FR3132125A1

FR3132125A1 - Dispositif de propulsion pour générer une poussée, système de freinage et véhicules de transport utilisant un tel dispositif de propulsion

Info

Publication number: FR3132125A1
Application number: FR2200557A
Authority: FR
Inventors: Hyung-jun CHANG
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2022-01-24
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2023-07-28

Abstract

Dispositif de propulsion pour générer une poussée, système de freinage et véhicules de transport utilisant un tel dispositif de propulsion Un aspect de l’invention concerne un dispositif de propulsion mécanique (100) pour générer une poussée apte à déplacer un véhicule de transport, comportant : - un carter (110) de forme trochoïdale, muni d’une entrée d’air (111) et d’une sortie d’air (112) en regard l’une de l’autre et formant en son sein une chambre (130), et - un rotor (120) de forme triangulaire curviligne, entraîné en rotation dans la chambre (130) du carter et engendrant, par sa rotation, une modulation du volume interne de ladite chambre avec une compression et une accélération de l’air, de sorte que l’air à la sortie (112) du carter est accéléré par rapport à l’air à l’entrée (111) dudit carter. Un autre aspect de l’invention concerne un système de freinage pour aéronef, comportant un dispositif de propulsion (100) dans lequel la poussée générée est une poussée inverse. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2

Description

Dispositif de propulsion pour générer une poussée, système de freinage et véhicules de transport utilisant un tel dispositif de propulsion

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un dispositif de propulsion mécanique permettant de générer une poussée apte à déplacer un véhicule de transport tel qu’un véhicule aérien ou nautique. Elle concerne aussi un dispositif de freinage équipé d’un tel dispositif de propulsion adapté pour générer une poussée inverse. L’invention concerne également un véhicule de transport équipé d’un tel dispositif de propulsion.

L’invention trouve des applications dans tous les domaines ayant trait à la propulsion mécanique d’un véhicule de transport et, en particulier, dans le domaine de l’aéronautique pour la propulsion des véhicules aériens tels que les avions, les hélicoptères, les VTOL (avions à décollage et atterrissage vertical), les drones, etc.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

Il existe, notamment en aéronautique, plusieurs techniques de propulsion pour générer une poussée permettant le déplacement d’un véhicule aérien : la propulsion par moteur à réaction et la propulsion mécanique par hélice, chacune des technologies offrant des avantages et des inconvénients. Par exemple, les avions à moteurs à réaction, ou turboréacteurs, ont l’avantage de permettre un vol à altitude élevée et à vitesse élevée, et en particulier à vitesse supersonique. Les turboréacteurs à propulsion de type chimique, présentent toutefois l’inconvénient d’être particulièrement gourmands en carburant et donc couteux en termes de consommation. Les avions à hélices, dont un exemple est représenté sur la partie A de la , ont l’avantage d’être économes en carburant et donc de permettre des vols relativement peu couteux par rapport aux avions à turboréacteurs. À une époque où la consommation en carburant est un élément clé dans le choix d’un véhicule aérien, les moteurs à hélice sont souvent préférés aux moteurs à réaction.

En outre, la propulsion par hélice est également utilisée dans des véhicules autres que aériens, et notamment dans des véhicules nautiques tels que les bateaux ou les navires. La propulsion par hélice est aussi utilisée pour propulser des véhicules aériens autres que les avions, comme par exemple dans les hélicoptères, les VTOL et les drones. Des exemples d’un drone, d’un hélicoptère et d’un VTOL, équipés chacun de moteurs à hélice sont représentés, respectivement, sur les parties B, C et D de la . La propulsion mécanique par hélice est donc actuellement la technique de propulsion la plus utilisée pour générer une poussée permettant le déplacement d’un véhicule.

Une hélice est une pièce mécanique comportant plusieurs pales dont la surface torsadée transforme, par sa rotation, la puissance d'entrée en une poussée dynamique. L'hélice crée une poussée en accélérant le fluide environnant par différence de pression entre ses surfaces avant et arrière. Elle présente donc un réel intérêt pour beaucoup d’applications (par exemple pompe rotative, compresseur, moteur « waterjet », etc.). Différents exemples d’hélices sont représentés sur la par la référence 10.

En aéronautique, la forme de la section utilisée dans les pales d’hélice des aéronefs modernes a été initiée par les frères Wright, deux pionniers de l’aviation américaine ayant fait voler le premier avion motorisé au monde. Depuis les frères Wright, la forme des pales d’hélice a peu été modifiée. Une étude du National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) porte sur les relations entre les paramètres mesurables représentant l'efficacité des hélices, la poussée développée et la puissance absorbée et répertorie les différentes formes de pales d’hélice.

