Brevet FR2560148A1 — publié le 19850830

Optimisations d'une formule d'appareil hybride autogire hélicoptère La présente invention concerne les appareils volants à voilure sustentatrice tournante. Dans la nouvelle famille de véhicules tels que décrits cidessous, les qualités de vol vertical ou stationnaire, ou de vol lent, sont cherchées, mais pas en priorité, ce qui permet d'orienter la définition et la conception vers une farnille d'appareils sinoples, à faible consommation, à très grande autonomie, forte charge utile, et ayant des possibilités de vitesses élevées. Le principe de base, comme la dénomination de l'invention le laisse clairement deviner, repose sur les principes de l'autogire et de l'hélicoptère pur et sur une architeccure nouvelle. Jusqu'à maintenant, les autogires munis d'une hélice unique tractive ou propulsive, ont toujours eu le vecteur poussée de cette hélice contenu dans le plan vertical de symétrie du fuselage, plan vertical qui contient également l'axe de rotation du moyeu du rotor de sustentation (lorsque la trajectoire de l'autogire est rectiligne). Les autogires multi-moteurs propulsifs (très rares) présentent également un vecteur poussée "résultant" situé dans le même plan vertical (de symétrie) que l'axe du moyeu du rotor de sustentation. Dans le cas des hélicoptères, certains prototypes, datant de l'époque des premières réalisations capables de réellement voler, ou de simples projets, ont vu le jour avec deux hélices latérales à pas variable (réversible pour l'une d'elles) et situées de part et d'autre du fuselage, grâce à deux arbres de transmission synchrones.Sur un tel hélicoptère, l'effet anti-couple était adapté selon les besoins par le pilotage différentiel du pas des deux hélices (jusqu'à inverser le pas de l'une d'entre elles dans le cas du vol stationnaire). Des appareils hybrides - autogire - hélicoptere à réaction ont également été réalisés et ont volé (le Farfadet, notamment). Avec cette formule, aucun dispositif anti-couple n'est théoriquement nécessaire, mais il faut fournir à une ou des tuyères en bout de pales de l'air comprimé froid ou chaud) et, éventuellement, du carburant au travers de joints tournants coaxiaux avec l'axe du rotor de sustentation. Des autogires de fabrication simple, d'amateur principalement, possèdent un système de prélancement du rotor, au sol, à l'arrêt et pendant le décollage mais l'appareil reposant encore sur ses roues. Cermains hélicoptères à réaction à statoréacteurs en bout de pales, à pré lancement du rotor au sol par un tout petit moteur auxiliaire, ont tres rlCn fonctionné, Il faut mentionner également des hélicoptères expérimentaux, bane d'essai volant de recherche pure, qui ont été munis de réacteurs d'appoint sur le côté du fuselage, soit de façon dissymétrique avec un seul moteur du côté de la pale du rotor de sustentation, qui avance, soit avec un réacteur de ch@ que côté. Mais en aucun cas ce. appareil s n'étaient munis d'une liaison méca- nique entre moteur latéral d'appoint et rotor de sustentation. Dans un appareil selon l'invention, on trouvera associés d'une manière très particulière, les principes de l'autogire, de l'hélicoptère mécanique (à hélice anti-couple), de l'hélicoptère à réaction, et d'une configuration nouvelle. Cette configurdtion nouvelle pour un appareil à voilure tournante consiste à munir cet appareil (possèdant des caractérisituqes propres aux autogires) d'une chaîne de transmission mécanique entre l'ensemble moteur hélice propulsive, et le rotor de sustentation.Simultanément, comne le principe de base de 1 'invention est de transmettre au rotor de sustentation une puissance (et un couple) non négligeable, et cela pendant toutes les phases d'un vol si nécessaire, il devient indispensable de prévoir un dispositif anti-couple. C'est là où réside un avantage considérable de la formule hybride selon l'in Invention, car disposant déjà d'une hélice propulsive, de forte poussée (comne sur tous les autogires), il suffira, pour obtenir un couple antagoniste à celui transmis du fuselage au rotor de sustentation (et de valeur absolue très proche de ce dernier), de déporter latéralement cette hélice propulsive (qui peut devenir une hélice tractive puisque dégagée maintenant du fuselage). L'effet anticouple est ainsi réalisé