Brevet FR2587678A1 — publié le 19870327

-- I -- SYSTEME D'ALIMENTATION DE SECOURS POUR LE MAINTIEN DE LA COMMANDE DE VOL DE SECOURS D'UN AVION La présente invention concerne un système d'ali- mentation de secours destiné au maintien de la commande de vol de secours d'un avion à hautes performances, aérodynamiquement instable, et doté de trois systèmes d'énergie, à savoir: deux systèmes hydrauliques iden- tiques montés en parallèle pour des raisons de redon- dance, destinés à actionner les gouvernes nécessaires à la capacité de vol de l'avion, et un système de bord électrique doté au moins d'un générateur, d'une batte- rie rechargeable et d'une batterie de secours non rechargeable, ainsi qu'une unité de transfert d'énergie pour ce système d'alimentation de secours. Les projets d'avions de combat monoplaces ou biplaces pour l'avenir proche (par exemple chasseurs. des années 90) visent, en priorité une amélioration des caractéristiques de vol (maniabilité, capacité ascen- sionnelle, vol à basse vitesse, etc.). Indépendamment du choix des propulseurs et des matériaux (matériaux composites renforcés par des fibres par exemple), la conception aérodynamique revêt une grande importance, la tendance actuelle étant en faveur du type "canard" avec une conception aérodynamiquement stable. L'avion- canard possède de nombreuses gouvernes visant princi- -2- palement à une grande mobilité; mais ceci nécessite un système d'entraînement réparti dans l'espace qui présente l'inconvénient d'une grande vulnérabilité. En vue également d'une grande mobilité, les surfaces portantes et les gouvernes - compte tenu de la position de centre de gravité de l'avion sont disposées de telle sorte que l'avion ait un comportement dynamique- ment instable. Afin qu'il reste cependant facilement mattrisable pour le pilote, il doit être restabilisé artificiellement par des systèmes de régulation adéquats, ces systèmes augmentant bien sûr également la vulnéra- bilité. Afin d'atteindre, malgré cette vulnérabilité accrue, une sécurité de vol comparable à celle des conceptions moins sophistiquées, au moins les systèmes d'énergie nécessaires à la commande de vol de secours doivent être autant que possible à l'abri des défail- lances. Il s'agit d'une part du système de bord élec- trique destiné à la génération et au transfert de puis- sance ainsi qu'à la transmission d'ordres de commande, de signaux de mesure et de réglage etc. et, d'autre part, d'un ou de plusieurs systèmes hydrauliques pour l'actionnement direct des gouvernes. Une mesure tra- ditionnelle qui assure non seulement une augmentation de puissance, mais aussi la sécurité, consiste à ins- taller deux propulseurs. Chaque propulseur possède son propre relais d'accessoires, si bien qu'au moins les systèmes d'entraînement de la partie hydraulique (pom- pe) et de la partie électrique (génératrice) sont dou- blement présents (redondance). Il est également connu de prévoir des turbines indépendantes des propulseurs et actionnées en cas de besoin à l'aide de gaz propul- seurs par décomposition d'un carburant à une composan- te (hydrazine par exemple), ces turbines servant au redémarrage des propulseurs ou directement à l'entrai- nement - momentané - des systèmes principaux. Des sys- - 3 - tème de ce type à carburant à une composante sont né- anmoins exigeants, coûteux et non sans danger. L'ins- tallation d'une batterie non rechargeable, qui peut dé- livrer en l'espace de quelques minutes une puissance relativement élevée, ne pose aucun problème. Dans le cas d'avions de combat modernes à deux réacteurs, ac- tuellement en service, il est connu d'actionner les gouvernes nécessaires à la commande de vol de secours simultanément par les deux systèmes hydrauliques (sys- tèmes parallèles). Afin de pouvoir également transfé- rer directement de la puissance d'un des systèmes hy- drauliques vers l'autre, on a installé une unité de transfert de puissance qui se compose de deux moteurs/ pompes hydrauliques avec des arbres menants/menés cou- plés ensemble, si bien qu'un système peut fonctionner comme moteur de l'autre, comme pompe. Cette unité de transfert de puissance peut être connectée ou déconnec- tée à l'aide d'un distributeur 2/2. En outre, il y a plusieurs autres pompes hydrauliques de secours, cha- cune pouvant être actionnée facultativement par un pro- pulseur à hydrazine ou par un moteur électrique. Ces pompes, moteurs et systèmes à carburant à une composan- te qui viennent compléter l'unité de transfert de puis- sance et les pompes hydrauliques principales sont coû- teux, exigeants et ne représentent qu'un poids mort dans le cas du vol normal. En revanche, la présente invention a pour but de concevoir un système d'alimentation moins coûteux, plus léger et plus simple qui n'utilise que