Brevet FR2552395A1 — publié le 19850329

La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux hélices sustentatrices pour aéronefs, qui permettent d'améliorer notablement les conditions de vol. A l'heure actuelle, sur les hélices sustentatrices, aussi bien à pas fixe qu'à pas variable, on fait coincider le centre des axes des pales avec le centre aérodynamique, ce qui permet de supprimer les efforts de torsion, la fatigue du matériel, les vibrations, etc. 10 Cependant, comme l'hélice tourne et se déplace horizontalement en même temps, on obtient une résultante du mouvement ascensionnel et du mouvement d'avance horizontal qui varie pour chaque pale suivant la position qu'elle occupe par rapport au mouvement d'avance Dans ces conditions, l'hélice a tendance à effectuer une rotation dans le sens transversal par rapport au mouvement d'avance, qu'on compense grâce à différentes solutions mécaniques qui compliquent la construction des aéronefs, lesquels, de ce fait, sont fragiles, d'un rendement réduit, d'une sécurité limitée et d'un pilotage difficile. La présente invention permet de résoudre les inconvénients mentionnés grâce à l'autoéquilibrage des pales de l'hélice. Les perfectionnements apportés aux hélices sustentatrices pour aéronefs selon l'invention consistent essentiellement en ce que chacune des deux pales disposées sur un même axe longitudinal tourne par rapport à cet axe par un point de son profil transversal se trouvant à une certaine distance du centre aérodynamique de la pale; de cette façon, lorsque l'hélice tourne et avance simultanément, il se crée sur chacune des pales des couples antagonistes qui s'équilibrent en fonction de la variation automatique de l'angle d'attaque de chacune des pales suivant la position o elle se trouve par rapport au 35 mouvement d'avance. -2 Chaque pale est munie, avantageusement, d'un ressort d'équilibrage pour obtenir sur les pales des angles d'attaque égaux quand commence la rotation, ainsi que d'un amortisseur associé au ressort pour atténuer les oscillations et les vibrations. L'hélice est munie, de préférence, d'un dispositif qui permet de modifier l'angle d'attaque de chacune des pales, aussi bien au repos qu'en rotation ou en vol. L'hélice est également munie, avantageusement, d'un dispositif permettant d'orienter les pales dans la direction souhaitée pour obtenir un déplacement latéral. De même, l'hélice est munie d'un dispositif 15 d'accouplement et de désaccouplement avec le moteur, ce qui permet de la faire fonctionner, à volonté, en moulinet. Un autre perfectionnement introduit dans l'hélice objet de l'invention consiste en ce que l'axe horizontal est articulé au centre, de sorte que les pales se disposent selon la résultante de la force de sustentation et de la force centrifuge, ce qui permet d'éliminer les efforts de flexion sur ces pales. Enfin, les pales peuvent être raccourcies et allongées automatiquement grâce à un système télescopique, 25 de sorte que la surface occupée par l'éaéronef se trouve réduite. Pour faciliter la compréhension de ce qui vient d'être exposé, on a joint une série de dessins sur lesquels, de façon schématique et seulement à titre 30 d'exemple non limitatif, quelques cas pratiques de réalisation sont représentés. Sur ces dessins: la Fig 1 montre les forces et les vitesses agissant sur un profil-d'une des pales de l'hélice; la Fig 2 est une vue en plan d'une hélice à deux pales; la Fig 3 montre les forces et lesvitesses agissant sur un profil d'une pale soumise à un mouvement de rotation et à un mouvement de translation combinés; la Fig 4 est une vue en perspective montrant les forces qui agissent sur une hélice à deux pales soumise à un mouvement de rotation et à un mouvement de translation combinés; la Fig 5 montre les forces qui agissent sur l'hélice de la figure précédente avec la compensation du poids de l'appareil; la Fig 6 représente un profil