Brevet FR2594091A1 — publié le 19870814

Système de commande de moteur et de rotor d'hélicoptère La présente invention concerne la commande de moteurs à turbine à gaz et de rotors d'hélicoptères. Généralement, un hélicoptère dispose de deux principaux moyens de commande, à savoir le pas (angle d'attaque) de chaque pale du rotor principal, et le pas de l'ensemble du rotor anticouple. Le premier assure la commande effective de la direction verticale et latérale, ainsi que du mouvement avant et arrière; le deuxième, outre la réaction au couple du rotor principal, assure également la commande du cap du fuselage. Si l'on s'intéresse à la commande du rotor principal, on constate que chaque pale présente un angle d'attaque individuel réglé par les commandes de vol de l'appareil. Si les angles de toutes les pales sont conjointement modifiés, l'appareil monte ou descend. Si les pales de l'arrière sont modifiées par rapport à celles de l'avant, on commande la marche avant et arrière de l'hélicoptère. Si les pales d'un côté sont modifiées par rapport à celles de l'autre côté, on commande le déplacement latéral. Il est clair que le mécanisme de commande du pas du rotor principal est très complexe, exigeant des servo-actionneurs à grande puissance et une ingéniérie très sophistiquée. Les commandes de pas sont positionnées conformément aux demandes du pilote, et il est muni à cet effet de deux leviers dans son habitacle. Les leviers en question sont le levier de pas collectif, qui déplace collectivement les pales pour commander le vol ascendant et descendant, et le levier de pas cyclique, qui déplace les pales cycliquement au cours d'une quelconque révolution du rotor, assurant ainsi la commande des déplacements avant/arrière et latéraux. Le pilote peut aussi commander dans une certaine mesure le pas du rotor anticouple par l'intermédiaire de pédales de direction actionnées au pied, afin de commander le cap de l'appareil. Le mixage des différentes entrées effectuées par le pilote, afin d'obtenir une trajectoire de vol stable et prévisible, constitue un problème essentiel dans la conception d'un hélicoptère. Les mouvements des différente commandes de vol sont interactifs, de sorte que, par exemple, une demande de virage à gauche peut engendrer une certaine perte de hauteur, sans compensation équivalente du pas collectif. Des hélicoptères tels que les hélicoptères PLC Lynx de Westland ne font qu'empirer une situation déjà difficile en adoptant un type de rotors connus sous le nom de rotors rigides ou encore semi-rigides, qui sont tout-à-fait inutilisables si on ne leur adjoint pas des systèmes artificiels d'augmentation de stabilité. Même avec de telles aides, ces hélicoptères restent très difficiles à piloter en vol, et les pilotes doivent être entraînés à respecter de nombreuses limites lorsqu'ils réalisent une manoeuvre, limites qui concernent par exemple les taux de modification du pas collectif; les taux de virage; les combinaisons de pas collectif et de pas cyclique; etc. Cette situation vient en point de mire avec la nouvelle génération d'hélicoptères militaires légers, qui nécessitent nom seulement une réaction rapide ("agile") de l'appareil, mais aussi une réduction de la charge de travail que doit accomplir le pilote pour voler, étant donné le rôle que doit jouer l'hélicoptère. Afin de surmonter les problèmes précités, plusieurs constructeurs d'appareils mettent actuellement au point une nouvelle génération de système de pilotage automatique (abréviation anglaise AFCS). Ce nouveau système, connu sous le nom de Technique de Commande Active (abréviation anglaise ACT) n'est pas l'objet de la présente demande de brevet; c'est pourquoi il n'est pas décrit en détail dans le présent exposé. On se contentera de dire qu'il consiste à remplacer tout accouplement direct des commandes de pilotage au système de rotor par un ensemble automatisé de capteurs, d'intelligence numérique et d'actionneurs électromécaniques. A terme, on s'attend à ce que l'ACT soit capable de détecter les demandes du pilote et de déterminer la meilleur manière d'y répondre tout en tenant automatiquement compte des limites que le pilote devait jusqu'alors observer, fournissant ainsi un hélicoptère au maniement entièrement sûr. Un autre aspect du problème de commande, extérieur à l'influence de 'ACT, est le régime du rotor proprement dit; la sustensation développée par chaque pale dépend non seulement de son angle d'attaque, mais aussi de sa vitesse par rapport à l'air. La commande du régime du rotor joue donc un rôle important dans les performances d'ensemble du rotor, et est donc critique pour les performances et la capacité de contrôle de l'appareil. De nombreux hélicoptères modernes utilisent pour fournir de l'énergie au rotor des turbomoteurs à turbines libres. Dans ces hélicoptères, le rotor est directement entraîné par la vitesse de rotation de la turbine libre, et