à très bon compte avec un très faible supplément de poids structural. Le fait de déplacer hors du plan de symétrie de 1 'appareil 1 'hélice propulsive (si on compare le nouvel appareil à un appareil de type Bensen ou dérivé) présente un autre avantage important : c'est de dégager un emplacement voisin de ce plan de symétrie, ce qui permet de prolonger l'avant du fuselage par une poutre arrière de forte section, formant finalement avec la partie avant de 1 'appareil un véritable fuselage de grande lon gueur, bien profilé, léger, rigide et volumineux. Ce fuselage pourra servir de logement pour des roues escamotables, de cabine, etc... I1 portera à son extrèmité arrière le plus loin possible de l'axe rotor, et très à 1 'extérieur du périrretre du disque rotor une dérive de grande surface et de grand allongement, qui assurera une excellente stabilité longitudinale, éventuellement un complé ment de couple antagoniste et un moyen facile pour ajuster l'équilibre de va- leur absolues du couple transmis au rotor et du couple antagoniste créé par l'hélice propulsive latérale, cet ajustage du couple se fera ainsi avec un bon rendement aérodynamique. La formuls d'appareil hybride, "dissymétrique" selon l'invention proposée ci-dessus, peut donner naissance à toute une gamme d'appareils différents les uns des autres par les différentes valeurs des rapports des puissances transmises d'une pant au rotor de sustentation et, diautre part, à l'hélice propulsive anti-couple. Cette gamme peut s'étendre, en théorie, de : - @% de la puissance mécanique transmise au rotor de sustentation (@@@@ i6tJ % de la puissance du motels transmise à l'hélice propulsive). Dans ce cas externe, nous avons affaire a un autogire pur avec le vecteur poussée passant par l'axe rotor et le plan de symétrie de l'appareil. - Jusqu'à 90 % de la puissance transmise au rotor de sustentation, avec les 10 % restant affectés à 1 hélice propulsive anti-couple. Ces deux derniers pourcentages correspondant à peu près exactement à ceux que l'on trouve sur les hélicoptères mécaniques puis actuels. En pratique, la gamme utile des appareils hybrides (hormis ceux assistés temporairement pour le vol vertical par des moteurs auxiliaires décrits plus loin) auront une puissance transmise au rotor de sustentation représentant de 5 % à 60 % de la puissance mécanique produite à bord et cela pendant les phases de décollage, montée et vol lent. En vol horizontal rapide, le rotor de sustentation pourra "emprunter" moins de puissance à l'arbre de transmission (cela étant possible en modifiant les pas de l'hélice et du rotor de sustentation ou en débrayant le rotor). Les 95 % à 40 % restants (vol lent) étant bien sûr fournis à l'hélice propulsive anti-couple. Un pourcentage situe entre 15 % et 35 % de la puissance mécanique de 1 'ap- pareil transmis au rotor de sustentation permettrait déjà d'excellentes performances de décollage et de vol très lent, avec cependant un réducteur de rotor de sustentation simple et leger. Quelle que soit la part de puissance transmise directement du moteur au rotor de sustentation, dans tous les cas, le complément de puissance nécessaire à la rotation de ce rotor devra être fourni par effet autogire. Avec un appareil conforme à la description ci-dessus, un décollage pourra se faire de la manière suivante, avant le roulage sur la piste, freins bloqués, l'hélice propulsive (très petit pas ou nul), on "lance" le rotor de sustentation en légère survitesse (petit pas), l'appareil face au vent, on desserre les fleins, et on augmente ensuite les pas de l'hélice propulsive et du rotor de sustentation. Ce décollage sera très court. Le plan de rotation du rotor pendant le décollage aura, comme sur un autogire, une incidence positive.Cette incidence positive, de valeur modérée, sera seulement légèrement supérieure à l'in incidence nécessaire au vol de croisière, et n'aura jamais besoin d'incidence très fortes,comme c'est le cas pour le décollage des autogires de type Bensen ou de ses dérivés (de construction amateur, en particulier). Ce nouveau concept d'architecture d'appareil à voilure tournante qui vient d'être exposé, se prête particulièrement bien à de nouveaux perfectionnements, et à une nouvelle "hybridation" avec le principe de l'hélicoptère à réaction, qui