FR3128200A1 - Dispositif volant hybride - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un dispositif volant comportant un corps principal sur lequel est fixé un moteur à combustion (MC) et un moteur électrique (ME), un générateur électrique (GE) et un circuit de transfert d’énergie électrique (300). Les moteurs à combustion (MC) et électrique (ME) sont agencés pour créer des vecteurs de poussée et sont placés de part et d’autre du corps principal afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté d’un plan de séparation dudit corps. Le générateur électrique (GE) est couplé mécaniquement au moteur à combustion (MC) afin d’être entrainé par ce dernier. Le circuit de transfert d’énergie électrique (300) est connecté entre le générateur électrique (GE) et le moteur électrique (ME), le circuit de transfert d’énergie (300) étant configuré pour créer une résistance mécanique ralentissant le moteur à combustion (MC) et pour produire de l’énergie électrique afin d’alimenter le moteur électrique (ME). Figure pour l’abrégé : Fig.3

Description

Dispositif volant hybride
La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs volants hybrides permettant de soulever et transporter une charge utile, cette dernière pouvant se matérialiser par un passager et/ou une marchandise. L’invention concerne notamment un dispositif à décollage et atterrissage verticaux combinant au moins un moteur à combustion et au moins un moteur électrique.
Arrière-Plan Technologique
Se déplacer aussi librement que possible dans l’espace est une préoccupation constante pour l’Homme, voire un rêve quasi-inaccessible pour certains. De nombreuses machines ont été élaborées, de la plus sommaire à la plus sophistiquée. Parmi ces machines, il existe des dispositifs volants à atterrissage et décollage verticaux présentant l’avantage de nécessiter une surface de décollage ou d’atterrisage de taille réduite.
Les hélicoptères sont les appareils à décollage et atterrissage verticaux les plus utilisés. Un hélicoptère utilise au moins un moteur à combustion relié à un rotor à pas variable qui permet d’incliner l’hélicoptère et ainsi de diriger la poussée verticale du moteur vers l’arrière, l’avant ou sur l’un des côtés. Il est également connu d’avoir des avions dont les moteurs peuvent s’incliner afin de pouvoir fournir une poussée verticale ou horizontale. Ces appareils sont relativement complexes à fabriquer et à manœuvrer et ne peuvent pas se généraliser pour de la mobilité urbaine.
Il existe également des drones disposant d’un corps muni de 2 à 12 bras répartis autour dudit corps. Chaque bras est muni d’un moteur électrique et fournit une poussée verticale. Les moteurs étant répartis tout autour du corps, un contrôle de la poussée de chaque moteur permet d’incliner le corps du drone et de contrôler la direction dudit drone. Ces drones sont très faciles à manier en jouant sur la poussée exercée par chaque moteur mais nécessitent l’emport d’une batterie. La batterie est généralement dimensionnée en fonction du poids du drone, de sa charge utile et de l’autonomie souhaitée. L’utilisation de tels drones avec des charges utiles importantes nécessite l’utilisation de batterie de taille importante qui rajoute un poids considérable au drone, voire supérieur à sa charge utile, notamment si l’on souhaite avoir une autonomie de plusieurs dizaines de kilomètres. L’usage de ce type de drone est limité à une charge utile de l’ordre de 10 kilogrammes avec une autonomie de l’ordre de 10 kilomètres.
Les moteurs à combustion sont connus pour utiliser un carburant liquide, solide ou gazeux dont le poids est considérablement plus faible que celui d’une batterie pour produire une même quantité d’énergie. L’utilisation de moteur à combustion sur une architecture de dispositif volant à atterrissage et décollage verticaux présente un intérêt pour de la mobilité de charge lourde ou de personne en zone urbaine et/ou sur de longue distance. Cependant, les moteurs à combustion présentent tous une inertie importante pour changer de régime moteur afin d’augmenter ou de diminuer une poussée. Ainsi, l’utilisation de moteurs à combustion sur dispositif volant de type drone fait perdre de la maniabilité par rapport aux moteurs électriques.
