WO2008145868A2 - Helicoptere hybride rapide a grande distance franchissable et rotor de sustentation optimise - Google Patents

Helicoptere hybride rapide a grande distance franchissable et rotor de sustentation optimise Download PDF

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WO2008145868A2
WO2008145868A2 PCT/FR2008/000604 FR2008000604W WO2008145868A2 WO 2008145868 A2 WO2008145868 A2 WO 2008145868A2 FR 2008000604 W FR2008000604 W FR 2008000604W WO 2008145868 A2 WO2008145868 A2 WO 2008145868A2
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hybrid helicopter
speed
helicopter
flight
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WO2008145868A3 (fr
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Philippe Roesch
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Eurocopter
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Publication date
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Priority to AT08805518T priority patent/ATE504493T1/de
Priority to DE602008006061T priority patent/DE602008006061D1/de
Priority to US12/161,693 priority patent/US8113460B2/en
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/22—Compound rotorcraft, i.e. aircraft using in flight the features of both aeroplane and rotorcraft
    • B64C27/26—Compound rotorcraft, i.e. aircraft using in flight the features of both aeroplane and rotorcraft characterised by provision of fixed wings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/82—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto characterised by the provision of an auxiliary rotor or fluid-jet device for counter-balancing lifting rotor torque or changing direction of rotorcraft
    • B64C2027/8263—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto characterised by the provision of an auxiliary rotor or fluid-jet device for counter-balancing lifting rotor torque or changing direction of rotorcraft comprising in addition rudders, tails, fins, or the like
    • B64C2027/8281—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto characterised by the provision of an auxiliary rotor or fluid-jet device for counter-balancing lifting rotor torque or changing direction of rotorcraft comprising in addition rudders, tails, fins, or the like comprising horizontal tail planes

Definitions

  • the present invention relates to a high-speed, high-speed cruising gyroplane in cruising flight thanks to an optimized lift rotor.
  • the invention relates to a hybrid helicopter relating to an advanced concept of vertical take-off and landing aircraft (English designation: “VTOL Aircraft” or “Vertical Take-Off and Landing Aircraft”).
  • This advanced concept combines the efficiency of conventional helicopter vertical flight with the high speed performance of modern turboshaft engines at a reasonable cost.
  • main flying materials correspond to aircraft and rotorcraft.
  • rotorcraft denotes any device whose lift is provided totally or partially by one (or more) propeller (s) of substantially vertical axis, large diameter, called rotor or rotary wing.
  • the helicopter with at least one main rotor, driven by a suitable engine provides both lift and propulsion.
  • the helicopter is capable of hovering by staying at a fixed point of space, can take off and land vertically and can move in any direction (front-rear-sides-up-down).
  • the helicopter is the vast majority of rotorcraft produced in the world.
  • the autogire (first realization by La Cierva) is a rotorcraft whose rotor does not receive power, but turns in autorotation under the effect of the speed of the apparatus.
  • Propulsion is provided by a turbine engine or by a propeller, of substantially horizontal axis in forward flight, driven by a conventional engine.
  • This formula is not susceptible to vertical flight, unless the rotor is initially launched by an auxiliary device allowing an overspeed of this rotor: a gyrocopter can not make a still flight but only go up or down under slopes of very high trajectory. In a way, it's a high-speed airplane that ignores stall and can use short terrain.
  • Girodyne is an intermediate rotorcraft between the helicopter and the gyroplane, whose rotor only provides lift. This rotor is normally driven by a power plant for the take-off, hover or vertical and landing phases, similar to the helicopter.
  • a girodyne also has an additional propulsion system essentially different from the rotor assembly. In forward flight, the rotor still provides lift, but only in autorotation mode, that is to say without power transmission to said rotor.
  • the girodyne Jet from the Fairey Company is an achievement related to this concept.
  • the handset which takes off and lands like a helicopter, and flies in cruise like a gyrocopter: its rotor, animated by an autorotation movement thanks to the speed advancement of the device, provides a portion of the lift, the other part being provided by an auxiliary wing, a tractive propeller of substantially horizontal axis creates the effort required for the translational movement.
  • the SO 1310 experimental combo Farfadet the rotor of which is propelled by reaction in the takeoff-landing configuration and rotates in autorotation in cruising configuration, the propulsion then being provided by a propeller.
  • the unit is equipped with two separate turbines to operate the rotor and propeller.
  • the convertible is another special formula of a rotorcraft.
  • This designation includes all rotorcraft that change configuration during flight: takeoff and landing in helicopter configuration, cruising flight in airplane configuration, two rotors are for example tilted about 90 degrees to serve as propellers.
  • the tilting rotor formula resulted in the realization of the Bell Boeing V22 Osprey, for example.
  • the helicopter is the simplest so it has prevailed despite the fact that the maximum speed of translation of the helicopter of the order of 300 km / h is low and less than that envisaged by the combined or convertible type formulas, technically more complex and more expensive.
  • patent GB-895 590 discloses a vertical take-off and landing aircraft which comprises the following main elements: a fuselage and two half-wings, each on either side of the fuselage,
  • control means by the pilot to transmit the driving power punctually or totally to the rotor and the propellers.
  • the main rotor is rotated by the power units during take-off and landing, during vertical flight and for horizontal flight at low speed.
  • the rotor rotates freely, without power transmission in the manner of a gyrocopter, the rotor shaft being equipped with uncoupling means.
  • US-3,385,537 discloses a helicopter with conventionally a fuselage, a main rotor and a tail rotor.
  • the main rotor is rotated by a first drive unit.
  • This apparatus is also equipped with two other engines, each engine being disposed at the outer end of two half-wings, each being on either side of said fuselage.
  • the protection relates to an automatic variation of the pitch of the blades as a function of accelerations exerted on the apparatus during maneuvers or gusts of wind for example, so as to maintain a correct distribution of the lift between the rotor and the half-wings.
  • the corresponding device thus contributes to an increase in the speed of translation of the apparatus by spreading the risks of stalling blades, sources of vibration and damage to mechanical assemblies and structures.
  • US-6,669,137 discloses an aircraft equipped with a rotary wing for evolutions at very low speed. At high speeds, the rotary wing is slowed down and stopped, the lift being produced by a swiveling wing. At maximum speeds, the rotary wing and the wing are oriented in a determined configuration to form, so to speak, a wing in arrow.
  • the rotorcraft according to US Pat. No. 7,137,591 comprises a rotor driven in rotation by a power unit in particular to ensure take-off, landing and vertical flight.
  • a propeller propeller allows the cruising flight, the lift being generated by autorotation of the rotor and possibly supplemented by the assistance of an auxiliary wing.
  • the rotor mast is slightly pivotable back and forth so as to eliminate the effects due to changes in the attitude of the fuselage and likely to adversely affect the performance of the aircraft by increasing aerodynamic drag.
  • US Pat. No. 6,467,726 also discloses a rotorcraft comprising at least:
  • the lift In cruising flight, the lift is developed by the two wings, so that the lift due to the rotor is canceled under the action either of a disengagement of the rotor via a clutch provided for this purpose, or an adequate adaptation of the collective pitch of rotor blades.
  • US Pat. No. 6,513,752 relates to a rotorcraft comprising:
  • a control means for adjusting the pitch of the propellers so that:
  • the anti-torque function is carried out by the thrust of a propeller forwards and that of the other towards the rear of the aircraft and the rotor is driven by the power source,
  • the power source comprises a motor and a clutch, which by disconnecting the rotor relative to the motor allows the rotor to rotate faster than an output of said motor, because of the aforementioned masses.
  • the clutch allows the autogyro mode in forward flight.
  • a power transmission box arranged between the power source and the propellers permit said propellers to operate at a plurality of rotational speeds with respect to the speed of an output of said power source.
  • the invention according to the patent application US-2006/0269414 A1 relates more specifically to a main power transmission box associated with a second power transmission box driven by the power plant.
  • the second box comprises a clutch device which engaged engages the main gearbox at a first rotational speed, the disengagement communicating a second rotational speed lower than said first rotational speed.
  • the main gearbox moves the rotor (s).
  • this separation is obtained by a means such as a clutch whose sole function is to stop the setting in rotational movement of the rotor by the (or) source (s) of power and this only during the passage of the flight vertical cruising flight.
  • a device of this type therefore implies an additional mass, cost and a penalty in terms of security.
  • the object of the present invention is to propose an optimized rotor for a hybrid helicopter, also called “apparatus” in the rest of the text, making it possible to overcome the limitations mentioned above.
  • this hybrid helicopter must be able to perform missions effectively for extended periods in vertical flight and ensure cruising flights at a high speed but also to allow long distances to cross.
  • the typical mission corresponds, for example, to the carriage of 220 passengers in 220 kt in an aircraft with a mass of around 8 tonnes at takeoff over 400 nm ("nautic miles") at an altitude of 1500 meters in the ISA conditions relating to the definition of the standard atmosphere.
  • a hybrid helicopter with a long range and a high forward speed the main elements of which are as follows:
  • a cell that is to say the general framework of the apparatus, comprising in particular:
  • a mechanical interconnection system between, on the one hand, a rotor with a control of the collective pitch and the cyclic pitch of the blades of this rotor and, on the other hand, at least one propulsive propeller with a control of the collective pitch of the blades of this rotor; propeller,
  • the rotational speed ⁇ of the rotor is equal to a first rotational speed ⁇ 1 up to a first air velocity V1 trajectory of said hybrid helicopter and is then reduced gradually according to a linear law as a function of the air speed on trajectory of the hybrid helicopter.
  • the rotational speed of the rotor is reduced progressively to a second rotation speed ⁇ 2 corresponding to a second air velocity V2 which is the maximum speed of the hybrid helicopter.
  • this hybrid helicopter can fly in cruising flight at any airspeed, less than or equal to the air speed on the maximum trajectory so that the speed of rotation of the rotor ⁇ is equal to its first speed. rotation below V1 and then determined by the previous linear law between V1 and the second air speed on trajectory or maximum speed V2.
  • this characteristic is essential in that it makes it possible to maintain the Mach number of the rotor blades in advancing position to a value of the order of 0.85.
  • This value is fixed so as to remain lower than the Mach number of divergence of drag for which the drag of the rotor increases considerably and then affects the fineness of the apparatus and consequently its performances, while generating vibrations penalizing in terms of comfort , safety and life of the components of said apparatus.
  • the speed of rotation of a rotorcraft rotor is conditioned by the diameter of the rotor because of a speed at the end of the blade limited by those skilled in the art between 200 and 250 meters per second and this to prevent degradation of the aerodynamic performance of said rotor.
  • the speed of the air speed at the end of the so-called advancing blade is equal to the speed of the air due to the forward speed V of the rotorcraft and the speed of the air U due to the rotation of the airfoil. rotor.
  • any increase in the speed of advancement of the rotorcraft causes a proportional increase in the Mach number, equal to the tip speed divided by the speed of sound.
  • the wing generates a lift regardless of the forward speed of the rotorcraft, except in hovering where it has a particular effect of "deportance" or negative lift related to an aerodynamic interaction between the rotor and said wing.
  • the lift of the rotor in cruising flight is advantageously controlled by a suitable device, preferably automatic, for controlling the collective pitch and compliance with the speed of rotation of the rotor with the reference values relating to said speed of rotation of the rotor. .
  • the rotational speed ⁇ of the rotor is equal to a first rotational speed ⁇ 1 of the order of 260 revolutions per minute up to the first speed of advancement more correctly called first speed air on trajectory V1, of the order of 125 kt. Beyond and up to a second air velocity V2 trajectory of the order of 220 kt, the rotational speed of the rotor is reduced gradually to a second rotation value ⁇ 2 of the order of 205 revolutions per minute.
  • This preferred solution corresponds to a maximum fineness of the rotor of the order of 12.2 between 150 and 220 kt, the fineness of the rotor and wing assembly exceeding 12 beyond 150 kt.
  • the Mach number at the end of the blades in advancing position is less than 0.85 up to the first air velocity on the trajectory then is kept constant and equal to 0.85 between the first and second air speeds on trajectory.
  • the rotational speeds of the outputs of the turbine engine (s), the propeller (s), the rotor and the mechanical interconnection system are proportional to each other, the proportionality ratio being constant. whatever the flight configuration of the hybrid helicopter under normal operating conditions of the integrated driveline.
  • the hybrid helicopter is equipped with a single turbine engine, it rotates the rotor and (or) propeller (s) via the mechanical interconnection system.
  • two or more turboshaft engines equip the hybrid helicopter, the rotor and the propeller (s) are then rotated via the mechanical interconnection system by said turbine engines.
  • the kinematic chain operates without variable speed ratio between the (or) turbine engine, the (or) propeller (s), the rotor and the mechanical interconnection system. Therefore and advantageously, the rotor is always rotated by the (or) turbine engine (s), and always develops a lift regardless of the configuration of the device.
  • said at least one turbine engine is always in mechanical connection with the rotor.
  • This rotor is therefore always rotated by the at least one turbine engine irrespective of the flight phase in normal configuration, the autorotation flight configuration not being part of these flight phases in normal configuration.
  • this rotor is specifically designed to provide all the lift of the hybrid helicopter during the take-off, landing and vertical flight phases and then partially during the cruise flight. wing then contributing in part to support said hybrid helicopter.
  • the rotor partially exerts the lift of the hybrid helicopter in cruising flight with possibly a low contribution to propulsive forces or traction (case of the helicopter), but without any contribution to the drag (case of the autogire). These operating conditions therefore lead to a reduced supply of power dedicated to the traction of the rotor.
  • a small contribution to the propulsive forces is by a small inclination of the rotor disc towards the front of the device. This process degrades the fineness of the rotor very little and is therefore more interesting in terms of power balance than a request for additional thrust exerted by the (or) propeller (s).
  • the wing provides the additional lift.
  • the wing is composed of two half-wings, each half-wing being on either side of the fuselage.
  • These half-wings may constitute a high wing, in which case they preferably have a negative dihedron. However, they can also constitute either a low wing with preferably a positive dihedron or an intermediate wing with any dihedral.
  • the shape in plan of these half-wings, according to the variants, can correspond to rectangular half-wings, tapered, in forward or backward arrow.
