Brevet FR2283053A1 — publié le 19760326

La présente invention concerne les aéronefs å atterrissages et décollages courts ou verticaux connus sous-le nom de STOL ou V/SUOL. La majorité des aéronefs actuellement en service est constituée par des avions comportant un fuselage et des ailes ; ces avions, de par leur conception de principe, à cause de leur faible coefficient de finesse aérodynamique et malgré certains dis Cx positifs hypersustentateurs en général situés sur les ailes, exigent pour décoller et atterrir des pistes extrêmement longues afin de leur permettre d'atteindre la vitesse horizontale néces- saire å ce décollage. Les inconvénients et les frais qu'entraine ce système sont bien sûr énormes : ils proviennent essentiellement de la lon tueur des pistes exigées, de l'importance et de la complexité des services et des infrastructures des aéroports qu'ils impliquent, de leurs dimensions..., tous ces facteurs ayant une influence directe sur le coût d'installation et d'exploitation. De plus, étant donnée la superficie de ces aéroports, il est nécessaire de les éloigner de plus en plus des grands centres urbains, ce qui augmente encore la durée des transports inter médiaires et diminue d'autant la compétitivité des transports aériens par rapport B ceux qui, comme les vicules terrestres, sont d'un accès plus rapide ; ceci est sensible surtout pour les petites et moyennes distances. La surcharge des installations de contrôle d'approche et d'envol disponibles, la surcharge de l'espace aérien à proximit8 des aéroports sont des facteurs supplémentaires de perte de temps et de carburant. I1 est admis depuis longtemps que ces problèmes peuvent être résolus par un aéronef pouvant fonctionner à partir d'une aire d'atterrissage très réduite, telle que le sommet d'un building situé au centre ou à la périphérie d'une ville, comme le réalisent déjà de nombreux hélicoptères. Mais les performances médiocres de ce type d'appareil sont bien connues - rendement aérodynamique extrêmement faible, qui ne leur autorise qu'une vitesse maximale de 250 km/heure et un rayon d'action très réduit. - plafond d'altitude limité. --vol et maniabilité difficiles et dangereux par grand vent. - extrême complexité et fragilité des mécanismes tels que la variation cyclique du pas du rotor, et la dissymétrie des vitesses relatives des extrémités des pales, ce qui nécessite une hélice anticouple à vitesse ou pas variable. - capacité de transport limitée. - coût élevé d'achat, de fonctionnement et d'entretien. - manque de sécurité et de fiabilité dûtes à la complexité de tous les mécanismes, et à la conception du principe même de lthéli- coptère. Tous les inconvénients liés à ce type d'appareil font que l'hélicoptère est presque exclusivement réservé à des missions de surveillance ou de sauvetage, de courte durée et à faible distance de leur point de ravitaillement. De plus, leur coût élevé d'utilisation et d'entretien limite leur rentabilité et par conséquent leur développement commercial, surtout dans le cas de transport de-passagers. Diverses solutions au problème du décollage court ou vertical ont également été proposes, par exemple celle d'un avion à ailes basculantes possédant un ou deux fuselages, et deux ou quatre ailes possédant chacune au moins un moteur de propulsion, ces ailes étant orientées de telle façon qu'elles produisent une poussée verticale pendant le décollage et l'atterrissage, et sont basculées jusqu'à une position horizontale pour le vol en ligne. I1 a aussi été proposé d'utiliser, en plus des moteurs classiques de propulsion horizontale, des moteurs spécifiquement réservés à la totalité de la sustentation et assurant une pous-- sée verticale directe.Mais le coût et l'encombrement qu'impli- que l'installation de moteurs uniquement réservés à la totalité de la sustentation durant les phases ascensionnelles du vol, entraînent que ce type d'avion ne peut être exploité que pour des missions militaires, ou pour des prototypes. De même, il a été proposé d'utiliser un dispositif pour établir une composante verticale de poussée des réacteurs par l'intermédiaire de soufflantes de sustentation placées dans l'épaisseur des ailes d'un avion à fuselage, produisant une