il est donc directement dépendant de cette vitesse. Pour commander la vitesse de rotation du rotor, il est courant de prévoir un système de régulation de turbine libre. Ce système détecte les modifications de vitesse qui résultent du mouvement des pales du rotor, et réagit en modifiant la puissance du moteur afin de maintenir la vitesse de la turbine libre (c'est-à-dire du rotor) dans des limites souhaitées. La précision du système de régulation est critique en ce qui concerne le maintien du niveau souhaité d'appariement de couple entre des moteurs d'un appareil multimoteur. La réponse de l'ensemble du système de régulation et du moteur est critique en ce qui concerne la prévention de variations transitoires excessives de la vitesse du rotor, et des mesures particulières sont nécessaires pour assurer la stabilité à la torsion. L'interface entre le système de rotor et l'ensemble du système de régulation et du moteur est complexe, et elle a donné lieu à de nombreux problèmes. Ces problèmes sont centrés sur la nécessité, lors de la construction de l'hélicoptère, de déléguer au fabricant du moteur la responsabilité de la commande de la vitesse des surfaces sustentatrices (c'est-à-dire du rotor) , de sorte que le constructeur de l'hélicoptère n'a qu'une influence indirecte sur ce paramètre essentiel pour les performances de l'appareil. Il est clair que si la Technique de Commande Active (ACT) et les techniques de régulation du moteur offrent toutes deux une grande amélioration des performances d'un hélicoptère, aucune de ces techniques n'est à même de fournir une commmande optimale de l'hélicoptère, attendu que chacune d'entre elles présente des insuffisances pour au moins un aspect de commande. La présente invention a pour but de fournir un système de commande d'hélicoptère qui réduit et si possible élimine les inconvénients des techniques de commande précitées. La présente invention fournit un système de commande pour un hélicoptère muni d'un rotor principal, d'un rotor anticouple, d'un moteur et d'une boîte de vitesses de rotor, le système de commande comprenant un jeu de commandes de pilotage, un Calculateur de Commande Active et un Calculateur de Commande du Moteur, un actionneur de rotor principal et un actionneur de rotor anticouple, dans lequel: le Calculateur de Commande Active est relié de manière à recevoir des données provenant des commandes de pilotage; l'actionneur de rotor principal et l'actionneur de rotor anticouple sont reliés de manière à échanger des données avec le Calculateur de Commande Active; l'actionneur de rotor principal et l'actionneur de rotor anticouple agissent sur leurs rotors respectifs de manière à modifier le pas des pales des rotors; le moteur est relié de manière à échanger des données avec le Calculateur de Commande du Moteur, et est relié de manière à entraîner la boîte de vitesses - de rotor; la boîte de vitesses de rotor est reliée de manière à entraîner à la fois le rotor principal et le rotor anticouple; caractérisé en ce que le Calculateur de Commande Active est relié de manière à échanger des données avec le Calculateur de Commande du Moteur. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, le Calculateur de Commande Active indique au Calculateur de Commande du Moteur- le couple requis dudit moteur et ledit Calculateur de Commande du Moteur indique audit Calculateur de Commande Active le couple fourni par ledit moteur, le taux de modification dudit couple et le couple maximal disponible. Enfin, selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le Calculateur de Commande Active déclenche la commande du rotor principal et du rotor anticouple afin de ne mettre en mouvement lesdits rotors que proportionnellement au couple disponible. La présente invention va maintenant être décrite en référence au dessin annexé, dans lequel: Figure I représente un hélicoptère mettant en oeuvre la présente invention; et Figure 2 représente plus en détails le système de commande représenté à la figure 1. La figure I représente un hélicoptère 10 muni d'un rotor principal 12, d'un rotor anticouple 14, d'un moteur 16, d'une boîte de vitesses principale de rotors 18 et d'un système de commande 20. Le système de commande 20 comprend les commandes de pilotage représentées schématiquement par la boîte de commande 22, un calculateur de commande active 24 (abréviation anglaise ACC), un calculateur de commande de moteur 26 (abréviation anglaise ECC), un actionneur de rotor principal 28 et un actionneur de rotor anticouple 30. Le calculateur de commande active 24 est relié de manière à recevoir des données provenant des commandes de pilotage 22 et à échanger des données avec le calculateur de commande de moteur 26, par l'intermédiaire respectivement de lignes de transmission de données 32 et 34. L'actionneur de rotor principal 28 et l'actionneur de rotor anticouple 30 sont reliés de manière à échanger des