  • the wingspan of the total wing is between 7 and 9 meters for an aircraft whose maximum authorized take-off weight is close to 8 tons.
  • the total span of the wing is substantially equal to the radius of the rotor, that is to say substantially equal to 8 meters, the rope of this wing being fixed at 1.50 meters or an elongation of the order of 5.30.
  • these dimensions do not exclude a wing of a different lengthening.
  • the wing is provided with fins.
  • the hybrid helicopter is equipped with two propellant propellers placed on either side of the fuselage, advantageously at the end of the two half-wings.
  • each propeller has a diameter that can be between 2.5 and 4.5 meters but not exclusively, the diameter of the propellers being 2.6 meters as explained later in a particular studied version.
  • this rotor since the rotor is always driven mechanically by the turbine engine (s), this rotor produces a "strong rotor torque" that tends to rotate the fuselage in the opposite direction to that of the rotor.
  • the manufacturers install a tail rotor at the rear of the fuselage to compensate for the rotor torque.
  • This anti-torque rotor of a conventional helicopter is located at the rear of the fuselage and at a distance of about 1.25 times the radius of the main rotor, so as to avoid mechanical interference between them.
  • Such a rotor generally requires about 12% of the power of the main rotor in vertical flight.
  • the thrust of this rotor is also used for control towards the helicopter.
  • the hybrid helicopter according to the invention does not have an anti-torque rotor in order to simplify the mechanical assemblies and to reduce accordingly the mass and the cost of the apparatus.
  • the hybrid helicopter is equipped with at least two propellers, each being installed on one half-wing on each side of the fuselage and the anti-torque and steering control functions are performed using a differential thrust exerted by the propellers.
  • the propellers may be arranged substantially in alignment with the plane of the ropes of the wings or half-wings but still offset either above or below the wings or half-wings to which they are connected by a support pole.
  • the wingspan is advantageously of the order of magnitude of the radius of the rotor, that is to say as small as possible due to the high fineness of the rotor in cruising flight, as is explained later .
  • the separation distance between the two propellers is also of the order of magnitude of the radius of the rotor. Under these conditions, the thrust of the propellers is necessarily greater than that of an anti-torque rotor.
  • the diameter of the propellers must be reduced from 3.0 meters for a conventional propeller to about 2.6 meters for the hybrid helicopter so as to allow space sufficient between said rotor and said propellers, hence another increase in the power required for the anti-torque function.
  • the anti-torque function can also be performed such that, in the previous example, the right propeller develops a doubled thrust, the left propeller does not provide thrust, it being understood that the rotor under the action of not cyclic must then be tilted towards the back of the device to balance the thrust of the right propeller. In this case, it is shown that the power is greater than that required when the two propellers provide pushes in the opposite direction.
  • an intermediate solution may correspond to an anti-torque function performed by a mixing of the two preceding concepts (pure differential thrust on the one hand and double thrust on the other).
  • first and second rotational speeds are defined, relative respectively to a first and a second air velocity on the trajectory, about the turbine engine (s), the propeller (s) ( s) and the mechanical interconnection system. Note that these second rotational speeds correspond to 78% of the first rotational speeds (nominal speeds: 100% of the first rotational speeds) in the case of application already commented.
  • the collective pitch and the cyclic pitch of the rotor blades are adapted to the evolution of the speed of rotation of the rotor, as a function of the air speed on the trajectory of the apparatus.
  • the collective pitch of the propellers is automatically controlled to provide the necessary thrust.
  • Another advantage according to the invention consists in cruising flight to control the longitudinal cyclic pitch of the rotor in order to maintain the attitude of the fuselage at a pitch angle (or pitch attitude angle) equal to the slope of the flight path, to cancel the angle of incidence of the fuselage relative to the air and thus minimize the streaks of said fuselage.
  • the longitudinal attitude of the hybrid helicopter will be maintained at zero.
  • the pitching moment of the fuselage must also be adjusted by the maneuver of at least one movable elevator located on the horizontal stabilizer via, for example, an electric actuator so as to compensate for any offset from the center of the aircraft.
  • gravity of said hybrid helicopter this adjustment is obtained in principle when the bending moment exerted on the mast rotor relative to the pitch axis, measured by strain gauges for example, is canceled.
  • the power distribution between the rotor and the propellers can vary significantly depending on the inclination of the rotor disk due to its contribution to variations in the total drag and propulsion of the aircraft.
  • the power required in high-speed cruise flight is mainly due to the parasitic drag of the aircraft.
  • parasitic power represents approximately 50% of the total power required and can reach 75% at 220 kt, which is three times the power needed for lift. High speed efficiency therefore depends on minimizing this parasite drag.
  • the hybrid helicopter is also innovative in that it comprises first means for possibly controlling automatically the steering angle of said at least one elevator as a function of the bending moment exerted on the rotor mast relative to the axis. pitching said hybrid helicopter and second means for controlling the cyclic pitch of said rotor blades to control the longitudinal attitude of the hybrid helicopter according to the flight conditions.
  • this piloting is made possible thanks to the two degrees of freedom offered by the steering of at least one elevator and secondly, by controlling the cyclic pitch of the rotor blades, the first and second means being independent of each other.
  • the adjustment of the elevator can be done manually in a simplified version. It is then necessary to have on the dashboard, an indicator of the bending moment exerted on the rotor mast that the pilot must maintain in a determined range through a manual action on said moving elevator or on the actuator electric.
  • said first means by automatically controlling the steering angle of said at least one elevator, adjust the pitching moment of said hybrid helicopter to a first setpoint which is preferably zero.
  • These first means comprise a computer which controls an electric actuator rotating said at least one elevator according to a steering angle which adapts the pitch moment of the hybrid helicopter to said first setpoint.
  • said calculator determines the bending moment exerted on the rotor mast relative to the pitch axis derived from the information from sensors, said calculator ceasing to steer said elevator when the bending moment exerted on the rotor mast is in a predetermined range substantially corresponding to the first value of setpoint, preferably equal to zero, pitching moment of said hybrid helicopter.
  • first pitch moment value value designates both a precise value and a narrow range of values of this pitching moment, in particular because of the dependence of the bending moment exerted on the rotor mast. the pitching moment of the hybrid helicopter.
  • the second means therefore adapt said longitudinal attitude to a second setpoint value, preferably equal to zero.
  • These second means comprise a cyclic handle which controls the cyclic pitch, in particular the longitudinal pitch, rotor blades via a swashplate and pitch levers.
  • the appropriate empennage for yaw steering of the hybrid helicopter can advantageously comprise forward a fixed or drifting part and a moving part or rudder.
  • the apparatus may be equipped with several empennages, substantially vertical or possibly inclined relative to the vertical, each provided with a rudder.
  • the mechanical interconnection system comprises the following main components:
  • a first main gearbox located at the fuselage for driving the rotor at 263 rpm at the nominal rotational speed (100% of the first rotational speed of the rotor), or first speed of rotation of the rotor,
  • the two second shafts are rotated by one or more turbine engines via one or more modules which, depending on the type of turbine engine, reduce the speed of the turbine engines from 21000 rpm or 6000 rpm to 3000 rpm for the first speed of rotation of said shafts.
  • each speed reduction module is integrated with the second gearbox of the corresponding propellers instead of being disposed on either side of the first main gearbox.
  • the first main gearbox comprises two stages, namely:
  • a spiroconic ring gear driven by two bevel gears each connected to one of said second shafts
  • this crown driving at 1000 rpm, at the first speed of rotation of the installation, the sun gear of an epicyclic stage so as to rotate the rotor via planet wheels rotating on a fixed outer ring.
  • the two associated modules comprise one or two stages of reduction as a function of the speed of rotation of the turbine engine outputs.
  • one stage is sufficient for an output speed of a turbine engine at 6000 rpm whereas two stages are necessary for an output speed of 21 000 rpm.
  • the second two gearboxes are equipped with a single speed reduction stage, the first speed of rotation of the propellers (nominal speed of rotation) being of the order of 2000 rpm.
  • first speed of rotation of the propellers nominal speed of rotation
  • the number of turboshaft engines is not limiting.
  • FIG. 1 a schematic perspective view of an exemplary embodiment of a hybrid helicopter according to the invention
  • FIG. 1 a schematic view of the kinematic chain.
  • FIG. 3 a diagram of the device for adjusting the longitudinal attitude of the hybrid helicopter.
  • FIG. 4 a diagram of the law of variation of the speed of rotation of the rotor according to the speed of advance of the hybrid helicopter.
  • FIG 1 there is shown a hybrid helicopter 1, made according to the invention.
  • the hybrid helicopter 1 comprises a fuselage 2, in front of which is provided the cockpit 7, a rotor 10 intended to drive in rotation blades 1 1 thanks firstly to two turboshaft engines 5 arranged on the top of the fuselage 2 (not visible in Figure 1 due to the presence of fairings), on both sides relative to the longitudinal plane of symmetry of the device, and on the other hand to a first box of main gear MGB, not shown in Figure 1.
  • the hybrid helicopter 1 is provided with a high wing 3 composed of two half-wings 8 disposed on the top of the fuselage 2, these half-wings 8 having a substantially rectangular plan shape and having a negative dihedral.
  • the propulsion of the hybrid helicopter 1 is provided by two propellers 6 driven by the two turbine engines 5, a propeller 6 being disposed at each outer end of the wing 3.
  • a horizontal stabilizer 30 with two movable elevators 35 with respect to the front portion 34 and for the steering two vertical stabilizers 40, each on each side of the horizontal stabilizer 30 there are stabilization and maneuvering surfaces, namely for the depth, a horizontal stabilizer 30 with two movable elevators 35 with respect to the front portion 34 and for the steering two vertical stabilizers 40, each on each side of the horizontal stabilizer 30.
  • the horizontal stabilizer 40 and the vertical stabilizers 50 form an inverted U towards the fuselage 2.
  • the empennages 40 may consist of a fixed front part or drift 44 with a rear moving part, or rudder 45 for steering yaw.
  • the hybrid helicopter 1 preferably corresponds to the following characteristics, relating to an aircraft of about 8 tonnes maximum authorized take-off weight:
  • the hybrid helicopter 1 is equipped with an integrated kinematic chain 4, which, in addition to the two turbine engines 5, the rotor 10 and the two propellers 6, comprises a mechanical interconnection system 15 between these elements as shown schematically in FIG. Figure 2, which corresponds to a simplified representation so that it should be understood that the rotor 10 and the propellers 6 are rotated in substantially orthogonal and non-parallel planes.
  • this hybrid helicopter 1 is remarkable in that the rotational speeds of the outputs of the turboshaft engines, propellers, the rotor and the mechanical interconnection system are proportional to one another, the proportionality ratio being constant whatever the configuration. of the hybrid helicopter under normal conditions of operation of the integrated driveline.
  • the mechanical interconnection system comprises the following main components:
  • a first main gearbox MGB situated at the fuselage 2 driving the rotor 10 at 263 rpm at the nominal rotational speed (or the first speed of rotation of the rotor),
  • first shaft A1 rotated by the first gearbox MGB, for driving the rotor 10, two second shafts A2, each of them being disposed in a respective half-wing 8, substantially a quarter of a rope, and distributing the power to the rotor 10 and the propellers 6, the rotation speed of these shafts being in addition 3000 rpm at the nominal speed of rotation or the first speed of rotation of the second shafts,
  • the two second shafts A2 are driven in rotation by the two turbine engines 5 via two associated modules M which, depending on the type of turbine engine, reduce the speed of the turbine engines 5 by 21,000 rpm or from 6000 rpm to 3000 rpm for the first rotational speed of said shafts.
  • the first main gearbox MGB comprises two stages, namely:
  • this crown C1 driving at 1000 rpm, at the first speed of rotation of the installation, the sun gear P of an epicyclic stage so as to rotate the rotor via planet wheels S rotated on a fixed outer ring THIS.
  • the ratio of the lift of the rotor 10 to the weight of the hybrid helicopter 1 successively takes the intermediate values from 0.98 to 50 kt / 0.96 to 80 kt / 0.90 to 125 kt / 0.85 to 150 kt and 0.74 to 200 kt.
  • the hybrid helicopter 1 is such that the collective pitch and the cyclic pitch of the blades 1 1 of the rotor 10 are controlled and adapted according to the flight conditions.
  • the hybrid helicopter 1 is set in high speed cruising flight so that the rotor 10 exerts a lift with a possible small contribution to the propulsive forces but without any contribution to the drag.
  • this requires a power absorbed by said rotor 10 to balance the torque generated by the profile drag and the induced drag of the blades 1 1 of the rotor 10, but this power is relatively reduced or about 500 kW as seen previously because of the fineness of the rotor of the order of 12.2 beyond 150 kt.
  • the preferably automatic maneuvering of at least one mobile elevator 35 fitted to the horizontal stabilizer 30 by an electric actuator 70 makes it possible to adjust or even cancel any pitching moment resulting from the offset of the center of gravity with respect to the action line of the lift of said hybrid helicopter: this adjustment is obtained when the bending moment of the rotor mast 12 with respect to the pitch axis measured by strain gauges 71 for example , is canceled.
  • this maneuver is relatively slow so that such an actuator is often called the TRIM name according to the Anglo-Saxon designation.
  • the longitudinal cyclic pitch of the rotor 10 is controlled and adapted according to the flight conditions in order to maintain the attitude of the fuselage at a longitudinal attitude angle equal to the value of the slope of the trajectory so as to cancel the angle of incidence of the fuselage and thus minimize the streaks of this fuselage.
  • the longitudinal attitude of the hybrid helicopter 1 will be maintained at zero.
  • the adjustment of the elevator can be done manually in a simplified version. It is then necessary to have on the dashboard, an indicator of the bending moment of the rotor mast 12 that the pilot must maintain in a determined range by means of a manual action on said moving elevator 35 or on the actuator electric 70.
  • the electric actuator 70 is controlled by a computer 60 which determines the bending moment exerted on the rotor mast 12, derived from the information from the sensors 71 , preferably strain gauges disposed on said rotor mast 12.