poussée ascensionnelle en déviant les gaz chauds dans lesdites soufflantes pendant le décollage et l'atterrissage.D'une façon générale, ces solutions ont permis l'avantage du fonctionnement sur des aéroports de faible superficie qui peuvent se trouver à proximité d'un centre urbain, et ces avions permettent d'atteindre des vitesses beaucoup plus intéressantes que celles des hélicoptères. NRis tous les avions STOL ou V/SUOL proposés jusqu'ici posent de nombreux problèmes de fonctionnement, de stabilité et de sécurité pendant les phases ascensionnelle et de transition du vol.De plus, les frais très élevés de construction qu'ils impliquent à cause de leur complexité les rendent insuffisamment rentables face aux avions classiques, et ceci même compte tenu de leurs avantages relativement à ces derniers, car aucun des systèmes proposés jusqu'ici n'est parvenu-à une simplicité de construction et de maniabilité suffisantes pour satisfaire aux exigences de sécurité ou de rentabilité d'un transport commercial. I1 existe par ailleurs des avions ou des hélicoptères ayant la possibilité de se poser sur l'eau ; mais pour amerrir, cenx-ci doivent être munis de flotteurs extérieurs au fuselage, afin d'assurer la flottabilité et la stabilité de l'appareil ; les inconvients d'un tel système sont évidents : poids de l'ensemble et trainée aérodynamique supplémentaires, risques importants, pour les hydravions, de chavirer ou d'endommager leurs ailes à la moindre houle La plupart des inconvénients décrits ci-dessus découlent de la conception même des avions actuels dont la quasi-totalité possède un système ailes-fuselage.Du point de vue aérodynamique, ce système oblige à limiter l'avion dans une gamme de vitesses précise, an delà de laquelle le rapport trainée portance s'accroît dans des proportions inacceptables, essentiellement à cause de la loi des couples à évolution de sections constantes, et également de l'angle de flèehe que possèdent les ailes, et qui procure à l'avion des performances et une finesse rentables, mais pour une vitesse de croisière donnée et invariable (sauf dans le cas de géométrie variable, mais cette solution est coûteuse et complexe).Sur le plan de la solidité et surtout du rapport résistance de l'ensemble, le principe ailes-fuselage implique unXe ic gstruction renforcée de certains éléments de la structure, surtout des liaisons entre les ailes et le fuselage, mais-aussi des ailes proprement dites en rsison de leur envergure et de la faible épaisseur relative de leur profil. Ces renforts étant eux-mêmes très lourds, ils exigent à leur tour une augmentation da la surface alaire. L'objet de l'invention est donc de donner au volume habitable de l'appareil une forme qui lui procure une portance aérodyna- mique suffisamment importante pour permettre sa sustentation, et de diminuer ou de supprimer la surface des ailes, afin de diminuer par là-même, et dans de grandes proportions, le poids de l'avion et sa complexité, par la rigidité de l'aile volante ainsi réalisée. Les divers éléments qui composent la structure sont représentés comme suit dans les figures qui accompagnent la description - la figure 1 représente un exemple de vue de dessus de l'appareil avec, sur la même vue, des sections transversales biconvexes lenticulaires symétriques. - la figure 2 représente une vue de dessus de l'appareil avec, sur la même vue, un exemple de sections transversales elliptiques. - la figure 3 représente un exemple de vue longitudinale de l'appareil avec des sections lenticulaires symétriques. - la figure 4 représente une vue de dessus de l'appareil avec les divers éléments qui le composent. - la figure 5 représente la section transversale AA au niveau des moteurs principaux 4. - la figure 6 représente une coupe longitudinale shématique au niveau des moteurs 4, avec ses divers éléments. - la figure 7 représente les entrées d'air et les tuyères d'éåec- tion orientables des moteurs 4, orientées pour les phases ascensionnelles du vol. - la figure 8 est une coupe shématique au niveau du ou des moteurs de sustentation avant 10. - la figure 9 est une coupe longitudinale au niveau des moteurs 4 ces derniers étant orientables sur un axe, et représentés avec une inclinaison