permettra au principe d'appareil décrit ci-dessus (qui peut être considéré comme une formule hybride optimisée, mais que 1 'on dénommera, dans la suite de ce texte par "hybride de base" ou "au premier degré") d'aboutir à un nouveau concept pouvant être considéré comme un véritable hélicoptère, avec, cependant, une limitation d'autonomie de vol vertical ou stationnaire réduite à quelques 10 minutes environ sur de petits appareils, alors que leur autonomie à la vitesse de croisière pourrait être facilement de plusieurs heures. Le perfectionnement le plus efficace et le plus simple à réaliser utilise le fait (que l'on a déjà évoqué ci-dessus) que l'incidence présentée par le disque décrit par les pales du rotor de sustentation, reste, contrairement aux autres appareils à voilure tournante, positive et modérée dans toute l'enveloppe de vol, sauf si l'on fait volontairement un atterrissage horizontal avec un cabré final. Ce fait est mis à profit en dotant le moyeu rotor (qui est une zone où la traînée aérodynamique est très forte en vol de croisière, avec une portance nulle, et où il existe, en vol stationnaire, une fuite ou une perte de surpression dynamique entre les faces inférieure et supérieure du disque rotor) d'un grand carénage circulaire (ou polygonal) dans le plan décrit par le rotor, et de section ovolde allongée.Ce disque de grande surface diminuera la traînée et possèdera une portance non négligeable ; à l'arrêt, les pertes de surpression régnant sous le rotor seront diminuées. Les rapports possibles des diamètres de ce carénage à celui du rotor de sustentation seront, pour être le plus efficaces possible, de l'ordre de grandeur de un sixième jusqu'à deux cinquièmes (ou 2/5è) environ, le meilleur rapport résultant- d'un compromis ne sera d'ailleurs choisi définitivement qu'après essais, selon l'utilisation projetée de l'appareil. Comme on vient de le signaler,une seconde étape d'hybridation peut être très utilement effectuée. Il s'agit d'associer la nouvelle formule d'appareil hybride obtenue ci-dessus (surtout remérquable par son excellent rapport : possibilités de vitesse, de charge utile, de rendement en général, à son bas prix de revient) à la formule classique de l'hélicoptère à réaction remerouable, à la fois par sa forte consommation et par une grande légèreté et simplicité mécanique. Une telle association permettra à "l'hybride de base" déjà envisagé, d'avoir les possibilités de décoller verticalement et de faire du vol stationnaire pendant de courtes périodes. Pour conserver un grand rapport performances, sur prix de revient propre à "1 'hybride de base", l'installation des systèmes et matériels propres à la partie "hélicoptère à réaction" devra être particulièrement légère et simple, quitte à accepter une autonomie de vol stationnaire iimitée (quelques minutes en plus du décollage vertical). Ces grandes légèreté et simplicité seront obtenues en disposant les réservoirs de carburant nécessaire à la propulsion des pales du rotor à réaction directement près du pied des pales dans le grand carénage du moyeu de rotor.Ce carénage pourra éventuelle- ment abriter également des petits réservoirs d'air ou d'oxygène comprimé, utilisés pour brûler le carburant dans de petites fusées d'extrèmités de pales Sur d'autres versions de pales autopropulsées, l'air comprimé pourra être fourni par des compresseurs d'air également abrités dans le carénage du moyeu de rotor, ou dans le fuselage (ce qui serait un peu plus compliqué). Dans le cas où les petites fusées d'extrèmités de pales seraient remplacées par des petits statoréacteurs, les réservoir d'air comprimé ne seraient plus strictement nécessaires. Mais l'optimisation qui semble la meilleure pour ee système auxiliaire de rotor de sustentation à réaction, sera vraisemblablement encore un système mixte ou hybride, où les propulseurs de bout de pales résulteront d'un compromis entre la fusée et le statoréacteur, pour aboutir à un combiné fusée-statoréacteur, ce qui permettrait de diminuer sensiblement la taille des petits stator réacteurs en bout de pales, pour diminuer leur traînée aérodynqmique. Cette association d'hybride "au deuxième degré" permettra à l'appareil d'être considéré comme un bimoteur, pendant les phases de vol lent à basse altitude, qui sont les plus