  • the computer 60 stops steering said at least one elevator 35 around the axis AX when the bending moment exerted on the rotor mast relative to to the pitch axis is in a predetermined range substantially corresponding to the first set value, preferably equal to zero, of the pitch moment of said hybrid helicopter 1.
  • the computer 60, the electric actuator 70 and the sensors 71 constitute first means for automatically controlling the steering angle of said at least one elevator 35 as a function of the bending moment exerted on the rotor mast. relative to the pitch axis of the hybrid helicopter 1. Obviously, it is possible to use several control surfaces 35 for this operation.
  • second means (13, 14, 16, 17) control the cyclic pitch of the blades 1 1 of the rotor 10 in order to control the longitudinal attitude of the hybrid helicopter 1 according to the flight conditions by adapting it a second setpoint value relative to said longitudinal attitude.
  • said second setpoint value therefore corresponds to a longitudinal attitude angle equal to the value of the slope of the trajectory of the apparatus, as seen above.
  • this second value of the longitudinal attitude is equal to zero during a level flight of the hybrid helicopter 1.
  • Said second means comprise a cyclic stick 13 which controls servocontrols 14 for imposing the cyclic pitch of the blades 1 1 of the rotor 12 via a swashplate 16 and pitch levers 17.
  • a suitable system is to implement in the case of any slope of the path.
  • said second means are supplemented by an automatic servocontrol device 80 of the longitudinal attitude of the hybrid helicopter 1, this automatic servocontrol device 80 being integrated into an autopilot 81 and specifically comprising a GPS (Global Positionning System) 82 to determine said slope of the trajectory, and an AHRS (Attitude and Heading Reference System) 83 to define the attitude of the hybrid helicopter 1 so as to deduce the impact of the fuselage of said hybrid helicopter 1 by relative to the air flow and to cancel it with, in addition, an air-pressure system 84 for correcting the errors related to the disturbances related to the wind.
  • GPS Global Positionning System
  • AHRS Attitude and Heading Reference System
  • this adjustment operation consists in correctly positioning the fuselage 2 as well as the rotor 10 at a substantially zero incidence with respect to the air flow, thus with a minimal overall drag and a maximum fineness.
  • the balance is favorable, the reason being that for small longitudinal pitch variations of the rotor, the fineness of this rotor hardly varies. As a result, "pull" the rotor is at iso-overall efficiency.
  • the rotor 10 is intended to provide all the lift of the hybrid helicopter 1 during the take-off, landing and vertical flight phases and then partially during the flight cruise, the wing 3 then contributing in part to support said hybrid helicopter 1.
  • the hybrid helicopter 1 according to the invention does not have an anti-torque rotor in order to simplify the mechanical assemblies and to reduce accordingly the mass and the cost of the apparatus.
  • the hybrid helicopter 1 being equipped with two propellers 6, each being installed on a half-wing 8 on each side of the fuselage 2, the anti-torque and steering control functions are provided by using a differential thrust exerted by the propellers.
  • the anti-torque function can also be carried out so that, in the previous example, the right propeller 6 for example develops a doubled thrust, the left propeller 6 does not provide thrust, it being understood that the rotor 10 must then be tilted towards the rear of the aircraft to balance the thrust of the right propeller. In this case, it is shown that the power is greater than that required when the two propellers provide pushes in the opposite direction.
  • the rotation speed of the rotor 10 is equal to a first speed of rotation ⁇ 1 of 263 revolutions per minute up to a first speed of advance V1 more correctly called first air speed on trajectory of 125 kt. Beyond and up to a second air velocity V2 trajectory of 220 kt, the rotational speed of the rotor is reduced gradually to a second ⁇ 2 rotation value of 205 revolutions per minute.
  • the progressive reduction in the speed of rotation of the rotor 10 between the first and second trajectory speeds evolves according to a linear law of slope (-1 / R), where R is the radius of the rotor, in a coordinate system where the speed V is on the abscissa and the rotation speed ⁇ of the rotor (10) on the ordinate.
  • the speed of rotation of the rotor must be progressively reduced as a function of the increase in the speed of advance of the apparatus so as not to exceed this limit.
  • the rotation speed ⁇ is adapted according to the aforementioned law.
  • the air velocity at the end of the blade due to the rotation is then 171 m / s (rotational speed rotor: 205 rpm or 78% of the speed nominal rotational speed of the rotor) and the advancement parameter ⁇ is equal to 0.66.
  • the rotor lift can not be maintained without a large increase in the blade rope (60% increase, which would lead to a conventional helicopter with four blades of one meter of rope ), in order to keep a coefficient of average lift of the Czm blades less than 0.5 and thus avoid the stall of the recoiling blade.
  • the coefficient of lift Czm of the blades of 0.5 in vertical flight decreases to 0.43 to 125 kt because the increase in lift of the wing 3 to increase and reach a value of 0.54 to 220 kt due to the reduction of the rotational speed of the rotor to 78% of the nominal rotational speed.
  • the rotor operates at a maximum fineness of the order of 12.2.
  • the hybrid helicopter 1 is characterized by exceptional versatility that optimizes the compromise between speed, range and mass of the aircraft. As an example and with approximately two tons of fuel, the following performance can be obtained for a hybrid helicopter 1 of the order of eight tons carrying sixteen passengers:
  • a mission of 400 nm to 220 kt is feasible with about 1.6 tons of fuel and 20 minutes of reserve.
  • the present invention is subject to many variations as to its implementation.
  • the invention as described relates in particular to a hybrid helicopter of the order of 8 tons of total mass.
  • this invention is applicable to any rotorcraft of any mass, a low weight drone for example to a very large unit tonnage.

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Abstract

La presente invention concerne un helicoptere hybride (1) comprenant d'une part une cellule pourvue d'un fuselage (2) et d'une surface sustentatrice (3) ainsi que de surfaces de stabilisation (30, 35, 40), et d'autre part une chaîne cinematique constituee par : un systeme mecanique d'interconnexion (15) entre d'une part un rotor (10) de rayon (R) avec un contrôle du pas collectif et du pas cyclique des pales (11) dudit rotor (10) et d'autre part au moins une helice (6) avec un contrôle du pas collectif des pales de ladite helice (6), au moins un turbomoteur (5) entraînant ce systeme mecanique d'interconnexion (15), L'invention est remarquable en ce que Ia vitesse de rotation (Ω) du rotor (10) est egale a une premiere vitesse de rotation (Ω1) jusqu'a une premiere vitesse air sur trajectoire (V1) dudit helicoptere hybride (1) puis est reduite progressivement suivant une loi lineaire en fonction de Ia vitesse air sur trajectoire dudit helicoptere hybride (1).

Description

Hélicoptère hybride rapide à grande distance franchissable et rotor de sustentation optimisé
La présente invention concerne un giravion à grande distance franchissable et à vitesse d'avancement élevée en vol de croisière grâce à un rotor de sustentation optimisé.
Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un hélicoptère hybride relatif à un concept avancé d'aéronef à décollage et à atterrissage verticaux (désignation anglo-saxonne : « VTOL Aircraft » ou « Vertical Take-Off and Landing Aircraft »).
Ce concept avancé allie à un coût raisonnable l'efficacité du vol vertical de l'hélicoptère conventionnel aux performances à grande vitesse de déplacement permises par l'installation de turbomoteurs modernes.
Afin de bien comprendre l'objectif de l'invention, il convient de rappeler que les principaux matériels volants correspondent aux avions et aux giravions.
On désigne sous le nom de giravion tout appareil dont la sustentation est assurée totalement ou partiellement par une (ou plusieurs) hélice(s) d'axe sensiblement vertical, de grand diamètre, appelé rotor ou encore voilure tournante.
On distingue dans la catégorie des giravions plusieurs typés distincts.
Tout d'abord, l'hélicoptère dont au moins un rotor principal, entraîné par une motorisation appropriée, assure à la fois la sustentation et la propulsion. L'hélicoptère est capable de vol stationnaire en restant en un point fixe de l'espace, peut décoller et atterrir verticalement et peut se déplacer dans n'importe quelle direction (avant-arrière-côtés-haut-bas). L'hélicoptère constitue la grande majorité de giravions produits dans le monde.
Ensuite, l'autogire (première réalisation par La Cierva) est un giravion dont le rotor ne reçoit pas de puissance, mais tourne en autorotation sous l'effet de la vitesse de l'appareil. La propulsion est assurée par un turbomoteur ou encore par une hélice, d'axe sensiblement horizontal en vol d'avancement, entraînée par un moteur classique. Cette formule n'est pas susceptible de vol vertical, sauf si le rotor est initialement lancé par un dispositif annexe permettant une mise en survitesse de ce rotor : un autogire ne peut donc pas faire de vol immobile mais seulement monter ou descendre sous des pentes de trajectoire très élevées. En quelque sorte, c'est un avion à grand écart de vitesse qui ignore le décrochage et peut utiliser des terrains courts.
Le girodyne est un giravion intermédiaire entre l'hélicoptère et l'autogire dont le rotor n'assure que la sustentation. Ce rotor est normalement entraîné par une installation motrice pour les phases de décollage, vol stationnaire ou vertical et atterrissage, à l'instar de l'hélicoptère. Un girodyne comporte aussi un système de propulsion additionnel essentiellement différent de l'ensemble rotor. En vol d'avancement, le rotor assure encore la sustentation, mais uniquement en mode autorotation, c'est-à-dire sans transmission de puissance au dit rotor. Le Jet girodyne de la Société Fairey est une réalisation relative à ce concept.
Plusieurs autres formules nouvelles ont fait l'objet d'études plus ou moins poussées dont certaines ont parfois donné lieu à des réalisations pratiques.
A ce titre, on peut citer le combiné qui décolle et atterrit comme un hélicoptère, et vole en croisière comme un autogire : son rotor, animé d'un mouvement d'autorotation grâce à la vitesse d'avancement de l'appareil, assure une partie de la portance, l'autre partie étant assurée par une aile auxiliaire, une hélice tractrice d'axe sensiblement horizontal crée l'effort nécessaire au mouvement de translation. Comme exemple, on peut citer le combiné expérimental SO 1310 Farfadet dont le rotor est propulsé par réaction en configuration décollage-atterrissage et tourne en autorotation en configuration croisière, la propulsion étant alors assurée par une hélice. L'appareil est muni de deux turbines séparées pour actionner le rotor et l'hélice.
Le convertible constitue une autre formule particulière de giravion. Cette désignation englobe tous les giravions qui changent de configuration au cours du vol : décollage et atterrissage en configuration hélicoptère, vol de croisière en configuration avion, deux rotors étant par exemple basculés de 90 degrés environ pour servir d'hélices. La formule des rotors basculants a donné lieu à la réalisation de l'appareil Bell Boeing V22 Osprey, par exemple.
De ces différentes formules de giravions, l'hélicoptère est la plus simple de sorte qu'elle s'est imposée malgré le fait que la vitesse maximale de translation de l'hélicoptère de l'ordre de 300 km/h est faible et inférieure à celle envisageable par les formules de type combiné ou convertible, techniquement plus complexes et plus onéreuses.
Dans ces conditions, des améliorations aux précédentes formules ont été proposées pour augmenter les performances des giravions sans pour autant conduire à des solutions compliquées, délicates à produire et à mettre en œuvre et par voie de conséquence coûteuses.
Ainsi, on connaît par le brevet GB-895 590 un aéronef à décollage et atterrissage vertical qui comprend les principaux éléments suivants : - un fuselage et deux demi-ailes, chacune de part et d'autre du fuselage,
- un empennage horizontal et une gouverne de direction,
- au moins quatre unités motrices interconnectées,
- un rotor principal,
- au moins deux hélices à pas réversible et variable l'une par rapport à l'autre,
- des moyens de contrôle par le pilote pour transmettre la puissance motrice ponctuellement ou totalement au rotor et aux hélices.
Dans ce cas, le rotor principal est entraîné en rotation par les unités motrices lors du décollage et de l'atterrissage, pendant le vol vertical et pour le vol horizontal à basse vitesse. A grande vitesse, le rotor tourne librement, sans transmission de puissance à la manière d'un autogire, l'arbre rotor étant équipé de moyens de désaccouplement.
Le brevet US-3,385,537 présente un hélicoptère avec, de façon classique, un fuselage, un rotor principal et un rotor arrière. Le rotor principal est entraîné en rotation par une première unité motrice. Cet appareil est également équipé de deux autres moteurs, chaque moteur étant disposé à l'extrémité externe de deux demi-ailes, chacune étant de part et d'autre dudit fuselage. La protection porte sur une variation automatique du pas des pales en fonction des accélérations exercées sur l'appareil lors de manœuvres ou de rafales de vent par exemple, de manière à garder une répartition correcte de la portance entre le rotor et les demi-ailes. Le dispositif correspondant contribue de la sorte à une augmentation de la vitesse de translation de l'appareil en écartant les risques de décrochage des pales, sources de vibrations et de dommages des ensembles mécaniques et des structures.
Le brevet US-6,669, 137 fait état d'un aéronef équipé d'une voilure tournante pour les évolutions à très faible vitesse. Aux vitesses élevées, la voilure tournante est ralentie puis stoppée, la portance étant alors produite par une aile orientable. Aux vitesses maximales, la voilure tournante et l'aile sont orientées dans une configuration déterminée pour former, en quelque sorte, une aile en flèche.
Le giravion selon le brevet US-7, 137,591 comprend un rotor entraîné en rotation par une unité motrice notamment pour assurer le décollage, l'atterrissage et le vol vertical. Une hélice propulsive permet le vol de croisière, la portance étant générée par l'autorotation du rotor et éventuellement complétée par l'assistance d'une aile auxiliaire. De plus, le mât rotor est légèrement pivotable d'avant en arrière de façon à éliminer les effets dus à des changements d'attitude du fuselage et de nature à nuire aux performances de l'appareil par augmentation de la traînée aérodynamique.
On connaît également par le brevet US-6,467,726 un giravion comprenant au moins :
- un fuselage,
- deux ailes hautes,
- au moins quatre hélices propulsives,
- au moins deux rotors principaux, sans commande de pas cyclique, reliés chacun à chacune des deux ailes,
- deux moteurs et les moyens associés de transmission de puissance aux rotors et aux hélices, - un système de contrôle du pas collectif de chaque hélice et du pas collectif de chaque rotor.
