WO2022171958A1 - Vtol aircraft having four rotors in a cruciform arrangement, and associated method for managing an emergency landing - Google Patents

Vtol aircraft having four rotors in a cruciform arrangement, and associated method for managing an emergency landing Download PDF

Info

Publication number
WO2022171958A1
WO2022171958A1 PCT/FR2022/050237 FR2022050237W WO2022171958A1 WO 2022171958 A1 WO2022171958 A1 WO 2022171958A1 FR 2022050237 W FR2022050237 W FR 2022050237W WO 2022171958 A1 WO2022171958 A1 WO 2022171958A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
aircraft
rotor
rotors
rotation
cell
Prior art date
Application number
PCT/FR2022/050237
Other languages
French (fr)
Inventor
Gaetan Alain Robert CHESNEAU
Original Assignee
Safran
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran filed Critical Safran
Publication of WO2022171958A1 publication Critical patent/WO2022171958A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/08Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G05D1/0808Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft
    • G05D1/0858Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft specially adapted for vertical take-off of aircraft
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64UUNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U10/00Type of UAV
    • B64U10/10Rotorcrafts
    • B64U10/13Flying platforms
    • B64U10/14Flying platforms with four distinct rotor axes, e.g. quadcopters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64UUNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U30/00Means for producing lift; Empennages; Arrangements thereof
    • B64U30/20Rotors; Rotor supports
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/0055Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot with safety arrangements
    • G05D1/0072Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot with safety arrangements to counteract a motor failure
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64UUNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U2201/00UAVs characterised by their flight controls

Definitions

  • the present invention relates to the general field of individual flying means of transport of the VTOL aircraft type (for “Vertical Take-Off and Landing”) and it relates more particularly to VTOLs with four rotors fixedly mounted on two cross-shaped axes.
  • VTOL aircraft Vertical takeoff and vertical landing are essential characteristics of VTOL aircraft, particularly in the context of urban evolutions of the logistics or passenger transport type, because they make it possible to avoid a take-off runway while being able to lay on restricted or even unprepared spaces.
  • Helicopters with a conventional configuration have this characteristic with their main rotor, but this limits performance in the cruise phase with speeds not exceeding 300 km/h, in particular because of the Mach at the tip of the advancing blade (not horizontal).
  • the vertical take-off constraint requires the generation of vertical thrust, whereas flight in airplane mode requires horizontal thrust. Since only one propeller rotor is available in this single-engine, main-rotor configuration, it is necessary to be able to tilt it through a swashplate mechanism to control pitch and roll motions.
  • An anti-torque tail rotor stabilizes the attitude of the aircraft in yaw.
  • the autorotation speed allowed by this type of rotor allows the pilot to land even if this maneuver is not without risk for him.
  • the pilot must apply an emergency landing procedure in autorotation followed by a flare phase landing flare in order to respect a certain trajectory during the descent.
  • Quadcopters which typically come in two different “+” or “x” configurations known as quad+ or quadx, make it possible to decouple the three movements of yaw, pitch, and roll with rotation speeds two-by-two opposed rotors. They consist of four rotors of smaller diameters to move a mass equivalent to that of a conventional helicopter (the lift being distributed over four points instead of just one in such a VTOL) and these four rotors do not need to be articulated or tilted around their axis of rotation to modify the attitude of the aircraft in nominal operation. Indeed, as is known, it is modified via the modification of the rotation speeds of the four rotors.
  • a first known solution to this problem is to make a redundancy of the propulsion system, thus effectively creating an octocopter.
  • this solution in addition to causing a significant increase in the onboard mass and therefore reducing flight performance, involves particularly complex management of the direction of rotation of these eight rotors, in particular when switching from nominal operation to degraded operation. following the loss of a rotor.
  • the main purpose of the present invention is therefore to overcome these drawbacks by proposing a VTOL aircraft of the quadricopter type with fixed rotors capable of ensuring a controlled emergency landing in the event of failure of an engine or a propellant while eliminating all yaw movement such as to cause the occupants being transported to rotate during their descent to the ground.
  • Another object is to allow the continuation of the mission despite this breakdown by allowing the aircraft to be reinserted into air traffic.
  • a VTOL aircraft with four rotors each driving a propeller and comprising a control unit for delivering a speed setpoint to each of these four rotors, the four rotors being mounted on four arms defining two cross axes supporting a cell of the aircraft intended to receive the transported load, the two opposite rotors of the same axis each turning in the same direction of rotation, characterized in that, to ensure in the event of a fault in a rotor or a propeller, a controlled emergency landing of the aircraft without rotation of the cell around a yaw axis of the aircraft, the control unit is configured to detect the fault and to generate zero speed instructions on the rotor in fault or the rotor associated with the faulty propeller and that which is diametrically opposed to it, and simultaneously controlling a decoupling mechanism ensuring uncoupling of the cell from the two cross axes supporting it.
  • the separation mechanism comprises a blocking finger actuated by an actuation system and selectively blocking the rotation of a central rotation shaft secured to the two cross axes.
  • said actuation system is a servomotor, the locking finger of which constitutes the motor shaft, or an electric motor actuating a worm in engagement with a rack integral with the locking finger.
  • the separation mechanism further comprises a first electric machine mounted on the central rotation shaft and preferably second and third electric machines articulated in rotation respectively on the pitch and roll axes of the aircraft, the first, second and third electric machines being advantageously machines operating on four quadrants.
  • the invention also relates to a method for managing an emergency landing in a VTOL aircraft with four rotors each driving a propeller and comprising a control unit for delivering a speed setpoint to each of these four rotors, the four rotors being mounted fixedly on four arms defining two cross axes supporting a cell of the aircraft intended to receive occupants, the two opposite rotors of the same axis each rotating in the same direction of rotation, process in which, in order to ensure in the event of a fault of a rotor or a propeller, a controlled emergency landing of the aircraft without rotation of the cell around a yaw axis of the aircraft, the defect is first detected and then simultaneously, it zero speed setpoints are generated on the faulty rotor or the rotor associated with the faulty propeller and the one diametrically opposed to it, and a decoupling mechanism is controlled ensuring uncoupling of the cell from the two axes e n cross supporting it.
  • the method also consists in controlling a first electric machine to deliver, via the rotation of a central shaft integral with the two cross axes, an anti-torque (AC) to the aircraft intended to cancel the resulting yaw moment of the rotor or propeller fault and preferably to control second and third electric machines for, after the uncoupling of the cell following the rotor or propeller fault, to follow and slave the inclination of the cell to the inclination of the two cross axes and therefore at the forward speed of the aircraft.
  • AC anti-torque
  • the control of the first electric machine is adapted to respectively make it possible to reduce gradually and in a coordinated manner each of the rotation speeds of the two rotors remaining in operation or make it possible to increase the rotation speeds of these two rotors in order to stop the descent or even ensure an ascent for the continuation of the mission in this degraded mode.
  • the continuation of the mission is conditioned on a zero rate of rotation and on a zero linear speed around and along the axes of yaw, pitch and roll.
  • Figure 1 is a block diagram of the electrical architecture of a quadricopter
  • FIG. 2 very schematically illustrates an example of a quadricopter according to the invention
  • figure 3 illustrates a first embodiment of a decoupling assembly implemented in the quadricopter of figure 2
  • FIG. 4A illustrates a view from above of the forces brought into play during hovering flight without rotation of a quadricopter according to the invention
  • FIG. 4B illustrates a front or side view of the forces brought into play during hovering flight without rotation of a quadricopter according to the invention
  • FIG. 5A shows an operating step of the emergency landing management method of the invention
  • FIG. 5B shows an operating step of the emergency landing management method of the invention
  • FIG. 6A illustrates a top view of the forces brought into play in the event of a breakdown of a quadricopter according to the invention
  • FIG. 6B illustrates in front or side view the forces brought into play in the event of a breakdown of a quadricopter according to the invention
  • FIG. 7 illustrates a second embodiment of a decoupling assembly according to the invention.
  • FIG. 8 represents in the form of a state diagram the various functional configurations in which the quadricopter according to the invention may be found.
  • FIG. 1 schematically shows the electrical architecture of a VTOL aircraft of the quadricopter type 10 comprising four thrusters (horizontal propellers 12A to 12D) each connected to an electric drive motor (or rotor) 14A to 14D whose rotation is controlled via one or more power converters 16 by a control unit 18 of the dedicated controller type which delivers the speed setpoints for these motors.
  • thrusters horizontal propellers 12A to 12D
  • electric drive motor or rotor
  • FIG. 1 schematically shows the electrical architecture of a VTOL aircraft of the quadricopter type 10 comprising four thrusters (horizontal propellers 12A to 12D) each connected to an electric drive motor (or rotor) 14A to 14D whose rotation is controlled via one or more power converters 16 by a control unit 18 of the dedicated controller type which delivers the speed setpoints for these motors.