Il est également connu d’utiliser des moteurs électriques et des moteurs à combustion de manière conjointe pour pouvoir bénéficier de la souplesse d’utilisation des moteurs électriques. A titre d’exemple, le document WO 2017/174942 A1 divulgue un dispositif volant combinant des moteurs à combustion pour assurer la portance et le déplacement du dispositif volant et des moteurs électriques placés à l’avant et à l’arrière pour contrôler l’assiette du dispositif volant. Néanmoins, une batterie doit être dimensionnée pour pouvoir effectuer toutes les manœuvres en vol avec un minimum de sécurité, ce qui entraine un surdimensionnement de la batterie et donc un surpoids qui va augmenter la consommation de carburant des moteurs à combustion.
Ainsi, pour faire face à la révolution en cours sur la mobilité aérienne urbaine et aux applications en matière de déplacement de passager ou de marchandise demandant une autonomie de plusieurs dizaines de kilomètres, notamment pour des déplacements intercités, de tels dispositifs volants, à flux d’air hybride, nécessitent des perfectionnements. Il est important de parvenir à maitriser les flux d’énergie afin d’optimiser les besoins sans avoir à ajouter des moyens de stockage d’énergie électrique pouvant alourdir et complexifier ledit dispositif volant.
À ce titre, l’invention propose d’améliorer et/ou d’optimiser la gestion énergétique d’un dispositif volant, notamment à propulsion verticale, agencé pour véhiculer dans les airs une charge utile importante sur une longue distance. Ainsi, la présente invention vise à remédier aux inconvénients précités, notamment en proposant un dispositif de propulsion combinant au moins un moteur à combustion avec au moins un moteur électrique afin de bénéficier de la souplesse d’un moteur électrique sans avoir recours à une batterie de taille importante.
À cette fin, l’invention propose un dispositif volant comportant un corps principal sur lequel est fixé un premier moteur à combustion et un premier moteur électrique, lesdits premiers moteurs à combustion et électrique étant agencés pour créer des vecteurs de poussée selon une direction de poussée et étant placés de part et d’autre du corps principal afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté d’un plan de séparation passant par un centre de gravité dudit corps. Le dispositif volant comporte en outre un premier générateur électrique et un premier circuit de transfert d’énergie. Le premier générateur électrique est couplé mécaniquement au premier moteur à combustion afin d’être entrainé par ce dernier. Le premier circuit de transfert d’énergie électrique est connecté entre le premier générateur électrique et le premier moteur électrique, le premier circuit de transfert d’énergie étant configuré pour créer une résistance mécanique ralentissant le premier moteur à combustion et pour produire de l’énergie électrique afin d’alimenter le premier moteur électrique.
L’alimentation du moteur électrique étant ainsi réalisée directement par un moteur à combustion, il n’est pas nécessaire de prévoir de batterie pour l’alimentation. En outre, le moteur électrique est alimenté par un générateur qui agit comme un frein sur le moteur à combustion tout en étant placé sur un côté opposé du corps du dispositif volant, ce qui permet d’augmenter la réactivité du moteur à combustion en le freinant tout en permettant une accélération du moteur électrique sur le côté opposé. Une telle combinaison permet d’augmenter la vitesse de changement d’assiette du dispositif volant et donc d’augmenter sa réactivité et sa manœuvrabilité.
Préférentiellement, le premier circuit de transfert peut comporter un premier convertisseur d’énergie contrôlé pour appliquer une impédance de charge sur le premier générateur et fournir l’énergie récupérée par l’impédance de charge sur une sortie à destination du premier moteur électrique.
Selon une mode de réalisation, le premier circuit de transfert peut comporter un deuxième convertisseur d’énergie disposant d’une entrée d’énergie connectée à la sortie d’énergie du premier convertisseur d’énergie et au premier moteur électrique, ledit deuxième convertisseur transformant l’énergie reçue à son entrée en signaux de commande du premier moteur électrique.
Pour compenser une différence entre un courant provenant du premier générateur et à fournir au premier moteur électrique, le premier circuit de transfert peut également comporter un élément de stockage d’énergie électrique. L’élément de stockage d’énergie électrique est par exemple connecté entre la sortie d’énergie du premier convertisseur d’énergie et la masse pour absorber un surplus d’énergie non utilisée par le deuxième convertisseur d’énergie et pour restituer cette énergie si l’énergie fournie par ledit premier convertisseur n’est pas suffisante pour alimenter ledit deuxième convertisseur.