En vol de croisière, la portance est développée par les deux ailes, de sorte que la portance due au rotor est annulée sous l'action soit d'un désaccouplement du rotor via un embrayage prévu à cet effet, soit d'une adaptation adéquate du pas collectif des pales des rotors.
Le brevet US-6,513,752 concerne un giravion comprenant :
- un fuselage et une aile,
- deux hélices à pas variable,
- un rotor avec des masses « aux extrémités » (sic),
- une source de puissance entraînant les deux hélices et le rotor,
- un moyen de contrôle pour ajuster le pas des hélices de sorte que :
• en vol d'avancement, la poussée des hélices est exercée vers l'avant de l'aéronef,
- en vol stationnaire, la fonction anticouple est réalisée par la poussée d'une hélice vers l'avant et celle de l'autre vers l'arrière de l'aéronef et le rotor est entraîné par la source de puissance,
- la source de puissance comprend un moteur et un embrayage, qui par déconnection du rotor par rapport au moteur permet au rotor de tourner plus vite qu'une sortie dudit moteur, en raison des masses précitées.
En complément, il est précisé que l'embrayage autorise le mode autogire en vol d'avancement. De plus, une boite de transmission de puissance disposée entre la source de puissance et les hélices permet auxdites hélices de fonctionner à plusieurs vitesses de rotation par rapport à la vitesse d'une sortie de ladite source de puissance.
A propos de l'art antérieur, il convient enfin de citer la demande de brevet US-2006/0269414 A1 qui traite le problème particulier de l'amélioration des performances d'un hélicoptère d'une part pendant le vol vertical et d'autre pendant le vol de croisière. On recherche alors une vitesse de rotation du rotor élevée dans le premier cas pour augmenter la portance alors que dans le deuxième cas, cette vitesse de rotation peut être réduite tout en accroissant la vitesse d'avancement de l'hélicoptère.
En conséquence, l'invention selon la demande de brevet US- 2006/0269414 A1 se rapporte plus précisément à une boîte de transmission de puissance principale associée à une deuxième boite de transmission de puissance entraînée par l'installation motrice. La deuxième boite comprend un dispositif à embrayage qui, engagé, entraîne la boîte principale à une première vitesse de rotation, le désengagement lui communiquant une deuxième vitesse de rotation inférieure à ladite première vitesse de rotation. Bien évidemment, la boîte de transmission principale met en mouvement le ou les rotor(s).
Il ressort toutefois de ces considérations que les solutions techniques tendant à augmenter les performances d'un giravion sont basées essentiellement sur les propositions suivantes :
- fonctionnement du rotor à deux vitesses de rotation distinctes relatives d'une part au vol vertical et d'autre part au vol de croisière, au moyen d'une chaîne cinématique avec des rapports de vitesses de rotation variables entre l'installation motrice, le rotor, la (ou les) hélice(s) et les différents éléments composants cette chaîne cinématique,
- fonctionnement du rotor en mode autogire en vol de croisière : le rotor en rotation et sans apport de puissance motrice, sustente alors partiellement ou totalement le giravion, mais traîne d'où malgré tout une perte de puissance en raison d'une finesse aérodynamique réduite (finesse : rapport portance/traînée), alors qu'à contrario, le rotor d'un hélicoptère propulse l'appareil dans la direction désirée par le pilote.
En particulier, on a noté que le fonctionnement d'un rotor en autorotation à la manière d'un autogire en vol de croisière, exige en principe de désolidariser l'arbre d'entraînement en rotation du rotor de l'ensemble de la chaîne cinématique de transmission de puissance.
Par suite, cette désolidarisation est obtenue par un moyen tel qu'un embrayage dont la seule fonction est de stopper la mise en mouvement de rotation du rotor par la (ou les) source(s) de puissance et ceci uniquement lors du passage du vol vertical au vol de croisière.
Un dispositif de ce type implique donc un supplément de masse, de coût et une pénalité en matière de sécurité.
- arrêt du rotor et reconfiguration de celui-ci, par exemple, un rotor tripale, arrêté dans une configuration particulière, sert d'aile en flèche pour le vol à vitesse d'avancement élevée ou encore, après arrêt, on peut envisager de replier le rotor au-dessus du fuselage lors de la phase de transition giravion/avion. On conçoit que ces solutions compliquent les réalisations techniques et contribuent à des augmentations de masse, donc de puissance installée et par conséquent de coût, sans pour autant parvenir à une optimisation de l'appareil.
La présente invention a pour objet de proposer un rotor optimisé pour un hélicoptère hybride, encore appelé éventuellement « appareil » dans la suite du texte, permettant de s'affranchir des limitations mentionnées précédemment.
De préférence, cet hélicoptère hybride doit être capable d'effectuer des missions efficacement pendant des temps prolongés en vol vertical et d'assurer des vols de croisière à une vitesse élevée mais aussi de permettre de parcourir de longues distances franchissables.
A ce titre, les différentes performances et données chiffrées correspondent à des applications concrètes et illustratives mais ne doivent, en aucune manière être considérées comme limitatives.
La mission type correspond dans ce cas par exemple au transport à 220 kt de 16 passagers dans un appareil d'une masse de l'ordre de 8 tonnes au décollage sur 400 nm (« nautic miles ») à 1500 mètres d'altitude dans les conditions ISA relatives à la définition de l'atmosphère standard.
Ces performances sont tout à fait exceptionnelles en comparaison de celles d'un hélicoptère conventionnel du type AS 332 MKII, pourtant remarquables, de la demanderesse à savoir, au même tonnage une vitesse de croisière recommandée de 141 kt pour une distance franchissable analogue et une vitesse de croisière rapide de 153 kt. Selon l'invention un hélicoptère hybride à grande distance franchissable et à vitesse d'avancement élevée dont les principaux éléments sont les suivants :
- une cellule, c'est-à-dire l'ossature générale de l'appareil, comprenant notamment :
• un fuselage,
• une surface sustentatrice fixée au fuselage,
- des surfaces de stabilisation et de manœuvre, à savoir pour la profondeur, un empennage horizontal avec au moins une gouverne de profondeur mobile par rapport à la partie avant ou « plan horizontal » et pour la direction, au moins un empennage approprié,
- une chaîne cinématique intégrée constituée par :
- un système mécanique d'interconnexion entre d'une part un rotor avec un contrôle du pas collectif et du pas cyclique des pales de ce rotor et d'autre part au moins une hélice uniquement propulsive avec un contrôle du pas collectif des pales de cette hélice,
- au moins un turbomoteur entraînant ce système mécanique d'interconnexion,
est remarquable en ce que la vitesse de rotation Ω du rotor est égale à une première vitesse de rotation Ω 1 jusqu'à une première vitesse air sur trajectoire V1 dudit hélicoptère hybride puis est réduite progressivement suivant une loi linéaire en fonction de la vitesse air sur trajectoire de l'hélicoptère hybride.
Si l'on désigne par Ω la vitesse de rotation d'un rotor de rayon R d'un hélicoptère hybride se déplaçant à une vitesse air sur trajectoire V, la vitesse résultante de l'air à l'extrémité d'une pale avançante vaut V + U avec une vitesse U égale à ΩR. Dans ces conditions, la pente de ladite loi linéaire est avantageusement égale à (-1/R) dans un système de coordonnées où la vitesse V est en abscisse et la vitesse de rotation Ω en ordonnée. En effet, le nombre de Mach en bout de pale avançante est alors maintenu constant.
En pratique, la vitesse de rotation du rotor est réduite progressivement jusqu'à une deuxième vitesse de rotation Ω2 correspondant à une deuxième vitesse air sur trajectoire V2 qui est la vitesse maximale de l'hélicoptère hybride.
Toutefois, on comprend que cet hélicoptère hybride peut voler en vol de croisière à une vitesse air sur trajectoire quelconque, inférieure ou égale à la vitesse air sur trajectoire maximale de telle sorte que la vitesse de rotation du rotor Ω est égale à sa première vitesse de rotation en dessous de V1 puis déterminée par la précédente loi linéaire entre V1 et la deuxième vitesse air sur trajectoire ou vitesse maximale V2.
Comme expliqué par la suite, cette caractéristique est essentielle en ce sens qu'elle permet de maintenir le nombre de Mach des pales du rotor en position avançante à une valeur de l'ordre de 0,85. Cette valeur est fixée de sorte à demeurer inférieure au nombre de Mach de divergence de traînée pour lequel la traînée du rotor augmente considérablement et affecte alors la finesse de l'appareil et par suite ses performances, tout en générant des vibrations pénalisantes en termes de confort, de sécurité et de durée de vie des composants dudit appareil.
En effet, la vitesse de rotation d'un rotor de giravion est conditionnée par le diamètre du rotor en raison d'une vitesse en bout de pale limitée par l'homme du métier entre 200 et 250 mètres par seconde et ceci afin d'éviter des dégradations des performances aérodynamiques dudit rotor.
Or, la vitesse la vitesse de l'air en bout de la pale dite avançante est égale à la vitesse de l'air due à la vitesse d'avancement V du giravion et de la vitesse de l'air U due à la rotation du rotor.
Par suite et à une vitesse de rotation du rotor donnée, tout accroissement de la vitesse d'avancement du giravion entraîne une augmentation proportionnelle du nombre de Mach, égal à la vitesse en bout de pale divisée par la célérité du son. Comme exprimé ci- dessus, il convient de maintenir le nombre de Mach inférieur ou égal au nombre de Mach de divergence de traînée du profil d'extrémité correspondant à l'apparition d'effets de compressibilité de l'écoulement d'air en bout de pale qui conduisent aux inconvénients précités.
A titre d'exemple et sur la base d'une part d'un nombre de Mach maximal égal à 0,85 et d'autre part d'une vitesse de 220 mètres par seconde en bout de pale due à la rotation du rotor de 16 mètres de diamètre en vol stationnaire, il s'avère que le nombre de Mach de la pale avançante atteint 0,85 pour une vitesse d'avancement du giravion égale à 125 kt, à une altitude de 1500 mètres dans les conditions ISA, soit 5°C.
On comprend donc que la vitesse d'avancement maximale prévue étant bien supérieure à cette valeur, à savoir 220 kt par exemple, il importe de remédier à toute augmentation du nombre de Mach.
Selon l'invention, il est rappelé qu'il est donc proposé à partir de 125 kt environ de réduire progressivement la vitesse de rotation du rotor de la première Ω 1 à la deuxième Ω2 vitesse de rotation dudit rotor pour limiter la vitesse de l'air en bout de pale avançante, par exemple à 171 mètres par seconde à une vitesse air sur trajectoire de 220 kt, de façon à maintenir le nombre de Mach en bout de pale avançante à 0,85.
Bien entendu, cette réduction de vitesse de rotation du rotor est accompagnée d'une diminution de portance dudit rotor. Par conséquent, l'aile compense cette diminution de portance de sorte à contribuer à 31 % à la portance à 220 kt comme précisé par la suite à propos d'un exemple d'application particulier.
Il est encore à noter que l'aile génère une portance quelle que soit la vitesse d'avancement du giravion, sauf en vol stationnaire où elle présente un effet particulier de « déportance » ou portance négative liée à une interaction aérodynamique entre le rotor et ladite aile.
En conséquence, la portance du rotor en vol de croisière est avantageusement contrôlée par un dispositif approprié de préférence automatique pour le pilotage du pas collectif et le respect de la vitesse de rotation du rotor avec les valeurs de consigne relatives à ladite vitesse de rotation du rotor.
Dans ces conditions et pour une version étudiée particulière, la vitesse de rotation Ω du rotor est égale à une première vitesse de rotation Ω 1 de l'ordre de 260 tours par minute jusqu'à la première vitesse d'avancement plus correctement dite première vitesse air sur trajectoire V1 , de l'ordre de 125 kt. Au-delà et jusqu'à une deuxième vitesse air sur trajectoire V2 de l'ordre de 220 kt, la vitesse de rotation du rotor est réduite progressivement à une deuxième valeur de rotation Ω2 de l'ordre de 205 tours par minute.
De préférence, les valeurs suivantes sont donc retenues : - première vitesse de rotation Ω 1 du rotor : 263 tr/mn
- deuxième vitesse de rotation Ω2 du rotor : 205 tr/mn
- première vitesse air sur trajectoire V1 : 125 kt
- deuxième vitesse air sur trajectoire V2 : 220 kt.
Cette solution préférée correspond à une finesse maximale du rotor de l'ordre de 12,2 entre 150 et 220 kt, la finesse de l'ensemble rotor et aile dépassant 12 au-delà de 150 kt.
Par conséquent, on est assuré que le nombre de Mach à l'extrémité des pales en position avançante est inférieur à 0,85 jusqu'à la première vitesse air sur trajectoire puis est maintenu constant et égal à 0,85 entre les première et deuxième vitesses air sur trajectoire.
Par ailleurs, les vitesses de rotation des sorties du (ou des) turbomoteur(s), de la (ou des) hélice(s), du rotor et du système mécanique d'interconnexion sont proportionnelles entre elles, le rapport de proportionnalité étant constant quelle que soit la configuration de vol de l'hélicoptère hybride en conditions normales de fonctionnement de la chaîne cinématique intégrée.
On comprend ainsi que si l'hélicoptère hybride est équipé d'un seul turbomoteur, celui-ci entraîne en rotation le rotor et la (ou les) hélice(s) via le système mécanique d'interconnexion. Par contre, si deux turbomoteurs ou plus équipent l'hélicoptère hybride, le rotor et la (ou les) hélice(s) sont alors entraînés en rotation via le système mécanique d'interconnexion par lesdits turbomoteurs.
Autrement dit, la chaîne cinématique fonctionne sans rapport de vitesse de rotation variable entre le (ou les) turbomoteurs, la (ou les) hélice(s), le rotor et le système mécanique d'interconnexion. Par conséquent et de façon avantageuse, le rotor demeure toujours entraîné en rotation par le (ou les) turbomoteur(s), et développe toujours une portance quelle que soit la configuration de l'appareil.