  • This control unit is connected to a memory module 20 comprising in particular a map of the grounds flown over, an input/output module 22 in connection with various sensors (not shown) of physical data or images and necessary for the flight of the aircraft (position, altitude, external temperature and pressure, on-board mass, wind speed, etc.) such as the control of the four engines (engine speed and temperature for example) and a transmission/reception module 24 for in particular the exchange of this data via a 24A radio frequency antenna with ground stations.
  • One or more batteries 26 are also provided for powering the various elements of the aircraft.
  • different piloting strategies can of course be implemented at the level of the flight controller 18.
  • Figure 2 schematically illustrates such a quadricopter with four arms 26A
  • 26B, 26C, 26D (forming two cross axes) supporting a cell or cabin 28 and which can perform vertical takeoffs and landings (along the so-called yaw z axis) as well as horizontal movements (along the so-called roll x axes where does it say pitch) in cruising speed at variable speeds depending on the respective speeds of its four thrusters 12A, 12C and 12B, 12D. It can also operate a stationary flight, that is to say remained motionless without rotation in a given attitude (position and altitude).
  • the four arms supporting the engines and the propellers generally placed at the ends of the cross form what is known as an aircraft support structure which is connected to the airframe of the aircraft by an appropriate decoupling assembly 30 shown in more detail in Figure 3.
  • This assembly 30 comprises a central rotation shaft 32 integral with the support structure and fixed vertically in the middle of the cross to be connected to the cell 28 via a pivot connection 34.
  • This central shaft is driven in rotation under the control of the processing unit 18 by an electric machine 36 mounted at the end of the shaft and operational in the 4 dials, that is to say operating both as a motor and as a generator and rotating in one direction to the other.
  • a locking finger 38 makes it possible to make the cell and the support structure mechanically integral via the pivot connection 34. More precisely, the locking finger 38 is mechanically linked to a rack 40 engaged with a worm screw 42 driven for a motor under the control of the processing unit and mechanically fixed to the cell via the pivot connection 34.
  • this endless screw and rack system could be replaced by a servomotor, the motor shaft of which then constitutes the finger of blockage.
  • FIGS. 4A and 4B illustrate stationary flight without rotation in which the sum F of the thrust forces exactly balances the total weight (empty weight of the cell included plus transported load) of the aircraft P (the wind being assumed to be zero). It can be noted that in this equilibrium configuration, the speeds of rotation V (and torques C) of the four rotors are identical and each have a thrust force F I2A , F I 2 B , F12 F i2 D equal to a quarter of the weight total.
  • the two by two opposed propellers 12A, 12C and 12B, 12D (those whose support arms are aligned) rotate in the same direction and the adjacent propellers (for example 12A, 12B and 12C, 12D whose arms 26A, 26B and 26C, 26D are placed at 90° to each other) rotate in opposite directions.
  • the appropriate decoupling assembly 30 a decoupling of the cell (the cabin 28 which accommodates the transported load) of this support structure in the event of engine failure via the release of the finger of blocking 38 ensuring their connection in rotation and simultaneously controlling the rate of rotation of the support structure (which will rotate around the yaw axis) with respect to the cell which must remain fixed without rotation around this z axis, thanks to the use of the electric machine 36 to, by creating an anti-torque adapted to the rotation of the support structure, cancel a rate of rotation of the cell measured by a gyroscope of an inertial unit (one of the sensors not illustrated in Figure 1) of the aircraft.
  • the uncoupling of the cell with the support structure will be instantaneous (which requires a very fast actuation system) and that there is no wind.
  • the aerodynamic shape of the cell with an additional empennage should make it possible to improve the control of the attitudes of the cell with wind in this transitional phase which must remain as short as possible.
  • the support structure therefore becomes a rotary wing in autorotation in the event of a motor or rotor failure, while the electrical machine at the interface of the two elements becomes an anti-torque device.
  • a fault is first identified at the level of an engine or a propeller (in this case 12B), for example by a measurement of an engine speed inconsistent with the speed setpoint delivered by the control unit, then, once this identification has been confirmed, on the one hand to the simultaneous sending then the maintenance of a zero speed setpoint to the motor supplying the faulty rotor and to the diametrically opposed motor (in this case 12D - see FIG. 5B) and on the other hand to a disengagement of the locking finger 38 ensuring the mechanical connection in rotation between the support structure and the cell.
  • an engine or a propeller in this case 12B
  • the cell which has become free to rotate will evolve independently of the support structure which will turn on itself under the effect of the two rotors remaining in operation and it is the adequate control of the electric machine (production of the necessary torque) which will fix the relative rotation rate of one with respect to the other with the aim of canceling the rotation movement of the cell in the very short transient phase between the detection of the fault and the release of the finger.
  • the rest legs of the aircraft are connected which will come into contact with the ground during landing and which therefore must not turn on themselves around the yaw axis. .
  • the quadricopter will be able to descend vertically without the cell rotating around the yaw axis. It is then possible either to increase the rotation speeds of the rotors remaining in operation to stop the descent or even go up again and the control of the electric machine will then be adapted accordingly to avoid the cell rotating around the axis of yaw, or to reduce progressively and in a coordinated manner each of the rotation speeds of these rotors by adapting the control of the electric machine.
  • the attitude in pitch, in roll and in yaw will remain unchanged as the aircraft approaches the ground and the aircraft will eventually land without turning on itself in contact with the ground making it possible to deposit the transported occupants without difficulty.
  • the cabin is not only made mobile in rotation along its yaw axis by the first electric machine 36 but also articulated in rotation on its pitch and roll axes and slaved according to the inclination of the plane of the support structure according to the desired forward speed in a given direction by second and third electric machines 44, 46 also controlled from the processing unit 18. All three connections pivot thus formed forms what can be called an articulated stabilization nacelle 48 allowing the cell to be mechanically suspended from the support structure.
  • the inclination of the cell is slaved to the inclination of the plane of the support structure and therefore to the forward speed. This allows the occupants of the cell to be in a comfortable flight situation with always a view of the direction of travel as in horizontal flight.
  • the bi-rotor obtained could behave like a tandem helicopter with two counter-rotating rotors.
  • the management of the forward and backward rotation speeds via the second and third electric machines would make it possible to tilt the aircraft forwards or backwards to engage in forward or backward flight.
  • FIG. 8 represents in the form of a state diagram the different functional configurations in which the quadricopter can thus find itself.
  • the quadricopter Immediately after switching on and a certain number of initialization steps managed during state 50 “Start”, the quadricopter is in state 52 “Landed”, with the motors ready to start.
  • the sending of a command by the pilot (if he is at the controls of the aircraft) or the remote pilot (if he has remote control) causes the start of the engines and the takeoff of the quadricopter which is then in the state 54 "Take off” from which two main modes of operation are possible.
  • a first piloting mode state 56 “Hovering flight”, the piloting of the quadricopter is operated automatically by implementing the autonomous system for stabilization in hovering flight.
  • This autopilot mode is activated in particular at the end of the take-off phase, as soon as the pilot releases his controls, or in the event of interruption of the radio link between the aircraft and the VTOL in the event of a remotely piloted command.
  • state 58 “Piloted flight” the piloting of the quadricopter is operated directly by the pilot or remote pilot, by means of a combination of signals emitted by the inclination detector of the device and/or commands available on the ground station.
  • the "Piloted flight” or “Hovering flight” state ends by passing to a landing state 60 “Landing”, following the pressing of a specific command on the aircraft or in the event of on-board energy reserve weak (here the battery). Switching to this state produces a reduction in engine rotation speed and a coherent reduction in altitude. When contact with the ground has been detected, the state is again state 52 “Landed”.
  • the quadricopter also includes a state 62 "Stationary piloted transition", to allow the quadricopter to pass from the state 58 of movement in piloted flight, where it moves with a non-zero inclination and therefore a horizontal speed which can be relatively high, up to the state 56 of vertical levitation in hovering flight where it will be immobile and maintained in this fixed position by the automatic piloting and stabilization system. This stopping procedure will be carried out in a minimum time and without horizontal speed reversal.
  • state 66 “Fault management” corresponds to an emergency state in the event of an anomaly being detected. It causes the default launch of the quadricopter emergency landing process described above. This failure state can be reached from any of the states previously described (illustrated by the dotted arrows), in particular in the event of failure of the distributed propulsion system (blockage of an engine or loss of a rotor). The purpose of this process is to stabilize the loss of altitude. Once the loss has stabilized, the pilot or remote pilot from a ground station can choose to continue the mission in this degraded mode and therefore not land immediately. This choice is advantageously made via a simple man-machine interface, easy to access and within easy reach like a push button near or on the control interfaces.
  • the emergency landing procedure is engaged. If the pilot or remote pilot presses the button and the conditions for continuing the mission are met: measurement of the stabilization of the attitude of the aircraft (absence of cell rotation rate on the 3 yaw axes , pitch and roll) and measurement of the absence of movement (zero linear speed along the 3 axes of the cell) by a state estimator internal to the flight controller, the emergency landing procedure is abandoned and the pilot can continue the mission in degraded mode with a reduced guidance/piloting capability identical to that available to make the emergency landing.