pour les phases de décollage et d'atterrissage. L'aile volante objet de l'invention se présente sous la forme d'un aéronef dont la partie habitable 1 constitue essentiellement et simultanément la surface alaire, et dont les sections longitudinales et transversales sont de forme biconvexes, de préférence symétriques par rapport à leurs cordes respectives, les sections longitudinales étant sensiblement lenticulaires, les sections transversales pouvant également être lenticulaires ou de toute autre forme, par exemple elliptiques, la vue dessus dudit aéronef étant constituée par l'intersection de trois arcs de cercle ; la courbure des parties latérales est de préférence égale à la courbure de la section longitudinate maximum, les extrémités de ces courbes latérales étant tangentes à une parallèle de l'axe longitudinal central, et l'arc de cercle constituant l'extrémité arrière de l'avion a pour centre la pointe avant. Ces règles et ces proportions permettent d'obtenir un rapport portance optimal pour un coût de fabrication, une lon traînée gueur de appareil, et un choix d'un compromis vitesse-capacité de transport donnés, mais elles ne sont pas limitatives. L'appareil comporte deux gouvernes de direction 2 et des ailerons de profondeur 3 à l'arrière, intégrés dans la forme de l'ensemble.En vue de la diversité de ses utilisations possibles, la disposition des moteurs comme suit, semble préférable : un ou deux moteurs principaux 4 situés dans 1 'axe transversal de l'aéronef, inclus dans sa structure, de part et d'autre de l'axe longitudinal central de l'appareil.Ces moteurs sont principalement destinés à produire la forte poussée nécessaire an vol horizontal, mais ils peuvent simultanément produire une composante ascensionnelle de poussée grâce à des ailerons déviateurs de jet 5 et 6, qui peuvent se combiner avec un système d'éjection hypersustentateur (jet-flap), les dits ailerons étant situés soit à la sortie des tuyères de propulsion, soit au niveau des aubes de compresseurs 9 ou de la turbosoufflante ; les moteurs 4 peuvent également produire cette composante de poussée ascensionnelle gracie à des entrées d'air et des tuyères orientables 8, ou encore grâce à l'orientation de l'ensemble des moteurs 4 sur un axe transversal qui leur permet d'avoir une inclinaison par rapport à l'axe longitudinal de l'appareil, lesdits moteurs 4 ayant alors une composante ascensionnelle de poussée durant les phases de décollage et d'atterrissage.Par ailleurs, au moins un moteur de sustentation 10 à haut taux de dilution est situé à l'avant de l'appareil, de telle manière qu'il sustente l'avant de l'appareil, lui donne une incidence légèrement positive lors du décollage et de l'atterrissage, et qu'il crée un coussin d'air chaud au dessous de l'avion quand celui-ci vole à faible distance du sol ou de l'eau, lequel coussin d'air s'ajoute à celui créé par effet de sol et la vitesse de l'appareil, et est ejecté de l'avant vers l'arrière grâce à l'orientation du jet provenant du moteur de sustentation avant. Le ou les dits moteurs de sustentation peuvent être disposés de différentes manières a) leur axe longitudinal étant perpendiculaire à l'axe longitudinal central de l'appareil.Dans ce cas, il est nécessaire, pour obtenir une composante de poussée orientée vers l'arrière, de disposer, au dessus et au dessous dudit moteur, des volets 7 à la fois déviateurs de jet et obturateurs. b) l'axe longitudinal du ou des dits moteurs étant oblique par rapport à l'axe longitudinal central de l'appareil, de telle manière qu'il existe une composante de poussée dirigée vers l'arrière ; dans ce cas, ce ou ces moteurs de sustentation peuvent être munis soit de volets déviateurs de jet et obturateurs, soit d'une trappe obturatrice classique. Durant les phases de décollage et d'atterrissage du vol, des ailerons obturateurs et déviateurs de jet 6, disposés au niveau des étages de la turbosoufflante ou des compresseurs avant peuvent diriger vers le bas une partie de l'air comme primé qu'ils contiennent, afin d'augmenter la composante de poussée ascensionnelle La stabilité de l'appareil dans toutes les phases du vol est assurée grâce à l'orientation et à la modulation de la poussée de réaction