délicates, et lui conférera les possibilités d'un hélicoptère pendant de brèves périodes, mais la plupart des hélicoptères ne font, au cours de leurs missions, qu'assez rarement du vol stationnaire de longue durée. Comme les moteurs d'extrèmités de pales sont des moteurs auxiliaires (d'appoint), leur puissance sera plus faible que sur hélicoptère à réaction pure de poids équivalent, donc très légers et consommant relativement peu de carburant. Il existe une autre valorisation possible du premier concept d'hybride en visagé dans ce texte ; cette valorisation consiste à installer dans le fuselage un moteur auxiliaire de puissance inférieure à celle du moteur principal qui actionne simultanément l'hélice propulsive latérale et, pour une part, le rotor de sustentation. Ce moteur auxiliaire, installé à proximité immédiate du réducteur du rotor de sustentation, lui fournira toute sa puissance pendant le décollage, les phases de vol stationnaire ou très lent, ou en secours du moteur principal. Pendant le vol de croisière, il sera stoppé pour diminuer la consommation. Comme ce moteur auxiliaire doit surtout être très léger, sur les appareils suffisamment lourds, ce sera presque toujours un -turbonoteur qui sera choisi.Comme dans le cas précédent, les performances de décollage et de vol lent seraient accrues de façon spectaculaire, ainsi que la sécurité, et cela au prix d'un faible supplément de poids. Dans la plupart des variantes, l'hélice propulsive et anti-couple sera de type carénée, à nombre de pales important. A des avantages tel que fort accroissement de la poussée statique, diminution du bruit, plus grande sécurité au sol, s'ajoute le fait que son diamètre est sensiblement plus faible que celui d'une hélice classique non carénée, absorbant une puissance équivalente. Ce faible diamètre permettra sur les variantes où l'on recherche volontairement une prédominance de 1 'effet autogire dans la formule hybride, sur lesquelles peu de puissance mécanique - donc de couple moteur - est transmise au rotor de sustentation, de rapprocher suffisamment l'axe de l'hélice propulsive de l'axe vertical passant par le centre du rotor de sustentation et donc du fuselage.Cela est nécessaire, en effet, pour adapter les valeurs du couple antagoniste créé par l'hélice propulsive déportée latéralement et du couple moteur transmis du fuselage au rotor de sustentation et permet de ne pas trop amincir ou déformer le fuselage près de l'hélice propulsive. Dans le cas d'un appareil hybride "au deuxième degré" selon l'invention, avec appoint temporaire d'un rotor à réaction, 15 % à 20 % de la puissance du moteur principal transmis vers le rotor de sustentation de manière continue donnerait à eux seuls de bonnes performances de vol lent à 1 'appareil, qui se transformerait en hélicoptère lors de l'utilisation du rotor à réaction. Il est intéressant de remarquer a ) - Que, sur un appareil à voilure tournante hybride, doté d'un moteur auxiliaire temporaire monté dans le fuselage et fournissant toute sa puissance au rotor de sustentation, l'hélice propulsive sera légèrement plus décalée sur le côté que nécessaire pendant le vol de croisière, durant lequel le moteur auxiliaire est arrêté. b) - Que, dans le cas de l'utilisation d'un rotor à réaction auxiliaire, le pilotage en vol stationnaire nécessitera d'incliner le rotor et le fuselage en arrière pour compenser la poussée de l'hélice propulsive anticouple, qui sera toujours d'une valeur importante. Comme sur d'autres appareils à voilure tournante destinés à voler rapidement, il sera possible de monter sur le fuselage une aile de petite surface, permettant, grâce à sa portance, de diminuer l'incidence des pales du rotor de sustentation et ainsi, de soulager celui à un moment où les contraintes duels aux battements sont les plus importantes. Différents types de moyeux de rotor de sustentation, plus ou moins perfectionnés, pourront être montés, mais il est souhaitable et il sera peut-être même indispensable de disposer d'un pilotage cyclique et collectif de l'incidence des pales (plutôt que d'un simple rotor bipales monté en balancier). Une aide électronique au pilotage de la puissance des moteurs, de l'incidence des pales rotor et hélice propulsive anti-couple, etc... serait particulièrement utile. I1 est