données avec le calculateur de commande active 24, par l'intermédiaire respectivement de lignes de transmission de données 36 et 38. L'actionneur de rotor principal 28 et l'actionneur de rotor anticouple 30 agissent sur leurs rotors respectifs de manière à modifier le pas des pales (40, 42) des rotors. Le moteur 16 est relié de manière à échanger des données avec le calculateur de commande de moteur 26 par l'intermédiaire de la ligne de transmission de données 46, 'et est relié de manière à fournir du couple à la boîte de vitesse principale de rotors 18 par l'intermédiaire de la ligne de transmission 48. La boîte de vitesses principale de rotors 18 fournit un couple à la fois au rotor principal 12 et au rotor anticouple 14, par l'intermédiaire respectivement d'arbres de transmission 47 et 49. La figure 2 représente plus en détail le système de commande et son interaction avec l'appareil; on notera que s'il faut employer un second moteur 48, il est alors nécessaire de prévoir un second calculateur de commande de moteur 50, qui est relié de manière à échanger des données avec le moteur 48 et avec le calculateur de commande active 24 par l'intermédiaire respectivement de lignes de transmission de données 52 et 54. Le couple produit par le second moteur 48 est transmis à la boîte de vitesses principale de rotors 18 par l'intermédiaire de la ligne de transmission 56. Les autres entrées de données fournies au calculateur de commande active 24, qui ne sont pas représentées à la figure 1, comprennent la vitesse du rotor 58 et des entrées provenant de capteurs de la cellule de l'appareil, à savoir le pas collectif 60 du rotor principal, le pas cyclique 62 et le pas 64 du rotor anticouple. Le pilote dispose de deux autres modes d'intervention sur les calculateurs de commande de moteurs 26, 50, à savoir les valeurs discrètes 66 du moteur et l'état 68 du moteur. Les valeurs discrètes 66 du moteur sont des signaux du type marche/arrêt, utilisés comme entrée de commande pour actionner une réponse de commande souhaitée donnée, telle par exemple qu'un commutateur pour déclencher le suivi d'une courbe dans une variable de commande telle par exemple qu'un fichier de vitesses. La commande 68 de l'état du moteur est utilisée pour sélectionner certains états de fonctionnement tels par exemple que la mise en marche, le ralenti au sol ou le vol. Chacun de ces états de fonctionnement nécessite un montant différent de commande sur diverses limitations du moteur. Chaque calculateur de commande de moteur 26, 50 fournit des données au pilote, ou alternativement à un calculateur de maintenance (non représenté) par l'intermédiaire d'un canal de transmission 70. Un tel canal pourrait par exemple être employé pour informer le pilote de toute défaillance d'un système, ou de tout dépassement des limites actuelles de fonctionnement du moteur. Chaque moteur est muni d'un actionneur de géométrie variable 72, 74, chaque actionneur étant commandé par son calculateur de commande de moteur respectif 26, 50 par l'intermédiaire de lignes de transmission de données 46e, 46f ou selon le cas 52e, 52f. Chaque actionneur 72, 74 agit sur le moteur pour modifier la géométrie desdites vannes de guidage d'admission variables (non représentées des moteurs), et/ou de la zone d'admission (également non représentée) du moteur, en réponse à un ordre de son Calculateur de Commande de Moteur (ECC) associé 26, 50. Chaque moteur 16, 48 est en outre muni d'une unité de commande de carburant 74, 76, chaque unité étant commandée par son ECC respectif 26, 50 par l'intermédiaire de lignes de transmission de données 46g, 46h ou selon le cas 52g, 52h. Chaque unité de commande de carburant 72, 74 agit sur le moteur pour commander l'écoulement de carburant dans ledit moteur en réponse à un ordre de son ECC associé, respectivement 26, 50. Avant de détailler le fonctionnement de l'ensemble du système de commande, il est nécessaire de détailler quelles sont les autres données qui sont échangées entre les moteurs 16, 18 et leurs ECC respectifs 26, 50, et entre les ECC 26, 50 et le calculateur de commande active (ACC) 24. Les lignes de transmission de données entre les moteurs 16 et 48 et leurs ECC respectifs 26, 50 qui n'ont pas encore été décrites individuellement sont respectivement les lignes 46a, 46b, 46c, 46d, 52a, 52b, 52c et 52d. Les lignes 46a et 52a transmettent aux ECC 26, 50 des informations détaillées concernant le régime du générateur de gaz, les lignes 46b et 52b transmettent des données de température, les lignes 46c et 52c transmettent des données concernant le régime de la turbine libre, et les lignes 46d et 52d transmettent des données concernant le couple produit par les moteurs respectifs 16, 48. On notera que l'on pourrait ajouter d'autres données, non spécifiées ici, afin d'améliorer encore les performances du système de commande. Les lignes de transmission de données entre les