Abstract

VTOL aircraft having four rotors (10), each driving a propeller (14A, 14B, 14C, 14D), and comprising a control unit (18) for delivering a speed setpoint to each of the four rotors (12A, 12B, 12C, 12D), the four rotors being mounted on four arms (28A, 28B, 28C, 28D) defining two shafts in a cruciform arrangement supporting an aircraft airframe (30) intended to accommodate occupants, each of the two opposing rotors on a single shaft rotating in the same rotational direction, in which aircraft, in order to ensure a controlled emergency landing of the aircraft in the event of a rotor or propeller failure, without the airframe being rotated around the aircraft's yaw axis, the control unit (18) is configured to detect the fault and to generate zero speed setpoints for the faulty rotor or the rotor associated with the faulty propeller and the rotor diametrically opposite same and to simultaneously control a decoupling mechanism (32), decoupling the airframe from the two supporting shafts in a cruciform arrangement.

Description

AERONEF VTOL A QUATRE ROTORS EN CROIX ET PROCEDE DE GESTION D'ATTERRISSAGE D'URGENCE ASSOCIE VTOL AIRCRAFT WITH FOUR CROSS-ROTORS AND ASSOCIATED EMERGENCY LANDING MANAGEMENT METHOD
Domaine Technique Technical area
La présente invention se rapporte au domaine général des moyens de transports individuels volants de type aéronef VTOL (pour « Vertical Take-Off and Landing ») et elle concerne plus particulièrement des VTOL à quatre rotors montés fixement sur deux axes en croix. The present invention relates to the general field of individual flying means of transport of the VTOL aircraft type (for “Vertical Take-Off and Landing”) and it relates more particularly to VTOLs with four rotors fixedly mounted on two cross-shaped axes.
Technique antérieure Prior technique
Le décollage vertical et l'atterrissage vertical sont des caractéristiques essentielles des aéronefs VTOL, notamment dans le cadre d'évolutions urbaines de type logistique ou de transport de personnes, car ils permettent de s'affranchir d'une piste de décollage tout en pouvant se poser sur des espaces restreints, voire même non préparés. Vertical takeoff and vertical landing are essential characteristics of VTOL aircraft, particularly in the context of urban evolutions of the logistics or passenger transport type, because they make it possible to avoid a take-off runway while being able to lay on restricted or even unprepared spaces.
Les hélicoptères à configuration conventionnelle (un rotor principal et un rotor anticouple de queue) présentent cette caractéristique avec leur rotor principal mais celui-ci limite les performances en phase de croisière avec des vitesses ne dépassant pas 300 km/h, en particulier à cause du Mach en bout de pale avançante (pas à l'horizontale). La contrainte de décollage vertical impose de générer de la poussée verticale alors que le vol en mode avion nécessite de la poussée horizontale. Comme un seul rotor propulsif est disponible dans cette configuration monomoteur à un rotor principal, il est nécessaire de pouvoir l'incliner grâce à un mécanisme de plateau cyclique pour contrôler les mouvements de tangage et de roulis. Un rotor de queue anti couple permet de stabiliser l'attitude de l'aéronef en lacet. Helicopters with a conventional configuration (a main rotor and a tail anti-torque rotor) have this characteristic with their main rotor, but this limits performance in the cruise phase with speeds not exceeding 300 km/h, in particular because of the Mach at the tip of the advancing blade (not horizontal). The vertical take-off constraint requires the generation of vertical thrust, whereas flight in airplane mode requires horizontal thrust. Since only one propeller rotor is available in this single-engine, main-rotor configuration, it is necessary to be able to tilt it through a swashplate mechanism to control pitch and roll motions. An anti-torque tail rotor stabilizes the attitude of the aircraft in yaw.
En cas de perte du système d'entrainement du rotor principal, le régime d'autorotation permis par ce type de rotor permet au pilote de se poser même si cette manœuvre n'est pas sans risque pour lui. Le pilote doit appliquer une procédure d'atterrissage d'urgence en autorotation suivi d'une phase d'arrondi d'atterrissage (landing flare) afin de respecter une certaine trajectoire lors de la descente. In the event of loss of the main rotor drive system, the autorotation speed allowed by this type of rotor allows the pilot to land even if this maneuver is not without risk for him. The pilot must apply an emergency landing procedure in autorotation followed by a flare phase landing flare in order to respect a certain trajectory during the descent.
Les quadricoptères (ou quadrirotors) qui se présentent typiquement sous deux configurations différentes en « + » ou en « x » connues sous les appellations de quad+ ou quadx, permettent de découpler les trois mouvements de lacet, tangage, et roulis avec des régimes de rotation des rotors deux à deux opposés. Ils sont constitués de quatre rotors de diamètres plus petits pour déplacer une masse équivalente à celle d'un hélicoptère conventionnels (la portance étant répartie sur quatre points au lieu d'un seul dans un tel VTOL) et ces quatre rotors n'ont pas besoin d'être articulés ou inclinés autour de leur axe de rotation pour modifier l'attitude de l'aéronef en fonctionnement nominal. En effet, comme il est connu, celle-ci est modifiée via la modification des régimes de rotation des quatre rotors.Quadcopters (or quadrotors) which typically come in two different “+” or “x” configurations known as quad+ or quadx, make it possible to decouple the three movements of yaw, pitch, and roll with rotation speeds two-by-two opposed rotors. They consist of four rotors of smaller diameters to move a mass equivalent to that of a conventional helicopter (the lift being distributed over four points instead of just one in such a VTOL) and these four rotors do not need to be articulated or tilted around their axis of rotation to modify the attitude of the aircraft in nominal operation. Indeed, as is known, it is modified via the modification of the rotation speeds of the four rotors.
Toutefois, au contraire des hélicoptères conventionnels, un régime d'autorotation n'est pas accessible dans un quadricoptère et la perte du système d'entrainement d'un rotor est donc problématique car elle entraîne quasi systématiquement la perte de l'aéronef VTOL et donc de la mission. However, unlike conventional helicopters, an autorotation regime is not accessible in a quadricopter and the loss of the drive system of a rotor is therefore problematic because it almost systematically leads to the loss of the VTOL aircraft and therefore of the mission.
Une première solution connue à cette problématique est d'effectuer une redondance du système de propulsion, créant ainsi de fait un octocoptère. Toutefois, cette solution, outre qu'elle entraîne un accroissement notable de la masse embarquée et donc diminue les performances de vol, implique une gestion particulièrement complexe du sens de rotation de ces huit rotors, notamment lors du passage du fonctionnement nominal à un fonctionnement dégradé suite à la perte d'un rotor.A first known solution to this problem is to make a redundancy of the propulsion system, thus effectively creating an octocopter. However, this solution, in addition to causing a significant increase in the onboard mass and therefore reducing flight performance, involves particularly complex management of the direction of rotation of these eight rotors, in particular when switching from nominal operation to degraded operation. following the loss of a rotor.
Aussi, il est également connu d'arrêter le rotor opposé au rotor en panne pour permettre le retour au sol du quadricoptère sans la perte de la mission. Toutefois, si cet arrêt du rotor opposé permet de stabiliser le quadricoptère dans un plan horizontal, la force de poussée nécessairement réduite des deux rotors restant en fonctionnement, en devenant inférieure au poids de l'aéronef, va entraîner le VTOL dans une descente verticale jusqu'au sol en tournant sur lui-même (sous l'effet du moment de rotation autour son axe de lacet qui est créé par les deux rotors restant qui eux tournent dans le même sens de rotation, horaire ou antihoraire selon le rotor impacté), ce qui ne saurait être envisagé, notamment lorsque la cabine de l'aéronef VTOL comporte des occupants, personnes ou encore animaux. Also, it is also known to stop the rotor opposite the failed rotor to allow the quadricopter to return to the ground without losing the mission. However, if this stopping of the opposite rotor makes it possible to stabilize the quadricopter in a horizontal plane, the necessarily reduced thrust force of the two rotors remaining in operation, by becoming less than the weight of the aircraft, will cause the VTOL to descend vertically until on the ground by rotating on itself (under the effect of the moment of rotation around its yaw axis which is created by the two remaining rotors which turn in the same direction of rotation, clockwise or counterclockwise depending on the rotor impacted), which cannot be envisaged, in particular when the cabin of the VTOL aircraft includes occupants, people or even animals.
Exposé de l'invention Disclosure of Invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier ces inconvénients en proposant un aéronef VTOL de type quadricoptère à rotors fixes capable d'assurer un atterrissage d'urgence maîtrisé en cas de panne d'un moteur ou d'un propulseur tout en supprimant tout mouvement de lacet de nature à entraîner les occupants transportés dans un mouvement en rotation lors de leur descente jusqu'au sol. Un autre but est de permettre malgré cette panne la poursuite de la mission en permettant de réinsérer l'aéronef dans le trafic aérien. The main purpose of the present invention is therefore to overcome these drawbacks by proposing a VTOL aircraft of the quadricopter type with fixed rotors capable of ensuring a controlled emergency landing in the event of failure of an engine or a propellant while eliminating all yaw movement such as to cause the occupants being transported to rotate during their descent to the ground. Another object is to allow the continuation of the mission despite this breakdown by allowing the aircraft to be reinserted into air traffic.
Ce but est atteint par un aéronef VTOL à quatre rotors entraînant chacun une hélice et comportant une unité de commande pour délivrer une consigne de vitesse à chacun de ces quatre rotors, les quatre rotors étant montés sur quatre bras définissant deux axes en croix supportant une cellule de l'aéronef destinée à recevoir la charge transportée, les deux rotors opposés d'un même axe tournant chacun dans un même sens de rotation, caractérisé en ce que, pour assurer en cas de défaut d'un rotor ou d'une hélice, un atterrissage d'urgence maîtrisé de l'aéronef sans rotation de la cellule autour d'un axe de lacet de l'aéronef, l'unité de commande est configurée pour détecter le défaut et pour générer des consignes de vitesse nulle sur le rotor en défaut ou le rotor associé à l'hélice en défaut et celui qui lui est diamétralement opposé, et simultanément commander un mécanisme de découplage assurant un désaccouplement de la cellule des deux axes en croix la supportant. This object is achieved by a VTOL aircraft with four rotors each driving a propeller and comprising a control unit for delivering a speed setpoint to each of these four rotors, the four rotors being mounted on four arms defining two cross axes supporting a cell of the aircraft intended to receive the transported load, the two opposite rotors of the same axis each turning in the same direction of rotation, characterized in that, to ensure in the event of a fault in a rotor or a propeller, a controlled emergency landing of the aircraft without rotation of the cell around a yaw axis of the aircraft, the control unit is configured to detect the fault and to generate zero speed instructions on the rotor in fault or the rotor associated with the faulty propeller and that which is diametrically opposed to it, and simultaneously controlling a decoupling mechanism ensuring uncoupling of the cell from the two cross axes supporting it.