Ainsi, lors des phases de vol en configuration normale, c'est à dire à l'exclusion de la configuration de vol en autorotation soit dans un but d'entraînement à la panne moteur soit suite à une panne moteur réelle, ledit au moins un turbomoteur est toujours en liaison mécanique avec le rotor. Ce rotor est donc toujours entraîné en rotation par ledit au moins un turbomoteur quelle que soit la phase de vol en configuration normale, la configuration de vol en autorotation ne faisant pas partie de ces phases de vol en configuration normale.
De plus, le rotor développant toujours une portance, ce rotor est plus précisément destiné à assurer la totalité de la portance de l'hélicoptère hybride pendant les phases de décollage, d'atterrissage et de vol vertical puis partiellement pendant le vol de croisière, l'aile contribuant alors pour partie à supporter ledit hélicoptère hybride.
Par ailleurs, et comme détaillé ultérieurement, il importe de noter que la possibilité d'atteindre des vitesses d'avancement importants par l'hélicoptère hybride impose de réduire la vitesse de l'écoulement d'air en bout de pales avançantes du rotor pour éviter tout risque d'apparition de phénomènes de compressibilité dudit écoulement d'air. En d'autres termes, il faut réduire la vitesse de rotation dudit rotor sans augmenter son coefficient de portance moyen, d'où de façon subséquente une réduction de la portance exercée par ce rotor.
Ainsi, le rotor exerce partiellement la sustentation de l'hélicoptère hybride en vol de croisière avec éventuellement une faible contribution aux forces propulsives ou traction (cas de l'hélicoptère), mais sans aucune contribution à la traînée (cas de l'autogire). Ces conditions de fonctionnement conduisent donc à une fourniture réduite de puissance dédiée à la traction du rotor. A noter qu'une faible contribution aux forces propulsives se fait par une faible inclinaison du disque rotor vers l'avant de l'appareil. Ce processus dégrade très peu la finesse du rotor et se révèle par suite plus intéressant en terme de bilan de puissance qu'une demande de poussée supplémentaire exercée par la (ou les) hélice(s).
Pour ce faire, en vol de croisière, l'aile fournit le complément de portance.
De façon avantageuse, l'aile est composée de deux demi- ailes, chaque demi-aile étant de part et d'autre du fuselage. Ces demi-ailes peuvent constituer une aile haute, auquel cas elles présentent de préférence un dièdre négatif. Cependant, elles peuvent aussi constituer soit une aile basse avec de préférence un dièdre positif ou encore une aile intermédiaire avec un dièdre quelconque. La forme en plan de ces demi-ailes, selon les variantes, peut correspondre à des demi-ailes rectangulaires, effilées, en flèche avant ou arrière. De façon favorable, l'envergure de l'aile totale est comprise entre 7 et 9 mètres pour un appareil dont la masse maximale autorisée au décollage est voisine de 8 tonnes.
Dans une version préférée, l'envergure totale de l'aile est sensiblement égale au rayon du rotor, c'est-à-dire sensiblement égale à 8 mètres, la corde de cette aile étant fixée à 1 ,50 mètre soit un allongement de l'ordre de 5,30. Cependant, ces dimensions n'excluent pas une aile d'un allongement différent.
Selon une variante de l'invention, l'aile est munie d'ailerons. De préférence, l'hélicoptère hybride est équipé de deux hélices propulsives placées de part et d'autre du fuselage, avantageusement à l'extrémité des deux demi-ailes.
Pour satisfaire aux performances de l'appareil, chaque hélice a un diamètre qui peut être compris entre 2,5 et 4,5 mètres mais non exclusivement, le diamètre des hélices étant de 2,6 mètres comme expliqué ultérieurement dans une version étudiée particulière.
Bien évidemment, le rotor étant toujours entraîné mécaniquement par le (ou les) turbomoteur(s), ce rotor produit un « couple rotor résistant» ayant tendance à faire tourner le fuselage en sens inverse de celui du rotor. En général, les constructeurs installent à l'arrière du fuselage un rotor anticouple afin de compenser le couple rotor. Ce rotor anticouple d'un hélicoptère conventionnel se situe à l'arrière du fuselage et à une distance de l'ordre de 1 ,25 fois le rayon du rotor principal, de façon à éviter toute interférence mécanique entre eux. Un tel rotor requiert généralement environ 12% de la puissance du rotor principal en vol vertical. De plus, la poussée de ce rotor est également utilisée pour le contrôle en direction de l'hélicoptère.
De façon avantageuse, l'hélicoptère hybride selon l'invention ne dispose pas de rotor anticouple dans le but de simplifier les ensembles mécaniques et de réduire en conséquence la masse et le coût de l'appareil.
Dans ce cas, l'hélicoptère hybride est équipé de deux hélices au moins, chacune étant installée sur une demi-aile de chaque côté du fuselage et les fonctions anticouple et de contrôle de direction sont réalisées par utilisation d'une poussée différentielle exercée par les hélices. On note que les hélices peuvent être disposées sensiblement en alignement par rapport au plan des cordes des ailes ou demi- ailes mais encore déportées soit au dessus, soit au dessous des ailes ou demi-ailes auxquelles elles sont reliées par un mât support.
Autrement dit, et en vol vertical, l'hélice à gauche du fuselage exerce une poussée vers l'arrière de l'appareil (ou « poussée arrière » tandis que l'hélice à droite produit une poussée vers l'avant (ou « poussée avant »), dans l'hypothèse où le rotor tourne dans le sens anti-horaire, vu de dessus.
Or, l'envergure de l'aile est avantageusement de l'ordre de grandeur du rayon du rotor c'est-à-dire aussi réduite que possible en raison de la finesse élevée du rotor en vol de croisière, comme cela est expliqué ultérieurement. Il en résulte que la distance de séparation entre les deux hélices est également de l'ordre de grandeur du rayon du rotor. Dans ces conditions, la poussée des hélices est nécessairement supérieure à celle d'un rotor anticouple.
De plus et sur la base des données géométriques présentes précédemment à titre d'exemple, le diamètre des hélices doit être réduit de 3,0 mètres pour une hélice classique à 2,6 mètres environ pour l'hélicoptère hybride de manière à permettre un espace suffisant entre ledit rotor et lesdites hélices, d'où une autre augmentation de la puissance nécessaire à la fonction anticouple.
Quoiqu'il en soit, cette pénalité en terme de puissance est largement compensée par la marge importante de puissance en vol vertical (voir ultérieurement) et par les gains de masse et de coût résultant de la suppression du rotor anticouple et du système de transmission de puissance associé représenté par des lignes d'arbres horizontales et obliques de transmission de puissance et des boîtes d'engrenages dites « intermédiaire » et « arrière ».
En variante, la fonction anticouple peut également être réalisée de telle sorte que, sur l'exemple précédent, l'hélice droite développe une poussée doublée, l'hélice gauche ne fournissant pas de poussée, étant entendu que le rotor sous l'action du pas cyclique doit alors être incliné vers l'arrière de l'appareil pour équilibrer la poussée de l'hélice droite. Dans ce cas, on montre que la puissance est supérieure à celle exigée lorsque les deux hélices fournissent des poussées en sens inverse.
Naturellement, on conçoit qu'une solution intermédiaire peut correspondre à une fonction anticouple réalisée par un mixage des deux concepts précédents (poussée différentielle pure d'une part et poussée double d'autre part).
On comprend aisément qu'en raison du rapport de proportionnalité constant entre les vitesses de rotation des différents composants de la chaîne cinématique intégrée, que le (ou les) turbomoteur(s), la (ou les) hélice(s), le rotor et le système mécanique d'interconnexion fonctionnent eux aussi, au rapport de proportionnalité près à une première vitesse de rotation, ainsi qu'à une deuxième vitesse de rotation. En d'autres termes, on définit une première et une deuxième vitesses de rotation, relatives respectivement à une première et une deuxième vitesses air sur trajectoire, à propos du (ou des) turbomoteur(s), de la (ou des) hélice(s) et du système mécanique d'interconnexion. On note que ces deuxièmes vitesses de rotation correspondent à 78% des premières vitesses de rotation (vitesses nominales : 100% des premières vitesses de rotation) dans le cas d'application déjà commenté. Bien évidemment, les vitesses de rotation du (ou des) turbomoteur(s), de la (ou des) hélice(s) et du système mécanique d'interconnexion sont réduites progressivement entre leurs première et deuxième vitesses de rotation respectives, conformément à l'évolution de la vitesse de rotation du rotor entre ses propres première et deuxième vitesses de rotation selon une loi linéaire ou sensiblement linéaire.
A ce propos, il convient de rappeler qu'il n'est en aucun cas fait appel à des rapports de vitesses de rotation variables entre l'installation motrice, le rotor, la (ou les) hélice(s) et les différents composants de la chaîne cinématique intégrée.
Bien entendu, le pas collectif et le pas cyclique des pales du rotor sont adaptés à l'évolution de la vitesse de rotation du rotor, en fonction de la vitesse air sur trajectoire de l'appareil.
De même, le pas collectif des hélices est contrôlé automatiquement pour fournir la poussée nécessaire.
Un autre avantage selon l'invention consiste en vol de croisière à contrôler le pas cyclique longitudinal du rotor afin de maintenir l'attitude du fuselage à un angle de tangage (ou angle d'assiette longitudinale) égal à la pente de la trajectoire, de façon à annuler l'angle d'incidence du fuselage par rapport à l'air et minimiser ainsi les traînées dudit fuselage. Par suite et lors d'un vol de croisière en palier, l'assiette longitudinale de l'hélicoptère hybride sera maintenue à une valeur nulle. Par ailleurs et de façon avantageuse, le moment de tangage du fuselage doit également être réglé grâce à la manœuvre d'au moins une gouverne de profondeur mobile équipant l'empennage horizontal via par exemple un actionneur électrique de façon à compenser tout déport du centre de gravité dudit hélicoptère hybride : ce réglage est obtenu en principe quand le moment de flexion exercé sur le mât rotor par rapport à l'axe de tangage, mesuré par des jauges de contrainte par exemple, est annulé.
En effet, il est avantageux de pouvoir régler, voire d'annuler, le moment de tangage du fuselage car, d'une part celui-ci agit directement sur le moment de flexion dans le mât rotor et donc sur les sollicitations en fatigue de ce dernier, et d'autre part traduit l'équilibre global de l'appareil résultant de la répartition de puissance entre les hélices et le rotor. Or cette répartition influe sur le bilan global de puissance car les hélices et le rotor ont des rendements respectifs différents.
Pendant cette opération, la répartition de la puissance entre le rotor et les hélices peut varier significativement en fonction de l'inclinaison du disque rotor en raison de sa contribution aux variations de la traînée totale et de la propulsion de l'appareil. A titre d'exemple, la puissance nécessaire en vol de croisière à grande vitesse est due principalement à la traînée parasite de l'appareil. A 140 kt, la puissance parasite représente approximativement 50% de la puissance totale requise et peut atteindre 75% à 220 kt, soit trois fois la puissance nécessaire à la sustentation. L'efficacité à grande vitesse dépend donc d'une minimisation de cette traînée parasite.
L'hélicoptère hybride est également novateur en ce qu'il comprend des premiers moyens pour commander éventuellement automatiquement l'angle de braquage de ladite au moins une gouverne de profondeur en fonction du moment de flexion exercé sur le mât rotor par rapport à l'axe de tangage dudit hélicoptère hybride et des deuxièmes moyens pour commander le pas cyclique des pales dudit rotor afin de piloter l'assiette longitudinale de l'hélicoptère hybride en fonction des conditions de vol. Comme on le conçoit, ce pilotage est rendu possible grâce aux deux degrés de liberté offerts par le braquage d'au moins une gouverne de profondeur et d'autre part, par le pilotage du pas cyclique des pales du rotor, les premiers et deuxièmes moyens étant indépendants les uns des autres.
En pratique, le réglage de la gouverne de profondeur peut se faire de façon manuelle dans une version simplifiée. Il y a alors nécessité de disposer sur la planche de bord, un indicateur du moment de flexion exercé sur le mât rotor que le pilote doit maintenir dans une plage déterminée grâce à une action manuelle sur ladite gouverne de profondeur mobile ou encore sur l'actionneur électrique.
Lorsque la manœuvre de la gouverne de profondeur est effectuée de façon automatique dans une version améliorée, lesdits premiers moyens, en commandant automatiquement l'angle de braquage de ladite au moins une gouverne de profondeur, ajustent le moment de tangage dudit hélicoptère hybride à une première valeur de consigne qui est de préférence égale à zéro.
Ces premiers moyens comprennent un calculateur qui commande un actionneur électrique entraînant en rotation ladite au moins une gouverne de profondeur selon un angle de braquage qui adapte le moment de tangage de l'hélicoptère hybride à ladite première valeur de consigne.
Pour ce faire, ledit calculateur détermine le moment de flexion exercé sur le mât rotor par rapport à l'axe de tangage déduit des informations issues de capteurs, ledit calculateur cessant de braquer ladite gouverne de profondeur quand le moment de flexion exercé sur le mât rotor est dans une plage prédéterminée correspondant sensiblement à la première valeur de consigne, préférentiellement égale à zéro, du moment de tangage dudit hélicoptère hybride.
Autrement dit, l'expression « première valeur de consigne du moment de tangage » désigne aussi bien une valeur précise qu'une étroite plage de valeurs de ce moment de tangage en raison notamment de la dépendance du moment de flexion exercé sur le mât rotor vis-à-vis du moment de tangage de l'hélicoptère hybride.
En outre, le moment de tangage étant contrôlé et de préférence annulé, il convient encore de contrôler l'assiette longitudinale de l'hélicoptère hybride et notamment de l'annuler pour minimiser les traînées parasites. Les deuxièmes moyens adaptent donc ladite assiette longitudinale à une deuxième valeur de consigne, de préférence égale à zéro. Ces deuxièmes moyens comprennent un manche cyclique qui commande le pas cyclique, notamment longitudinal, des pales du rotor via un plateau cyclique et des leviers de pas.
Bien entendu, on rappelle que le pas cyclique latéral intervient également pour les évolutions en lacet de l'appareil, les variations du pas collectif des pales du rotor faisant seulement varier la portance de chaque pale dans les mêmes proportions.