Selon une première amélioration, le dispositif volant peut comporter un deuxième moteur à combustion, un deuxième moteur électrique, un deuxième générateur électrique et un deuxième circuit de transfert d’énergie électrique. Lesdits deuxièmes moteurs à combustion et électrique créent des vecteurs de poussée selon la direction de poussée et sont fixés de part et d’autre du corps principal afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté du plan de séparation passant par le centre de gravité dudit corps, le deuxième moteur à combustion étant placé du même côté du plan de séparation que le premier moteur électrique et le deuxième moteur électrique étant placé du même côté du plan de séparation que le premier moteur à combustion. Le deuxième générateur électrique est couplé mécaniquement au deuxième moteur à combustion afin d’être entrainé par ce dernier. Le deuxième circuit de transfert d’énergie électrique est connecté entre le deuxième générateur électrique et le deuxième moteur électrique ledit deuxième circuit de transfert étant constitué à l’identique du premier circuit de transfert.
Préférentiellement, les éléments de stockage peuvent être des condensateurs de forte capacité.
Pour assurer une optimisation de la gestion électrique, le dispositif volant peut comporter une batterie rechargeable connectée en parallèle sur les éléments de stockage des premier et deuxième circuits de transfert pour récupérer un excédent de charge desdits éléments de stockage.
Également, les premiers convertisseurs d’énergie peuvent être bidirectionnels et peuvent alimenter les premier et deuxième générateurs pour servir de démarreurs aux premier et deuxième moteurs à combustion. La batterie peut alimenter lesdits générateurs pour démarrer lesdits premier et deuxième moteurs.
Pour amplifier la poussée de basculement des moteurs électrique, le premier et/ou deuxième moteurs électriques peuvent être positionnés respectivement à des distances plus importantes du centre de gravité du corps principal dudit dispositif que les premier et/ou deuxième moteurs à combustion.
Selon un exemple particulier de réalisation, les vecteurs de poussé des premiers et deuxièmes moteurs à combustion et électriques peuvent compris dans un premier plan de poussée. Le dispositif volant peut en outre comporter un troisième moteur à combustion, un troisième moteur électrique, un quatrième moteur à combustion, un quatrième moteur électrique, des troisième et quatrième générateurs électriques, et des troisième et quatrième circuits de transfert d’énergie électrique. Lesdits troisièmes moteurs à combustion et électrique peuvent créer des vecteurs de poussée selon la direction de poussée et peuvent être fixés de part et d’autre du corps principal afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté du plan de séparation passant par le centre de gravité dudit corps. Lesdits quatrièmes moteurs à combustion et électrique peuvent créer des vecteurs de poussée selon la direction de poussée et peuvent être fixés de part et d’autre du corps principal afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté du plan de séparation passant par le centre de gravité dudit corps. Le quatrième moteur à combustion est par exemple placé du même côté du plan de séparation que le troisième moteur électrique et le quatrième moteur électrique est par exemple placé du même côté du plan de séparation que le troisième moteur à combustion. Les troisième et quatrième générateurs électriques peuvent être couplés mécaniquement et respectivement aux troisième et quatrième moteurs à combustion afin d’être entrainés par ces derniers. Les troisième et quatrième circuits de transfert d’énergie électrique peuvent être connectés respectivement entre les troisième et quatrième générateurs électriques et les troisième et quatrième moteurs électriques, lesdits troisième et quatrième circuits de transfert étant constitués à l’identique du premier circuit de transfert. Les vecteurs de poussée des troisièmes et quatrièmes moteurs à combustion et électriques peuvent être compris dans un deuxième plan de poussée sécant au premier plan de poussée sur un axe de croisement parallèle à la direction de poussée.
Préférentiellement, l’axe de croisement peut passer par le centre de gravité du dispositif volant.
Dans un mode de réalisation particulier, les premiers à quatrième moteurs à combustion et électriques peuvent être fixés au corps principal par l’intermédiaire de quatre bras de supports positionnés au-dessus du centre de gravité dudit corps et pouvant être agencés pour soutenir les premiers à quatrièmes moteurs à combustion et électriques, et intégrer les éléments de stockage d’énergie électrique.
Dans un mode de réalisation préféré, la direction de poussée peut être verticale.