de l'éner- gie électrique et hydraulique et augmente en outre con- sidérablement la sécurité lors d'un fonctionnement en vol de secours. La présente invention a également pour but de concevoir une unité de transfert de puissance fiable et compacte qui se compose uniquement d'appareils du commerce et éprouvés. Ce but est atteint en ce que - 4 les trois systèmes d'énergie peuvent être reliés entre eux du point de vue énergétique à l'aide d'une unité de transfert de puissance, et en ce que les deux sys- tèmes hydrauliques sont subdivisés en circuits partiels affectés chacun à une ou plusieurs fonctions des gou- vernes et pouvant être déconnectés séparément en cas de besoin (lors de fuites). De préférence, en cas de défaillance d'entraînement de l'un des systèmes hydrau- liques et de perturbations de fonctionnement locales du second système hydraulique (fuites par exemple), de la puissance peut être transférée du système hydrauli- que présentant une perturbation locale vers celui dont l'entraînement est défaillant, qu'en cas de défaillan- ce d'entraînement des deux systèmes hydrauliques, de la puissance peut être transférée du système de bord électrique vers l'un des deux systèmes hydrauliques, et qu'en cas de défaillance d'entraînement du système de bord électrique (défaillance du générateur), de la puissance peut être transférée de l'un ou l'autre des systèmes hydrauliques vers le système de bord électri- que. Le (ou les) système(s) de bord défaillant(s) sont alimentés par le (ou les) système(s) de bord en- core intact(s), avec une puissance inférieure à celle qui correspond au fonctionnement normal. En cas de transfert de puissance du système de bord électrique vers l'un des systèmes hydrauliques, ce système hydraulique ne fonctionne qu'avec 50 % envi- ron de la puissance normale. Dans le système de transfert pour le système d'alimentation de secours, l'unité comporte, pour cha- que système hydraulique, une pompe hydraulique fonction- nant facultativement comme moteur hydraulique, et, pour le système de bord électrique, un moteur/génératrice à courant continu; ses dispositifs tournent dans le même - -- 5 -- sens lors du fonctionnement en pompe et en moteur ou du fonctionnement en moteur et en génératrice et sont reliés au moyen d'un arbre menant/mené commun, et le moteur/ génératrice à courant continu est placé entre les moteurs/pompes hydrauliques. Dans l'unité de transfert de puissance, les- moteurs/pompes hydrauliques sont du type à pistons axiaux avec réglage par plateaux inclinés orientables en continu, à partir de la position de débit zéro - perpendiculairement à l'arbre menant/mené -, autour d'un axe coupant l'arbre menant/mené à angle droit, pour la régulation de débit et la sélection du mode de fonctionnement. De préférence, un distributeur 2/2 est attri- bué à chaque moteur/pompe hydraulique. Le moteur/génératrice à courant continu est avantageusement conçu comme un moteur/générateur shunt réglable à collecteur. Un exemple de réalisation de la présente inven- tion sera détaillé dans la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent, de façon schéma- tique: - Za figure 1: les gouvernes nécessaires à la commande de vol de secours ainsi que certaines parties des systèmes hydrauliques; - Za figure 2: l'affectation des gouvernes, selon la figure 1, aux circuits partiels des deux sys- tèmes hydrauliques, ainsi que l'agencement de l'unité de transfert de puissance; - la figure 3: certaines parties du système de bord électrique en rapport avec le raccordement de l'unité de transfert de puissance; - za figure 4: les éléments essentiels du sys- tème de bord électrique pour la génération, le stockage - 6 - et le transfert d'énergie. Les surfaces hachurées représentées sur la fi- gure 1 représentent les gouvernes qui doivent être en- core monoeuvrables lors d'un fonctionnement en vol de secours. En détail, il s'agit des empennages-canard 34 et 35 se trouvant le plus en avant selon la direction de vol, des ailerons externes 40 et 41 et ailerons in- ternes 42 et 43 articulés sur les ailes 38 et 39, ainsi que des deux gouvernes de direction 36 et 37. On peut également remarquer que les éléments d'actionnement (vérins hydrauliques par exemple) de ces gouvernes sont reliés aussi bien au premier système hydraulique 1 re- présenté par des lignes discontinues qu'au second sys- tème hydraulique 2 représenté par des lignes continues. Les deux systèmes hydrauliques 1 et 2 sont alimentés chacun par une pompe hydraulique réglable 7,8. Comme le montre la figure 2, les pompes hydrau- liques 7 et 8 sont entratnées par l'intermédiaire des relais d'accessoires 32 et 33 par les propulseurs 30 et 31. Les pompes aspirent l'huile des réservoirs d'huile hydrauliques 9 et 10 et la transportent, au moyen de