Naturellement, l'empennage approprié pour le pilotage en lacet de l'hélicoptère hybride peut avantageusement comprendre en avant une partie fixe ou dérive et une partie mobile ou gouverne de direction. Bien évidemment, l'appareil peut être équipé de plusieurs empennages, sensiblement verticaux ou éventuellement inclinés par rapport à la verticale, munis chacun d'une gouverne de direction.
Les différentes fonctionnalités précédemment présentées sont possibles grâce à un système mécanique d'interconnexion approprié pour la transmission de puissance. Un tel système doit permettre la transmission de couples importants en raison notamment d'un niveau de puissance absorbée élevée et d'une vitesse de rotation du rotor relativement faible. Cela exige de grands rapports de réduction des vitesses de rotation entre différents constituants de la chaîne cinématique tout en respectant une masse aussi faible que possible et en assurant une bonne endurance et une sécurité totale.
En pratique le système mécanique d'interconnexion comprend les principaux composants suivants :
- une première boîte d'engrenages principale située au niveau du fuselage pour l'entraînement du rotor à 263 tr/mn au régime nominal de rotation (100% de la première vitesse de rotation du rotor), ou première vitesse de rotation du rotor,
- deux deuxièmes boîtes d'engrenages pour l'entraînement des hélices, une boîte d'engrenage entraînant chaque hélice à 2000 tr/mn au régime de rotation nominal, ou première vitesse de rotation de chaque hélice,
- un premier arbre, mis en rotation par la première boîte d'engrenages, pour l'entraînement du rotor,
- deux deuxièmes arbres, chacun d'eux étant disposé dans une demi-aile respective, sensiblement au quart de corde, et distribuant la puissance au rotor et aux hélices, la vitesse de rotation de ces arbres étant en outre de 3000 tr/mn au régime nominal de rotation ou première vitesse de rotation des deuxièmes arbres,
- les deux deuxièmes arbres sont entraînés en rotation par un ou plusieurs turbomoteurs via un ou plusieurs modules associés qui, selon le type de turbomoteurs, réduisent la vitesse des turbomoteurs de 21000 tr/mn ou de 6000 tr/mn à 3000 tr/mn pour la première vitesse de rotation desdits arbres.
Cette architecture reste valable pour un montage des turbomoteurs aussi bien au niveau du fuselage que sur les demi- ailes. Dans ce dernier cas, chaque module de réduction de vitesse est intégré à la deuxième boîte d'engrenages des hélices correspondante au lieu d'être disposé de part et d'autre de la première boîte d'engrenages principale.
En version de base, la première boîte d'engrenages principale comprend deux étages, à savoir :
- une couronne dentée spiroconique entraînée par deux engrenages coniques, connectés chacun à l'un desdits deuxièmes arbres,
- cette couronne entraînant à 1000 tr/mn, à la première vitesse de rotation de l'installation, le planétaire d'un étage épicycloïdal de façon à mettre en rotation le rotor via des pignons satellites en rotation sur une couronne externe fixe.
Les deux modules associés comportent un ou deux étages de réduction en fonction de la vitesse de rotation des sorties des turbomoteurs. En général, un étage suffit pour une vitesse de sortie d'un turbomoteur à 6000 tr/mn alors que deux étages sont nécessaires pour une vitesse de sortie de 21 000 tr/mn.
Par ailleurs, les deux deuxièmes boîtes d'engrenages sont équipées d'un seul étage de réduction de vitesse, la première vitesse de rotation des hélices (régime nominal de rotation) étant de l'ordre de 2 000 tr/mn. Bien évidemment, le nombre de turbomoteurs n'est pas limitatif.
L'invention et ses avantages apparaîtront avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit avec des exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées qui représentent :
- figure 1 : une vue en perspective schématique d'un exemple de réalisation d'un hélicoptère hybride selon l'invention,
- figure 2 : une vue schématique de la chaîne cinématique.
- figure 3 : un schéma du dispositif de réglage de l'assiette longitudinale de l'hélicoptère hybride.
- figure 4 : un schéma de la loi de variation de la vitesse de rotation du rotor en fonction de la vitesse d'avancement de l'hélicoptère hybride.
Les éléments présents dans plusieurs figures distinctes sont affectés d'une seule et même référence.
Sur la figure 1 , on a représenté un hélicoptère hybride 1 , réalisé conformément à l'invention.
Comme cela est usuel, l'hélicoptère hybride 1 comprend un fuselage 2, à l'avant duquel est prévu le poste de pilotage 7, un rotor 10 destiné à entraîner en rotation des pales 1 1 grâce d'une part à deux turbomoteurs 5 disposés sur le dessus du fuselage 2 (non visibles sur la figure 1 en raison de la présence de carénages), de part et d'autre par rapport au plan de symétrie longitudinal de l'appareil, et d'autre part à une première boîte d'engrenages principale MGB, non représentée sur la figure 1. De plus, l'hélicoptère hybride 1 est pourvu d'une aile haute 3 composée de deux demi-ailes 8 disposées sur le dessus du fuselage 2, ces demi-ailes 8 ayant une forme en plan sensiblement rectangulaire et présentant un dièdre négatif.
La propulsion de l'hélicoptère hybride 1 est assurée par deux hélices 6 entraînées par les deux turbomoteurs 5, une hélice 6 étant disposée à chaque extrémité externe de l'aile 3.
Par ailleurs, il est prévu, au voisinage de l'extrémité arrière du fuselage 2, des surfaces de stabilisation et de manoeuvre à savoir pour la profondeur, un empennage horizontal 30 avec deux gouvernes de profondeur mobiles 35 par rapport à la partie avant 34 et pour la direction deux empennages verticaux 40, chacun de chaque côté de l'empennage horizontal 30.
En l'occurrence, l'empennage horizontal 40 et les empennages verticaux 50 forment un U renversé vers le fuselage 2.
Avantageusement, les empennages 40, verticaux ou inclinés par rapport à la verticale, peuvent être constitués d'une partie avant fixe ou dérive 44 avec en arrière une partie mobile, ou gouverne de direction 45 pour le pilotage en lacet.
Du point de vue dimensionnel, l'hélicoptère hybride 1 correspond de préférence aux caractéristiques suivantes, relatives à un appareil d'environ 8 tonnes de masse maximale autorisée au décollage :
- diamètre D du rotor : 16 mètres environ,
- diamètre d des hélices : 2,6 mètres,
- envergure L de l'aile : 8 mètres,
- allongement λ de l'aile : 5,3. De plus, l'hélicoptère hybride 1 est équipé d'une chaîne cinématique intégrée 4, qui, outre les deux turbomoteurs 5, le rotor 10 et les deux hélices 6, comprend un système mécanique d'interconnexion 15 entre ces éléments comme schématisé sur la figure 2, qui correspond à une représentation simplifiée de sorte qu'il faut comprendre que le rotor 10 et les hélices 6 sont en rotation dans des plans sensiblement orthogonaux et non parallèles.
Avec cette configuration, cet hélicoptère hybride 1 est remarquable en ce que les vitesses de rotation des sorties des turbomoteurs, des hélices, du rotor et du système mécanique d'interconnexion sont proportionnelles entre elles, le rapport de proportionnalité étant constant quelle que soit la configuration de vol de l'hélicoptère hybride en conditions normales de fonctionnement de la chaîne cinématique intégrée.
Bien évidemment, des dispositifs particuliers, sortant du cadre de l'invention, sont activés lors de pannes mécaniques éventuelles.
En référence à la figure 2, le système mécanique d'interconnexion comprend les principaux composants suivants :
- une première boîte d'engrenages principale MGB située au niveau du fuselage 2 entraînant le rotor 10 à 263 tr/mn au régime nominal de rotation (ou la première vitesse de rotation du rotor),
- deux deuxièmes boîtes d'engrenages PGB d'entraînement des hélices 6, une boîte d'engrenages PGB entraînant chaque hélice 6 à 2000 tr/mn au régime de rotation nominal,
- un premier arbre A1 , mis en rotation par la première boîte d'engrenages MGB, pour l'entraînement du rotor 10, - deux deuxièmes arbres A2, chacun d'eux étant disposé dans une demi-aile 8 respective, sensiblement au quart de corde, et distribuant la puissance au rotor 10 et aux hélices 6, la vitesse de rotation de ces arbres étant en outre de 3000 tr/mn au régime nominal de rotation ou première vitesse de rotation des deuxièmes arbres,
- les deux deuxièmes arbres A2 sont entraînés en rotation par les deux turbomoteurs 5 via deux modules associés M qui, selon le type de turbomoteurs, réduisent la vitesse des turbomoteurs 5 de 21000 tr/mn ou de 6000 tr/mn à 3000 tr/mn pour la première vitesse de rotation desdits arbres.
En version de base, la première boîte d'engrenages principale MGB comprend deux étages, à savoir :
- une couronne dentée spiroconique C1 entraînée par deux engrenages coniques C2, connectés chacun à l'un desdits deuxièmes arbres A2,
- cette couronne C1 entraînant à 1000 tr/mn, à la première vitesse de rotation de l'installation, le planétaire P d'un étage épicycloïdal de façon à mettre en rotation le rotor via des pignons satellites S en rotation sur une couronne externe fixe CE.
Les différentes dispositions précédentes confèrent à l'hélicoptère hybride 1 les autres caractéristiques suivantes :
- finesse f du rotor de l'ordre de 12,2 pour une vitesse air sur trajectoire supérieure à 150 kt,
- finesse F du rotor et de l'aile de l'ordre de 12 pour une vitesse air sur trajectoire supérieure à 150 kt,
- vitesse maximale de l'appareil : 220 kt, - portance du rotor : 1 ,05 fois le poids de l'hélicoptère en vol vertical et entre 0,6 et 0,9 fois ce poids à la vitesse air sur trajectoire maximale, le rotor 10 étant entraîné en permanence par les turbomoteurs 5 avec une puissance absorbée réduite en vol de croisière à 500 kW environ.
De façon préférentielle, on note que le rapport de la portance du rotor 10 au poids de l'hélicoptère hybride 1 prend successivement les valeurs intermédiaires de 0,98 à 50 kt/0,96 à 80 kt/0,90 à 125 kt/0,85 à 150 kt et 0,74 à 200 kt.
En outre, l'hélicoptère hybride 1 est tel que le pas collectif et le pas cyclique des pales 1 1 du rotor 10 sont contrôlés et adaptés en fonction des conditions de vol.
Au sujet des hélices 6, seul le pas collectif est contrôlé et adapté en fonction des conditions de vol.
Par ailleurs, l'hélicoptère hybride 1 est réglé en vol de croisière à grande vitesse de telle sorte que le rotor 10 exerce une portance avec une éventuelle faible contribution aux forces propulsives mais sans aucune contribution à la traînée. Naturellement, ceci nécessite une puissance absorbée par ledit rotor 10 pour équilibrer le couple généré par la traînée de profil et la traînée induite des pales 1 1 du rotor 10, mais cette puissance est relativement réduite soit environ 500 kW comme vu précédemment en raison de la finesse du rotor de l'ordre de 12,2 au-delà de 150 kt.
La faible contribution aux forces propulsives est faite par une légère inclinaison du disque rotor vers l'avant de l'appareil, cette solution pouvant se révéler plus favorable en terme de bilan de puissance qu'un supplément de poussée des hélices en raison d'une finesse du rotor peu sensible aux faibles variations d'assiette de l'hélicoptère hybride.
Par ailleurs, il est avantageux de pouvoir régler le moment de tangage du fuselage car, d'une part celui-ci agit directement sur le moment de flexion dans le mât rotor et donc sur les sollicitations en fatigue de ce dernier, et d'autre part traduit l'équilibre global de l'appareil résultant de la répartition de puissance entre les hélices et le rotor. Or, cette répartition influe sur le bilan global de puissance car les hélices et le rotor ont des rendements respectifs différents.
De la sorte, et selon la figure 3, la manœuvre de préférence automatique d'au moins une gouverne de profondeur mobile 35 équipant l'empennage horizontal 30 par un actionneur électrique 70 permet de régler, voire d'annuler tout moment de tangage résultant du déport du centre de gravité par rapport à la ligne d'action de la portance dudit hélicoptère hybride : ce réglage est obtenu quand le moment de flexion du mât rotor 12 par rapport à l'axe de tangage mesuré par des jauges de contrainte 71 par exemple, est annulé. En général, cette manœuvre est relativement lente de sorte qu'un tel actionneur porte souvent le nom de TRIM selon la désignation anglo-saxonne.
En outre et indépendamment, le pas cyclique longitudinal du rotor 10 est piloté et adapté en fonction des conditions de vol afin de maintenir l'attitude du fuselage à un angle d'assiette longitudinale égal à la valeur de la pente de la trajectoire de façon à annuler l'angle d'incidence du fuselage et minimiser ainsi les traînées de ce fuselage. Par suite et lors d'un vol de croisière en palier, l'assiette longitudinale de l'hélicoptère hybride 1 sera maintenue à une valeur nulle. En pratique, le réglage de la gouverne de profondeur peut se faire de façon manuelle dans une version simplifiée. Il y a alors nécessité de disposer sur la planche de bord, un indicateur du moment de flexion du mât rotor 12 que le pilote doit maintenir dans une plage déterminée grâce à une action manuelle sur ladite gouverne de profondeur mobile 35 ou encore sur l'actionneur électrique 70.
Lorsque la manœuvre de la gouverne de profondeur 35 est effectuée de façon automatique dans une version améliorée, l'actionneur électrique 70 est commandé par un calculateur 60 qui détermine le moment de flexion exercé sur le mât rotor 12, déduit des informations issues des capteurs 71 , de préférence des jauges de contrainte disposées sur ledit mât rotor 12. De cette façon, le calculateur 60 cesse de braquer ladite au moins une gouverne de profondeur 35 autour de l'axe AX quand le moment de flexion exercé sur le mât rotor par rapport à l'axe de tangage est dans une plage prédéterminée correspondant sensiblement à la première valeur de consigne, préférentiellement égale à zéro, du moment de tangage dudit hélicoptère hybride 1.