calculateurs de commande de moteurs 26, 50 et le calculateur de commande active, qui n'ont pas non plus été décrites individuellement, sont respectivement les lignes 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 54a, 54b, 54c, 54d et 54e. Les lignes 34a et 54a sont utilisées pour indiquer aux ECC 26, 50 le couple requis par chaque moteur, les lignes 34b, 54b indiquent au calculateur de commande active 24 le montant du couple atteint par le moteur respectif 16, 48, les lignes 34c, 54c sont utilisées pour indiquer à I'ACC 24 le taux auquel le couple produit par les moteurs 16, 48 est en train d'être augmenté pour répondre aux exigences en la matière fournies par P'ACC 24. Les lignes 34d et 54d sont utilisées pour indiquer à l'ACC 24 le couple maximal disponible (abréviation anglaise Tmax), c'est-à-dire le couple maximal qui peut être fourni par chaque moteur 16, 48. Les lignes 34e et 54e sont utilisées pour indiquer à P'ACC 24 l'état des moteurs, et elles peuvent aussi être utilisées pour transmettre toute autre donnée non spécifiée ci-dessus. En fonctionnement, le pilote demande une modification du pas cyclique et/ou du pas collectif du rotor principal 12, et/ou du pas collectif du rotor anticouple 14, en modifiant la position des commandes de pilotage 22 proportionnellement à la modification requise. Le degré de modification des différents paramètres est transmis au Calculateur de Commande Active 24 par l'intermédiaire respectivement des lignes de transmission 32a, 32b et 32c. L'ACC 24 répond à ces signaux en imposant une demande de couple (abréviation anglaise Tr) aux moteurs 16, 18 par l'intermédiaire des lignes 34a et 54a, et en transmettant des signaux à l'actionneur de rotor principal 28 et à l'actionneur de rotor anticouple 30, par l'intermédiaire respectivement des lignes 36a, 36b et 38, afin de déclencher le mouvement des rotors respectifs 12, 14. Il est possible d'empêcher des variations excessives de la vitesse de rotor (un phénomène appelé "basculement transitoire"), engendrées lorsqu'on soumet au rotor une charge excessive par rapport au couple disponible, en programmant P'ACC 24 de manière à ce qu'il ne mette en mouvement les rotors 12, 14 que proportionnellement au couple disponible. Afin d'obtenir cette fonction, il est nécessaire de fournir à l'ACC 24 des données concernant le couple atteint (abréviation anglaise Ta) par chaque moteur 16, 48. On utilise à cet effet les lignes de transmission de données 34b, 54b. D'autres données concernant le taux de modification du couple disponible pour chaque moteur (Tr - Ta) sont utilisées pour déterminer le taux de modification des angles d'attaque du rotor. Aux fins de commande, P'ACC 24 prend également en compte le couple maximal disponible (Tmax). REVENDICATIONS 1. Système de commande (20) pour un hélicoptère (10) muni d'un rotor principal (12), d'un dispositif anticouple tel qu'un rotor anticouple (14) , d'un moteur (16) et d une boîte de vitesses de rotor (18), le système de commande (20) comprenant un jeu de commandes de pilotage (22), un Calculateur de Commande Active (24) et un Calculateur de Commande du Moteur (26), un actionneur de rotor principal (28) et un actionneur de rotor anticouple (30), dans lequel: le Calculateur de Com.imande Active (24) est relié de manière à recevoir des données provenant des commandes de pilotage (22); l'actionneur de rotor principal (28) et l'actionneur de rotor anticouple (30) sont reliés de manière à échanger des données avec le Calculateur de Commande Active (24); l'actionneur de rotor principal (28) et l'actionneur de rotor anticouple (30) agissent sur leurs rotors respectifs (12, 14) de manière à modifier le pas des pales (40, 42) des rotors (12, 14); le moteur (16) est relié de manière à échanger des données avec le Calculateur de Commande du Moteur (26), et est relié de manière à entraîner la boîte de vitesses de rotor (18); 1 boîte de vitesses de rotor (18) est reliée de manière à entraîner à la fois !e rotor principal (12) et le rotor anticouple (14); caractérisé en ce que le Calculateur de Commande Active (24) est relié de manière à échanger des données avec le Calculateur de Commande du Moteur (26). 2. Système de commande (20) pour un hélicoptère (10) selon la revendication 1, dans lequel le Calculateur de Commande Active (24) indique au Calculateur de Commande du Moteur (26) le couple requis dudit moteur (16) et ledit Calculateur de Commande du Moteur (26) indique audit Calculateur de Commande Active (24) le couple fourni par ledit moteur (16), le taux de modification dudit couple et le couple maximal disponible. 3. Système de commande (20) pour un hélicoptère (10) selon la revendication 2, dans lequel le Calculateur de Commande Active (24) déclenche la commande du rotor principal (12) et du rotor anticouple (14) afin de ne mettre en mouvement lesdits rotors (12, 14) que proportionnellement au couple disponible.