Pour produire une poussée élevée avec un diamètre d’hélice fixe, on utilise généralement une hélice avec un grand nombre de pales, appelée soufflante. Cependant, même avec une soufflante, la propulsion mécanique par hélice présente un certain nombre de limitations, notamment du fait que son utilisation est limitée à des vitesses subsoniques. En effet, un avion à hélice ne peut voler qu'à des vitesses subsoniques car, au-delà d’une vitesse d'environ 770 km/h, la vitesse du flux d'air local aux extrémités des pales de l'hélice est proche, voire même dépasse, la vitesse du son. Or, ce flux d'air localement supersonique provoque un choc supersonique, qui engendre généralement une élévation de la traînée, un bruit assourdissant et/ou un problème structurel de tenue de l'hélice. Par conséquent, le diamètre ainsi que la vitesse de rotation de l'hélice sont strictement limités. Il existe donc une limitation de puissance qui est incompatible avec les grands avions commerciaux. En outre, lorsqu'une hélice est utilisée à une vitesse faible (subsonique), la masse d'air traversant l'hélice provoque un important courant d'air tangentiel. L'énergie de ce flux d'air tangentiel provoqué par l'hélice gaspille la puissance du moteur.

En réponse à la problématique de perte d’efficacité due au régime subsonique, une soufflante carénée peut être utilisée afin d’augmenter la poussée. La conception des soufflantes carénées est généralement utilisée dans un système moteur de type turbosoufflante. Ce système a été développé afin d'améliorer la vitesse de vol et la performance du moteur. Lorsque l'air entre dans le conduit, la vitesse de l'air diminue et sa pression et sa température augmentent. Si l'avion est à une vitesse élevée (mais toujours subsonique), cela crée deux avantages : l'air entre dans l'hélice à une vitesse inférieure et la température élevée augmente la vitesse du son locale. Ceci permet de conserver l'efficacité de l’hélice même à des vitesses élevées, là où le rendement des hélices conventionnelles diminue significativement avec la vitesse. Le carénage réduit également le bruit. Néanmoins, le carénage ajoute du poids, augmente le coût et la complexité du système et génère une traînée supplémentaire, ce qui en limite l’utilisation aux turbosoufflantes. En effet, le diamètre maximal de la soufflante est toujours limité par le fait que la vitesse d’air à l'extrémité des pales de la soufflante ne peut pas dépasser la vitesse du son, pour éviter le choc d'air supersonique.

À ce jour, il n’existe aucune solution de propulsion mécanique pour des utilisations à des vitesses supersoniques. L’unique solution pour des vitesses supersoniques est le recours à un moteur à réaction, avec tous les inconvénients cités précédemment.

Pour des raisons écologiques, il semble que l’avion du futur soit un avion électrique. En effet, afin de limiter et même éviter la consommation de carburant, les constructeurs aéronautiques prévoient, pour l’avion du futur, d’utiliser des moteurs à propulsion mécanique par hélice. Cependant, comme expliqué précédemment, la vitesse des moteurs à hélice est limitée à des vitesses subsoniques, ce qui limite de fait la vitesse des avions du futur à des vitesses subsoniques, créant une importante limitation pour ce futur avion dans l'accès aux hautes vitesses.

Il existe donc un réel besoin d’un dispositif de propulsion mécanique permettant d’engendrer une poussée supersonique, sans générer de choc supersonique, et, ainsi, permettre à un véhicule aérien de voler à des vitesses supersoniques.

Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus de limitation de la vitesse des moteurs à propulsion mécanique par hélice, le demandeur propose un dispositif de propulsion mécanique dans lequel un rotor triangulaire en rotation au sein d’un carter de forme trochoïdale génère une poussée supérieure à celle produite par une hélice sans générer aucun flux d'air localement supersonique.

Selon un premier aspect, l’invention concerne un dispositif de propulsion mécanique pour générer une poussée apte à déplacer un véhicule de transport, comportant :

un carter de forme trochoïdale, muni d’une entrée d’air et d’une sortie d’air en regard l’une de l’autre et formant en son sein une chambre, et
un rotor de forme triangulaire curviligne, entraîné en rotation dans la chambre du carter et engendrant, par sa rotation, une modulation du volume interne de ladite chambre (130) avec une compression et une accélération de l’air, de sorte que l’air à la sortie du carter est accéléré par rapport à l’air à l’entrée dudit carter.

Ce dispositif de propulsion mécanique présente l’avantage non seulement de générer une poussée supérieure à celle d’une hélice mais également d’offrir une conception sans pale qui maximise la sécurité et minimise le bruit et le choc aérodynamique, notamment à des vitesses supersoniques.

Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le dispositif de propulsion mécanique selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

le rotor comporte des côtés dont la dimension est sensiblement égale à une longueur (L) du carter.
il comporte un moteur d’entraînement pour entraîner le rotor en rotation.
le moteur d’entraînement est monté à l’extérieur du carter.
le moteur d’entraînement est un moteur rotatif de type Wankel, monté parallèlement au carter, autour d’un même arbre de transmission.
le moteur d’entraînement est un moteur électrique.
le moteur d’entraînement est monté à l’intérieur du carter.
le moteur d’entraînement comporte des aimants permanents répartis sur le rotor et des bobines électriques montées dans la chambre du carter pour assurer la rotation du rotor.
Il comporte un conduit d’alimentation en air débouchant dans l’entrée d’air du carter et un conduit d’évacuation de l’air débouchant de la sortie d’air du carter.

Un deuxième aspect de l’invention concerne un système de freinage pour aéronef comportant un dispositif de propulsion tel que défini précédemment, dans lequel la poussée générée par ledit dispositif de propulsion est une poussée inverse.

Ce système de freinage peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

le dispositif de propulsion est couplé à un dispositif de freinage par frottement ou un mécanisme de freinage régénératif.
Il est monté dans chacune des roues d’un aéronef.

Un troisième aspect de l’invention concerne un véhicule de transport comportant au moins un dispositif de propulsion tel que défini précédemment, assurant sa propulsion dans les airs, dans l’eau ou dans un tube.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles :

La , déjà décrite, représente des exemples schématiques d’avion, de drone, d’hélicoptère et de VTOL équipés de moteurs à hélice ;

La représente une vue schématique en coupe d’un dispositif de propulsion mécanique selon l’invention ;

La représente schématiquement différentes positions du rotor dans le carter du dispositif de propulsion mécanique de l’invention ;

La représente schématiquement l’évolution de la pression d’air au sein du dispositif de propulsion mécanique de la ;

La représente des vues schématiques, en perspective et en coupe, du dispositif de propulsion mécanique selon un mode de réalisation passif de l’invention ;

La représente des vues schématiques en coupe du dispositif de propulsion mécanique selon un mode de réalisation actif de l’invention ;

La représente, dans un tableau, différents exemples de poussées obtenues avec le dispositif de propulsion mécanique selon l’invention, comparés aux poussées obtenues avec des dispositifs de propulsion classiques ;

La représente une vue schématique d’un avion équipé d’un dispositif de propulsion mécanique utilisé, selon un mode de réalisation de l’invention, comme système de freinage ;

La représente des vues schématiques de différents exemples de véhicules équipés du dispositif de propulsion mécanique selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

Un exemple de réalisation d’un dispositif de propulsion mécanique, configuré de sorte à ne pas générer de flux d'air localement supersonique, est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.

Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par des références identiques. Pour des questions de lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées.

Un exemple d’un dispositif de propulsion mécanique 100 selon l’invention est représenté sur la . Ce dispositif de propulsion mécanique 100 comporte un carter 110 de forme trochoïdale, ou cycloïdale, à l’intérieur duquel tourne un rotor 120 de forme triangulaire curviligne. Le carter 110 comporte une enceinte 115 de section approximativement ovale et deux parois latérales planes (non visibles sur la figure) qui ferment l’enceinte, formant ainsi une chambre 130 à l’intérieur du carter 110. La chambre 130 présente un volume interne directement dépendant de la longueur L (appelée aussi taille) de l’enceinte, définie suivant l’axe X du repère orthonormé XYZ, et de sa profondeur w (non visible sur la ) définie suivant la direction Z du repère XYZ.

Le rotor 120 a une section en forme sensiblement de triangle dont les côtés sont incurvés de façon légèrement convexe et une épaisseur sensiblement égale à la profondeur w de l’enceinte 115. Le rotor 120 est engrené dans le carter 110, autour d’un arbre de transmission 125 s’étendant suivant l’axe de rotation R.

Autrement dit, le carter 110 et le rotor 120 ont sensiblement la forme, respectivement, d’un carter et d’un rotor de moteur rotatif de type Wankel. Comme dans un moteur Wankel, le rotor 120 est rotatif à l’intérieur de la chambre 130 et engendre, par sa rotation, une modulation du volume interne de ladite chambre 130. La comparaison entre un moteur Wankel et le dispositif de propulsion mécanique de l’invention se limite à une simple similitude de structure du carter 110 et du rotor 120 et de fonctionnement du rotor au sein du carter. Contrairement à un moteur Wankel, la chambre 130 située au sein du carter 110 reçoit de l’air et uniquement de l’air. Pour cela, le carter 110 comporte une entrée d’air 111 et une sortie d’air 112, en regard l’une de l’autre. L’entrée d’air 111 permet l’introduction d’un flux d’air 200 dans la chambre 130 et la sortie d’air 112 permet l’évacuation de ce flux d’air 200 hors de ladite chambre 130. Un conduit d’alimentation en air, non représenté sur la , peut déboucher dans l’entrée d’air 111 pour permettre l’introduction de l’air dans la chambre 130. Un conduit d’évacuation de l’air, non représenté sur la , peut déboucher de la sortie d’air 112 pour évacuer l’air hors de la chambre 130.

