Brevet FR2684350A1 — publié le 19930604

La présente invention concerne un appareil à décollage vertical, de type à voilures tournantes à axes horizontaux, dits "giroptère". On connaît déjà de nombreux appareils comportant des voilures tournantes à axes verticaux, dont le principe repose sur le vol plané circulaire, comme c'est le cas par exemple pour les hélicoptères. Le rendement obtenu par de telles voilures tournantes est cependant très faible, de sorte que les vitesses de rotation de ces voilures doivent être nécessairement élevées, ce qui implique une puissance embarquée importante et un poids relativement élevé. On a également proposé des appareils comportant une double voilure, en général articulée, qui engendre alors une poussée verticale alternative à la manière du- vol des oiseaux. De tels appareils n'ont jamais rencontré un réel succès pour de multiples raisons, et ils restent en tout état de cause très délicats à mettre en oeuvre et peu sûrs. Le problème que l'invention se propose de résoudre est de réaliser un appareil à décollage vertical dont la structure permette d'obtenir une poussée verticale continue par vol ramé, avec un rendement satisfaisant. Il s'agit plus particulièrement d'un appareil à décollage vertical, du type à voilures tournantes à axes horizontaux, caractérisé en ce qu'il comporte - un châssis porteur équipé de deux longerons parallèles qui s'étendent horizontalement de part et d'autre d'un plan vertical médian de symétrie - deux arbres horizontaux tourillonnés sur les extrémités des longerons, s'étendant perpendiculairement auxdits longerons et de part et d'autre dudit plan vertical médian - des moyens motorisés portés par le châssis, agencés pour entraîner simultanément les deux arbres horizontaux à la même vitesse mais en sens inverses - un système tournant à deux pales associé à chaque arbre horizontal, dont les pales tournent autour d'axes horizontaux agencés symétriquement par rapport à l'arbre horizontal respectif - un moyen d'entraînement associé aux deux pales de chaque système tournant, agencé pour que chaque pale effectue une demi-révolution autour de son axe pour une révolution du système tournant correspondant autour de l'arbre horizontal associé, le calage angulaire relatif de chaque système et des deux pales de chacun d'eux étant en outre choisi de telle façon que la symétrie par rapport au plan vertical médian soit à tout moment respectée, et qu'à chaque demi-tour d'un arbre horizontal, une pale associée descende dans une configuration active de portance et remonte verticalement dans une configuration passive. De préférence, les moyens motorisés d'entraînement des arbres horizontaux comportent un moteur supporté par le châssis, et un arbre de transmission reliant l'arbre de sortie dudit moteur à deux ensembles à chaîne et pignon-s. En particulier, les deux ensembles à chaîne et pignons sont identiques et couplés entre eux, et sont disposés au voisinage de l:un des longerons du châssis porteur. Selon une autre caractéristique avantageuse, le moyen d'entraînement associé aux deux pales de chaque système tournant comporte un ensemble à chaînes et pignons, avec des premiers pignons coaxiaux à l'arbre horizontal associé qui sont fixes, et des seconds pignons calés sur les axes de pales, lesdits seconds pignons présentant une denture double de celle desdits premiers pignons. De préférence alors l'ensemble à chaîne et pignons entraînant l'arbre horizontal de chaque système tournant et l'ensemble à chaînes et pignons entraînant les pales asso ciées sont disposés aux extrémités opposées de l'arbre horizontal correspondant. Conformément à un mode d'exécution préférés chaque système tournant comporte deux bras transversaux rigidement liés à l'arbre horizontal correspondant, et aux extrémités libres desquels sont prévus des coussinets supportant les axes des deux pales associées qui peuvent ainsi tourner entre lesdits bras transversaux. Avantageusement alors, l'ensemble à chaîne et pignons entraînant l'arbre horizontal de chaque système tournant est disposé entre un bras transversal et le longeron adjacent. De la même façon, il est avantageux que les premiers pignons de chaque système tournant soient montés coaxialement et l'un à côté de l'autre sur un coussinet recevant une extrémité de l'arbre horizontal associé, et que lesdits premiers et deuxièmes pignons ainsi que les chaînes associées, soient disposés entre un bras transversal et le longeron adjacent. De préférence encore, les deux pales de chaque système tournant sont calées de façon que leurs plans soien- à tout moment sensiblement orthogonaux. En particulier, chacune des pales est constituée par deux surfaces oblongues et légèrement convexes, assemblées par leurs tranches longitudinales, et agencées symétriquement par rapport à leur plan général. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre et des dessins annexés, concernant un mode de réalisation particulier, en référence aux figures où - la figure 1 est une vue en perspective d'un appareil à décollage vertical conforme à l'invention - la figure 2 est une vue de dessus de l'appareil précédent (avec un arrachement de la zone centrale des quatres pales et des deux axes horizontaux pour alléger la figure) - la figure 3 est une vue de face de l'appareil, permettant de mieux distinguer la position relative de ses deux systèmes tournants, dont les composants respectent à tout moment une symétrie par rapport à un plan vertical médian - les figures 4 et 5 sont des vues, respectivement de dessus et en bout, illustrant l'un des deux systèmes tournants de l'appareil, dont une pale est alors en configuration (horizontale) de portance maximale tandis que l'autre remonte verticalement dans une configuration passive. La figure 1 illustre un appareil à décollage vertical conforme à l'invention, ledit appareil constituant un "giroptère". L'appareil 100 comporte un châssis porteur à poutrelles 101 équipé de deux longerons parallèles 102, 103 qui s'étendent horizontalement de part et d'autre d'un plan vertical médian de symétrie P. Le châssis porteur 101 comporte également deux longerons inférieurs parallèles 104, 105, reliés aux premiers longerons 102, 103 par une armature porteuse ici constituée de deux poutrelles parallèles qui sont suffisamment espacées pour permettre l'emplacement d'un moteur d'entraînement 106, et éventuellement aussi d'une partie d'un fuselage lorsque l'appareil à décollage vertical est utilisé en combinaison avec la cellule d'un engin volant. I1 va de soi que le châssis porteur de l'appareil pourra être réalisé de façon différente, mais ledit châssis devra cependant être à la fois rigide mécaniquement et de poids minimal. L'appareil 100 comporte également deux arbres horizontaux 110, 210 tourillonnés sur les extrémités des longerons 102, 103, lesdits arbres s'étendant perpendiculairement auxdits longerons et de part et d'autre du plan vertical médian P. Des moyens motorisés portés par le châssis 101 sont agencés pour entraîner simultanément les deux arbres horizontaux 110, 210, à la même vitesse mais en sens inverses. En l'espèce, les moyens motorisés d'entraînement des arbres horizontaux comportent un moteur 106, qui peut être par exemple un moteur électrique, ledit moteur étant supporté par le châssis 101, et un arbre de transmission 107 reliant l'arbre de sortie dudit moteur à deux ensembles 130, 230 à chaîne et pignons. Ainsi que cela est mieux visible sur la vue de la figure 2, l'arbre de transmission 107 est raccordé à l'arbre de sortie du moteur 106 par un accouplement flexible 108, et à l'un des pignons de l'ensemble à chaîne et pignons (ici l'ensemble 230) par un accouplement flexible 109. Il va de soi cependant qu'il ne s'agit que d'un mode de réalisation possible pour réaliser l'entraînement simultané des deux arbres horizontaux, mais le mode d'exécution illustré ici présente l'avantage de la robustesse et de la simplicité.De plus, le fait de respecter autant que faire se peut la symétrie par rapport au plan vertical médian P garantit une bonne stabilité pour appareil. Les deux ensembles 130, 230 à chaîne et pignons sont de préférence identiques et couplés entre eux, en étant disposés au voisinage de l'un des longerons du châssis porteur 101 (ici le longeron 102). Ainsi que cela est mieux visible sur la figure 2, l'ensemble 130 à chaîne et pignons comporte un pignon 131 tourillonné sur le longeron 102, sur lequel passe une chaîne 132 engrènant avec un pignon 133 calé sur l'axe horizontal associé 110. De la même façon, l'ensemble 230 à chaîne et pignons comporte un pignon 231, une chaîne 232, et enfin un pignon 233 calé sur l'autre axe horizontal 210. Laccouple- ment de ces deux ensembles est ici réalisé à laide de deux pignons 134 et 234, coaxiaux aux pignons 131 et 231 