Ainsi en désaccouplant la cellule des bras supportant les rotors, on peut éviter sa mise en rotation lors de la descente de l'aéronef et on permet un atterrissage en douceur gage de sécurité pour les occupants transportés. Thus, by uncoupling the cell from the arms supporting the rotors, it is possible to avoid its rotation during the descent of the aircraft and a soft landing is permitted, a guarantee of safety for the occupants transported.
Avantageusement, le mécanisme de séparation comporte un doigt de blocage actionné par un système d'actionnement et venant sélectivement bloquer la rotation d'un arbre central de rotation solidaire des deux axes en croix. De préférence, ledit système d'actionnement est un servomoteur dont le doigt de blocage constitue l'arbre moteur ou un moteur électrique actionnant une vis sans fin en prise avec une crémaillère solidaire du doigt de blocage. Advantageously, the separation mechanism comprises a blocking finger actuated by an actuation system and selectively blocking the rotation of a central rotation shaft secured to the two cross axes. Preferably, said actuation system is a servomotor, the locking finger of which constitutes the motor shaft, or an electric motor actuating a worm in engagement with a rack integral with the locking finger.
Avantageusement, le mécanisme de séparation comporte en outre une première machine électrique montée sur l'arbre central de rotation et de préférence des deuxième et troisième machines électriques articulées en rotation respectivement sur les axes de tangage et de roulis de l'aéronef, les première, deuxième et troisième machines électriques étant avantageusement des machines opérationnelles sur quatre quadrants. Advantageously, the separation mechanism further comprises a first electric machine mounted on the central rotation shaft and preferably second and third electric machines articulated in rotation respectively on the pitch and roll axes of the aircraft, the first, second and third electric machines being advantageously machines operating on four quadrants.
L'invention concerne également un procédé de gestion d'atterrissage d'urgence dans un aéronef VTOL à quatre rotors entraînant chacun une hélice et comportant une unité de commande pour délivrer une consigne de vitesse à chacun de ces quatre rotors, les quatre rotors étant montés fixement sur quatre bras définissant deux axes en croix supportant une cellule de l'aéronef destinée à recevoir des occupants, les deux rotors opposés d'un même axe tournant chacun dans un même sens de rotation, procédé dans lequel, pour assurer en cas de défaut d'un rotor ou d'une hélice, un atterrissage d'urgence maîtrisé de l'aéronef sans rotation de la cellule autour d'un axe de lacet de l'aéronef, il est tout d'abord détecté le défaut puis simultanément, il est généré des consignes de vitesse nulle sur le rotor en défaut ou le rotor associé à l'hélice en défaut et celui qui lui est diamétralement opposé, et il est commandé un mécanisme de découplage assurant un désaccouplement de la cellule des deux axes en croix la supportant. The invention also relates to a method for managing an emergency landing in a VTOL aircraft with four rotors each driving a propeller and comprising a control unit for delivering a speed setpoint to each of these four rotors, the four rotors being mounted fixedly on four arms defining two cross axes supporting a cell of the aircraft intended to receive occupants, the two opposite rotors of the same axis each rotating in the same direction of rotation, process in which, in order to ensure in the event of a fault of a rotor or a propeller, a controlled emergency landing of the aircraft without rotation of the cell around a yaw axis of the aircraft, the defect is first detected and then simultaneously, it zero speed setpoints are generated on the faulty rotor or the rotor associated with the faulty propeller and the one diametrically opposed to it, and a decoupling mechanism is controlled ensuring uncoupling of the cell from the two axes e n cross supporting it.
Avantageusement, le procédé consiste en outre à commander une première machine électrique pour délivrer, via la rotation d'un arbre central solidaire des deux axes en croix, un anti-couple (AC) à l'aéronef destiné à annuler le moment de lacet résultant du défaut du rotor ou de l'hélice et de préférence à commander des deuxième et troisième machines électriques pour, après le désaccouplement de la cellule suite au défaut du rotor ou de l'hélice, suivre et asservir l'inclinaison de la cellule à l'inclinaison des deux axes en croix et donc à la vitesse d'avancement de l'aéronef.Advantageously, the method also consists in controlling a first electric machine to deliver, via the rotation of a central shaft integral with the two cross axes, an anti-torque (AC) to the aircraft intended to cancel the resulting yaw moment of the rotor or propeller fault and preferably to control second and third electric machines for, after the uncoupling of the cell following the rotor or propeller fault, to follow and slave the inclination of the cell to the inclination of the two cross axes and therefore at the forward speed of the aircraft.
De préférence, pour éviter la mise en rotation de la cellule autour de l'axe de lacet et permettre à l'aéronef de se poser sans que la cellule tourne sur elle-même ou de poursuivre sa mission, le pilotage de la première machine électrique est adapté pour respectivement permettre de réduire progressivement et de manière coordonnée chacun des régimes de rotation des deux rotors restant en fonctionnement ou permettre d'augmenter les régimes de rotation de ces deux rotors afin d'arrêter la descente voir d'assurer une remontée pour la poursuite de la mission dans ce mode dégradé. Preferably, to prevent the airframe from rotating around the yaw axis and allow the aircraft to land without the airframe rotating or continue its mission, the control of the first electric machine is adapted to respectively make it possible to reduce gradually and in a coordinated manner each of the rotation speeds of the two rotors remaining in operation or make it possible to increase the rotation speeds of these two rotors in order to stop the descent or even ensure an ascent for the continuation of the mission in this degraded mode.
Avantageusement, la poursuite de la mission est conditionnée à un taux de rotation nul et à une vitesse linéaire nulle autour et suivant les axes de lacet, tangage et roulis. Advantageously, the continuation of the mission is conditioned on a zero rate of rotation and on a zero linear speed around and along the axes of yaw, pitch and roll.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels : Other characteristics and advantages of the present invention will become apparent from the description given below, with reference to the appended drawings which illustrate an example of embodiment devoid of any limiting character and on which:
[Fig. 1] la figure 1 est un synoptique de l'architecture électrique d'un quadricoptère,[Fig. 1] Figure 1 is a block diagram of the electrical architecture of a quadricopter,
[Fig. 2] la figure 2 illustre de façon très schématique un exemple de quadricoptère selon l'invention, [Fig. 2] FIG. 2 very schematically illustrates an example of a quadricopter according to the invention,
[Fig. 3] la figure 3 illustre un premier exemple de réalisation d'un ensemble de découplage mis en œuvre dans le quadricoptère de la figure 2, [Fig. 3] figure 3 illustrates a first embodiment of a decoupling assembly implemented in the quadricopter of figure 2,
[Fig. 4A] la figure 4A illustre en vue de dessus les forces mises en jeu lors d'un vol stationnaire sans rotation d'un quadricoptère selon l'invention, [Fig. 4A] FIG. 4A illustrates a view from above of the forces brought into play during hovering flight without rotation of a quadricopter according to the invention,
[Fig. 4B] la figure 4B illustre en vue de face ou de côté les forces mises en jeu lors d'un vol stationnaire sans rotation d'un quadricoptère selon l'invention, [Fig. 4B] FIG. 4B illustrates a front or side view of the forces brought into play during hovering flight without rotation of a quadricopter according to the invention,
[Fig. 5A] la figure 5A montre une étape de fonctionnement du procédé de gestion d'atterrissage d'urgence de l'invention, [Fig. 5A] FIG. 5A shows an operating step of the emergency landing management method of the invention,
[Fig. 5B] la figure 5B montre une étape de fonctionnement du procédé de gestion d'atterrissage d'urgence de l'invention, [Fig. 5B] FIG. 5B shows an operating step of the emergency landing management method of the invention,
[Fig. 6A] la figure 6A illustre en vue de dessus les forces mises en jeu en cas de panne d'un quadricoptère conforme à l'invention, [Fig. 6B] la figure 6B illustre en vue de face ou de côté les forces mises en jeu en cas de panne d'un quadricoptère conforme à l'invention, [Fig. 6A] FIG. 6A illustrates a top view of the forces brought into play in the event of a breakdown of a quadricopter according to the invention, [Fig. 6B] FIG. 6B illustrates in front or side view the forces brought into play in the event of a breakdown of a quadricopter according to the invention,
[Fig. 7] la figure 7 illustre un second exemple de réalisation d'un ensemble de découplage selon l'invention, et [Fig. 7] FIG. 7 illustrates a second embodiment of a decoupling assembly according to the invention, and
[Fig. 8] la figure 8 représente sous forme d'un diagramme d'états les différentes configurations fonctionnelles dans lesquelles peut se trouver le quadricoptère conforme à l'invention. [Fig. 8] FIG. 8 represents in the form of a state diagram the various functional configurations in which the quadricopter according to the invention may be found.
Description des modes de réalisation Description of embodiments