L’entrée d’air 111 est logée dans l’une des portions rectiligne 115d de l’enceinte 115 du carter 110 et la sortie d’air 112 est logée dans l’autre des portions rectiligne 115b de l’enceinte du carter. Les portions 115b et 115d de l’enceinte 115 sont dénommées « portions rectilignes » par opposition aux portions 115a et 115c en forme d’arc de cercle de ladite enceinte 115, lesdites portions rectilignes étant plus rectilignes que les portions en arc de cercle même si ces portions dites rectilignes comportent un bossage 116 comme représenté sur la . L’entrée d’air 111 et la sortie d’air 112 sont face à face, c'est-à-dire situées le long d’une même direction A d’un plan XZ parallèle au plan contenant l’axe de rotation R du rotor 120.

Ainsi, dans le dispositif de propulsion mécanique 100 de l’invention, la rotation du rotor 120 permet d'aspirer un flux d'air ambiant par l’entrée d’air 111 et d'évacuer ce flux d’air par la sortie d’air 112 après qu’il ait été comprimé et accéléré dans la chambre 130, comme expliqué par la suite. L’accélération du flux d’air évacué hors du carter engendre une propulsion mécanique.

La représente schématiquement le dispositif de propulsion mécanique 100 de l’invention lors de ses trois phases de fonctionnement. En phase 1, le flux d’air 200 au voisinage de l’entrée d’air 111 est aspiré à l’intérieur de la chambre 130 par la rotation du rotor 120. En phase 2, l’entrée d’air 111 est fermée par le rotor 111 qui, en tournant, comprime le flux d’air 200 au centre de la chambre 130 et, en même temps, l’accélère. En phase 3, le flux d’air accéléré est évacué par la sortie d’air 112 en générant une puissance de propulsion.

Par sa forme sensiblement triangulaire, le rotor 120 permet trois sessions au moins partielles de compression et d’accélération de l’air par cycle de rotation. En d’autres termes, il permet l’introduction d’un flux d’air simultanément à l’évacuation d’un autre flux d’air. Un exemple de ces trois sessions de compression et d’accélération du dispositif de propulsion mécanique 100 est représenté sur la . Sur cette , on référence C1 la chambre 130 du carter 110 pendant une première session, C2 et C3 la même chambre 130 pendant, respectivement, une deuxième et une troisième sessions. Cette montre que, pendant qu’un premier flux d’air 201 est introduit à l’intérieur de la chambre C1 (phase d’admission de la session 1), un deuxième flux d’air 202 s’évacue de la chambre C2 (phase d’évacuation de la session 2). Lorsque le deuxième flux d’air 202 est totalement évacué, le premier flux d’air 201 traverse la chambre C1 de part en part. Quand ce premier flux d’air 201 termine de s’évacuer par la sortie d’air 112 (phase d’évacuation de la session 1), un troisième flux d’air 203 commence son admission dans la chambre C3 par l’entrée d’air 111 (phase d’admission de la session 3). Ainsi, une session d’admission d’un flux d’air a lieu en même temps qu’une session d’évacuation du flux d’air précédent. Une session complète (admission et évacuation) et deux sessions partielles (admission pour l’une et évacuation pour l’autre) sont donc réalisées pendant la durée d’un cycle de rotation du dispositif de propulsion mécanique. Une session complète, qui correspond à la durée de séjour d’un flux d'air à l'intérieur du dispositif de propulsion mécanique 100, est donc égale à un demi-cycle de rotation du rotor 120.

Les performances, c'est-à-dire la poussée, du dispositif de propulsion mécanique selon l'invention peuvent être estimées par la méthode générale de calcul des performances des dispositifs de propulsion proposée par la NASA. Cette méthode consiste à appliquer la formule suivante :
où m est le débit massique, V_eest la vitesse de l’air en sortie et V₀la vitesse de l’air à l’entrée. Dans le dispositif de propulsion mécanique, le débit massique et la vitesse de l’air peuvent être estimés, respectivement, la taille (ou longueur) de la chambre et la vitesse de rotation en tours par minute (RPM) du rotor. On notera qu'il est supposé que la vitesse de sortie est la même que la vitesse de l'air s'écoulant entre l’entrée d’air 111 et la sortie d’air 112 du carter, laquelle dépend directement de la longueur L (appelée aussi taille) entre lesdites entrée et sortie d’air et de la durée d'une session, à savoir un demi-cycle. Par conséquent, la vitesse V_epeut être calculée par l'équation suivante :
où 2 est le rapport cycle sur session.

