Brevet FR2528978A1 — publié le 19831223

L'invention a trait au domaine des dispositifs de mesure de la position du centre de gravité d'un aéronef en vol, et plus particulièrement un dispositif utilisant des éléments inertiels. Il existe un certain nombre de raisons pour lesquelles on considère qu'il est souhaitable de pouvoir localiser avec précision le centre de gravité d'un aéro- nef en vol, ces raisons incluant des conditions de sécurité. Par exemple, la position du centre de gravité affecte la stabilité de la commande de l'aéronef De plus, la posi- tion du centre de gravité de l'aéronef peut être mise en relation avec la consommation de carburant, car le com- portement de l'aéronef dépend de l'attitude et de l'assiette de cet aéronef Dans le cas d'un aéronef à voilure fixe, par exemple, il est souvent possible d'économiser du car- burant en déplaçant le centre de gravité vers l'arrière, ce qui réduit la charge à exercer vers le bas sur le plan fixe horizontal et, par conséquent, la tramne. Une connaissance précise du centre de gravité de l'aéronef, outre qu'elle permet à l'équipage de déter- miner avec précision les marges de commande et de stabilité de l'aéronef, permet également à l'équipage ou à un dis- positif automatique d'effectuer les réglages-appropriés portant sur la position du centre de gravité, par exemple en pompant du carburant d'un réservoir vers un autre, afin de donner à l'aéronef une assiette correspondant à un ren- dement optimal. Un procédé pour déterminer le centre de gravité en vol consiste à localiser le centre de gravité de l'aéro- nef, tandis que ce dernier est au sol, soit par calcul du centre de gravité en utilisant la masse et la position des passagers, de la charge et du carburant portés par l'aéro- nef, soit en utilisant un dispositif automatique de pesage et d'équilibrage tel que le dispositif décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 312 042 Ensuite, la posi- tion et la quantité de carburant br lé sont vérifiées pour mettre à jour la position du centre de gravité pen- dant le vol Cependant, ces types de dispositifs sont sujets à des erreurs importantes résultant du manque de précision des calculs portant sur le carburant brûlé et des dépla- cements des passagers et de la charge, ainsi que d'erreurs pouvant être présentes dans la mesure initiale du centre de gravité au sol. L'invention a donc pour objet un dispositif de mesure en vol du centre de gravité d'un aéronef, utilisant des instruments inertiels pour mesurer la rotation de l'aéronef autour d'un axe passant par le centre de gravité de cet aéronef. L'invention a également pour objet un dispositif de mesure en vol du centre de gravité d'un aéronef utili- sant deux accéléromètres placés en avant et en arrière du centre de gravité et dont les signaux sont combinés pour produire un signal comprenant des composantes qui représentent à la fois la uosition du centre de gravité et la rotation de l'aéronef autour du centre de gravité, et un autre signal contenant juste les composantes d'accé- lération Ces deux signaux sont combinés de manière à éliminer sensiblement les composantes de rotation et à donner ainsi un signal représentant la position du centre de gravité. L'invention a pour autre objet un dispositif de mesure en vol du centre de gravité d'un aéronef, qui com- prend deux accéléromètres dont l'un est placé en avant du centre de gravité de l'aéronef et l'autre en arrière de ce centre de gravité afin que l'axe sensible de chaque accéléromètre soit aligné pour produire un signal repré- sentant la rotation de l'aéronef autour d'un axe, de préférence l'axe de lacet, passant par le centre de gravité de l'aéronef Les signaux provenant des accéléromètres sont additionnés pour produire un signal de sommation, et le signal provenant d'un accéléromètre est soustrait de l'autre signal pour produire un signal de différence, le signal de sommation étant multiplié par le signal de dif- férence pour donner un premier signal combiné, et le signal de différence étant élevé au carré pour donner un second signal combiné Un signal représentant la position du centre de gravité de l'aéronef est obtenu par division du premier signal combiné par le second signal combiné. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: la figure 1 est une vue de-dessus d'un aéronef, illustrant la position du centre de gravité par rapport aux axes de tangage, de roulis et de lacet de l'aéronef; et la figure 2 est un schéma simplifié d'un circuit destiné à produire un signal représentant la position du centre de gravité de l'aéronef. Comme représenté sur la vue de dessus d'un aéro- nef 10, donnée par la figure 1, les capteurs inertiels d'un dispositif de mesure en vol du centre de gravité comprennent un premier accéléromètre 12 fixé de préférence aussi loin que possible à l'avant de l'aéronef-, et un second accéléromètre 14 fixé de préférence aussi loin que possible à l'arrière de l'aéronef Le centré de gravité de l'aéronef est indiqué sur la figure 1 par le cercle 16 dans lequel se coupent l'axe du roulis, indiqué par une ligne 18, et l'axe de tangage de l'aéronef, indiqué par une ligne 20 L'axe de lacet, qui est perpendiculaire à la fois à l'axe du roulis 18 et à l'axe du tangage 20, passe également par le centre de gravité 16. Dans la forme préférée-de réalisation de l'inven- tion telle que représentée sur les figures 1 et 2, les axes sensibles des accéléromètres 12 et 14 sont alignés dans une direction parallèle afin de détecter un mouve- ment de rotation de l'aéronef 10 autour de l'axe de lacet dans le plan défini par l'axe 20 de-tangage et l'axe 18 de roulis L'alignement des axes sensibles des accéléro- mètres 12 et 14 dans le plan perpendiculaire à l'axe du lacet est considéré comme constituant l'agencement préfé- rable, car il tend à minimiser les effets de la gravité sur les signaux de sortie des accéléromètres. Dans le calcul de la position du centre de gravité 16 de l'aéronef 10, un repère arbitraire, tel qu'indiqué par la ligne pointillée 22 sur la figure 1, est utilisé comme référence à partir de laquelle la distance d du centre de gravité est mesurée De plus, comme montré sur la figure 1, la distance du premier accéléromètre 12, le long de l'axe longitudinal ou axe 18,de roulis de l'aéro- nef 10 au repère 22 est indiquée en 11, et la distance du second accéléromètre 14 au repère 22 est indiquée en 12 ' La figure 2 représente sous une forme schémati- que simplifiée un dispositif destiné à calculer, d'après le signal de sortie A 1 du premier accéléromètre,12 et du signal de sortie A 2 du second accéléromètre 14, un signal représentant d, qui sert à localiser la position du centre de gravité 16 Lés signaux d'accélération A 1 et A 2 sont d'abord appliqués par des lignes 24 et 26 à un premier circuit 28 de sommation pour produire sur une ligne 30 un signal de sommation qui est égal à A 1 + A 2 Ces signaux sont également appliqués par les lignes 24 et 26 à un cir- cuit 32 de soustraction pour produire sur une ligne 34 un signal de différence égal à A 1 A 2 Deux filtres passe- bande 36 et 38 reçoivent les signaux provenant des lignes -30 et 34, respectivement Les deux filtres passer-bande 36 et 38 sont accordés sur la fréquence de "roulis hollan- dais" de l'aéronef, qui est la fréquence propre à laquelle l'aéronef tend à tourner autour des axes de lacet et de roulis. Les signaux de sortie des deuxfiltres-passe- bande 36 et 38 sont appliqués par des lignes 40 et 42 à un circuit multiplicateur 44 qui produit sur une ligne 46 un signal à peu près égal à (A 1 + A 2) (Ar A 2) Simul- tanément, le signal *de sortie du filtre passe-bande 38 est appliqué par la ligne 42 à un circuit 48 d'élévation au carré, produisant sur une ligne 50 un signal représen- tant la quantité (A 1 A 1) 2 Deux filtres passe-bande 52 et 54 sont connectés-, respectivement, aux lignes 46 et 50 et assument essentiel- lement la fonction de détecteurs de phase Dans une appli- cation à un aéronef typique, ils peuvent avoir une fréquence 5. passe-bas de l'ordre de 1 radian par seconde, avec un facteur d'amortissement de 0, 8 Le signal de sortie du filtre basse-bas 52, présent sur une ligne 56, représente l'angle de phase relatif entre A 1 + A 2 et A 1 A 2 et, comme tel, il contient une