Brève Description des figures
L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs, et faisant référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
représente un premier exemple d’un dispositif volant selon l’invention,
illustre un premier exemple de circuit électrique implémenté dans le dispositif volant de la ,
illustre un deuxième exemple de circuit électrique implémenté dans le dispositif volant de la ,
montre une première variante d’implémentation du dispositif volant de la ,
montre une deuxième variante d’implémentation du dispositif volant de la ,
montre un deuxième exemple d’un dispositif volant selon l’invention,
illustre un premier exemple de circuit électrique implémenté dans le dispositif volant de la ,
illustre un deuxième exemple de circuit électrique implémenté dans le dispositif volant de la ,
montre une variante d’implémentation du dispositif volant de la ,
illustre un exemple de circuit électrique implémenté dans le dispositif volant de la ,
montre une variante d’implémentation pour le transport de personnes du dispositif volant de la .

Claims (13)

  1. Dispositif volant comportant un corps principal (100) sur lequel est fixé un premier moteur à combustion (MC, MC1) et un premier moteur électrique (ME, ME1), lesdits premiers moteurs à combustion (MC, MC1) et électrique (ME, ME1) étant agencés pour créer des vecteurs de poussée selon une direction de poussée et étant placés de part et d’autre du corps principal (100) afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté d’un plan de séparation passant par un centre de gravité dudit corps (100), caractérisé en ce qu’il comporte :
    - un premier générateur électrique (GE, GE1) couplé mécaniquement au premier moteur à combustion (MC, MC1) afin d’être entrainé par ce dernier ; et
    - un premier circuit de transfert d’énergie électrique (200, 300, 701, 801, 901) connecté entre le premier générateur électrique (GE, GE1) et le premier moteur électrique (ME, ME1), le premier circuit de transfert d’énergie (200, 300, 701, 801, 901) étant configuré pour créer une résistance mécanique ralentissant le premier moteur à combustion (MC, MC1) et pour produire de l’énergie électrique afin d’alimenter le premier moteur électrique (ME, ME1).
  2. Dispositif volant selon la revendication précédente, dans lequel le premier circuit de transfert (300, 701, 801, 901) comporte un premier convertisseur d’énergie (301) contrôlé pour appliquer une impédance de charge sur le premier générateur (GE, GE1) et fournir l’énergie récupérée par l’impédance de charge sur une sortie à destination du premier moteur électrique (ME, ME1).
  3. Dispositif volant selon la revendication précédente, dans lequel le premier circuit de transfert (300, 701, 801, 901) comporte un deuxième convertisseur d’énergie (302) disposant d’une entrée d’énergie connectée à la sortie d’énergie du premier convertisseur d’énergie (301) et au premier moteur électrique (ME, ME1), ledit deuxième convertisseur (302) transformant l’énergie reçue à son entrée en signaux de commande du premier moteur électrique (ME, ME1).
  4. Dispositif volant selon la revendication précédente, dans lequel le premier circuit de transfert (300, 701, 801, 901) comporte un élément de stockage d’énergie électrique (703), connecté entre la sortie d’énergie du premier convertisseur d’énergie (301) et la masse pour absorber un surplus d’énergie non utilisée par le deuxième convertisseur d’énergie (302) et pour restituer cette énergie si l’énergie fournie par ledit premier convertisseur (301) n’est pas suffisante pour alimenter ledit deuxième convertisseur (302).
  5. Dispositif volant selon l’une des revendications précédente, lequel comporte :
    - un deuxième moteur à combustion (MC2) et un deuxième moteur électrique (ME2), lesdits deuxièmes moteurs à combustion (MC2) et électrique (ME2) créant des vecteurs de poussée selon la direction de poussée et étant fixés de part et d’autre du corps principal (100) afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté du plan de séparation passant par le centre de gravité dudit corps (100), le deuxième moteur à combustion (MC2) étant placé du même côté du plan de séparation que premier moteur électrique (ME1) et le deuxième moteur électrique (ME2) étant placé du même côté du plan de séparation que le premier moteur à combustion (MC1) ;
    - un deuxième générateur électrique (GE2) couplé mécaniquement au deuxième moteur à combustion (MC2) afin d’être entrainé par ce dernier ; et
    - un deuxième circuit de transfert d’énergie électrique (702, 802, 902) connecté entre le deuxième générateur électrique (GE2) et le deuxième moteur électrique (ME2) ledit deuxième circuit de transfert (702, 802, 902) étant constitué à l’identique du premier circuit de transfert (701, 801, 901).