d'une pale disposée selon l'invention; la Fig 7 montre les forces qui agissent sur deux pales de l'hélice selon l'invention; la Fig 8 montre les forces équilibrées agissant sur l'hélice de la Fig 7 après variation des angles d'attaque; la Fig 9 est une vue en plan d'une hélice à deux pales selon l'invention; la Fig 10 représente, en coupe transversale, une pale munie d'un ressort; la Fig 11 représente le profil d'une pale à 25 laquelle s'applique l'effet Kolzmayr; la Fig 12 représente schématiquement une hélice avec deux pales articulées; la Fig 13 représente en perspective une hélice à deux pales agissant en moulinet; la Fig 14 représente, en coupe transversale, l'hélice de la Figure précédente; la Fig 15 représente, en coupe transversale, * la même hélice que sur les figures précédentes agissant en moulinet parachute, et les Figs 16 et 17 représentent différents types d'aéronefs auxquels est appliquée l'hélice objet de l'invention. Les premières figures concernent une hélice conventionnelle Sur une pale d'hélice, les efforts et les vitesses sont appliqués en un point appelé centre aérodynamique, indiqué par la référence O sur la Fig 1. Sur cette figure, A représente la poussée de sustentation, W la résistance à l'avancement, e l'angle d'incidence défini entre la corde du profil et la direction du courant d'air,J la vitesse angulaire, r le rayon de rotation, v la vitesse relative de la pale o par-rapport au fluide et e l'angle compris entre les deux vitesses. La rotation et l'avancement de l'hélice s'effectuant simultanément, les vitesses sur les pales varient comme on peut le voir sur les Figs 2 et 3, oh v' correspond à la vitesse d'avancement qui s'aditionne ou se soustrait à la vitesse due à la rotation u suivant la position que la pale occupe par rapport à 20 l'avancement Ces différences de vitesse sur les pales engendrent des différences de force ascensionnelle, représentées sur la Fig 4 par les lettres B et C, qui tendent à faire tourner l'hélice par rapport à un point M, en l'inclinant vers le plan vertical Théoriquement, 25 cette inclinaison pourrait aller jusqu'à 900, l'hélice se trouvant alors dans un plan vertical et devenant une hélice de traction latérale, mais, en réalité, le poids P de l'appareil s'inclinant tend à limiter l'inclinaison comme le montre la Fig 5, sur laquelle le point C est 30 le centre de gravité de l'appareil, qui se déplace en s'inclinant De toutes façons, l'inclinaison persiste et doit être compensée au moyen de différents procédés qui compliquent et rendent plus chère la construction de l'aéronef Un des procédés les plus utilisés sur les 35 hélicoptères pour compenser l'inclinaison, consiste à -5 monter sur l'appareil une petite hélice supplémentaire, dont l'axe de propulsion est perpendiculaire à l'axe de l'hélice de sustentation, cette petite hélice étant située sur un des côtés de la queue de l'hélicoptère. Les perfectionnements apportés par l'invention résident essentiellement dans le fait que chacune des pales tourne, par rapport à l'axe longitudinal des pales, en un point de son profil transversal se trouvant à une certaine distance du centre aérodynamique, comme le montre 10 la Fig 6, sur laquelle l'axe de la pale se trouve au point G situé à une distance d du centre aérodynamique O et à une distance 1/x (x étant supérieur à 4) du bord d'attaque La résultante des forces F étant appliquée au centre aérodynamique 0, il se forme un couple par rap15 port à l'axe G de la pale, qui tend à faire tourner celle-ci en diminuant l'angle d'attaque et, par conséquent, également la poussée de sustentation. Sur la Fig 7, on peut voir deux pales réunies et opposées sur un axe commun G situé à une distance d 20 des centres aérodynamiques O et 0 ' des deux pales, lesquelles présentent le même angle d'attaque ='. Dans le cas d'une hélice tournant et avançant simultanément, les forces H et J appliquées aux