De la sorte, le calculateur 60, l'actionneur électrique 70 et les capteurs 71 constituent des premiers moyens pour commander automatiquement l'angle de braquage de ladite au moins une gouverne de profondeur 35 en fonction du moment de flexion exercé sur le mât rotor 12 par rapport à l'axe de tangage de l'hélicoptère hybride 1. Bien évidemment, on peut utiliser plusieurs gouvernes 35 pour cette opération.
De façon indépendante, des deuxièmes moyens (13, 14, 16, 17) commandent le pas cyclique des pales 1 1 du rotor 10 afin de piloter l'assiette longitudinale de l'hélicoptère hybride 1 en fonction des conditions de vol en l'adaptant à une deuxième valeur de consigne relative à ladite assiette longitudinale. Avantageusement, ladite deuxième valeur de consigne correspond donc à un angle d'assiette longitudinale égal à la valeur de la pente de la trajectoire de l'appareil, comme vu ci- dessus.
En conséquence, cette deuxième valeur de l'assiette longitudinale est égale à zéro lors d'un vol en palier de l'hélicoptère hybride 1.
Lesdits deuxièmes moyens comprennent un manche cyclique 13 qui commande des servocommandes 14 pour imposer le pas cyclique des pales 1 1 du rotor 12 via un plateau cyclique 16 et des leviers de pas 17.
En pratique, il s'avère que le pilote peut utiliser un horizon artificiel pour assurer une assiette longitudinale nulle en vol de palier via l'utilisation des deuxièmes moyens (13, 14, 16, 17).
Par contre, un système adapté est à mettre en oeuvre dans le cas d'une pente quelconque de la trajectoire.
Pour ce faire, lesdits deuxièmes moyens sont complétés par un dispositif d'asservissement automatique 80 de l'assiette longitudinale de l'hélicoptère hybride 1 , ce dispositif d'asservissement automatique 80 étant intégré dans un pilote automatique 81 et comprenant spécifiquement un GPS (Global Positionning System) 82 pour déterminer ladite pente de la trajectoire, et une centrale AHRS (Attitude and Heading Référence System) 83 pour définir l'assiette de l'hélicoptère hybride 1 de façon à en déduire l'incidence du fuselage dudit hélicoptère hybride 1 par rapport à l'écoulement d'air et à l'annuler avec en complément une installation anémométrique 84 pour corriger les erreurs liées aux perturbations liées au vent. En fait, cette opération de réglage consiste à bien positionner le fuselage 2 ainsi que le rotor 10 à une incidence sensiblement nulle par rapport à l'écoulement d'air, donc avec une traînée d'ensemble minimale et une finesse maximale. Par rapport à un fonctionnement en mode autogire, le bilan est favorable, la raison étant que pour de petites variations d'assiette longitudinale du rotor, la finesse de ce rotor ne varie pratiquement pas. Par suite, « tracter » le rotor se fait à iso-rendement global.
Du point de vue de la mécanique du vol, il est rappelé que le rotor 10 est destiné à assurer la totalité de la portance de l'hélicoptère hybride 1 pendant les phases de décollage, d'atterrissage et de vol vertical puis partiellement pendant le vol de croisière, l'aile 3 contribuant alors pour partie à supporter ledit hélicoptère hybride 1.
Bien évidemment, le rotor 10 étant toujours entraîné mécaniquement par les turbomoteurs 5, ce rotor 10 produit un « couple rotor résistant » ayant tendance à faire tourner le fuselage 2 en sens inverse de celui du rotor 10.
L'hélicoptère hybride 1 selon l'invention ne dispose pas de rotor anticouple dans le but de simplifier les ensembles mécaniques et de réduire en conséquence la masse et le coût de l'appareil.
Par conséquent, l'hélicoptère hybride 1 étant équipé de deux hélices 6, chacune étant installée sur une demi-aile 8 de chaque côté du fuselage 2, les fonctions anticouple et de contrôle de direction sont prévues par utilisation d'une poussée différentielle exercée par les hélices.
Autrement dit, et en vol vertical, l'hélice 6 à gauche du fuselage exerce une poussée vers l'arrière de l'appareil (ou « poussée arrière ») tandis que l'hélice 6 à droite produit une poussée vers l'avant (ou « poussée avant »), dans l'hypothèse où le rotor 10 tourne dans le sens anti-horaire, vu de dessus.
En variante, la fonction anticouple peut également être réalisée de telle sorte que, sur l'exemple précédent, l'hélice droite 6 développe par exemple une poussée doublée, l'hélice gauche 6 ne fournissant pas de poussée, étant entendu que le rotor 10 doit alors être incliné vers l'arrière de l'appareil pour équilibrer la poussée de l'hélice droite. Dans ce cas, on montre que la puissance est supérieure à celle exigée lorsque les deux hélices fournissent des poussées en sens inverse.
Par conséquent et sur la base de l'exemple présentement décrit et de la figure 4, la vitesse de rotation du rotor 10 est égale à une première vitesse de rotation Ω 1 de 263 tours par minute jusqu'à une première vitesse d'avancement V1 plus correctement dite première vitesse air sur trajectoire de 125 kt. Au-delà et jusqu'à une deuxième vitesse air sur trajectoire V2 de 220 kt, la vitesse de rotation du rotor est réduite progressivement à une deuxième valeur de rotation Ω2 de 205 tours par minute. La réduction progressive de la vitesse de rotation du rotor 10 entre les première et deuxième vitesses sur trajectoire évolue selon une loi linéaire de pente (-1/R), R étant le rayon du rotor, dans un système de coordonnées où la vitesse V est en abscisse et la vitesse de rotation Ω du rotor (10) en ordonnée.
En effet, il est connu par l'homme du métier que si la vitesse de l'air augmente, le nombre de Mach à l'extrémité de la pale avançante d'un rotor de giravion atteint le nombre de Mach dit de divergence de traînée.
Alors et à un nombre de Mach maximal inférieur ou égal au nombre de Mach dit de divergence de traînée du profil d'extrémité de pale, la vitesse de rotation du rotor doit être progressivement réduite en fonction de l'augmentation de la vitesse d'avancement de l'appareil de façon à ne pas dépasser cette limite.
Si l'on désigne par c la vitesse du son, le nombre de Mach en bout de pale avançante est égal à l'expression (V+U)/c ou encore (V+ Ω R)/c. Imposer un nombre de Mach maximal égal à Mm revient bien à faire varier Ω selon la loi linéaire [(c.Mm-V)/R].
En supposant un nombre de Mach maximal égal à 0,85 et une vitesse périphérique (extrémité de pale) de 220 m/s en vol vertical (vitesse de rotation du rotor de 263 tr/mn), le nombre de Mach des pales 1 1 en positon avançante atteint 0,85 à une vitesse air sur trajectoire de 125 kt à une altitude de 1500 mètres dans les conditions ISA (température air extérieure : 5°C).
Entre 125 et 220 kt, la vitesse de rotation Ω est adaptée conformément à la loi précitée.
A une vitesse air sur trajectoire de l'appareil de 220 kt, la vitesse de l'air en bout de pale due à la rotation vaut alors 171 m/s (vitesse de rotation rotor : 205 tr/mn ou 78% de la vitesse de rotation nominale du rotor) et le paramètre d'avancement μ est égal à 0,66. A cette valeur du paramètre d'avancement, la portance du rotor ne peut pas être maintenue sans un accroissement important de la corde des pales (60% d'accroissement, ce qui conduirait à un hélicoptère conventionnel avec quatre pales d'un mètre de corde), afin de garder un coefficient de portance moyen des pales Czm inférieur à 0,5 et d'éviter ainsi le décrochage de la pale reculante. Il est clair qu'un tel surdimensionnement des pales à grande vitesse d'avancement conduirait à une augmentation significative de la masse de l'appareil et à une pénalisation des performances. En conséquence, le rotor de l'hélicoptère hybride 1 , d'environ 8 tonnes de masse maximale autorisée au décollage, est progressivement déchargé par une aile 3 d'envergue L réduite qui développe une portance de l'ordre de 31 % à 220 kt. Dans ces conditions, lorsque la vitesse air sur trajectoire augmente, le coefficient de portance Czm des pales de 0,5 en vol vertical (déportance de l'aile estimée à 4,5%) diminue pour atteindre 0,43 à 125 kt en raison de l'augmentation de portance de l'aile 3 pour augmenter et atteindre une valeur de 0,54 à 220 kt en raison de la réduction de la vitesse de rotation du rotor à 78% de la vitesse de rotation nominale. Dans ces conditions, le rotor fonctionne à une finesse maximale de l'ordre de 12,2.
En définitive, l'architecture générale de l'hélicoptère hybride 1 selon l'invention complétée par :
- un rapport de proportionnalité constant entre les vitesses de rotation des turbomoteurs 5, du rotor 10, des hélices 6 et du système mécanique d'interconnexion 15, la chaîne cinématique étant en rotation à une première vitesse jusqu'à une première vitesse d'avancement de l'appareil, puis décroissante à une deuxième vitesse de rotation jusqu'à une deuxième vitesse d'avancement égale à la vitesse maximale d'avancement,
- un dispositif 70 de contrôle et de maintien de l'assiette longitudinale de l'appareil à une valeur nulle et sans rotor arrière,
- une chaîne cinématique intégrée 4,
- un système mécanique d'interconnexion 15, préféré à un rotor thermopropulsé, pour un meilleur rendement mécanique, et un moindre bruit,
contribuent à l'obtention de performances élevées. Ainsi, l'hélicoptère hybride 1 est caractérisé par une polyvalence exceptionnelle qui permet d'optimiser le compromis entre la vitesse, la distance franchissable et la masse de l'appareil. A titre d'exemple et avec environ deux tonnes de carburant, on peut obtenir les performances suivantes pour un hélicoptère hybride 1 de l'ordre de huit tonnes transportant seize passagers :
- autonomie en vol vertical : 4,2 heures,
- distance franchissable à 220 kt : 51 1 nm,
- distance franchissable à la vitesse de croisière économique de 125 kt : 897 nm.
De même et encore à titre d'exemple, une mission de 400 nm à 220 kt est réalisable avec environ 1 ,6 tonne de carburant et 20 minutes de réserve.
Ces résultats démontrent l'importante flexibilité et adaptabilité de l'hélicoptère hybride 1 et les avantages par rapport à un hélicoptère conventionnel. En effet, la vitesse de croisière d'un hélicoptère conventionnel n'a qu'une influence mineure sur la consommation de carburant pendant la mission, la vitesse maximale de croisière étant relativement proche de la vitesse en croisière économique de sorte que la seule possibilité offerte pour augmenter de façon significative la distance franchissable de l'appareil est de réduire le nombre de passagers au profit d'une quantité de carburant supplémentaire.
Naturellement, la présente invention est sujette à de nombreuses variations quant à sa mise en œuvre. En particulier, il importe de noter que l'invention telle que décrite concerne notamment un hélicoptère hybride de l'ordre de 8 tonnes de masse totale. Toutefois, cette invention est applicable à tout giravion d'une masse quelconque, d'un drone à faible masse par exemple jusqu'à un appareil de très gros tonnage. Bien que plusieurs modes de réalisations aient été décrits, on comprend bien qu'il n'est pas concevable d'identifier de manière exhaustive tous les modes possibles. Il est bien sûr envisageable de remplacer un moyen décrit par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Hélicoptère hybride (1 ) à grande distance franchissable et à vitesse d'avancement élevée comprenant :
- une cellule composée par :
• un fuselage (2),
• une surface sustentatrice (3), fixée au fuselage (2),
• des surfaces de stabilisation et de manœuvre, à savoir pour la profondeur, un empennage horizontal (30) avec au moins une gouverne de profondeur (35) mobile par rapport à la partie avant (34) et pour la direction, au moins un empennage approprié (40).
- une chaîne cinématique intégrée (4) constituée par :
• un système mécanique d'interconnexion (15) entre d'une part un rotor (10) de rayon (R) avec un contrôle du pas collectif et du pas cyclique des pales (1 1 ) dudit rotor (10) et d'autre part au moins une hélice (6) avec un contrôle du pas collectif des pales de ladite hélice (6),
• au moins un turbomoteur (5) entraînant ce système mécanique d'interconnexion (15),
caractérisé en ce que, ledit rotor (10) étant toujours entraîné en rotation par ledit au moins un turbomoteur (5) quelle que soit la phase de vol en configuration normale dudit hélicoptère hybride, la vitesse de rotation ( Ω) du rotor (10) est égale à une première vitesse de rotation ( Ω 1 ) jusqu'à une première vitesse air sur trajectoire (V1 ) dudit hélicoptère hybride (1 ) puis est réduite progressivement suivant une loi linéaire en fonction de la vitesse air sur trajectoire dudit hélicoptère hybride (1 ).
2. Hélicoptère hybride (1 ) selon la revendication 1 ,
caractérisé en ce que la pente de ladite loi linéaire est égale à (- 1/R) dans un système de coordonnées où la vitesse air sur trajectoire (V) de l'hélicoptère hybride (1 ) est en abscisse et la vitesse de rotation ( Ω) du rotor est en ordonnée.
3. Hélicoptère hybride (1 ) selon les revendications 1 ou 2,
caractérisé en ce que à partir de la première vitesse de rotation ( Ω 1 ), la vitesse de rotation ( Ω) du rotor (10) est réduite progressivement à une deuxième vitesse de rotation ( Ω2) jusqu'à une deuxième vitesse air sur trajectoire (V2) de l'hélicoptère hybride (1 ).
4. Hélicoptère hybride (1 ) selon les revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que la première vitesse de rotation ( Ω 1 ) du rotor (10) est de l'ordre de 260 tours par minute.
5. Hélicoptère hybride (1 ) selon la revendication 4,
caractérisé en ce que la première vitesse de rotation ( Ω 1 ) du rotor (10) est sensiblement égale à 263 tours par minute, le diamètre du rotor (10) étant sensiblement égal à 16 mètres.
6. Hélicoptère hybride (1 ) selon les revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que la première vitesse air sur trajectoire (V1 ) est sensiblement égale à 125 kt.