précités. Ainsi que cela est aisé à comprendre, la rotation de l'arbre de transmission 107 commandée par le moteur 106 induit une mise en rotation à la même vitesse mais en sens inverses des deux axes horizontaux 110 et 210. L'appareil 100 comporte en outre un système tournant 120, 220 à deux pales 121, 122 et 221, 222 associé à chaque arbre horizontal 110, 210. Ainsi que cela est mieux visible sur la figure 2, les pales de chacun des systèmes tournants 120 et 220 tournent autour d'axes horizontaux 125,126, et 225,226 agencés symétriquement par rapport à l'arbre horizontal respectif 110,210. Les pales de chaque système tournant 120, 220 sont entraînées par des moyens mécaniques particuliers qui vont être décrits plus en détail ci-après, de façon à présenter une action rotative engendrant une poussée verticale continue, et non pas alternative comme c'était le cas pour les appareils connus à double voilure articulée tendant à reproduire le vol des oiseaux. L'appareil 100 comporte ainsi un moyen d'entraînement 112, 212, mieux visible sur la figure 2, associé aux deux pales de chaque système tournant 120, 220, ledit moyen étant agencé pour que chaque pale effectue une demi-révolution autour de son axe pour une révolution du système correspondant autour de l'arbre horizontal associé. En outre, le calage angulaire relatif de chaque système tournant 120, 220 et des deux pales de chacun d'eux doit être choisi de façon que non seulement la symétrie par rapport au plan vertical médian P soit à tout moment respectée, mais aussi qu'à chaque demi-tour d'un arbre horizontal 110 ou 210, une pale associée descende dans une configuration active de portance et remonte verticalement dans une configuration passive. Avant de décrire plus en détail la configuration des pales des deux systèmes tournants 120, 220, on va tout d'abord décrire le moyen d'entraînement 112, 212 associé aux deux pales de chacun des systèmes tournants. Le moyen d'entraînement associé aux deux pales 121, 122 du système tournant 120 comporte un ensemble 112 à chaînes et pignons avec des premiers pignons 113,116 coaxiaux à l'arbre horizontal associé 110 qui sont fixes, et des seconds pignons 115, 118 calés sur les axes 125 et 126 des pales, lesdits seconds pignons présentant une denture double de celle desdits premiers pignons. Les pignons 113, 115 d'une part, et 116, 118 d'autre part, sont respectivement reliés par des chaînes 114 et 117.De la même façon, et toujours pour respecter la symétrie par rapport au plan vertical médian P, le moyen d'entraînement associé aux deux pales 221, 222 du système tournant 220 comporte un ensemble analogue 212 à chaînes et pignons, avec des premiers pignons 213, 216 coaxiaux à l'arbre horizontal associé 210 qui sont fixes, et des seconds pignons 215, 218 calés sur les axes 225 et 226 des pales, lesdits seconds pignons présentant une denture double de celle desdits premiers pignons. Les pignons 213, 215 d'une part, et 216, 218 d'autre part, sont respectivement reliés par des chaînes 214 et 217. Ainsi que cela est mieux visible sur la figure 2, l'ensemble 130, 230 à chaîne et pignons entraînant l'arbre horizontal de chaque système tournant 120, 220 d'une part, et l'ensemble 112, 212 à chaînes et pignons entraînant les pales associées d'autre part, sont disposés aux extrémités opposées de l'arbre horizontal correspondant 110 ou 210. On obtient ainsi une disposition équilibrée renforçant la stabilité de l'appareil lors du mouvement de celui-ci. En l'espèce, chaque système tournant 120, 220 comporte deux bras transversaux respectivement 123, 124 et 223, 224, rigidement liés à l'arbre horizontal 110, 210 correspondant, et aux extrémités libres desquels sont prévus des coussinets supportant les axes des deux pales associées respectivement 121, 122 et 221, 222 qui peuvent ainsi tourner entre lesdits bras transversaux. Il convient de noter que l'ensemble 130 ou 230 à chaîne et pignons entraînant l'arbre horizontal 110, 210 de chaque système tournant 120 ou 220 est disposé entre un bras transversal 124 ou 224 et le longeron adjacent 102. De la même façon, les premiers pignons 113,116 et 213, 216, et les deuxièmes pignons 115,118 et 215,218, sont disposés, tout comme les chaînes associées 114,117 et 214,217, entre un bras transversal 123 ou 223 et le longeron adjacent 103.Une telle disposition des moyens mécaniques d'entraînement et d'accouplement