composante qui représente d ainsi qu'une composante qui dépend de l'amplitude des signaux A 1 et A 2 résultant de la' rotation de l'aéronef autour de l'axe de lacet Par ailleurs, le signal de sortie du filtre passe-bas 54, présent sur une ligne 58, est sensiblement indépendant de d, mais dépend de l'am- plitude des signaux A 1 et A 2. Pour obtenir un signal qui représente d, les signaux présents sur les lignes 56 et 58 sont appliqués à l'entrée d'un circuit diviseur 60 qui élimine sensible- ment les effets des amplitudes de A 1 et A 2 en divisant le signal de la ligne 56 par le signal de la ligne 58. Le signal de sortie résultant, présent sur une ligne 62, est appliqué à un circuit limiteur-de rythme 64, puis à un filtre passe-bas 66 Dans le cas o les valeurs de 11 et-12 ne sont pas égales, il peut être souhaitable de démultiplier le signal de sortie du filtre passe-bas 66, présent sur la ligne 68, en appliquant à ce signal un signal de polarisation K au moyen d'un circuit 70 de sommation, et démultiplier le signal de sortie présent sur une ligne 72 par un facteur de gain de K 2 dans un circuit amplificateur 74 Le signal de sortie présent sur une ligne 76 donne alors une mesure précise de d. Des valeurs appropriées de K 1 et K 2 sont données par les relations suivantes 11 12 Kl = ( 1) li + 12 11 12 K 2 = ( 2) REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure en vol du centre de gravité ( 16) d'un aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs capteurs inertiels ( 12, 14) fixés à l'aéronef ( 10), et des moyens de traitement de signaux connectés fonctionnellement aux capteurs inertiels pour générer un signal représentant la position du centre de gravité de l'aéronef. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les capteurs inertiels produisent des signaux repré- sentant une rotation de l'aéronef autour d'un axe prédéter- miné passant par le centre de gravité de cet aéronef. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les capteurs inertiels comprennent au moins deux accéléromètres qui produisent dessignaux représentant une rotation de l'aéronef autour dudit axe prédéterminé. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de traitement de signaux comprennent des moyens destinés à produire un premier signal (A 1) com- prenant une composante représentant la position du centre de gravité et une composante représentant une rotation de l'aéronef autour dudit axe prédéterminé, des moyens desti- nés à produire un second signal (A 2) ne comportant prati- quement pas de composantes représentant la rotation de l'aéronef, et des moyens destinés à combiner les premier et second signaux pour produire ledit signal représentant la position du centre de gravité de l'aéronef. Dispositif-selon l'une quelconque des reven- dications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que l'axe pré- déterminé est l'axe de lacet de l'aéronef. 6 Dispositif de mesure-en vol du centre de gra- vité ( 16) d'un aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens ( 12) de mesure d'accélération fixés à l'aéronef ( 10), en avant du centre de gravité de cet aéronef, afin de produire un premier signal (A 1) d'accélé- ration représentant une rotation de l'aéronef autour d'un axe prédéterminé passant par le centre de gravité de cet aéronef, des seconds moyens ( 12) de mesure d'accélération fixés à l'aéronef, en arrière de son centre de gravité, i afin de produire un second signal (A 2) d'accélération représentant une rotation de l'aéronef autour dudit axe prédéterminé, des premiers moyens de combinaison connectés fonctionnellement aux premier et second moyens de mesure d'accélération afin de combiner le premier signal d'accé- lération au second signal d'accélération pour produire un premier signal combiné ayant une composante représen- tant la position du centre de gravité del'aéronef et une composante représentant une rotation de l'aéronef, des deuxièmes moyens de combinaison reliés fonctionnelle- ment aux premier et second moyens de mesure d'accélération afin de combiner le premier signal d'accélération au second signal d'accélération pour produire un deuxième