centres aérodynamiques des deux pales sont différentes, comme on 25 peut le voir sur la Fig 7 De ce fait, l'angle d'attaque tend à diminuer sur une des pales et à augmenter sur l'autre jusqu'à ce que les forces H et J s'équilibrent. Sur la Fig 8, les forces H et J sont égales, les angles d'attaque 4 et /'sont différents, et 1 >/'. La Fig 9 est une vue en plan représentant une paire de pales avec leur axe commun G et leurs deux centres aérodynamiques O et 0 ' situés à une distance d de cet axe On voit donc que les forces agissant sur les pales s'autoéquilibrent En outre, il faut tenir compte du fait que cet autoéquilibrage s'effectue constamment pendant la rotation de l'hélice, puisque, en un tour complet, chaque pale passe d'un angle d'attaque maxhimal à un angle d'attaque minimal en variant sa position par rapport au mouvement d'avancement. Pour être sûr que lorsque l'hélice commence son mouvement de rotation les angles d'attaque des pales sont égaux, on dispose des ressorts N sur le bord d'attaque, comme le montre la Fig 10, o la poussée A 10 tend à comprimer le ressort N. Il résulte de l'effet Kolzmayr que si le profil d'une pale reçoit sur son bord un courant d'air qui change de direction constamment autour d'un plan, la résistance à l'avancement est nulle C'est ce qui se 15 produit sur chacune des pales de l'hélice pendant un tour complet, comme le montre la Fig 11 A cause de cela, le rendement de l'hélice selon l'invention est très élevé. Les perfectionnements mentionnés constituent 20 l'essentiel de l'invention, mais, pour obtenir une utilisation optimale de l'hélice, cette invention comprend d'autres perfectionnements déjà indiqués: possibilité de modifier à volonté l'angle d'attaque des pales, d'accoupler et de désaccoupler le moteur, d'articuler les pales entre elles et de réduire ou d'augmenter télescopiquement la longueur des pales La Fig 12 représente une paire de pales articulées sur les points K et L, ce qui permet aux pales de se disposer selon un angle Y dans la direction de la résultante R de la poussée ascension30 nelle A et de la force centrifuge Fc Avec cette disposition, on élimine les efforts de flexion sur les pales et sur leurs axes. Les principaux avantages des perfectionnements -7 apportés par l'invention peuvent être résumés de la manière ci-après. En premier lieu, grace à la propriété d'autoéquilibrage constant des pales, on élimine les 5 perturbations inhérentes au mouvement de translation ou avancement horizontal des hélices. En second lieu, la valeur de charge et de sustentation est égale sur toutes les pales quelle que soit leur position pendant la rotation et à tout moment, 10 aussi bien en vol vertical qu'en vol horizontal ou en vol résultant des deux premiers. En troisième lieu, on obtient une stabilité totale dans l'espace sans intervention du pilote et sans installation d'aucune sorte de mécanisme, car il ne se 15 produit aucune perturbation qu'il serait nécessaire de corriger Pour cette raison, l'appareil muni de l'hélice selon l'invention est très facile à piloter. Enfin, le rendement aérodynamique est élevé, puisqu'il n'y a pas de perturbation et que la résistance 20 à l'avancement est faible (effet Kolzmayr). Il faut souligner, en outre, que les pales peuvent agir comme des moulinets si elles tournent librement en même temps qu'elles avancent horizontalement, c'est-à-dire si elles tournent sans moteur par suite du 25 mouvement d'avancement lui-même, comme on peut le voir sur les Figs 13 et 14, o la flèche en trait épais indique le mouvement d'avancement et les flèches en trait fin l'action aérodynamique sur les pales. A la différence des hélicoptères, sur lesquels il n'est pas possible que la vitesse tangentielle des pales soit inférieure à la vitesse d'avancement, car les pales doivent toujours tourner plus vite qu'elles n'avancent, sur l'hélice selon l'invention la vitesse d'avancement peut