des moteurs, ou à la variation du pas des différentes turbosoufflantes si tel est le mode de propulsion supplémentaire employé.Quand l'avion B atteint une altitude suffisante, les entrées d'air et les tuyères 8 des moteurs latéraux 4, ainsi que les ailerons 5 et 6, sont progressive- ment orientés vers une position sensiblement horizontale et parallèle à l'axe longitudinal de l'appareil, de façon à assurer le vol en ligne ; de même, quand la sustentation peut être assurée exclusivement par portance aérodynamique, le moteur de sustentation 10 est stoppé, et les trappes ou volets déviateurs de jet 7 sont orientés de manière à obturer les extrémités du moteur ; ces volets épousent alors la forme extérieure de l'aéronef. Â ce moment il ne reste. donc plus en fonctionnement que les moteurs latéraux principaux ; la stabilité est alors assurée par les ailerons de profondeur 3 arrière, et par les gouvernes de direction 2, qui peuvent, le cas échéant , être braquées chacune en sens opposés, quand un freinage aérodynamique est désiré. On voit donc que durant toutes les phases du vol, l'équilibre de l'appareil peut être assuré avec une sécurité et une simplicité extrêmes, même àans le cas de panne d'un des moteurs. Les instruments et équipements de contrôle et de pilotage (même sans visibilité) en sont considérablement simplifiés par rapport aux avions existants. L'aéronef suivant l'invention peut être conçu-suivant diverses versions qui dépendront de l'utilisation désirée 1) l'aéronef suivant la description ci-dessus, possédant des trains d'atterrissage classiques, lui permettant de s'aaapter aux pistes et aux infrastructures des aéroports existants. 2) L'aéronef décrit ci-dessus, mais sans trains d1atterrissage (avec la diminution de poids, d'encombrement, de trainée aérodynamique et de cout de fabrication que cela implique), ayant la possibilité de se poser sur l'eau même par mauvaistemps, grâce à sa forme à la fois aérodynamique et stable ; un tel appareil sersit essentiellement destiné à amerrir et décoller à partir de tout plan d'eau , existant ou artificiel, ou encore sur la terrasse d'un building de dimensions appropriées, sur lequel serait disposé ce plan d'eau.Cette structure possède d'ailleurs, comme les aéroglisseurs, les propriétés sustentatrices du coussin d'air formé par la compression dynamique de l'air entre sa surface inférieure, et la surface de l'eau ou du sol ; la sustention dde à ce coussin d'air est proportionnelle au carré de la vitesse de l'air circulant au dessous de l'appareil, et inversement proportionnelle à la distance qui sépare sa surface inférieure, du sol ou de l'eau. A cette sustentation dynamique staåoute la portance dûe à la poussée verticale du moteur avant 10 et au coussin d'air supplemen- taire qu'il crée même à vitesse nulle, en association avec la composante de poussée verticale des autres moteurs.De plus, au coussin d'air -à la fois statique et dynamique- formé quand l'appareil vola à faible hauteur d'un support plan (sol ou plan d'eau), s'ajoute l'effet de sol provenant de la réaction du flux d'air chaud ejecté par 11 ensemble des propulseurs 4 et 10,sur le sol. Cette propriété d'hypersusten- tation même à vitesse nulle que possède l'appareil lui permet d'effectuer des déplacements à faible hauteur du Bol ou de l'eau sans exiger une trop forte dépense de carburant. Le gain de portance obtenu dans un vol utilisant la sustentation du coussin d'air (statique ou dynamique) permet de diminuer la consommation spécifique de carburant, et par conséquent d'augmenter le rayon d'action de l'appareil, ou sa charge payante.L'utilisation de ce coussin d'air sera particulièrement intéressante durant les phases d'atterrissage et de décollage. De ce fait, on peut également utiliser l'appareil objet de l'invention en tant qu'aéroglisseur (ou hydroglisseur) et le faire accoster dans un port approprié. Un appareil suivant cette version peut également être muni de patins légers et rétractables lui permettant de se poser sur le sol. 3) Une combinaison des deux premières versions. La possibilité, pour l'aéronef objet de l'invention, de décoller ou d'atterrir de la terrasse d'un building spécialement aménagé, possédant ou non un plan d'eau