distributeurs 2/2, jusqu'aux circuits partiels corres- pondants 3, 5; 4, 6. Les branches de canalisations qui ne servent pas à la commande de vol de secours ne sont que partiellement représentées. De même, pour des rai- sons de clarté, le système de canalisations servant au-) retour d'huile vers les réservoirs d'huile hydraulique 9 et 10 n'a pas été représenté. Chaque système hydrau- lique 1 et 2 est subdivisé en deux circuits partiels 3, 5: 4, 6 qui peuvent être connectés ou déconnectés en fonction des besoins. Les circuits partiels 3 et 4 mon- tés en parallèle commandent les gouvernes de direction 36 et 37 ainsi que les ailerons internes 42 et 43, tan- dis que les circuits partiels 5 et 6, également montés en parallèle, commandent les ailerons externes 40 et 41 - 7 - ainsi que les empennagescanard 34 et 35. Dans la zone située entre les pompes hydrauliques 7 et 8 et la di- vision des canalisation pour les circuits partiels, les deux systèmes hydrauliques 1 et 2 peuvent être ac- couplés hydromécaniquement au moyen de l'unité de trans- fert de puissance 20. La connexion et la déconnexion des moteurs/pompes hydrauliques 21 et 22 sont assurées par les distributeurs 2/2. La liaison énergétique en direction du système de bord électrique 11 est en outre rendue possible par le moteur/génératrice à courant con- tinu 23 placé sur l'arbre menant/mené commun 24 des mo- teurs/pompes hydrauliques 21 et 22. L'unité de trans- fert de puissance 20 - y compris les distributeurs 2/2 référencés 25 et 26 - est également représentés sur la figure 3 qui est chargée d'expliquer les possibilités de liaison du moteur/génératrice à courant continu 23 avec le système de bord électrique 11. Le moteur/géné- ratrice à courant continu 23 travaille, pour des rai- sons de poids (faibles sections de bobinage), avec une tension continue élevée de 260 V. Afin de transférer de la puissance dans l'un des deux systèmes hydrauli- ques 1 ou 2, le moteur/génératrice à courant continu 23 peut être alimenté pendant 3 minutes environ par les batteries de secours non rechargeables 16 et 17 qui gé- nèrent une tension continue de 260 V. Ce cas se présen- te lorsque les deux propulseurs 30 et 31 - à la suite de manoeuvres en vol extrêmes par exemple - tombent en panne et empêchent ainsi les pompes hydrauliques 7 et 8 et les générateurs 12 et 13 de travailler. Une durée de 3 minutes doit suffire à faire redémarrer les propul- seurs. Dans le cas o les pompes hydrauliques 7 et 8 tombent en panne mais qu'au moins l'un des générateurs 12 ou 13 continue à fonctionner, il existe encore une possibilité de transférer de la puissance du système de bord électrique 11 vers l'un des deux systèmes hydrau- - 8 - liques 1 ou 2. Pour ce faire, la tension triphasée de /200 V générée par le ou les génératrice(s) 12 et/ou 13 est convertie, au moyen des unités transformateur/ redresseur 18 et/ou 19, en une tension continue de 260 V puis amenée au moteur/génératrice à courant con- tinu 23. Les bus à courant triphasé (115/200 V) sont représentés respectivement sur les unités transforma- teur/redresseur 18 et 19. Dans les unités 18 et 19, le redressement est assuré par des diodes; les interrup- teurs/contacteurs, qui ne sont pas définis de façon plus détaillée, ont une structure habituelle et indiquent simplement les diverses possibilités de commutation. Par ailleurs, il existe une autre possibilité pour transférer de la puissance des systèmes hydrauli- ques 1 et 2 vers le système de bord électrique 11. L'un au moins des moteurs/pompes 21 et 22 sert de système d'entralnement pour le moteur/génératrice à courant continu 23 qui travaille en génératrice. Etant donné, entre autres, que les batteries rechargeables 14 et 15 (figure 4) travaillent avec une tension de 28 V seule- ment, la tension continue de 260 V qui a été générée doit être ramenée à cette faible valeur dans l'une des unités transformateur/redresseur 18 ou 19. Les bus à tension continue (28 V) sont représentées sur la figure 3 à la gauche de l'unité de transfert de puissance 20. La figure 4, enfin, représente tous les éléments desti- nés à la génération, au stockage et au transfert d'éner- gie du système de bord électrique 11. Les parties à cou- rant triphasé sont symbolisées par trois traits obliques parallèles. Les deux génératrices 12 et 13 (115/200 V 400 Hz) sont représentées à la partie supérieure de la figure. Ils délivrent leur tension triphasée aux deux unités transformateur/redresseur 18 et 19 indiquées ver- ticalement en dessous. Ces unités chargent ensuite, par exemple, les batteries 14 et 15 au moyen des bus à ten- - 9 - sion continue (28 V) situées à la partie inférieure de la figure. Au milieu de la figure environ, les batte- ries de secours 16, 17 sont regroupées en un même sym- bole (260 V 100 