7. Hélicoptère hybride (1 ) selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la deuxième vitesse de rotation ( Ω2) du rotor
(10) est sensiblement égale à 205 tours par minute.
8. Hélicoptère hybride (1 ) selon l'une quelconque des revendications 3 à 7,
caractérisé en ce que la deuxième vitesse air sur trajectoire (V2) est sensiblement égale à 220 kt.
9. Hélicoptère hybride (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que le nombre de Mach à l'extrémité des pales
(1 1) en position avançante est inférieur à 0,85 jusqu'à la première vitesse air sur trajectoire (V1 ) puis est maintenu constant et égal à 0,85 entre les première et deuxième vitesses air sur trajectoire.
10. Hélicoptère hybride (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que la finesse (f) du rotor (10) est de l'ordre de 12,2 pour une vitesse air sur trajectoire supérieure à 150 kt.
1 1. Hélicoptère hybride (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que la finesse (F) de l'ensemble aile (3) et rotor (10) est supérieure à 12 pour une vitesse air sur trajectoire supérieure à 150 kt.
12. Hélicoptère hybride (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que les vitesses de rotation de sortie dudit au moins un turbomoteur (5), de ladite au moins une hélice (6), du rotor (10) et du système mécanique d'interconnexion (15) sont proportionnelles entre elles, le rapport de proportionnalité étant constant quelque soit la configuration de vol de l'hélicoptère hybride (1 ) en conditions normales de fonctionnement de la chaîne cinématique intégrée.
13. Hélicoptère hybride (1 ) selon la revendication 12,
caractérisé en ce que ledit rotor (10) exerce d'une part la totalité de la portance nécessaire au décollage, à l'atterrissage, en vol stationnaire et en vol vertical et d'autre part toujours une partie de la portance nécessaire en vol de croisière, ledit rotor (10) étant toujours entraîné en rotation par ledit au moins un turbomoteur (5), et ce sans contribution ni à la traction, ni à la traînée.
14. Hélicoptère hybride (1 ) selon la revendication 12,
caractérisé en ce que ledit rotor (10) exerce d'une part la totalité de la portance nécessaire au décollage, à l'atterrissage, en vol stationnaire et en vol vertical et d'autre part toujours une partie la portance nécessaire en vol de croisière, ledit rotor (10) étant toujours entraîné en rotation par ledit au moins un turbomoteur (5), et ce avec une faible contribution à la traction, mais aucune contribution à la traînée.
15. Hélicoptère hybride (1 ) selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14,
caractérisé en ce que la portance développée par le rotor (10) vaut 1 ,05 fois environ la masse de l'hélicoptère hybride (1 ) pour une vitesse air sur trajectoire nulle et 0,69 fois cette masse de l'hélicoptère à la vitesse air sur trajectoire de 220 kt, les valeurs intermédiaires étant égales à 0,98 à 50 kt/0,96 à 80kt/0,90 à 125 kt/0,85 à 150 kt/0,81 à 170 kt/ et 0,74 à 200 kt.
16. Hélicoptère hybride (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que l'empennage horizontal (30) et l'empennage vertical (40) forment un ensemble monobloc en forme de U renversé vers le fuselage (2).
17. Hélicoptère hybride (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que deux turbomoteurs (5) sont disposés sur le fuselage (2).
18. Hélicoptère hybride (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 16,
caractérisé en ce que deux turbomoteurs (5) sont disposés sur l'aile (3), chaque turbomoteur (5) étant de part et d'autre dudit fuselage (2).
19. Hélicoptère hybride (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que la fonction anticouple est réalisée par une seule hélice (6).
20. Hélicoptère hybride (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 18,
caractérisé en ce que la fonction anticouple est réalisée par une poussée différentielle entre les deux hélices (6), l'une exerçant une poussée vers l'avant et l'autre une poussée vers l'arrière de l'hélicoptère hybride (1 ).
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101844618A (zh) * 2009-03-27 2010-09-29 尤洛考普特公司 优化旋翼飞行器机身两侧推进螺旋桨的工作的方法和装置
DE102013001852A1 (de) 2013-01-29 2014-07-31 Gerd Beierlein Fluggerät

Families Citing this family (44)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2946316A1 (fr) * 2009-06-04 2010-12-10 Eurocopter France Procede de controle en lacet d'un helicoptere hybride,et helicoptere hybride muni d'un dispositif de commande en lacet apte a mettre en oeuvre ledit procede
FR2946317B1 (fr) 2009-06-04 2011-06-17 Eurocopter France Guignol a rapport variable pour chaine de commande de vol manuelle d'aeronef a voiture tournante
FR2946318B1 (fr) 2009-06-04 2012-11-16 Eurocopter France Dispositif mecanique pour combiner un premier et un deuxieme ordres de commande,et aeronef muni d'un tel dispositif.
FR2948629B1 (fr) 2009-07-28 2011-08-19 Eurocopter France Amortissement variable de restitution haptique pour chaine cinematique de changement d'attitude de vol d'un aeronef
FR2959205B1 (fr) * 2010-04-27 2012-04-13 Eurocopter France Procede de commande et de regulation de l'angle de braquage d'un empennage d'helicoptere hybride
FR2962404B1 (fr) 2010-07-08 2012-07-20 Eurocopter France Architecture electrique pour aeronef a voilure tournante a motorisation hybride
FR2973428B1 (fr) 2011-03-31 2019-03-15 Airbus Helicopters Encadrement etanche pour largage securise de panneau amovible
FR2977948B1 (fr) * 2011-07-12 2014-11-07 Eurocopter France Procede de pilotage automatique d'un aeronef a voilure tournante comprenant au moins une helice propulsive, dispositif de pilotage automatique et aeronef
FR2980771B1 (fr) * 2011-09-29 2014-10-31 Eurocopter France Aeronef hybride a voilure tournante
FR2990684B1 (fr) 2012-05-21 2014-11-21 Eurocopter France Procede de commande des volets d'ailes et de l'empennage horizontal d'un helicoptere hybride
FR2990685B1 (fr) * 2012-05-21 2014-11-21 Eurocopter France Procede de commande des volets d'ailes et de l'empennage horizontal d'un helicoptere hybride
FR2993243B1 (fr) 2012-07-12 2014-07-11 Eurocopter France Architecture d'alimentation hybride en puissance mecanique d'un rotor, geree a partir du reseau de bord d'un giravion
FR3000465B1 (fr) 2012-12-27 2015-02-13 Eurocopter France Procede d'entrainement en rotation d'un rotor principal de giravion, selon une consigne de vitesse de rotation a valeur variable
CN103991538A (zh) * 2013-02-16 2014-08-20 北京科实医学图像技术研究所 重型直升机
RU2539679C1 (ru) * 2013-11-19 2015-01-20 Открытое Акционерное Общество "Московский Вертолетный Завод Им. М.Л. Миля" Скоростной винтокрыл
US20170267338A1 (en) 2014-10-01 2017-09-21 Sikorsky Aircraft Corporation Acoustic signature variation of aircraft utilizing a clutch
US10822076B2 (en) 2014-10-01 2020-11-03 Sikorsky Aircraft Corporation Dual rotor, rotary wing aircraft
US9545903B2 (en) * 2015-02-02 2017-01-17 Goodrich Corporation Electromechanical brake actuator with variable speed epicyclic gearbox
AT518116B1 (de) 2015-12-30 2019-05-15 Cyclotech Gmbh Fluggerät
CN106763626B (zh) * 2017-01-04 2023-08-01 芜湖长捷航空动力科技有限责任公司 一种直升机变扭变速系统
FR3062881B1 (fr) * 2017-02-15 2019-03-15 Safran Helicopter Engines Procede et systeme de commande d'un dispositif d'urgence
US20180290735A1 (en) * 2017-04-06 2018-10-11 John Uptigrove Vtol high speed aircraft
US11186185B2 (en) * 2017-05-31 2021-11-30 Textron Innovations Inc. Rotor brake effect by using electric distributed anti-torque generators and opposing electric motor thrust to slow a main rotor
DE202017106992U1 (de) * 2017-11-17 2017-11-30 SCHOPPE DEVELOPMENT UG (haftungsbeschränkt) Tragschrauber
FR3077802B1 (fr) 2018-02-15 2020-09-11 Airbus Helicopters Methode de determination d'un cercle initial de bord d'attaque des profils aerodynamiques d'une pale et d'amelioration de la pale afin d'augmenter son incidence negative de decrochage
FR3077803B1 (fr) 2018-02-15 2020-07-31 Airbus Helicopters Methode d'amelioration d'une pale afin d'augmenter son incidence negative de decrochage
FR3080835B1 (fr) * 2018-05-03 2021-04-09 Safran Helicopter Engines Systeme propulsif pour un helicoptere
CN109720563B (zh) * 2019-02-28 2024-08-27 南京邮电大学 智能四旋翼滑翔无人机及其飞行控制方法
US11964750B2 (en) 2019-03-07 2024-04-23 General Electric Company Propeller speed overshoot preventing logic
CN109969426B (zh) * 2019-03-29 2022-07-12 南京航空航天大学 一种针对复合推力构型直升机的升力分配方法及系统
CN110562486B (zh) * 2019-09-24 2022-10-28 哈尔滨工业大学 一种直立式火星飞行器单旋翼系统升阻特性测量装置
FR3108094B1 (fr) 2020-03-12 2022-05-13 Airbus Helicopters procédé de commande d’au moins un organe aérodynamique de dérive d’un hélicoptère hybride et un hélicoptère hybride.
FR3108312B1 (fr) 2020-03-17 2022-12-23 Airbus Helicopters procédé de commande d’hélices d’un hélicoptère hybride et un hélicoptère hybride.
FR3108313B1 (fr) 2020-03-17 2023-05-26 Airbus Helicopters procédé de commande d’au moins une hélice d’un hélicoptère hybride et un hélicoptère hybride.
FR3108311B1 (fr) 2020-03-17 2022-02-18 Airbus Helicopters procédé de protection d’une marge de contrôle de l’attitude en lacet d’un hélicoptère hybride et un hélicoptère hybride.
FR3108310B1 (fr) 2020-03-18 2022-11-25 Airbus Helicopters procédé de protection en couple et/ou en poussée d’hélices d’un hélicoptère hybride et hélicoptère hybride.
CN111498104A (zh) * 2020-04-20 2020-08-07 飞的科技有限公司 飞行器
CN111498103A (zh) * 2020-04-20 2020-08-07 飞的科技有限公司 飞行器
CN111498105A (zh) * 2020-04-20 2020-08-07 飞的科技有限公司 飞行器
CN112173092B (zh) * 2020-09-25 2023-06-06 中国直升机设计研究所 一种直升机旋翼振动调节系统
FR3117447B1 (fr) 2020-12-10 2022-11-04 Airbus Helicopters Procédé de pilotage d’un hélicoptère hybride ayant une cellule maintenue à incidence constante par régulation d’une position d’au moins un plan mobile d’empennage
FR3121124B1 (fr) 2021-03-26 2024-03-29 Airbus Helicopters Système de commande pour commander au moins une hélice d’un giravion hybride, giravion hybride et procédé de commande associé.
CN113942653B (zh) * 2021-11-19 2023-04-25 中国直升机设计研究所 一种双发高速直升机变旋翼转速控制方法
CN116086756B (zh) * 2023-04-10 2023-06-13 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 一种前飞状态下直升机全机配平的地面模拟试验方法

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB895590A (en) * 1959-12-23 1962-05-02 Agusta Aeronaut Costr Improvements relating to aircraft for vertical take-off and landing
US3105659A (en) * 1962-03-30 1963-10-01 United Aircraft Corp Compound helicopter
US3385537A (en) * 1965-10-04 1968-05-28 Bell Aerospace Corp Rotor-wing load transfer device
US3698666A (en) * 1969-01-24 1972-10-17 Siai Marchetti Spa High-speed helicopter characterized by a lifting wing and by two engines fitted thereon
US3620488A (en) * 1969-05-29 1971-11-16 Rita A Miller Aircraft command mixing device
US4276744A (en) * 1979-09-19 1981-07-07 General Electric Company Control system for gas turbine engine
US4928907A (en) * 1988-02-29 1990-05-29 Y & B Investment Corporation Compound helicopter with no tail rotor
US4993221A (en) * 1988-12-21 1991-02-19 General Electric Company Gas turbine engine control system
US5174523A (en) * 1989-01-09 1992-12-29 Westland Helicopters Limited Compound helicopter with engine shaft power output control
US5331559A (en) * 1991-09-18 1994-07-19 Alliedsignal Inc. Apparatus for preventing propeller overshoot
RU2092392C1 (ru) * 1994-05-17 1997-10-10 Научно-производственная фирма "Новые технологии - товары потребления" Способ преобразования винтокрылого летательного аппарата в самолетную конфигурацию и комбинированный самолет вертикального взлета и посадки винтокрылой схемы
US5727754A (en) * 1995-08-31 1998-03-17 Cartercopters, L.L.C. Gyroplane
IT1297108B1 (it) * 1997-12-10 1999-08-03 Franco Capanna Sistema per la trasformazione di un aeromobile a decollo e volo orizzontale autosostentato in aeromobile integrato, ibrido a decollo
US6467726B1 (en) 1999-06-29 2002-10-22 Rokuro Hosoda Aircraft and torque transmission
US6513752B2 (en) * 2000-05-22 2003-02-04 Cartercopters, L.L.C. Hovering gyro aircraft
US6669137B1 (en) * 2002-08-26 2003-12-30 Zhuo Chen Air vehicle having rotor/scissors wing
RU2212358C1 (ru) * 2002-12-18 2003-09-20 Макаров Игорь Альбертович Летательный аппарат
US7137591B2 (en) 2003-02-19 2006-11-21 Cartercopters, L.L.C. Tilting mast in a rotorcraft
US7296767B2 (en) 2005-05-31 2007-11-20 Sikorsky Aircraft Corporation Variable speed transmission for a rotary wing aircraft

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101844618A (zh) * 2009-03-27 2010-09-29 尤洛考普特公司 优化旋翼飞行器机身两侧推进螺旋桨的工作的方法和装置
DE102013001852A1 (de) 2013-01-29 2014-07-31 Gerd Beierlein Fluggerät

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