être plus grande, ce qui permet d'atteindre des vitesses de vol plus élevées En admettant une résistance à l'avancement W égale à O (effet Kolzmayr intégral), la vitesse moyenne des pales serait égale à la vitesse de translation ou à celle du jet d'air reçu, sans autres limitations que celles imposées par les perturbations créées par les hautes vitesses tangentielles, qui augmentent à mesure que ces dernières se rapprochent de Mach 1. La vitesse des aéronefs munis de l'hélice selon 10 l'invention dépend donc du système et de la puissance de leur propulseur (hélices ou réacteurs) et du coefficient de résistance de l'ensemble appareil-moyens de sustentation, qui ne peut être déterminé qu'expérimentalement pour chaque type d'appareil. Avec l'hélice fonctionnant en moulinet, on peut concevoir des aéronefs d'une vitesse supérieure à celle atteinte jusqu'ici par les hélicoptères et les autogires, soit une vitesse similaire à celle obtenue avec des avionnettes ou des avions légers à propulsion 20 par hélice ou par réacteurs. L'hélice selon l'invention, fonctionnant en moulinet, peut -être utilisée également comme parachute libre avec frein d'atterrissage en disposant les pales comme le montre la Fig 15 Grâce à cette propriété, un 25 appareil muni de l'hélice selon l'invention peut atterrir sur tout terrain, ce qui a pour effet d'augmenter la sécurité de vol par rapport à des avions ou à des avionnettes conventionnels, puisque ces appareils, en cas d'avarie du moteur, ne disposent d'autre moyen que le 30 vol plané pour choisir le lieu d'atterrissage. L'hélice objet de l'invention peut 4 tre utilisée sur deux types d'appareils différents: héli coptères, o l'hélice est motrice, et autogires, o l'hélice est actionnée aérodynamiquement (moulinet). Sur les hélicoptères, on obtient une stabilité totale, sans besoin de rectifications opérées par le pilote -9 ni de mécanismes correcteurs, ainsi qu'une bonne insensibilité aux rafales de vent En outre, avec l'hélice fonctionnant en moulinet, avec le moteur débrayé, on peut, en cas d'urgence, effectuer un atterrissage du type parachute Le pilotage, comme on l'a déjà indiqué, est bien plus simple que celui d'un hélicoptère conventionnel, et le vol bien plus sûr. Sur les autogires, on obtient un rendement plus élevé dû à une meilleure exploitation de l'effet 10 Kolzmayr et, en outre, une vitesse plus grande. L'hélice selon l'invention peut équiper également des appareils mixtes pouvant fonctionner, à volonté, comme hélicoptères ou comme autogires Dans ce cas, l'appareil peut exploiter les avantages des deux systèmes Comme hélicoptère, il peut stationner en n'importe quel point de l'espace, peut effectuer des ascensions et des descentes à la verticale, la vitesse de translation peut être très réduite et la charge à soulever plus importante Comme autogire, la vitesse 20 de translation est plus élevée. Du point de vue de l'utilisation, il est important de souligner la simplicité des commandes et l'automaticité des corrections de vol qui rendent possible le pilotage à n'importe quelle personne, même non initiée aux techniques de l'aviation Sa simplicité, tant en ce qui concerne la mécanique que la construction, fait que son prix de revient est réduit. Un domaine d'utilisation approprié est celui des appareils légers, de sport, utilitaires ou familiaux, 30 et surtout celui des aérotaxis et aérobus, domaine qu'on n'arrive à couvrir ni avec les hélicoptères ni avec les avionnettes, les premiers parce que leur fabrication est coûteuse et les secondes parce qu'elles ont besoin de pistes et d'aérodromes pour atterrir. Enfin, la possibilité de réduire automatiquement la longueur des pales au moyen d'un système télescopique permet de diminuer la surface de stationnement et de résoudre ainsi un des problèmes les plus importants concernant l'utilisation de ces appareils comme véhicules de transport Avec la réduction de la longueur des pales, un giravion de 20 mètres de diamètre n'aurait plus que 4 mètres de large et 12 à 14 mètres de long, à peine un peu plus qu'un autocar avec la même capacité de transport. 