Le débit massique d'air peut être calculé à partir de la densité de l'air (ρ=1.2 kg⁄m³) et de la section des entrée et sortie d’air, cette section dépendant de la taille (ou longueur) L de la chambre 130 et de la profondeur w de ladite chambre 130. Ainsi, le débit massique de l'air peut être calculé par l'équation suivante :où la section A est égal à 0.4 x L x w. On notera que la constante égale à 0.4 est un ordre de grandeur du rapport entre la longueur des entrée/sortie d’air et la longueur L de la chambre, obtenue à partir de la géométrie de ladite chambre, la profondeur w de la chambre 130 étant un paramètre de conception permettant de contrôler le débit massique d'air.

Enfin, la performance du dispositif de propulsion mécanique peut être décrite comme une poussée (F) par l'équation suivante, lorsque la vitesse d'entrée V₀est supposée nulle :

Des exemples de performances estimées du dispositif de propulsion mécanique, en fonction des dimensions L et w de la chambre et de la vitesse de rotation de l'arbre du rotor, sont indiquées dans le tableau de la . Ces performances, ou poussées, sont déterminées en kilonewtons (kN) pour un dispositif de propulsion mécanique dont la chambre est relativement grande (c'est-à-dire avec une longueur de l’ordre du mètre), ce qui est l'unité habituelle de mesure de la poussée des moteurs à réaction, et en kilogrammes (kg) pour un dispositif de propulsion mécanique dont la chambre est relativement petite (c'est-à-dire avec une longueur de l’ordre du décimètre) qui est l'unité habituelle de mesure de la poussée des moteurs de drones.

Ce tableau de la intègre des exemples de dimensions et de poussées pour plusieurs moteurs à réaction commerciaux et moteurs de drones, à titre de comparaison. Dans le cas des moteurs à réaction commerciaux, la longueur et le diamètre du moteur sont inscrits dans les colonnes relatives à la taille (ou longueur) et la profondeur de la chambre, respectivement. Dans le cas de moteurs de drones, le diamètre de l'hélice et la vitesse de rotation du moteur en tours par minute sont inscrits dans les colonnes relatives à la profondeur de la chambre et la vitesse de rotation de l'arbre, respectivement. Le diamètre du moteur et le diamètre de l'hélice sont des paramètres de conception permettant de déterminer le débit massique d'air comme la profondeur de chambre (w) dans le dispositif de propulsion mécanique de l'invention.

Le tableau de la montre que le dispositif de propulsion mécanique selon l’invention est apte à fournir une poussée comprise entre environ 20 et 1700 kN, ce qui est comparable, voire supérieur, aux meilleures performances des moteurs à réaction commerciaux (entre environ 10 et 500 kN), la principale raison étant que le dispositif de propulsion mécanique de l’invention génère une vitesse de sortie extrêmement élevée (supérieure voire nettement supérieure à 300 m/s) tandis que les moteurs à réaction commerciaux typiques fonctionnent avec une vitesse de sortie ne dépassant pas les 250 à 300 m/s. À titre de comparaison, le dispositif de propulsion mécanique de l’invention, avec une taille L de 2 m, une profondeur w de 1 m et une vitesse de rotation de 20 000 cycles/minute fournit 1700 kN de poussée, ce qui dépasse d’environ 500 kN la performance du meilleur moteur à réaction, le « Turbofan forte puissance », dont la taille est de 8 m et la profondeur (ou diamètre) de 3 m.

Lorsque la taille du dispositif de propulsion mécanique est réduite à l'échelle d'une dizaine de cm, il présente une performance capable de remplacer les moteurs et hélices commercialisés pour les drones. En effet, le dispositif de propulsion mécanique de l’invention, avec une taille L de 0,3 m, une profondeur w de 0,3 m et une vitesse de rotation de 7 500 cycles/minute fournit presque 25 kg de poussée, ce qui dépasse les 14 kg de la performance fournie par un drone dont le diamètre d’hélice est de 0,7 m et la vitesse de rotation de 6 000 cycles/minutes.

L’homme du métier comprendra que les performances du dispositif de propulsion mécanique selon l’invention peuvent être améliorées simplement en augmentant la profondeur w et la taille L de la chambre 130 et/ou en augmentant la vitesse de rotation. Par exemple, doubler la taille L de la chambre 130 permet une poussée huit fois plus forte et doubler de la vitesse de rotation permet une poussée quatre fois plus forte. Il est à noter qu’augmenter la vitesse de rotation ne pose aucun problème d’aérodynamique (comme un choc supersonique) car le rotor triangulaire tourne dans une chambre, c'est-à-dire une enceinte fermée, qui isole contre les chocs aérodynamiques, contrairement à une hélice.