disposé sur sa surface supérieure (suivant la version de l'appareil), permet aux passagers de se rendre sur les lieux de leur destination en quelques minutes, lequel building pouvant être construit à la périphérie, ou même au sein d'une grande cité. I1 faut en effet tenir compte, dans la durée du transport, du temps consacré à l'aller-retour du lieu de décollage et d'atterrissage de l'avion. Le moteur avant 10 accélère, d'avant vers l'arrière, le flux d'air envoyé directement au dessous de la surface portante, et crée ainsi une hypersustentation, grâce au principe de l'aile soufflée. Ce moteur sera de préférence à haut taux de dilution, de manière à obtenir une température moyenne d'éjection relativement peu élevée, et une masse d'air maximum ejectée en un temps donné, mais avec une vitesse d'éjection modérée. L'inclinaison vers le haut des entrées d'air 8 des moteurs latéraux 4 a pour conséquence une composante de poussée ascensionnelle, mais aussi et surtout une augmentation de la hauteur séparant lesdites entrées d'air de la ligne de flottaison (dans la version ayant la possibilité d'amerrir) et donc de diminuer fortement les risques d'entrée d'eau dans les réacteurs. D'autre part, dans le but d'augmenter cz le rapport de finesse aérodynamique Cx, un système d'aspi- ration de la couche limite peut facilement être installé sur toute la surface de la structure ou uniquement sur sa surface supérieure.Dans ce but, des fentes sont ménagées dans l'épaisseur du revêtement, et l'air se trouvant à proximité de ladite surface est aspiré par un ventilateur ou un moteur spécial disposé de préférence à l'intérieur de l'appareil, et est éjecté par le bord de fuite. Dans le cas od-ee système est installé uniquement sur la surface supérieure de la structure, les conséquences d'une aspiration de la couche limite sont premièrement un accroissement de la portance, et une accélération de la vitesse d'éjection de l'air par le bord de fuite, donc un accroissement de la poussée, et d'autre part, quand l'appareil atteint une certaine vitesse horizontale, une diminution de l'épaisseur de la couche limite, et donc de la traînée, est obtenue, ce qui augmente les performances, le rayon d'action, et diminue la consommation spécifique de carburant. I1 faut ajouter que cette structure, par ses caractéristiques et sa forme, est d'une extrême simplicité de construction ; en effet, dans le cas où l'appareil objet de l'invention possède deux axes de symétrie -longitudinal et transversal-, il peut être construit à partir d'un gabarit représentant le quart de la structure, qui sera donc reproduit quatre fois pour la construction d'un appareil, et pouvant servir de moule pour la construction en série d'avions homologues. On peut ainsi réaliser la construction en série de ces appareils sans utiliser les fraiseuses à commande numérique, qui sont d'un prix de revient élevé. Les sections longi tudinales-et transversales spécifiques de la structure lui confèrent une rigidité et une solidité considérablement augmentée par rapport aux avions classiques (à ailes et fuselage) de même dimensions, ce qui permet de diminuer les échantillonnages, et par là-même le poids et le coût de construction de l'ensemble.Par ailleurs, pour une longueur et une épaisseur relative du fuselage données, l'appareil objet de l'invention possède un volume intérieur deux à trois fois plus important que celui d'un avion classique ; cela permet d'augmenter dans de grandes proportions la charge payante pour un investissement (coût de fabrication) donné. 3ans l'optique d1un avion utilisant l'hydrogène comme combustible, ce qui est vraisemblablement la solution d'avenir étant donnée l'énergie massique particu- lièrement élevée de l'hydrogène liquide par rapport aux produits pétroliers, le volume intérieur de l'aéronef objet de l'invention permet de stocker le volume important de l'hydrogène liquide, par exemple dans les parties latérales de l'appareil. Les moteurs peuvent être de tout type, mais préférentiellement des turboréacteurs à double flux, et à turbosouffilante lie fait que cette structure, par la multiplicité de ses applications possibles, puisse être employée dans tous les cas où est désiré le transport