entre un longeron et un bras transversal adjacent confère une grande compacité au système, ce qui renforce encore la stabilité de l'appareil. Ainsi que cela est mieux visible sur la figure 2, les premiers pignons 113,116 ou 213,216 de chaque système tournant 120, 220 sont montés coaxialement et l'un à côté de l'autre sur un coussinet 111, 211 recevant une extrémité de l'arbre horizontal associé 110, 210. Ces premiers pignons sont ainsi fixes, dans la mesure où ils sont montés sur un coussinet fixe associé, de sorte qu'ils font fonction de pignons planétaires par rapport aux seconds pignons 115, 118 ou 215,218 qui font fonction de pignons satellites dans I'entraînement- associé à chacun des systèmes tournants 120, 220. La figure 3 permet de mieux voir la position relative des composants de chaque système tournant 120 ou 220 de l'appareil conforme à l'invention. Les bras transversaux 123 et 223 sont disposés symétriquement par rapport au plan vertical médian P. Il en va également de même pour les pales homologues 121, 221 d'une part et 122, 222 d'autre part. Le système tournant 120 tourne dans le sens anti-horaire (flèche 160), tandis que l'autre système tournant 220 tourne dans le sens horaire (flèche 260). Ainsi que cela est aisé à comprendre, les sens adoptés ici pour la rotation des deux systèmes tournants 120 et 220 sont préférables à des sens opposés, dans la mesure où les pales qui se trouvent dans une configuration active de portance sont toujours celles qui sont les plus éloignées du plan vertical médian de symétrie P, ce qui est favorable à la stabilité de l'appareil en mouvement. Les pales 121 et 122 tournent dans des sens opposés (flèches 161 et 162), il en va de même pour les pales symétriques 221 et 222 (flèches 261 et 262). Chacune des pales 121, 122 et 221, 222 est constituée de préférence par deux surfaces oblongues et légèrement convexes, assemblées par leurs tranches longitudinales, et agencées symétriquement par rapport à leur plan général. Sur la figure 3, on a référencé 150 et 151 le plan général des pales 121 et 122. Cette représentation permet d'observer une autre caractéristique avantageuse de l'agencement des deux pales de chaque système tournant : les deux pales 121, 122 ou 221, 222 sont en effet de préférence calées de telle façon que leurs plans 150, 151 soient à tout moment sensiblement orthogonaux. Une telle disposition procure un effet favorable sur le plan de l'aérodynamique. Les figures 4 et 5 permettent de mieux distinguer l'un des systèmes tournants, c'est-à-dire en l'espèce le système 120. Dans la représentation des figures 4 et 5, on peut constater qu'une pale (la pale 122) est alors en configuration horizontale de portance maximale, tandis que l'autre pale (pale 121) remonte verticalement dans une configuration totalement passive. Tous les composants du système tournant 120 illustré aux figures 4 et 5 ont déjà ét décrits plus haut, de sorte qu'il est inutile d'y revenir. La représentation de la figure 5 illustre de façon tout-à-fait claire le système d'entraînement utilisé ici, avec pignons coaxiaux planétaires 113 et 116, et pignons satellites 115 et 118. On est ainsi parvenu à réaliser un appareil à décollage vertical dont la structure permet d'obtenir une poussée verticale continue, avec un rendement tout-à-fait satisfaisant. Le rendement du vol ramé réalisé par le mécanisme préconisé de l'appareil de l'invention est nettement supérieur à celui que l'on pouvait obtenir avec les voilures tournantes à axes verticaux, dont le principe reposait sur le vol plané circulaire. La structure de l'appareil est en outre simple et légère, ce qui permet une application aux engins volants ultra-légers, ou encore au domaine des appareils de levage, le coût énergétique restant en tout état de cause extrêmement raisonnable. A titre indicatif, des essais effectués ont montré que l'on pouvait obtenir un rapport portance/puissance au moins égal à 20g/watt. Un tel rapport permet donc d'envisager de nombreuses applications pour cet appareil à décollage vertical. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire toute variante reprenant, avec des moyens équivalents, les caractéristiques essentielles énoncées plus haut. REVENDICATIONS 1. Appareil à décollage vertical, du type à voilures tournantes à axes horizontaux, caractérisé en ce qu'il comporte - un châssis porteur (101) équipé de deux longerons parallèles (102,103) qui s'étendent horizontalement de part et d'autre d'un plan vertical médian de symétrie (P) - deux arbres horizontaux (110, 210) tourillonnés sur les extrémités des longerons (102,103), s'étendant perpendiculairement auxdits longerons et de part et d'autre dudit plan vertical médian ; - des moyens motorisés (106,107,130,230) portés par le châssis (101), agencés pour entraîner simultanément les deux arbres horizontaux (110,210) à la même vitesse mais en sens inverses - un système tournant (120 ; 220) à deux pales (121,122 ; 221,222) associé à chaque arbre horizontal (110 ; 210), dont les pales tournent autour d'axes horizontaux (125,126 ; 225,226) agencés symétriquement par rapport à l'arbre horizontal respectif (110 ; 210) - un moyen d'entraînement (112 ; 212) associé aux deux pales de chaque système tournant (120 ; 220), agencé pour que chaque pale effectue une demi-révolution autour de son axe pour une révolution du système tournant correspondant autour de l'arbre horizontal associé, le calage angulaire relatif de chaque système et des deux pales de chacun d'eux étant en outre choisi de telle façon que la symétrie par rapport au plan vertical médian (P) soit à tout moment respectée, et qu'à chaque demi-tour d'un arbre horizontal, une pale associée descende dans une configuration active de portance et remonte verticalement dans une configuration passive. 2. Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens motorisés d'entraînement des arbres horizontaux (110 ; 210) comportent un moteur (106) supporté par le châssis (101), et un arbre de transmission (107) reliant l'arbre de sortie dudit moteur à deux ensembles (130; 230) à chaîne et pignons. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux ensembles (130 ; 230) à chaîne et pignons sont identiques et couplés entre eux, et sont disposés au voisinage de l'un (102) des longerons du châssis porteur (101). 4. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen d'entraînement associé aux deux pales (121,122 ;221,222) de chaque système tournant (120; 220) comporte un ensemble (112 ; 212) à chaînes et pignons, avec des premiers pignons (113,116 ; 213,216) coaxiaux à l'arbre horizontal associé (110 ; 210) qui sont fixes, et des seconds pignons (115,118 ; 215,218) calés sur les axes de pales, lesdits seconds pignons présentant une denture double de celle desdits premiers pignons. 5. Appareil selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'ensemble (130 ; 230) à chaîne et pignons entraînant l'arbre horizontal de chaque système tournant (120 ; 220) et l'ensemble (112 ; 212) à chaînes et pignons entraînant les pales associées sont disposés aux extrémités opposées de l'arbre horizontal correspondant (110; 210). 6. Appareil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque système tournant (120 ; 220) comporte deux bras transversaux (123,124 ; 223,224) rigidement liés à l'arbre horizontal (110 ; 210) correspondant, et aux extrémités libres desquels sont prévus des coussinets supportant les axes des deux pales associées (121,122 221,222) qui peuvent ainsi tourner entre lesdits bras transversaux. 7. Appareil selon les revendications 3 et 6, caractérisé en ce que l'ensemble (130 ; 230) à chaîne et pignons entraînant l'arbre horizontal (110 ; 210) de chaque système tournant (120 ; 220) est disposé entre un bras transversal (124 ; 224) et le longeron adjacent (102). 8. Appareil selon les revendications 4 et 6, caractérisé en ce que les premiers pignons (113,116 213,216) de chaque système tournant (120 ; 220) sont montés coaxialement et l'un à côté de l'autre sur un coussinet (111; 211) recevant une extrémité de l'arbre horizontal associé (110 ; 210), et en ce que lesdits premiers (113,116 213,216) et deuxièmes (115,118 ; 215,218) pignons, ainsi que les chaînes associées, sont disposés entre un bras transversal (123 ; 223) et le longeron adjacent (103). 9. Appareil selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les deux pales (121,122 ; 221,222) de chaque système tournant (120 ; 220) sont calées de façon que leurs plans (150,151) soient à tout moment sensiblement orthogonaux. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que chacune des pales (121,122 ; 221,222) est constituée par deux surfaces oblongues et légèrement convexes, assemblées par leurs tranches longitudinales, et agencées symétriquement par rapport à leur plan général.