10 Un héliport capable de parquer 100 appareils de 40 passagers n'occuperait plus qu'un hectare de terrain. La Fig 16 montre un exemple d'application de l'hélice selon l'invention sur un monoplace BEACH sans ailes Une telle transformation, simple et rapide, 15 permet une application économique de l'invention. La Fig 17 montre un exemple d'application de l'hélice selon l'invention sur un aérobus fonctionnant comme giravion équipé avec deux réacteurs. Dans les deux cas, on peut atteindre des 20 vitesses de l'ordre de 500 km/h. Il ressort de ce qui précède qu'avec les perfectionnements de l'invention on obtient une hélice sustentatrice d'aéronefs qui permet d'améliorer notablement les conditions de vol. La description ci-dessus correspond à des réalisations concrètes de l'invention, mais il est entendu que celle-ci pourrait être également mise en pratique de bien d'autres façons, à condition de toujours respecter ses caractéristiques. i 1 Re v e N d c a t i o N S 1, Perfectionnements apportés aux hélices sustentatrices pour aéronefs, du type composé de deux pales à profil aérodynamique, montées rotatives aux deux extrémités d'un premier axe longitudinal par rapport à ces pales, situé au-dessus du corps de l'aéronef, perpendiculaire à un deuxième axe monté rotatif sur le corps de l'aéronef et solidaire de ce deuxième axe, perfectionnements qui consistent essentiellement en ce que chacune des deux pales tourne par rapport au premier axe longitudinal par un point (G) de son profil transversal se trouvant à une certaine distance du centre aérodynamique ( 0) de la pale, de sorte que lorsque l'hélice tourne et avance simultanément, il se crée sur chacune 15 des pales des couples antagonistes qui s'équilibrent en fonction de la variation automatique de l'angle d'attaque de chacune des pales suivant la position o la pale se trouve par rapport au mouvement d'avancement. 2 Perfectionnements apportés aux hélices sustentatrices pour aéronefs, selon la revendication 1, caractérisés en ce que chacune des pales est munie d'un ressort d'équilibrage (N) pour obtenir sur les pales des angles d'attaque égaux lorsque commence la rotation, ainsi que d'un amortisseur associé au ressort 25 pour atténuer les oscillations et les vibrations. 3 Perfectionnements apportés aux hélices sustentatrices pour aéronefs, selon la revendication 1, caractérisés en ce que les hélices sont munies d'un dispositif permettant de modifier l'angle d'attaque de 30 chacune des pales, aussi bien au repos qu'en rotation ou en vol. 4 Perfectionnements apportés aux hélices sustentatrices pour aéronefs, selon la revendication 1, caractérisés en ce qu'elles sont équipées avec un dispositif permettant d'orienter les pales dans la direction souhaitée pour obtenir un déplacement latéral. Perfectionnements apportés aux hélices sustentatrices pour aéronefs, selon la revendication 1, qui consistent en ce qu'elles sont munies d'un dispositif d'accouplement et de désaccouplement du moteur, ce qui permet de les faire fonctionner, à volonté, en moulinet. 6 Perfectionnements apportés aux hélices sustentatrices pour aéronefs, selon la revendication 1, qui consistent en ce que le premier axe longitudinal par rapport aux pales est articulé au centre (en K,L), de sorte que les pales se disposent selon la résultante de la force de sustentation et de la force centrifuge, 15 ce qui permet d'éliminer les efforts de flexion sur les pales. 7 Perfectionnements apportés aux hélices sustentatrices pour aéronefs, selon la revendication 1, qui consistent en ce que les pales peuvent être raccourcies et 20 allongées automatiquement grâce à un système télescopique, ce qui a pour effet de réduire la surface occupée par l'aéronef.