nécessaire de préciser une fois encore que l'hélice propulsive anticouple qui absorbera la plus grande partie de la puissance du moteur principal sera entraînée par ce dernier, soit directement, soit par 1 'intermédiaire d'un réducteur, l'hélice étant disposée indifféremment devant ou derrière le moteur, mais très près de celui-ci. Seul l'excédent de puissance, ne représentant qu'une fraction de la puissance totale, transitera vers le rotor de sustentation par 1 'intermédiaire d'une channe mécanique constituée d'un embrayage, d'arbres de t-e.nsm,ission, de renvois d'an-ies et du réducteur du rotor.Enfin, il est interressant de noter : - que les principes des ^tifférents appareils hybrides exposés ci-dessus autoriseront, en général, la réalisation d'appareils moins hauts, en particulier au sol le rotor de sustentation sera assez bas, ce qui permettra de bénéficier, pour les décollages, d'un "effet de sol" accru. - qu'une roue libre et un frein rotor de sustentation peuvent être montés. - qu'une version de "l'hybride de base" peut être réalisée avec le moteur unique monté dans le fuselage avec, donc, deux arbres de transmission, 1 'un vers l'hélice propulsive latérale, l'autre vers le réducteur du rotor de sustentation. - que, dans le cas d'un appareil "hybride de base", l'utilisation d'un turbopropulseur pour assurer la motorisation, la poussée résiduelle importante d'un tel moteur sera elle-même génératrice d'un couple antagoniste dans le cas où le moteur est déporté latéralement avec l'hélice (version de base). - que le déplacement du centre de gravité de la cellule de l'appareil dû av déport latéral de l'ensenble moteur hélice propulsive peut être compensé par un léger déplacement du rotor de sustentation du même côté ou en utilisant un rotor "rigide", dont la pale qui avance aurait son incidence légèrement accrue à chaque tour. - que la disposition de "l'hybride de base" appliquée à un appareil surmotorisé dans le but d'atteindre des vitesses de croisière et de pointe très élevées, permettra (surtout en fin de vol où la masse de carburant aura largement diminué) de remarquables performances de vol très lent, et même parfois de vol stationnaire soutenu, sans aucun système d'appoint. - que dans le cas de l'utilisation d'un moteur d'appoint accroissant la puissance et le couple transmis au rotor de sustentation, il sera nécessaire d'augmenter le couple généré par l'hélice anti-couple, en accroissant le déport latéral de celle-ci, mais on ne compensera pas totalement cet accroissement, car le moteur d'appoint étant stoppé en vol de croisière, on aurait alors un anti-couple trop puissant queil faudrait alors compenser, d'ou l'intérêt d'un compromis. R E V E N D I C A T I O N S 1) - Appareil volant à voilure tournante, hybride autogire hélicoptère, caractérisé par le fait que le moteur (ou le moteur principal) qui entraîne l'hélice assurant la propulsion (donc à axe horizontal) assure également, mais partiellement, l'entraînement du rotor de sustentation. Le complément de puissance nécessaire à la rotation du rotor de sustentation, au décollage et pendant toutes les phases de vol étant fourni par "effet autogire" avec la difference par rapport à un autogire classique, que dans le cas présent, 1 'inciden- ce positive du disque décrit par les pales du rotor de sustentation sera plus modérée.La part de puissance réservée au rotor pourra légèrement varier au cours d'un vol, elle lui sera fournie durant toute la durée du vol si nécessaire, mais pourra être annulée par l'intermédiaire d'un embrayage si on le désire, durant le vol de croisière rapide. L'entraînement partiel du rotor de sustentation étant presque permanent, le fuselage subira un couple de réaction opposé au couple transmis à ce rotor. Le couple "réactif" subi par le fuselage sera annulé par un couple antagoniste créé de façon simple en déportant latéralement l'hélice propulsive. Le couple ainsi créé aura pour valeur le produit du vecteur poussée de l'hélice par la distance de l'axe portant ce vecteur à l'axe vertical passant par le centre du rotor de sustentation. Le moteur principal est installé de préférence à proximité immediate de l'hélice propulsive dans l'axe de celle-ci, par exemple, car elle absorbe la majeure partie de la puissance produite et dans le cas d'un moteur à pistons alternatifs joue le rôle de volant moteur. 