économique de passagers et/ou de fret, par un aéronef possédant tous les avantages du décollage court (ou éventuellement vertical), et tous les avantages de maniabilité, de sécurité, et les performances élevées des avions classiques (obtenues grâce à un CZ rapport de finesse aérodynamique Wx élevé), tous ces facteurs entrainent, par voie de conséquences, un grand nombre d'uti lisateurs et donc une fabrication en grande série, ce qui est le seul moyen de réduire dans de grandes proportions, le coût de fabrication unitaire, à qualité de production égale. REW -N 3 I. Aéronef à décollages et atterrissages courts ou verticaux ayant etre autres la possibilité de se poser sur lleau et d'en redécoller, grâce aux propriétés intrinsèques de sa structure, sans nécessiter l'adjonction de flotteurs ou de systèmes artificiels de coussins d'air, cara^;;erisé par le fait que la partie habitable constitue essentiellzmfnt et simultanément la surface alaire, et ayant des sections longitudinales et transversales biconvexes, de préférence symétriques par rapnort à leurs cordres respectives, les sections longitudinales étant de préférence lenticulaires, les sections transversales pouvant également être lenticulaires, ou de toute autre forme, par exemple elliptiques, la vue dessus dudit aéronef étant constituée par l'intersection de trois courbes, ces dernières étant de préférence des arcs de cercle. 2 - - Aéronef suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il possède au moins une dérive de direction située au-dessus et à l'arrière de 11 appareil. 3 - Aéronef selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il possède des ailerons de profondeur situés à l'arrière de l'appareil, et intégrés dans sa structure. 4 - Aéronef suivant les revendications 1 et 3, caractérisé en ce qu'il possède un ou plusieurs moteurs de propulsion situés sensiblement dans l'axe transversal de l'appareil, et destinés à produire la poussée nécessaire au vol horizontal. 5 - Aéronef selon les revendications 1 et 5, carRctérisé en ce que les moteurs de propulsion horizontale peuvent produire une composante de poussée ascensionnelle par l'intermédiaire d'ailerons déviateurs de jet, ou de tuyères orientables, situés au niveau des aubes de compresseurs avant, ou, s'il y a -lieu, de la turbosoufflante. 6 - Aéronef selon l'une quelconque des revenzications Drécédentes. caractérisé par le fait qu'il possède au moins un moteur de sustentation, de préférence à haut taux- de dilution, situé à l'avant de l'apnareil, éjectant les gaz vers le bas et vers l'arrière lors des phases de décollage et d'atterrissage, soit grâce à une inclinaison oblique ou ou desdits moteurs par rapport à l'axe longitudinal, soit grâce à des ailerons déviateurs de jet, ces ailerons étant simultanément des obturateurs épousant la forme de l'appareil lors du vol en ligne. 7 - Aéronef suivant les revendications 1, 2 et 3, possédant des trans d'atterrissage classiques lui permettant de se poser sur les pistes d'aéroports existants. 8 - Aéronef suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il obtient la totalité de sa sustentation grâce au flux de gaz chauds des moteurs 4 et 10. déviés par les ailerons 5, 6 et 7, ou grâce aux tuyères orientables 8 qu'il possède, au coussin d'air et à l'effet de sol formé par la composante ascensionnelle de poussée de l'ensemble des moteurs ainsi qu'à un système d'aspiration de la couche limite d'air, disposé surla surface supérieure de l'appareil objet de l'invention, ce dernier possédant des patins rétractables lui permettant de se poser sur le sol. 9 - Aéronef suivant les revendications 1 et 3, possédant des moteurs pouvant titre de tous types, disposés d'une quelconque manière, mais de préférence des turboréacteurs à double flux, ou des turbopropulseurs situés au-dessus de l'appareil. 10 - Aéronef suivant les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que les moteurs principaux de propulsion peuvent être orientables sur un axe transversal qui leur permet d'avoir une inclinaison par rapport à l'axe longitudinal de l'appareil de telle manière que lesdits moteurs puissent produire une composante de poussée scensionnelle durant les phases de décollage et d'atterrisage du vol.