A). En dessous, on a enfin la représen- tation du moteur/génératrice à courant continu 23. Le système d'alimentation de secours selon la présente invention offre donc, malgré une structure sim- ple, une multitude, jusqu'ici inconnue, de possibilités de transfert de puissance entre systèmes. Selon des calculs, la sûreté de non défaillance de l'alimentation de secours hydraulique augmente de 3,8 par rapport à un système sans unité de transfert de puissance. La mas- se supplémentaire estimée pour l'unité de transfert de puissance, les batteries de secours, les canalisations, les câbles, les appareils de commande, les commutateurs etc. est environ de 55 à 75 kg et est donc - comparati- vement au résultat fourni - tout à fait acceptable. - 10 - REVENDICATIO0NS 1. Système d'alimentation de secours destiné au main- tien de la commande de vol de secours d'un avion à hautes per- formances, aérodynamiquement instable, et doté de trois systèmes d'énergie, à savoir: deux systèmes hydrauliques (1 et 2) identi- ques, montés en parallèle pour des raisons de redondance, desti- nés & actionner les gouvernes (34 à 37, 40 à 43) nécessaires à la capacité de vol de l'avion, et d'un système de bord électrique (11) doté au moins d'un générateur (12, 13), d'une batterie re- chargeable (14, 15) et d'tue batterie de secours non rechargeable (16, 17) , caractérisé en ce que les troissystèmes d'énergie (1, 2, 11) peuvent être reliés entre eux, du point de vue énergéti- que, à l'aide d'une unité de transfert de puissance (20), et en ce que les deux systèmes hydrauliques (1 et 2) sont subdivisés en circuits partiels (3, 5; 4, 6) affectés chacun à une ou plusieurs fonctions des gouvernes et pouvant être déconnectés séparément en cas de besoin (lors de fuites). 2. Système d'alimentation de secours selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'en cas de défaillance d'entraînement de l'un des systèmes hydrauliques (p. ex. 1) et de perturbations de fonctionnement locales du second système hydraulique (fuites, p. ex.), de la puissance peut être transférée du système hydrau- lique présentant une perturbation locale (p. ex. 2) vers celui dont l'entraînement est défaillant (p. ex. 1), qu'en cas de dé- faillance d'entraînement des deux systèmes hydrauliques (1 et 2), de la puissance peut être transférée du système de bord électri- que (11) vers l'un des deux systèmes hydrauliques, et qu'en cas de défaillance d'entraînement du système de bord électrique (11), (défaillance du générateur), de la puissance peut être transfé- rée de l'un ou l'autre des systèmes hydrauliques vers le système de bord électrique. 3. Système d'alimentation de secours selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que le (ou les) système(s) de bord défaillant(s) sont alimentés par le (ou les) système(s) de bord encore intact(s), avec une puissance inférieure à celle qui - 11 - 1 correspond au fonctionnement normal. 4. Système d'alimentation de secours selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce qu'en cas de transfert de puissance du système de bord électrique (11) vers l'un des systèmes hydrauli- ques (p. ex. 1), ce système hydraulique ne fonctionne qu'avec % environ de la puissance normale. 5. Système de transfert de puissance pour le système d'a- limentation de secours selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'unité (20) comporte, pour chaque système hydraulique (1 et 2), une pompe hydraulique (21, 22) fonctionnant facultativement comme moteur hydraulique, et, pour le système de bord électrique (11), un moteur/génératrice à cou- rant continu (23), en ce que ses dispositifs (21, 22, 23) tour- ner.t dans le même sens lors du fonctionnement en pompe et en mo- teur ou du fonctionnement en moteur et en génératrice et sont re- liés au moyen d'un arbre menant/mené commun (24), et en ce que le moteur/génératrice à courant continu (23) est placé entre les moteurs/pompes hydrauliques (21, 22). 6. Unité de transfert de puissance selon la revendica- tion 5, caractérisée en ce que les moteurs/pompes hydrauliques (21, 22) sont du type à pistons axiaux avec réglage par plateaux inclinés orientables en continu, à partir de la position de débit zéro perpendiculairement à l'arbre menant/mené -, autour d'un axe coupant l'arbre menant/mené à angle droit, pour la régulation de débit et la sélection du mode de fonctionnement. 7. Unité de transfert de puissance selon la revendica- tion 5 ou 6, caractérisée en ce qu'un distributeur 2/2 (25 et 26) est attribué à chaque moteur/pompe hydraulique (21, 22). 8. Unité de transfert de puissance selon l'une quelcon- que des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que le moteur/gé- nératrice à courant continu (23) est conçu comme un moteur/géné- rateur shunt réglable à collecteur.