2) - Appareils volants à voilure tournante, hybride autogire hélicoptère, selon la revendication (1), caractérisé par le fait que le centre du rotor de sustentation est occupé par un disque de section ovotide, plate, carénant la tête de rotor. Ce disque sera,de préférence, de grande surface, avec un diamètre situé approximativement entre un sixième et deux cinquièmes du diamètre du rotor de sustentation. L'utilisation d'un tel carénage de faible traînée, porteur par son profil et son incidence, et de grande surface étant possible sur un type d'appareil hybride selon l'invention en raison de la faible "enveloppe" d'incidences positives modérées présentées par le disque rotor, au cours de toutes les phases d'un vol. Le choix du diamètre relatif de ce carénage sera le résultat d'un compromis dépendent du type des services qui seront demandés à l'appareil. Revendications - Page 2. 3) - Appareils volants a voilure tournante, hybride autogire hélicoptère, selon les revendications (1) et (2), associés à un système complet de rotor à réaction de faible autonomie, car de forte consommation, et devant rester léger. Les moteurs assurant la propulsion en bout de pales pouvant être des petites fusées (avant I'inconvenient de nécessiter l'emport de réserves de comburant) ou de petits statoréacteurs. Dans l'un ou l'autre cas, la puissance de ces moteurs d'appoint sera sensiblement inférieure à la puissance qui serait requise sur un hélicoptère à réaction pur de poids équivalent. 4) - Appareils volants à voilure tournante, hybride autogire hélicoptère, selon les revendications (1), (2) et (3) dans lesquels les réserves de carbu étant et, éventuellement, de comburant, sont contenues dans le grand carénage de la tête de rotor dans le but de ne pas avoir à alimenter les moteurs d'ex trèmités de pales par des joints tournants coaxiaux avec l'axe rotor et très délicats à installer. 5) - Appareils volants à voilure tournante, hybride autogire hélicoptère, selon les revendications (î), (2), (3) et (4) dans lesquels les moteurs à réaction d'extrémités de pales sont constitués par des combinés fusées statoréacteurs dans lesquels la chambre de combustion et la tuyère de la petite fusée sont placées au centre ou légèrement en avant de la chambre de combustion du petit statoréacteur. Un combiné fusée statoréacteur aurait l'avantage d'une taille plus réduite qu'un simple statoréacteur, donc présenterait une traînée aérodynamique plus faible. 6) - Appareils volants à voilure tournante, hybride autogire hélicoptère, selon les revendications (1), (2), (3), (4) et (5) dans lesquels le moteur principal entraînant l'hélice propulsive et le rotor de sustentation est assisté au décollage par un moteur auxiliaire d'appoint, qui est normalement stoppé pendant le vol de croisière pour réduire la consommation. Ce moteur situé dans le fuselage, à proximité du réducteur du rotor de sustentation accroîtra temporairement le couple transmis au rotor, donc le couple réactif correspondant. Cet accroissement de couple nécessitant un accroissement du couple antagoniste, on obtiendra celui-ci en augmentant le déport latéral de l'hélice propulsive.Cependant, cette augmentation de déport sera plus faible que théoriquement nécessaire, elle résultera d'un compromis pour ne pas avoir un excédent "d'anti-couple" trop important pendant le vol de croisière. L'ajustage des deux couples antagonistes, moteur auxiliaire, en fonctionnement puis à l'arrêt se faisant simplement en modifiant le partage de la puissance Revendications - Page 3. du moteur principal entre 1 'hélice propulsive et le rotor de sustentation par modification de leurs pas respectifs, et par braquage de la dérive de grande surface dans un sens, puis dans le sens opposé. 7) - Appareils volants à voilure tournante, hybride autogire hélicoptère, selon l'une des revendications (1) à (6), caractérisés par le fait que la disposition des organes essentiels et les raisons d'une telle disposition sont les mêmes que dans la revendication (1), excepté la disposition du moteur qui peut être "logé" dans le fuselage, avec deux chaînes de transmission : l'une entraînant l'hélice propulsive anti-couple, l'autre entraînant partiellement le rotor de sustentation.