En plus de ces performances avantageuses, le dispositif de propulsion mécanique selon l’invention est un dispositif sans pale (ou « bladeless » en termes anglo-saxons), dont toutes les pièces mobiles sont internes à la chambre du carter, ce qui permet de maximiser la sécurité et minimiser le bruit et le choc aérodynamique, même en régime supersonique. Un tel dispositif de propulsion mécanique peut donc permettre à un avion, et notamment au futur avion électrique, d'atteindre une vitesse supersonique.

Selon certains modes de réalisation, le dispositif de propulsion mécanique 100 comporte une source d’énergie adaptée pour entraîner le rotor 120 en rotation. En effet, le rotor 120 a besoin d’être entrainé pour pouvoir tourner au sein de la chambre 130. Pour cela, une source d’énergie, comme un moteur d’entraînement 310 ou 320, peut être logé à l’extérieur ou à l’intérieur du carter 110.

Lorsqu’un moteur d’entraînement 310 est logé à l’extérieur du carter 110, comme dans l’exemple représenté sur la , le dispositif de propulsion mécanique 100 est dit « passif ». Ce moteur d’entraînement 310 est un moteur conventionnel ; ce peut être, par exemple, un moteur électrique (comme un moteur sans balais) ou un moteur thermique (comme un moteur rotatif Wankel). La rotation issue de ce moteur d’entraînement 310 est transmise au dispositif de propulsion mécanique 100 par un arbre tel qu’un arbre excentrique. Le rotor 110 du dispositif de propulsion mécanique est alors entraîné comme une hélice et génère une propulsion comme expliqué précédemment. Avec ce mode d’entraînement « passif », à la fois le rotor et son système d’entraînement sont complètement isolés de l'extérieur de la chambre. Le dispositif de propulsion mécanique présente alors, en plus d’une poussée élevée, l’avantage de maximiser la sécurité et de minimiser le bruit, y compris le choc aérodynamique à vitesse supersonique.

Dans un tel mode d’entraînement passif, utiliser un moteur sans balais comme moteur d’entraînement permet une vitesse de rotation très élevée (jusqu'à 100 000 tr/min), ce qui a un lien direct avec les performances offertes par le dispositif de propulsion mécanique, comme expliqué précédemment.

Dans une alternative, le moteur d’entraînement 310 est un moteur rotatif Wankel couplé au dispositif de propulsion mécanique 100. Cette alternative est représentée sur la qui montre un dispositif dans lequel le moteur Wankel 310 est monté parallèlement au dispositif de propulsion mécanique 100, un même arbre de transmission 125 assurant alors la rotation du moteur Wankel et du dispositif de propulsion mécanique. Ce couplage du dispositif de propulsion mécanique 100 avec un moteur Wankel 310 présente deux avantages. Le premier avantage est que le moteur Wankel permet d'atteindre une vitesse de rotation élevée (jusqu'à 15 000 tr/min), qui peut se transmettre directement au rotor 120, sans transmission ou engrenage supplémentaire, car leurs rotations sont déjà couplées par un même arbre excentrique. Le second avantage est que le fort débit d'air généré par le dispositif de propulsion mécanique 100 est en contact avec la partie la plus chaude du moteur Wankel, ce qui permet un refroidissement local susceptible de pallier le problème connu du moteur Wankel, à savoir une distribution de la chaleur déséquilibrée.

Dans d’autres modes de réalisation, le moteur d’entraînement 320 est logé à l’intérieur du carter 110, comme dans l’exemple représenté sur la . Le dispositif de propulsion mécanique 100 est alors dit « actif » ou « CHANGEE » (acronyme de Cold & Highly Accelerating & No Gas Emitting Engine). Dans l’exemple de la , un moteur sans balais 320 est intégré au sein du dispositif de propulsion mécanique 100. Dans un tel dispositif de propulsion mécanique actif, des composants adaptés pour constituer un moteur d’entraînement sont introduits dans le carter 110, et notamment dans les zones inutilisées de la chambre 130. En effet, comme on le comprend de la description qui précède, seule une portion 130a de la chambre 130 (approximativement la moitié du volume de la chambre) est utilisée pour la compression et l’accélération du flux d’air. L'autre portion 130b n’est pas utilisée. Il est donc proposé, dans ce mode de réalisation « actif », de positionner les composants utiles pour constituer un moteur sans balais dans cette portion 130b de la chambre.