  6. Dispositif volant selon la revendication précédente lorsqu’elle dépend de la revendication 4, dans lequel les éléments de stockage (303) sont des condensateurs de forte capacité.
  7. Dispositif volant selon la revendication précédente, lequel comporte une batterie rechargeable (803) connectée en parallèle sur les éléments de stockage (303) des premier et deuxième circuits de transfert (702, 802, 902) pour récupérer un excédent de charge desdits éléments de stockage (303).
  8. Dispositif volant selon la revendication précédente, dans lequel les premiers convertisseurs d’énergie (301) sont bidirectionnels et peuvent alimenter les premier et deuxième générateurs (GE1, GE2) pour servir de démarreurs aux premier et deuxième moteurs à combustion (MC1, MC2) et dans lequel la batterie (803) alimente lesdits générateurs (GE1, GE2) pour démarrer lesdits premier et deuxième moteurs (MC1, MC2).
  9. Dispositif volant selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier et/ou deuxième moteurs électriques (ME1, ME2) sont positionnés respectivement à des distances plus importantes du centre de gravité du corps principal (100) dudit dispositif que les premier et/ou deuxième moteurs à combustion (MC1, MC2).
  10. Dispositif volant selon l’une des revendications 5 à 9, dans lequel les vecteurs de poussée des premiers et deuxièmes moteurs à combustion (MC1, MC2) et électriques (ME1, ME2) sont compris dans un premier plan de poussée, dans lequel le dispositif volant comporte en outre:
    - un troisième moteur à combustion (MC3) et un troisième moteur électrique (ME3), lesdits troisièmes moteurs à combustion (MC3) et électrique (ME3) créant des vecteurs de poussée selon la direction de poussée et étant fixés de part et d’autre du corps principal (100) afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté du plan de séparation passant par le centre de gravité dudit corps (100),
    - un quatrième moteur à combustion (MC4) et un quatrième moteur électrique (ME4), lesdits quatrièmes moteurs à combustion (MC4) et électrique (ME4) créant des vecteurs de poussée selon la direction de poussée et étant fixés de part et d’autre du corps principal (100) afin de créer des vecteurs de poussée de chaque côté du plan de séparation passant par le centre de gravité dudit corps (100), le quatrième moteur à combustion (MC4) étant placé du même côté du plan de séparation que le troisième moteur électrique (ME3) et le quatrième moteur électrique (ME4) étant placé du même côté du plan de séparation que le troisième moteur à combustion (MC4) ;
    - des troisième et quatrième générateurs électriques (GE3, GE4) couplés mécaniquement et respectivement aux troisième et quatrième moteurs à combustion (MC3, MC4) afin d’être entrainés par ces derniers ; et
    - des troisième et quatrième circuits de transfert d’énergie électrique (903, 904) connectés respectivement entre les troisième et quatrième générateurs électriques (GE3, GE4) et les troisième et quatrième moteurs électriques (ME3, ME4), lesdits troisième et quatrième circuits de transfert (903, 904) étant constitués à l’identique du premier circuit de transfert (901) ;
    et dans lequel les vecteurs de poussée des troisièmes et quatrièmes moteurs à combustion (MC3, MC4) et électriques (ME3, ME4) sont compris dans un deuxième plan de poussée sécant au premier plan de poussée sur un axe de croisement parallèle à la direction de poussée.
  11. Dispositif volant selon la revendication précédente, dans lequel l’axe de croisement passe par le centre de gravité du dispositif volant.
  12. Dispositif volant selon l’une des revendications 10 et 11, dans lequel les premiers à quatrième moteurs à combustion (MC1 à MC4) et électriques (ME1 à ME4) sont fixés au corps principal (100) par l’intermédiaire de quatre bras de supports (910 à 940) positionnés au-dessus du centre de gravité dudit corps (100) et étant agencés pour soutenir les premiers à quatrièmes moteurs à combustion (MC1 à MC4) et électriques (ME1 à ME4), et intégrer les éléments de stockage d’énergie électrique (303).
  13. Dispositif volant selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la direction de poussée est verticale.
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