signal combiné ayant une composante représentant une rotation de l'aéronef, mais pratiquement pas de composantes représen- tant la position du centre de gravité de l'aéronef, des troisièmes moyens de combinaison reliés fonctionnellement aux premier et deuxième moyens de combinaison afin de combiner les premier et second signaux combinés pour pro- duire un troisième signal combiné ayant une composante représentant la position du centre de gravité, mais pra- tiquement pas de composantes représentant une rotation de l'aéronef, et des moyens connectés fonctionnellement aux troisièmes moyens de combinaison afin de produire, à partir du troisième signal combiné, un signal de centre de gravité, représentant la position du centre de gravité de l'aéronef. 7 Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que les premiers moyens de combinaison com- prennent un élément ( 28) de sommation destiné à additionner le premier signal d'accélération au second signal d'accé- lération pour produire un signal de sommation. 8 Dispositif selon la revendication 7, caracté- risé en ce que les deuxièmes moyens de combinaison compren- nent un élément ( 32) de soustraction destiné à soustraire l'un des signaux d'accélération de l'autre de ces signaux afin de produire un signal de différence. 9 Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que les premiers moyens de combinaison sont connectés fonctionnellement aux deuxièmes moyens de com- binaison et comprennent un élément ( 44) destiné à multi- plier le signal de sommation par le signal de différence pour produire le premier signal combiné. Dispositif selon la revendication 7, caracté- risé en ce que les deuxièmes moyens de combinaison com- prennent un élément ( 48) destiné à élever au carré le signal de différence pour produire ledit second signal combiné. 11 Dispositif selon la revendication 8, caracté- risé en ce que les troisièmes moyens de combinaison com- prennent un élément ( 60) destiné à diviser le premier signal combiné par le deuxième signal combiné. 12 Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que les premiers moyens de combinaison compren- nent un filtre passe-bande ( 36) ayant une fréquence passe- bande sensiblement égale à la fréquence propre de rotation de l'aéronef autour dudit axe prédéterminé. 13 Dispositif selon la revendication 6, caracté- = risé en ce que les deuxièmes moyens de combinaison com- prennent un filtre passe-bande ( 38) ayant une fréquence passe-bande sensiblement égale à la fréquence propre de rotation de l'aéronef autour dudit axe prédéterminé. 14 Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que les moyens de production d'un signal de centre de gravité comprennent un élément de démultiplica- tion destiné à démultiplier le signal de centre de gravité. 15 Dispositif selon la revendication 14, carac- térisé en ce que les moyens de démultiplication compren- nent un élément ( 70) destiné à additionner un signal (K) de polarisation au troisième signal combiné. 16 Dispositif selon la revendication 15, carac- térisé en ce que les moyens de démultiplication compren- nent un élément ( 74) destiné à multiplier la combinaison du signal de polarisation et du troisième signal combiné par un facteur de gain prédéterminé. 17 Dispositif selon la revendication 16, carac- térisé en ce que la valeur du signal de polarisation et le facteur de gain prédéterminé sont choisis en fonction des positions relatives des premier et second moyens de mesure d'accélération par rapport à un repère prédéterminé ( 22) de l'aéronef. 18 Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que les moyens produisant le signal de centre de gravité comprennent un limiteur de rythme ( 64) destiné à limiter le rythme de croissance et de décroissance du troisième signal combiné. 19 Dispositif selon la revendication 18, carac- térisé en ce que les moyens produisant un signal de centre de gravité comprennent un filtre passe-bas ( 66) connecté fonctionnellement au limiteur de rythme. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 6 à 19, caractérisé en ce que ledit axe prédéter- miné est l'axe de lacet de l'aéronef.