La figure 1 montre de façon schématique l'architecture électrique d'un aéronef VTOL de type quadricoptère 10 comportant quatre propulseurs (hélices horizontales 12A à 12D) reliés chacun à un moteur électrique (ou rotor) d'entrainement 14A à 14D dont la rotation est commandée via un ou plusieurs convertisseurs de puissance 16 par une unité de commande 18 de type contrôleur dédié qui délivre les consignes de vitesse pour ces moteurs. Cette unité de commande est reliée à un module mémoire 20 comportant notamment une cartographie des sols survolés, un module d'entrée/sortie 22 en liaison avec différents capteurs (non représentés) de données physiques ou d'images et nécessaires au vol de l'aéronef (position, altitude, température et pression externes, masse embarquée, vitesse du vent, etc...) comme à la commande des quatre moteurs (régime et température moteurs par exemple) et un module d'émission/réception 24 pour notamment l'échange de ces données via une antenne radiofréquence 24A avec des stations au sol. Une ou plusieurs batteries 26 sont en outre prévues pour l'alimentation électrique des différents éléments de l'aéronef. En fonction de la zone survolée et des obstacles avoisinants, différentes stratégies de pilotage (lois de contrôle) peuvent bien entendu être mises en œuvre au niveau du contrôleur de vol 18. FIG. 1 schematically shows the electrical architecture of a VTOL aircraft of the quadricopter type 10 comprising four thrusters (horizontal propellers 12A to 12D) each connected to an electric drive motor (or rotor) 14A to 14D whose rotation is controlled via one or more power converters 16 by a control unit 18 of the dedicated controller type which delivers the speed setpoints for these motors. This control unit is connected to a memory module 20 comprising in particular a map of the grounds flown over, an input/output module 22 in connection with various sensors (not shown) of physical data or images and necessary for the flight of the aircraft (position, altitude, external temperature and pressure, on-board mass, wind speed, etc.) such as the control of the four engines (engine speed and temperature for example) and a transmission/reception module 24 for in particular the exchange of this data via a 24A radio frequency antenna with ground stations. One or more batteries 26 are also provided for powering the various elements of the aircraft. Depending on the area overflown and the surrounding obstacles, different piloting strategies (control laws) can of course be implemented at the level of the flight controller 18.
La figure 2 illustre de façon schématique un tel quadricoptère à quatre bras 26A,Figure 2 schematically illustrates such a quadricopter with four arms 26A,
26B, 26C, 26D (formant deux axes en croix) supportant une cellule ou cabine 28 et qui peut effectuer des décollages et atterrissages verticaux (selon l'axe z dit de lacet) ainsi que des déplacements horizontaux (selon les axes x dit de roulis ou y dit de tangage) en régime de croisière à des vitesses variables dépendant des vitesses respectives de ses quatre propulseurs 12A, 12C et 12B, 12D. Il peut aussi opérer un vol stationnaire, c'est-à-dire demeuré immobile sans rotation dans une attitude (position et altitude) donnée. Les quatre bras supportant les moteurs et les hélices généralement placés aux extrémités de la croix forment ce qu'il est convenu d'appeler une structure de sustentation de l'aéronef qui est reliée à la cellule de l'aéronef par un ensemble de découplage approprié 30 illustré plus en détail à la figure 3. 26B, 26C, 26D (forming two cross axes) supporting a cell or cabin 28 and which can perform vertical takeoffs and landings (along the so-called yaw z axis) as well as horizontal movements (along the so-called roll x axes where does it say pitch) in cruising speed at variable speeds depending on the respective speeds of its four thrusters 12A, 12C and 12B, 12D. It can also operate a stationary flight, that is to say remained motionless without rotation in a given attitude (position and altitude). The four arms supporting the engines and the propellers generally placed at the ends of the cross form what is known as an aircraft support structure which is connected to the airframe of the aircraft by an appropriate decoupling assembly 30 shown in more detail in Figure 3.
Cet ensemble 30 comporte un arbre central de rotation 32 solidaire de la structure de sustentation et fixé verticalement au milieu de la croix pour être connecté à la cellule 28 via une liaison pivot 34. Cet arbre central est entraîné en rotation sous la commande de l'unité de traitement 18 par une machine électrique 36 monté en bout d'arbre et opérationnelle dans les 4 cadrans, c'est-à-dire fonctionnant à la fois en moteur et en génératrice et tournant dans un sens au l'autre. Un doigt de blocage 38 permet de rendre mécaniquement solidaire la cellule et la structure de sustentation via la liaison pivot 34. Plus précisément, le doigt de blocage 38 est lié mécaniquement à une crémaillère 40 en prise avec une vis sans fin 42 entraînée pour un moteur électrique sous la commande de l'unité de traitement et fixée mécaniquement à la cellule via la liaison pivot 34. Bien entendu, ce système à vis sans fin et crémaillère pourrait être remplacé par un servomoteur dont l'arbre de moteur constitue alors le doigt de blocage. This assembly 30 comprises a central rotation shaft 32 integral with the support structure and fixed vertically in the middle of the cross to be connected to the cell 28 via a pivot connection 34. This central shaft is driven in rotation under the control of the processing unit 18 by an electric machine 36 mounted at the end of the shaft and operational in the 4 dials, that is to say operating both as a motor and as a generator and rotating in one direction to the other. A locking finger 38 makes it possible to make the cell and the support structure mechanically integral via the pivot connection 34. More precisely, the locking finger 38 is mechanically linked to a rack 40 engaged with a worm screw 42 driven for a motor under the control of the processing unit and mechanically fixed to the cell via the pivot connection 34. Of course, this endless screw and rack system could be replaced by a servomotor, the motor shaft of which then constitutes the finger of blockage.
Les figures 4A et 4B illustrent un vol stationnaire sans rotation dans lequel la somme F des forces de poussée équilibre exactement le poids total (poids à vide cellule incluse plus charge transportée) de l'aéronef P (le vent étant supposé nul). On peut noter que dans cette configuration d'équilibre, les vitesses de rotation V (et couples C) des quatre rotors sont identiques et présentent chacun une force de poussée FI2A, FI2B, F12 F i2D égale au quart du poids total. Les hélices deux à deux opposées 12A, 12C et 12B, 12D (celles dont les bras support sont alignés) tournent en même sens et les hélices adjacentes (par exemple 12A, 12B et 12C, 12D dont les bras 26A, 26B et 26C, 26D sont disposés à 90° l'un de l'autre) tournent en sens contraire. Conformément à l'invention, il est proposé de permettre par l'ensemble de découplage approprié 30 un désaccouplement de la cellule (la cabine 28 qui accueille la charge transportée) de cette structure de sustentation en cas de panne moteur via le relâchement du doigt de blocage 38 assurant leur liaison en rotation et simultanément de piloter le taux de rotation de la structure de sustentation (qui tournera autour de l'axe de lacet) par rapport à la cellule qui devra rester fixe sans rotation autour de cet axe z, grâce à l'utilisation de la machine électrique 36 pour, en créant un anti-couple adapté à la rotation de la structure de sustentation, annuler un taux de rotation de la cellule mesuré par un gyroscope d'une centrale inertielle (un des capteurs non illustrés à la figure 1) de l'aéronef. En effet, pour que la cellule n'ait pas le temps de se mettre en rotation autour de son axe de lacet (pour notamment le confort de l'occupant), il est supposé que le désaccouplement de la cellule avec la structure de sustentation sera instantané (ce qui nécessite un système d'actionnement très rapide) et qu'il n'y ait pas de vent. Concernant ce second point, la forme aérodynamique de la cellule avec un empennage complémentaire devra permettre d'améliorer la maîtrise des attitudes de la cellule avec du vent dans cette phase transitoire qui doit rester la plus courte possible. La structure de sustentation devient donc une voilure tournante en autorotation en cas de panne d'un moteur ou d'un rotor alors que la machine électrique à l'interface des deux éléments devient un dispositif d'anti-couple. FIGS. 4A and 4B illustrate stationary flight without rotation in which the sum F of the thrust forces exactly balances the total weight (empty weight of the cell included plus transported load) of the aircraft P (the wind being assumed to be zero). It can be noted that in this equilibrium configuration, the speeds of rotation V (and torques C) of the four rotors are identical and each have a thrust force F I2A , F I 2 B , F12 F i2 D equal to a quarter of the weight total. The two by two opposed propellers 12A, 12C and 12B, 12D (those whose support arms are aligned) rotate in the same direction and the adjacent propellers (for example 12A, 12B and 12C, 12D whose arms 26A, 26B and 26C, 26D are placed at 90° to each other) rotate in opposite directions. According to the invention, it is proposed to allow by the appropriate decoupling assembly 30 a decoupling of the cell (the cabin 28 which accommodates the transported load) of this support structure in the event of engine failure via the release of the finger of blocking 38 ensuring their connection in rotation and simultaneously controlling the rate of rotation of the support structure (which will rotate around the yaw axis) with respect to the cell which must remain fixed without rotation around this z axis, thanks to the use of the electric machine 36 to, by creating an anti-torque adapted to the rotation of the support structure, cancel a rate of rotation of the cell measured by a gyroscope of an inertial unit (one of the sensors not illustrated in Figure 1) of the aircraft. Indeed, so that the cell does not have time to rotate around its yaw axis (in particular for the comfort of the occupant), it is assumed that the uncoupling of the cell with the support structure will be instantaneous (which requires a very fast actuation system) and that there is no wind. Concerning this second point, the aerodynamic shape of the cell with an additional empennage should make it possible to improve the control of the attitudes of the cell with wind in this transitional phase which must remain as short as possible. The support structure therefore becomes a rotary wing in autorotation in the event of a motor or rotor failure, while the electrical machine at the interface of the two elements becomes an anti-torque device.
En vol vertical (décollage et atterrissage), horizontal ou stationnaire, le doigt de blocage est engagé et la structure de sustentation et la cellule sont solidaires mécaniquement l'une de l'autre et évoluent ensemble, une rotation de la structure entraînant une rotation de la cellule. Dans cette configuration standard de vol, la machine électrique n'est pas activée et les performances de l'aéronef en termes de vitesse, de durée de vol ou de consommation d'énergie en vol de croisière ne seront que peu dégradées par rapport à un VTOL standard dépourvu du module 30. In vertical (take-off and landing), horizontal or stationary flight, the locking finger is engaged and the support structure and the cell are mechanically secured to each other and evolve together, a rotation of the structure causing a rotation of the cell. In this standard flight configuration, the electrical machine is not activated and the performance of the aircraft in terms of speed, flight duration or energy consumption in cruise flight will be only slightly degraded compared to a Standard VTOL without module 30.