Ces composants du moteur sans balais 320 peuvent être, par exemple, des aimants permanents 321 répartis sur le rotor 120 et des bobines électriques 322 positionnées à l’intérieur de l’enceinte 115 du carter 110, par exemple sur sa paroi interne. Les aimants 321 peuvent, par exemple, être au nombre de trois, positionnés chacun à un angle entre deux côtés du rotor triangulaire 120. Les bobines 322, par exemple au nombre de deux, peuvent être logées dans la paroi interne de l’enceinte 115 du carter 110, dans la portion 130b inutilisée de la chambre 130. Une telle configuration, assez similaire à une structure typique de moteur sans balais, est apte à faire tourner le rotor 120 en contrôlant l'activation des bobines 322. Bien entendu, le nombre et la répartition des aimants 321 et des bobines 322 peut varier en fonction notamment des dimensions de la chambre 130 et de la vitesse de rotation choisie.

Le dispositif de propulsion mécanique de type « actif » est ainsi un mécanisme électrique autonome, pouvant remplacer à lui seul un moteur à réaction commercial. En effet, comme montré avec le tableau de la , les performances de ce dispositif de propulsion mécanique sont tout à fait comparables aux performances des moteurs à réaction commerciaux. Il peut fonctionner dans un environnement de vitesse supersonique avec, en plus, les avantages de ne produire ni gaz polluant, ni chaleur.

Le dispositif de propulsion mécanique 100 selon l’invention a été décrit précédemment dans son application à la propulsion d’aéronefs. Il a été, en particulier, décrit dans son application à un avion, comme représenté sur le dessin A de la , dans laquelle le dispositif de propulsion mécanique peut être monté aux mêmes emplacements qu’un moteur à hélice, par exemple à l’avant de l’avion ou sous sa voilure. Il a également été décrit dans son application aux drones, comme représenté sur le dessin B de la , dans laquelle le dispositif de propulsion mécanique peut être monté aux mêmes emplacements qu’un moteur à hélice, par exemple à l’extrémité de chaque aile du drone.

Toutefois, ce dispositif de propulsion mécanique peut également être appliqué au freinage des aéronefs. En effet, le freinage d’un aéronef est souvent engendré, au moins partiellement, au moyen d’une poussée inverse. Le dispositif de propulsion mécanique selon l’invention, en fonction de son positionnement, est apte à générer une poussée inverse qui, par la très grande vitesse d’écoulement de l’air dans la direction d’avancée de l’aéronef, assure le freinage dudit aéronef. Un exemple d’un dispositif de propulsion mécanique 100 utilisé comme système de freinage est représenté sur la . Dans cet exemple, un dispositif de propulsion mécanique 100 est logé au centre de chaque roue 400 de l’aéronef, dans une position opposée à celle utilisée en mode propulsion. En effet, en mode propulsion, le dispositif de propulsion mécanique est positionné de sorte que le flux d’air en sortie du carter soit dirigé dans la direction opposée au sens d’avancée de l’aéronef. Au contraire, en mode freinage, le dispositif de propulsion mécanique 100 est positionné de sorte que le flux d’air en sortie du carter soit dans la direction Da d’avancée de l’aéronef.

Selon un mode de réalisation, le dispositif de propulsion mécanique utilisé en mode freinage peut être couplé avec le mécanisme de freinage régénératif de la roue, ce mécanisme créant une forte résistance de la roue en rotation, où la rotation de la roue est convertie en rotation du rotor 120 du dispositif de propulsion mécanique à travers l’arbre de transmission 125. Il est à noter que l'intensité de la résistance peut être contrôlée par les niveaux du braquet de transmission.

Selon un autre mode de réalisation, le dispositif de propulsion mécanique utilisé en mode freinage peut être couplé avec un dispositif de freinage classique par frottement. Ce couplage offre une excellente synergie car le flux d'air généré par le dispositif de propulsion mécanique de l’invention en mode freinage peut également fonctionner comme un flux de refroidissement du système du freinage par frottement.

Outre ses applications aux aéronefs, le dispositif de propulsion mécanique selon l’invention peut être appliqué à un véhicule de transport nautique, par exemple un scooter des mers. En effet, il peut remplacer un moteur dit « waterjet ». Étant donné que le moteur « waterjet » actuel utilise une turbine à hélice et un arbre de transmission, sa structure, représentée sur le dessin C de la , est relativement complexe. En particulier, l'arbre de transmission est long, ce qui peut perturber le débit d'eau et réduire sa performance. La structure relativement simple du dispositif de propulsion mécanique de l’invention peut avantageusement remplacer un moteur « waterjet » et ses performances élevées sont suffisantes pour assurer la propulsion du véhicule. Un scooter des mers, ou autre véhicule nautique électrique, doté d’un dispositif de propulsion mécanique selon l’invention, peut fonctionner avec une alimentation électrique dès lors que la capacité de la batterie est suffisante. Il est à noter que le mode passif du dispositif de propulsion mécanique de l’invention (avec un moteur Wankel) serait particulièrement bien adapté au remplacement d'un moteur «waterjet ».

