur un système propulsif hybride bimoteur. L’invention peut toutefois couvrir n’importe quelle application multimoteur où l’entraînement du pilote consiste à simuler la panne d’un moteur parmi plusieurs. On peut citer, par exemple, une architecture avec trois moteurs en parallèle, dont un ou deux de ces trois moteurs sont électriques.

De plus, les exemples illustratifs décrits ci-dessus présentent une situation d’entraînement d’un pilote à une panne d’un moteur ne délivrant plus de puissance (panne totale d’un moteur), car il s’agit en général de la situation la plus exigeante en termes de pilotage et la plus contraignante en termes de simulation. L’invention peut toutefois couvrir toutes situations de panne partielle d’un moteur où celui-ci continue de délivrer un certain niveau de puissance avec des performances plus ou moins dégradées. Par exemple, on peut citer le cas d’une panne totale de la régulation de puissance, dite « gèle », où le moteur simulé en panne est figé à un niveau de puissance constant sur un point du domaine de vol.

Références citées

[1]US 6,917,908 B2

[2]US 8,025,503 B2

[ 3 ]EP 2 724 939 B1

[ 4 ]EP 2 886 456 A1

Claims (9)

1. Procédé d’entrainement d’un pilote à une panne d’une chaine de puissance d’un système propulsif hybride pour aéronef comprenant n chaines de puissance reliées en parallèle sur une boîte de transmission, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 2, dont une première et une deuxième chaines de puissance de natures hétérogènes, le procédé comprenant, pendant un vol de l’aéronef, une simulation d’une panne de la première chaine de puissance par la mise en œuvre des étapes suivantes :
   - diminution de la puissance instantanée P_M1instdélivrée par la première chaine de puissance jusqu’à une puissance d’écolage P_M1Ecolet maintien à cette puissance P_M1Ecoljusqu’à la fin de la simulation, avec :
   P_{M2max_OEI}> P_M1Ecol> P_M1min
   P_{M2max_OEI}étant la puissance maximale instantanée délivrable par la deuxième chaine de puissance hors mode école et P_M1minétant la puissance minimale instantanée délivrable par la première chaine de puissance ; et
   - augmentation de la puissance instantanée P_M2instdélivrée par la deuxième chaine de puissance jusqu’à une puissance qui est inférieure ou égale à une puissance limite supérieure P_{M2lim_Ecol}applicable à la deuxième chaine de puissance pendant le mode école, et régulation de la puissance P_M2instau cours de la simulation de sorte que la puissance totale instantanée P_{tot_ Ecol}délivrée par les première et deuxième chaines de puissance pendant le mode école soit inférieure ou égale à P_{M2max_OEI}, avec :
   P_{tot_ Ecol}=P_M1Ecol+P_M2inst
   P_{tot_ Ecol}≤ P_{M2max_OEI}
   P_M2inst≤ P_{M2lim_Ecol}< P_{M2max_OEI}
   P_{M2lim_Ecol}+ P_M1Ecol= P_{M2max_OEI}
   P_{M2lim_Ecol}étant la puissance maximale délivrable par la deuxième chaine de puissance en mode école pour que P_{tot_ Ecol}ne dépasse pas P_{M2max _OEI};
   le procédé comprenant en outre, de manière concomitante à la simulation, un contrôle de l’état des n chaines de puissance du système propulsif et, en cas de détection d’une panne de l’une des n chaines de puissance, arrêt de la simulation et augmentation de la puissance instantanée délivrée par au moins l’une parmi la première et la deuxième chaine de puissance, de sorte que la somme des puissances instantanées délivrées par les n chaines de puissance soit supérieure ou égale à P_{Rmin_OEI}, P_{Rmin_OEI}étant une puissance instantanée totale minimum requise pour poursuivre le vol de l’aéronef.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la deuxième chaine de puissance est choisie parmi une chaine de puissance de type hydraulique ou électrique, et la première chaine de puissance est choisie parmi une chaine de puissance de type turbine à gaz.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, la deuxième chaine de puissance étant réversible, l’étape d’augmentation de la puissance instantanée P_M2instdélivrée par la deuxième chaine de puissance est précédée d’une étape de prélèvement, par la deuxième chaine de puissance, d’une portion de la puissance instantanée P_M1délivrée par la première chaine de puissance à la boîte de transmission, moyennant quoi on obtient une chute plus rapide de la puissance totale instantanée P_{tot_ Ecol}délivrée par les première et deuxième chaines de puissance au cours de la simulation.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’étape de diminution de la puissance instantanée P_M1instdélivrée par la première chaine de puissance comporte une réduction transitoire de la puissance de la première chaine de puissance en dessous de P_M1Ecol, suivie d’une augmentation de la puissance de la première chaine de puissance jusqu’à P_M1Ecol.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le déclenchement de l’étape d’augmentation de la puissance instantanée P_M2instdélivrée par la deuxième chaine de puissance est retardé et/ou l’augmentation de la puissance instantanée P_M2instdélivrée par la deuxième chaine de puissance est ralentie, moyennant quoi un trou de puissance transitoire est créé.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel, la deuxième chaine de puissance étant réversible et P_M1Ecolétant choisie supérieure ou égale à P_{Rmin_Ecol}(P_{Rmin_Ecol}étant la puissance instantanée totale minimum requise pour poursuivre le vol de l’aéronef en mode école), une étape de prélèvement d’une portion de la puissance délivrée par la première chaine de puissance à la boîte de transmission est réalisée, par la deuxième chaine de puissance, au moins une fois au cours de l’étape d’augmentation de la puissance délivrée par la deuxième chaine de puissance, la portion maximale prélevable P_{M2min_Ecol}étant une valeur négative et étant égale, en valeur absolue, à la puissance maximum que peut prélever la deuxième chaine de puissance de la boîte de transmission en mode école, avec P_M1Ecol+ P_{M2min_Ecol}≤ P_{Rmin_Ecol}.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la puissance P_M1Ecolde la première chaine de puissance et la limite de puissance de la deuxième chaine de puissance P_{M2lim_Ecol}sont adaptées en temps réel au cours de la simulation, de sorte qu’une moyenne de la puissance de la deuxième chaine de puissance au cours de la simulation soit égale à une puissance de référence P_M2réfchoisie pour garantir une marge de pilotage de l’aéronef, avec P_M2min< P_M2réf< P_{M2lim_Ecol}et P_{M2lim_Ecol}(t) + P_M1Ecol(t) = P_{M2max_OEI}
8. Dispositif d’entrainement d’un pilote à une panne d’une chaine de puissance d’un système propulsif hybride pour aéronef comprenant n chaines de puissance, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 2, dont une première et une deuxième chaines de puissance de natures hétérogènes et reliées en parallèle sur une boîte de transmission, le dispositif comprenant des moyens de commande configurés pour mettre en œuvre un procédé d’entrainement selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.
9. Aéronef équipé d’un système propulsif hybride comprenant n chaines de puissance, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 2, dont une première et une deuxième chaines de puissance de natures hétérogènes et reliées en parallèle sur une boîte de transmission, et d’un dispositif d’entrainement selon la revendication 8.