Par contre, en cas de panne de l'un des moteurs (au niveau du rotor ou de l'hélice) depuis une situation en stationnaire ou en vol vertical (montée ou descente), le désaccouplement de la cellule permettra de créer via la machine électrique un anti¬ couple qui annulera le mouvement de rotation autour de l'axe de lacet de la structure de sustentation en créant un moment de lacet sans changement d'attitude de tangage ou de roulis. Ce contrôle de l'anti-couple par le pilotage de la machine électrique en évitant la mise en rotation de cellule sur elle-même permet d'assurer l'embarquement d'un équipage et de passagers. Mais il s'avère aussi bien évidemment utile pour maîtriser un aéronef sur toute sa mission qu'il transporte plus généralement tout être vivant ou qu'il soit simplement destiné à de la logistique.On the other hand, in the event of failure of one of the engines (at the level of the rotor or the propeller) from a situation in hover or in vertical flight (climb or descent), the uncoupling of the cell will make it possible to create via the machine electric an anti ¬ torque which will cancel the rotational movement around the yaw axis of the levitation structure by creating a yaw moment without a change in pitch or roll attitude. This control of the anti-torque by controlling the electric machine by avoiding the rotation of the cell on itself makes it possible to ensure the boarding of a crew and passengers. But it also obviously proves useful for controlling an aircraft over its entire mission whether it is more generally transporting any living being or whether it is simply intended for logistics.
Pour ce faire, et comme le montre la figure 5A, il est procédé tout d'abord à l'identification d'un défaut au niveau d'un moteur ou d'une hélice (en l'espèce 12B), par exemple par une mesure d'un régime moteur incohérent par rapport à la consigne de vitesse délivrée par l'unité de commande, puis, une fois cette identification avérée, d'une part à l'envoi simultanée puis le maintien d'une consigne de vitesse nulle au moteur alimentant le rotor défaillant et au moteur diamétralement opposé (en l'espèce 12D - voir la figure 5B) et d'autre part à un désengagement du doigt de blocage 38 assurant la liaison mécanique en rotation entre la structure de sustentation et la cellule. La cellule devenue libre en rotation évoluera indépendamment de la structure de sustentation qui va tourner sur elle- même sous l'effet des deux rotors restant en fonctionnement et c'est le pilotage adéquat de la machine électrique (production du couple nécessaire) qui fixera le taux de rotation relatif de l'un par rapport à l'autre dans un objectif d'annuler le mouvement de rotation de la cellule dans la phase transitoire très courte entre la détection de la panne et le relâchement du doigt. De plus, c'est à la cellule que sont connectées les jambes de repos de l'aéronef qui viendront en contact avec le sol lors de l'atterrissage et qui ne doivent donc pas tourner sur elles-mêmes autour de l'axe de lacet. To do this, and as shown in FIG. 5A, a fault is first identified at the level of an engine or a propeller (in this case 12B), for example by a measurement of an engine speed inconsistent with the speed setpoint delivered by the control unit, then, once this identification has been confirmed, on the one hand to the simultaneous sending then the maintenance of a zero speed setpoint to the motor supplying the faulty rotor and to the diametrically opposed motor (in this case 12D - see FIG. 5B) and on the other hand to a disengagement of the locking finger 38 ensuring the mechanical connection in rotation between the support structure and the cell. The cell which has become free to rotate will evolve independently of the support structure which will turn on itself under the effect of the two rotors remaining in operation and it is the adequate control of the electric machine (production of the necessary torque) which will fix the relative rotation rate of one with respect to the other with the aim of canceling the rotation movement of the cell in the very short transient phase between the detection of the fault and the release of the finger. In addition, it is to the cell that the rest legs of the aircraft are connected which will come into contact with the ground during landing and which therefore must not turn on themselves around the yaw axis. .
Ainsi, et comme le montre la figure 6A, en situation de vol stationnaire ou de vol vertical (montée ou descente), la détection d'une telle panne conduira à l'arrêt de la rotation de deux des quatre rotors opposés deux à deux afin de créer un moment de lacet (couple C) sans tangage ni roulis mais avec une réduction de la force de poussée. Cette force de poussée F devenant inférieure au poids de l'aéronef P (voir la figure 6B), il en résultera pour le quadricoptère une descente verticale à un taux de descente déterminé qui, si l'actionnement du doigt de blocage est simultané, c'est à dire suffisamment rapide (en pratique de 10 à 100 millisecondes) suite à la détection de la panne, va s'effectuer sans entraîner la cellule en rotation autour de l'axe de lacet (axe z), la machine électrique créant sur l'arbre de rotation 32 un anti couple (AC) s'opposant au moment de lacet créé par les rotors restant en fonctionnement sur la structure de sustentation, pour se stabiliser en vol stationnaire. Thus, and as shown in FIG. 6A, in a hovering or vertical flight situation (climb or descent), the detection of such a failure will lead to the stopping of the rotation of two of the four rotors opposed two by two in order to create a yaw moment (torque C) without pitching or rolling but with a reduction in the thrust force. This thrust force F becoming less than the weight of the aircraft P (see FIG. 6B), this will result for the quadricopter in a vertical descent at a determined rate of descent which, if the actuation of the locking finger is simultaneous, c 'is say fast enough (in practice from 10 to 100 milliseconds) following the detection of the failure, will take place without causing the cell to rotate around the yaw axis (z axis), the electrical machine creating on the rotation shaft 32 an anti-torque (AC) opposing the yaw moment created by the rotors remaining in operation on the support structure, to stabilize in hovering flight.
Avec cette stratégie, le quadricoptère va pouvoir descendre verticalement sans que la cellule ne tourne autour de l'axe de lacet. Il est alors possible soit d'augmenter les régimes de rotation des rotors restant en fonctionnement pour arrêter la descente voir remonter et le pilotage de la machine électrique sera alors adapté en conséquence pour éviter la mise en rotation de la cellule autour de l'axe de lacet, soit de réduire progressivement et de manière coordonnée chacun des régimes de rotation de ces rotors en adaptant le pilotage de la machine électrique. L'attitude en tangage, en roulis et en lacet restera inchangée à mesure que l'aéronef se rapprochera du sol et l'aéronef finira par se poser sans tourner sur lui-même au contact du sol permettant de déposer sans difficulté les occupants transportés. With this strategy, the quadricopter will be able to descend vertically without the cell rotating around the yaw axis. It is then possible either to increase the rotation speeds of the rotors remaining in operation to stop the descent or even go up again and the control of the electric machine will then be adapted accordingly to avoid the cell rotating around the axis of yaw, or to reduce progressively and in a coordinated manner each of the rotation speeds of these rotors by adapting the control of the electric machine. The attitude in pitch, in roll and in yaw will remain unchanged as the aircraft approaches the ground and the aircraft will eventually land without turning on itself in contact with the ground making it possible to deposit the transported occupants without difficulty.
Cette capacité de stopper la chute et de remonter en altitude pourra permettre à cet aéronef de s'insérer dans le trafic aérien en étant robuste à une panne moteur. De plus, par analogie avec les hélicoptères bimoteurs, il pourra permettre à un équipage de poursuivre sa mission en cas de panne moteur si le pilotage de la machine électrique est adapté pour opérer au-delà d'une trajectoire verticale. This ability to stop the fall and climb back to altitude will allow this aircraft to fit into air traffic while being robust to engine failure. Moreover, by analogy with twin-engine helicopters, it will be able to allow a crew to continue its mission in the event of engine failure if the control of the electric machine is adapted to operate beyond a vertical trajectory.
Plus particulièrement, dans un mode de réalisation complémentaire illustré à la figure 7, la cabine est non seulement rendue mobile en rotation selon son axe de lacet par la première machine électrique 36 mais également articulée en rotation sur ses axes de tangage et de roulis et asservie selon l'inclinaison du plan de la structure de sustentation en fonction de la vitesse d'avancement désirée dans une direction donnée par des deuxième et troisième machines électriques 44, 46 commandées également depuis l'unité de traitement 18. L'ensemble des trois liaisons pivot ainsi constituées forme ce que l'on peut appeler une nacelle de stabilisation articulée 48 permettant de suspendre mécaniquement la cellule à la structure de sustentation. Dans ce mode de réalisation, en vol d'avancement, l'inclinaison de la cellule est asservie sur l'inclinaison du plan de la structure de sustentation et donc à la vitesse d'avancement. Cela permet aux occupants de la cellule d'être dans une situation de vol confortable avec toujours une vue sur la direction d'avancement comme un vol à l'horizontal. More particularly, in a complementary embodiment illustrated in FIG. 7, the cabin is not only made mobile in rotation along its yaw axis by the first electric machine 36 but also articulated in rotation on its pitch and roll axes and slaved according to the inclination of the plane of the support structure according to the desired forward speed in a given direction by second and third electric machines 44, 46 also controlled from the processing unit 18. All three connections pivot thus formed forms what can be called an articulated stabilization nacelle 48 allowing the cell to be mechanically suspended from the support structure. In this embodiment, in forward flight, the inclination of the cell is slaved to the inclination of the plane of the support structure and therefore to the forward speed. This allows the occupants of the cell to be in a comfortable flight situation with always a view of the direction of travel as in horizontal flight.