Le dispositif de propulsion mécanique selon l’invention peut en outre être appliqué à un vactrain. Un vactrain, appelé aussi train à tubes à vide, consiste en un double tube surélevé dans lequel se déplacent des capsules, ou véhicules, transportant des voyageurs et/ou des marchandises. L'intérieur du tube est sous basse pression (ils sont vidés de l'essentiel de leur air) pour limiter les frottements de l'air. Les capsules sont surélevées par des coussins d'air ou par une sustentation électromagnétique et sont propulsées par un champ magnétique créé par des moteurs à induction linéaires placés à intervalles réguliers à l'intérieur des tubes. La conception d’un vactrain nécessite généralement de nombreuses conditions et dispositifs difficiles à réaliser (un double tube surélevé, des coussins d'air, des moteurs à induction linéaires, etc.) et, en particulier, un état de pression d'air dans le tube très bas. Un exemple d’un vactrain intégrant le dispositif de propulsion mécanique 100 de l’invention est représenté sur la partie D de la . Ce dispositif de propulsion mécanique 100 peut être mis en œuvre pour réaliser un vactrain dans un tube 410 sous pression normale (pas quasi-vide). En effet, avec le dispositif de propulsion mécanique 100, l'air 200 peut être évacué de l'avant vers l'arrière de la capsule 420, de sorte à diminuer la pression à l'avant de la capsule en réduisant les frottements de l'air et à augmenter la pression d'air à l'arrière de ladite capsule. La différence de pression permet à la capsule 420 d'avancer très rapidement. Un tube sous vide n’est donc pas nécessaire, ni un dispositif de propulsion supplémentaire pour l'accélération ou la décélération de la capsule. En outre, avec le dispositif de propulsion mécanique, les roues 425 de la capsule ne sont utilisées que pour le guidage (et non pour l'accélération ou la décélération), ce qui minimise les frottements puisqu’une forte adhérence entre roues et tube n'est pas nécessaire.

L’homme du métier comprendra que le dispositif de propulsion mécanique selon l’invention peut également être applicable à tous les dispositifs fonctionnant avec des hélices comme, par exemple, une pompe rotative, un compresseur, un ventilateur, un aspirateur, etc.

Bien que décrit à travers un certain nombre d'exemples, variantes et modes de réalisation, le dispositif de propulsion mécanique selon l’invention comprend divers variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme du métier, étant entendu que ces variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention.

Claims

Dispositif de propulsion mécanique (100) pour générer une poussée apte à déplacer un véhicule de transport, comportant :
un carter (110) de forme trochoïdale, muni d’une entrée d’air (111) et d’une sortie d’air (112) en regard l’une de l’autre et formant en son sein une chambre (130), et

un rotor (120) de forme triangulaire curviligne, entraîné en rotation dans la chambre (130) du carter et engendrant, par sa rotation, une modulation du volume interne de ladite chambre avec une compression et une accélération de l’air, de sorte que l’air à la sortie (112) du carter est accéléré par rapport à l’air à l’entrée (111) dudit carter.
Dispositif de propulsion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor (120) comporte des côtés dont la dimension est sensiblement égale à une longueur (L) du carter (110).
Dispositif de propulsion selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu’il comporte un moteur d’entraînement (310, 320) pour entraîner le rotor (120) en rotation.
Dispositif de propulsion selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moteur d’entraînement (310) est monté à l’extérieur du carter.
Dispositif de propulsion selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moteur d’entraînement (310) est un moteur rotatif de type Wankel, monté parallèlement au carter (110), autour d’un même arbre de transmission (125).
Dispositif de propulsion selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moteur d’entraînement (310) est un moteur électrique.
Dispositif de propulsion selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moteur d’entraînement (320) est monté à l’intérieur du carter (110).
Dispositif de propulsion selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moteur d’entraînement (320) comporte des aimants permanents (321) répartis sur le rotor (110) et des bobines électriques (322) montées dans la chambre (130) du carter pour assurer la rotation du rotor.
Dispositif de propulsion selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comporte un conduit d’alimentation en air débouchant dans l’entrée d’air du carter et un conduit d’évacuation de l’air débouchant de la sortie d’air du carter.
Système de freinage pour aéronef, caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif de propulsion (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la poussée générée par ledit dispositif de propulsion est une poussée inverse.
Système de freinage selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de propulsion (100) est couplé à un dispositif de freinage par frottement ou un mécanisme de freinage régénératif.
Système de freinage selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu’il est monté dans chacune des roues (400) d’un aéronef.
Véhicule de transport, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un dispositif de propulsion (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 assurant sa propulsion dans les airs, dans l’eau ou dans un tube.