En cas de panne moteur et si la mission est abandonnée (avec une priorité à l'atterrissage d'urgence), le même procédé qu'en vol vertical sans cellule peut être opéré avec une étape supplémentaire qui consiste à repositionner le plan de la structure de sustentation à l'horizontal le plus rapidement possible pour mieux gérer la descente. Si par contre la mission doit continuer (vol au-dessus de la mer), un mode de pilotage est possible où la structure de sustentation tournerait sur elle- même dans un sens et où l'articulation en lacet serait pilotée pour avoir un taux de rotation nulle de la cellule pour permettre le vol d'avancement. L'inversion du sens de rotation d'un des rotors encore opérationnel pourrait également être effectué pour finir la mission sans impacter l'attitude de la cellule. Avec un repositionnement longitudinal de l'avant de la cellule selon l'axe des rotors encore opérant, le birotor obtenu pourrait se comporter comme un hélicoptère tandem à deux rotors contrarotatifs. La gestion des régimes de rotation avant et arrière via les deuxième et troisième machines électriques permettrait d'incliner l'aéronef vers l'avant ou l'arrière pour engager un vol d'avancement ou de recul. In the event of engine failure and if the mission is abandoned (with emergency landing priority), the same process as in vertical flight without an airframe can be operated with an additional step which consists in repositioning the plane of the structure of lift horizontally as quickly as possible to better manage the descent. If, on the other hand, the mission must continue (flight over the sea), a piloting mode is possible where the support structure would turn on itself in one direction and where the yaw joint would be piloted to have a rate of zero rotation of the airframe to allow forward flight. The reversal of the direction of rotation of one of the rotors still operational could also be carried out to finish the mission without impacting the attitude of the cell. With a longitudinal repositioning of the front of the cell according to the axis of the still operating rotors, the bi-rotor obtained could behave like a tandem helicopter with two counter-rotating rotors. The management of the forward and backward rotation speeds via the second and third electric machines would make it possible to tilt the aircraft forwards or backwards to engage in forward or backward flight.
Ainsi le procédé d'atterrissage d'urgence de l'invention permettant de ramener l'aéronef VTOL au sol sans dommage pour ses occupants comporte les étapes suivantes : Thus the emergency landing method of the invention making it possible to bring the VTOL aircraft back to the ground without harming its occupants comprises the following steps:
• Détecter la perte d'un moteur (rotor) ou d'un propulseur (hélice), • Detect the loss of an engine (rotor) or thruster (propeller),
• Générer des consignes de vitesse nulle sur ce moteur et celui qui lui est diamétralement opposé et simultanément désengager le doigt de blocage,• Generate zero speed instructions on this motor and the one diametrically opposed to it and simultaneously disengage the locking pin,
• Générer des consignes de vitesse adaptée à un taux de descente désiré pour les deux moteurs restant en fonctionnement et fournir par la machine électrique l'anti-couple nécessaire à l'annulation du mouvement de rotation de la cellule autour de l'axe de lacet, ou • Stabiliser la perte d'altitude en ré-accélérant de manière coordonnée les deux moteurs restant en fonctionnement et fournir par la machine électrique l'anti¬ couple nécessaire à l'annulation du mouvement de rotation de la cellule autour de l'axe de lacet. • Generate speed instructions adapted to a desired rate of descent for the two motors remaining in operation and provide by the electric machine the anti-torque necessary to cancel the rotational movement of the cell around the yaw axis , Where • Stabilize the loss of altitude by re-accelerating in a coordinated manner the two motors remaining in operation and supply by the electric machine the anti ¬ torque necessary to cancel the rotational movement of the cell around the yaw axis .
La figure 8 représente sous forme d'un diagramme d'états les différentes configurations fonctionnelles dans lesquelles peut ainsi se trouver le quadricoptère.FIG. 8 represents in the form of a state diagram the different functional configurations in which the quadricopter can thus find itself.
Juste après l'allumage et un certain nombre d'étapes d'initialisation gérées durant l'état 50 « Début », le quadricoptère se trouve à l'état 52 « Posé », avec les moteurs prêts à démarrer. L'envoi d'une commande par le pilote (s'il est aux commandes de l'aéronef) ou le télépilote (s'il a le contrôle à distance) provoque le lancement des moteurs et le décollage du quadricoptère qui se trouve alors dans l'état 54 « Décollage » à partir duquel deux modes principaux de fonctionnement sont possibles. Immediately after switching on and a certain number of initialization steps managed during state 50 “Start”, the quadricopter is in state 52 “Landed”, with the motors ready to start. The sending of a command by the pilot (if he is at the controls of the aircraft) or the remote pilot (if he has remote control) causes the start of the engines and the takeoff of the quadricopter which is then in the state 54 "Take off" from which two main modes of operation are possible.
Dans un premier mode de pilotage, l'état 56 « Vol stationnaire », le pilotage du quadricoptère est opéré de manière automatique mettant en œuvre le système autonome de stabilisation en vol stationnaire. Ce mode autopiloté est notamment activé à la fin de la phase de décollage, dès que le pilote relâche ses commandes, ou en cas d'interruption de la liaison radio entre l'appareil et le VTOL en cas de commande télépilotée. In a first piloting mode, state 56 “Hovering flight”, the piloting of the quadricopter is operated automatically by implementing the autonomous system for stabilization in hovering flight. This autopilot mode is activated in particular at the end of the take-off phase, as soon as the pilot releases his controls, or in the event of interruption of the radio link between the aircraft and the VTOL in the event of a remotely piloted command.
Dans l'autre mode de pilotage, l'état 58 « Vol piloté », le pilotage du quadricoptère est opéré de façon directe par le pilote ou télépilote, au moyen, d'une combinaison de signaux émis par le détecteur d'inclinaison de l'appareil et/ou de commandes disponibles sur la station au sol. In the other piloting mode, state 58 “Piloted flight”, the piloting of the quadricopter is operated directly by the pilot or remote pilot, by means of a combination of signals emitted by the inclination detector of the device and/or commands available on the ground station.
L'état « Vol piloté » ou «Vol stationnaire », prend fin par passage à un état d'atterrissage 60 « Atterrissage », suite à l'appui sur une commande spécifique de l'appareil ou en cas de réserve d'énergie bord faible (ici la batterie). Le passage à cet état produit une réduction du régime des rotations des moteurs et une diminution en cohérence de l'altitude. Lorsque le contact avec le sol a été détecté, l'état est à nouveau l'état 52 « Posé ». Le quadricoptère comporte également un état 62 « Transition piloté stationnaire », pour permettre au quadricoptère de passer de l'état 58 de mouvement en vol piloté, où il se déplace avec une inclinaison non nulle et donc une vitesse horizontale qui peut être relativement élevée, jusqu'à l'état 56 de sustentation verticale en vol stationnaire où il sera immobile et maintenu dans cette position fixe par le système de pilotage automatique et de stabilisation. Cette procédure d'arrêt sera opérée en un temps minimal et sans inversion de vitesse horizontale. The "Piloted flight" or "Hovering flight" state ends by passing to a landing state 60 "Landing", following the pressing of a specific command on the aircraft or in the event of on-board energy reserve weak (here the battery). Switching to this state produces a reduction in engine rotation speed and a coherent reduction in altitude. When contact with the ground has been detected, the state is again state 52 “Landed”. The quadricopter also includes a state 62 "Stationary piloted transition", to allow the quadricopter to pass from the state 58 of movement in piloted flight, where it moves with a non-zero inclination and therefore a horizontal speed which can be relatively high, up to the state 56 of vertical levitation in hovering flight where it will be immobile and maintained in this fixed position by the automatic piloting and stabilization system. This stopping procedure will be carried out in a minimum time and without horizontal speed reversal.
Il comporte aussi un état 64 « Transition stationnaire piloté», pour permettre au VTOL de passer l'état de sustentation verticale 56 où il sera immobile et maintenu dans cette position fixe par le système de pilotage automatique et de stabilisation à l'état de mouvement 58, où il se déplace avec une inclinaison non nulle et donc une vitesse horizontale qui peut être relativement élevée. It also includes a state 64 "Piloted stationary transition", to allow the VTOL to pass the vertical levitation state 56 where it will be immobile and maintained in this fixed position by the automatic piloting and stabilization system in the state of movement. 58, where it moves with a non-zero inclination and therefore a horizontal speed which can be relatively high.
Enfin, l'état 66 « Gestion de la panne » correspond à un état d'urgence en cas d'anomalie détectée. Il provoque le lancement par défaut du procédé d'atterrissage d'urgence du quadricoptère décrit précédemment. Cet état de panne peut être atteint à partir de n'importe lequel des états précédemment décrits (illustrés par les flèches en pointillés), notamment en cas de panne du système propulsif distribué (blocage d'un moteur ou perte d'un rotor). La finalité de ce procédé est de stabiliser la perte d'altitude. Une fois la perte stabilisée, le pilote ou le télépilote depuis une station au sol, peut choisir de continuer la mission dans ce mode dégradé et donc ne pas atterrir tout de suite. Ce choix est effectué avantageusement via une interface homme machine simple, facile d'accès et à portée de main comme un bouton poussoir près ou sur les interfaces de commande. Par exemple, par défaut, bouton relâché, la procédure d'atterrissage d'urgence est enclenchée. Si le pilote ou le télépilote appuie sur le bouton et que les conditions de la poursuite de la mission sont réunies : mesure de la stabilisation de l'attitude de l'aéronef (absence de taux de rotation de la cellule sur les 3 axes de lacet, tangage et roulis) et mesure de l'absence de mouvement (vitesse linéaire nulle suivant les 3 axes de la cellule) par un estimateur d'état interne au contrôleur de vol, la procédure d'atterrissage d'urgence est abandonné et le pilote peut continuer la mission en mode dégradé avec une capacité de guidage/pilotage réduite identique celle disponible pour faire l'atterrissage d'urgence. Finally, state 66 “Fault management” corresponds to an emergency state in the event of an anomaly being detected. It causes the default launch of the quadricopter emergency landing process described above. This failure state can be reached from any of the states previously described (illustrated by the dotted arrows), in particular in the event of failure of the distributed propulsion system (blockage of an engine or loss of a rotor). The purpose of this process is to stabilize the loss of altitude. Once the loss has stabilized, the pilot or remote pilot from a ground station can choose to continue the mission in this degraded mode and therefore not land immediately. This choice is advantageously made via a simple man-machine interface, easy to access and within easy reach like a push button near or on the control interfaces. For example, by default, button released, the emergency landing procedure is engaged. If the pilot or remote pilot presses the button and the conditions for continuing the mission are met: measurement of the stabilization of the attitude of the aircraft (absence of cell rotation rate on the 3 yaw axes , pitch and roll) and measurement of the absence of movement (zero linear speed along the 3 axes of the cell) by a state estimator internal to the flight controller, the emergency landing procedure is abandoned and the pilot can continue the mission in degraded mode with a reduced guidance/piloting capability identical to that available to make the emergency landing.

Claims

Revendications Claims
[Revendication 1] Aéronef VTOL à quatre rotors (10) entraînant chacun une hélice (14A, 14B, 14C, 14D) et comportant une unité de commande (18) pour délivrer une consigne de vitesse à chacun de ces quatre rotors (12A, 12B,[Claim 1] VTOL aircraft with four rotors (10) each driving a propeller (14A, 14B, 14C, 14D) and comprising a control unit (18) for delivering a speed setpoint to each of these four rotors (12A, 12B ,
12C, 12D), les quatre rotors étant montés sur quatre bras (28A, 28B, 28C, 28D) définissant deux axes en croix supportant une cellule (30) de l'aéronef destinée à recevoir la charge transportée, les deux rotors opposés d'un même axe tournant chacun dans un même sens de rotation, caractérisé en ce que, pour assurer en cas de défaut d'un rotor ou d'une hélice, un atterrissage d'urgence maîtrisé de l'aéronef sans rotation de la cellule autour d'un axe de lacet de l'aéronef, l'unité de commande (18) est configurée pour détecter le défaut et pour générer des consignes de vitesse nulle sur le rotor en défaut ou le rotor associé à l'hélice en défaut et celui qui lui est diamétralement opposé, et simultanément commander un mécanisme de découplage (32) assurant un désaccouplement de la cellule des deux axes en croix la supportant. 12C, 12D), the four rotors being mounted on four arms (28A, 28B, 28C, 28D) defining two cross axes supporting a cell (30) of the aircraft intended to receive the transported load, the two opposite rotors the same axis each rotating in the same direction of rotation, characterized in that, in the event of a rotor or propeller failure, a controlled emergency landing of the aircraft without rotation of the airframe around a yaw axis of the aircraft, the control unit (18) is configured to detect the fault and to generate zero speed instructions on the faulty rotor or the rotor associated with the faulty propeller and the one which is diametrically opposed to it, and simultaneously control a decoupling mechanism (32) ensuring a decoupling of the cell from the two cross axes supporting it.
[Revendication 2] Aéronef VTOL à quatre rotors selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mécanisme de séparation comporte un doigt de blocage (38) actionné par un système d'actionnement (40, 42) et venant sélectivement bloquer la rotation d'un arbre central de rotation (32) solidaire des deux axes en croix. [Claim 2] Four-rotor VTOL aircraft according to claim 1, characterized in that the separation mechanism comprises a locking finger (38) actuated by an actuating system (40, 42) and selectively blocking the rotation of a central rotation shaft (32) secured to the two cross axes.
[Revendication 3] Aéronef VTOL à quatre rotors selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit système d'actionnement est un servomoteur dont le doigt de blocage constitue l'arbre moteur ou un moteur électrique actionnant une vis sans fin (42) en prise avec une crémaillère (40) solidaire du doigt de blocage. [Claim 3] Four-rotor VTOL aircraft according to Claim 2, characterized in that the said actuation system is a servomotor, the locking finger of which constitutes the motor shaft, or an electric motor actuating a worm screw (42) in engagement with a rack (40) integral with the locking pin.
[Revendication 4] Aéronef VTOL à quatre rotors selon la revendication 2, caractérisé en ce que le mécanisme de séparation comporte en outre une première machine électrique (36) montée sur l'arbre central de rotation (32). [Claim 4] A four-rotor VTOL aircraft according to claim 2, characterized in that the separation mechanism further comprises a first electrical machine (36) mounted on the central rotation shaft (32).
[Revendication 5] Aéronef VTOL à quatre rotors selon la revendication 4, caractérisé en ce que le mécanisme de séparation comporte en outre des deuxième (44) et troisième (46) machines électriques articulées en rotation respectivement sur les axes de tangage et de roulis de l'aéronef. [Claim 5] A four-rotor VTOL aircraft according to claim 4, characterized in that the separation mechanism further comprises second (44) and third (46) electric machines articulated in rotation respectively on the pitch and roll axes of the aircraft.
[Revendication 6] Aéronef VTOL à quatre rotors selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que les première, deuxième et troisième (46) machines électriques sont des machines opérationnelles sur quatre quadrants. [Claim 6] A four-rotor VTOL aircraft according to claim 4 or claim 5, characterized in that the first, second and third (46) electrical machines are four-quadrant machines.
[Revendication 7] Procédé de gestion d'atterrissage d'urgence dans un aéronef VTOL à quatre rotors (10) entraînant chacun une hélice (14A, 14B, 14C, 14D) et comportant une unité de commande (18) pour délivrer une consigne de vitesse à chacun de ces quatre rotors (12A, 12B, 12C, 12D), les quatre rotors étant montés fixement sur quatre bras (28A, 28B, 28C, 28D) définissant deux axes en croix supportant une cellule (30) de l'aéronef destinée à recevoir des occupants, les deux rotors opposés d'un même axe tournant chacun dans un même sens de rotation, procédé dans lequel, pour assurer en cas de défaut d'un rotor ou d'une hélice, un atterrissage d'urgence maîtrisé de l'aéronef sans rotation de la cellule autour d'un axe de lacet de l'aéronef, il est tout d'abord détecté le défaut puis simultanément, il est généré des consignes de vitesse nulle sur le rotor en défaut ou le rotor associé à l'hélice en défaut et celui qui lui est diamétralement opposé, et il est commandé un mécanisme de découplage (32) assurant un désaccouplement de la cellule des deux axes en croix la supportant. [Claim 7] Method for managing an emergency landing in a VTOL aircraft with four rotors (10) each driving a propeller (14A, 14B, 14C, 14D) and comprising a control unit (18) for delivering a speed at each of these four rotors (12A, 12B, 12C, 12D), the four rotors being fixedly mounted on four arms (28A, 28B, 28C, 28D) defining two cross axes supporting a cell (30) of the aircraft intended to receive occupants, the two opposite rotors of the same axis each turning in the same direction of rotation, process in which, in the event of a fault in a rotor or a propeller, a controlled emergency landing of the aircraft without rotation of the cell around a yaw axis of the aircraft, the fault is first detected and then simultaneously, zero speed instructions are generated on the faulty rotor or the associated rotor to the faulty propeller and the one diametrically opposed to it, and a cutting mechanism is controlled lage (32) ensuring a disconnection of the cell from the two cross axes supporting it.
[Revendication 8] Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est en outre commandé une première machine électrique (36) pour délivrer, via la rotation d'un arbre central (32) solidaire des deux axes en croix, un anti-couple (AC) à l'aéronef destiné à annuler le moment de lacet résultant du défaut du rotor ou de l'hélice. [Claim 8] Method according to claim 7, characterized in that a first electric machine (36) is also controlled to deliver, via the rotation of a central shaft (32) integral with the two cross axes, an anti -torque (AC) to the aircraft intended to cancel the yawing moment resulting from the rotor or propeller failure.
[Revendication 9] Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que pour éviter la mise en rotation de la cellule autour de l'axe de lacet et permettre à l'aéronef de se poser sans que la cellule tourne sur elle-même ou de poursuivre sa mission, le pilotage de la première machine électrique (36) est adapté pour respectivement permettre de réduire progressivement et de manière coordonnée chacun des régimes de rotation des deux rotors restant en fonctionnement ou permettre d'augmenter les régimes de rotation de ces deux rotors afin d'arrêter la descente voir d'assurer une remontée pour la poursuite de la mission dans ce mode dégradé. [Claim 9] Method according to claim 8, characterized in that in order to prevent the cell from rotating around the yaw axis and to allow the aircraft to land without the cell rotating on itself or continue its mission, the control of the first electric machine (36) is adapted to respectively make it possible to reduce gradually and in a coordinated manner each of the rotation speeds of the two remaining rotors in operation or make it possible to increase the rotation speeds of these two rotors in order to stop the descent or even to ensure an ascent for the continuation of the mission in this degraded mode.
[Revendication 10] Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la poursuite de la mission est conditionnée à un taux de rotation nul et à une vitesse linéaire nulle autour et suivant les axes de lacet, tangage et roulis.[Claim 10] Method according to claim 9, characterized in that the continuation of the mission is conditioned on a zero rate of rotation and at a zero linear speed around and along the axes of yaw, pitch and roll.
[Revendication 11] Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est en outre commandé des deuxième (44) et troisième (46) machines électriques pour, après le désaccouplement de la cellule suite au défaut du rotor ou de l'hélice, suivre et asservir l'inclinaison de la cellule à l'inclinaison des deux axes en croix et donc à la vitesse d'avancement de l'aéronef. [Claim 11] Method according to claim 8, characterized in that second (44) and third (46) electrical machines are also controlled for, after the uncoupling of the cell following a fault in the rotor or the propeller , follow and slave the inclination of the cell to the inclination of the two cross axes and therefore to the forward speed of the aircraft.
PCT/FR2022/050237 2021-02-15 2022-02-09 Vtol aircraft having four rotors in a cruciform arrangement, and associated method for managing an emergency landing WO2022171958A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FRFR2101404 2021-02-15
FR2101404A FR3119836B1 (en) 2021-02-15 2021-02-15 VTOL aircraft with four cross-rotors and associated emergency landing management method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022171958A1 true WO2022171958A1 (en) 2022-08-18

Family

ID=74871708

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2022/050237 WO2022171958A1 (en) 2021-02-15 2022-02-09 Vtol aircraft having four rotors in a cruciform arrangement, and associated method for managing an emergency landing

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3119836B1 (en)
WO (1) WO2022171958A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200223547A1 (en) * 2017-09-19 2020-07-16 Ideaforge Technology Pvt. Ltd. Unmanned aerial vehicle with co-axial reversible rotors
EP3712059A1 (en) * 2019-03-18 2020-09-23 Airbus Helicopters Method and device for displacing a centre of gravity of an aircraft
US20200398994A1 (en) * 2015-05-29 2020-12-24 Verity Studios Ag Aerial vehicle
FR3099462A1 (en) * 2019-08-02 2021-02-05 Safran Electronics & Defense Aircraft comprising a back-up device in the event of a breakdown

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200398994A1 (en) * 2015-05-29 2020-12-24 Verity Studios Ag Aerial vehicle
US20200223547A1 (en) * 2017-09-19 2020-07-16 Ideaforge Technology Pvt. Ltd. Unmanned aerial vehicle with co-axial reversible rotors
EP3712059A1 (en) * 2019-03-18 2020-09-23 Airbus Helicopters Method and device for displacing a centre of gravity of an aircraft
FR3099462A1 (en) * 2019-08-02 2021-02-05 Safran Electronics & Defense Aircraft comprising a back-up device in the event of a breakdown

Also Published As

Publication number Publication date
FR3119836A1 (en) 2022-08-19
FR3119836B1 (en) 2023-02-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2146895B1 (en) Long range fast hybrid helicopter and optimised lift rotor
EP2148814B1 (en) Long range fast hybrid helicopter with longitudinal attitude control
EP2146896B1 (en) Long range fast hybrid helicopter
EP2468627B1 (en) Aircraft provided with a tilting rear rotor and associated method
EP3294624B1 (en) Convertible airplane with exposable rotors
EP2105378B1 (en) Fast hybrid helicopter with large range
US9851723B2 (en) Method and apparatus for flight control of tiltrotor aircraft
WO2008142258A9 (en) Method for controlling a rotorcraft
FR2952612A1 (en) HIGH-DISTANCE AIRCRAFT WITH A HIGH SPEED OF ADVANCEMENT IN CRUISE FLIGHT
US20200031464A1 (en) Vertical takeoff and landing light aircraft
FR2798359A1 (en) IMPROVEMENTS ON CONVERTIBLE AIRCRAFT WITH TILTING ROTORS
FR2959205A1 (en) METHOD FOR CONTROLLING AND REGULATING THE TURNING ANGLE OF A HYBRID HELICOPTER VEHICLE
FR2983171A1 (en) ANTI-TORQUE DEVICE WITH LONGITUDINAL PUSH FOR A GIRAVION
EP3765364B1 (en) Procedure for operating a hybrid aerodyne of the vtol or stol type
WO2022171958A1 (en) Vtol aircraft having four rotors in a cruciform arrangement, and associated method for managing an emergency landing
FR3119837A1 (en) Four-rotor VTOL aircraft and associated emergency landing management method
FR3103463A1 (en) Emergency landing management method in a VTOL aircraft with four opposing rotors in pairs and associated VTOL aircraft
US11964771B2 (en) Rotorcraft autorotation control through electrical braking
EP4294723A1 (en) Unmanned aircraft with increased reliability and method for piloting such an umanned aircraft
US20230312120A1 (en) Rotorcraft Autorotation Control Through Electrical Braking
FR3123320A1 (en) Aircraft having at least one propeller and a rotary wing equipped with two rotors carried by two half-wings
WO2020025885A1 (en) Vertical take-off and landing aircraft
Lindenbaum et al. A review of the us tri-service v/stol programs
CH322530A (en) Aerograft type flight apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22708587

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22708587

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1