Brevet FR2707248A1 — publié le 19950113

ENGIN VOLANT AUTOPROPULSE ET TELECOMMANDE MUNI D'UNE CHARGE UTILE. La présente invention concerne un engin volant autopropulsé, télécommandé, conçu pour emporter une charge utile telle que des moyens d'observation du type capteurs optroniques, dans le visible ou l'infrarouge. Cet engin volant a, dans son ensemble, la forme d'un disque. Les engins volants connus de la famille des drones c'est à dire de petits engins inhabités, qui sont pilotés à distance, de l'extérieur ou par une loi de navigation préenregistrée, peuvent emporter différentes charges telles que des moyens d'observation, de désignation d'objectif ou de contremesures. Mais ces engins sont soit indiscrets, donc repérables, soit très lourds à mettre en oeuvre. Ils sont de plus relativement instables au point de nécessiter une stabilisation des moyens d'observation. D'autre part, ils ne peuvent tre tancés et récupérés qu'à partir de plates-formes spéciales et jamais à partir d'une plate-forme aérienne. Les drones connus ont une structure et une forme qui les apparente à de petits avions ou hélicoptères, ou a des modules qui évoquent les modules lunaires, suspendus à une voiture tournante d'hélicoptère. Beaucoup sont captifs, et reliés à un point de traitement des données par un câble. L'engin volant selon l'invention correspond à une conception nouvelle de ce moyen d'observation. Sa structure et sa forme générale comprennent une plate-forme sustentatrice qui emporte une nacelle contenant les moyens d'observation ou de contre-mesure, par exemple, et des moyens de transmission, pour le pilotage. La plate-forme sustentatrice est constituée par une voilure circulaire tournante à deux étages ayant une forme concave orientée vers le sol. Une originalité de l'invention consiste à utiliser l'espace compris entre les deux étages de la voilure tournante pour y créer un compresseur qui alimente en air un moteur à réaction dont la poussée est dirigée vers le sol. Une autre originalité de l'invention réside dans le moyen de pilotage de cet engin volant, en exerçant une action de freinage sur les points d'attache des deux étages contrarotatifs de la voilure tournante, les dits points d'attache étant séparés par une distance suffisante pour que le freinage fasse basculer I'axe du drone. De façon plus précise, l'invention consiste en un engin volant autopropulsé et télécommandé, muni d'une charge utile, cet engin étant caractérisé en ce qu'il comporte d'une part une plate-forme sustentatrice qui est une voilure tournante ayant la forme d'un disque concave, dont la concavité est dirigée vers le sol, et dont les deux étages constituent un moteur ascensionnel, et d'autre part une nacelle emportant la charge utile, cette nacelle étant fixée sur I'axe de rotation de la voilure tournante et munie des moyens de pilotage de l'engin volant. L'invention sera mieux comprise par t'exposé plus détaillé, qui suit maintenant, d'une forme de réalisation ; cet exposé s'appuyant sur les figures jointes en annexe, qui sont toutes relatives à l'invention et représentent : -figure 1 : vue de 3/4 du drone, -figure 2 : vue en coupe du mme drone, -figure 3 : vue partielle agrandie de la coupe, montrant plus de détails, -figure 4 : schéma de principe des forces s'exerçant sur I'axe du drone, pour son pilotage. La description de la structure de l'engin volant selon l'invention sera faite en s'appuyant sur les trois premières figures qui se complètent entre elles. Toutes ces figures sont extrmement simplifiées du point de vue mécanique. La structure de cet engin volant est essentiellement symétrique et circulaire autour d'un axe vertical central, et elle comporte deux parties : une plate-forme de sustentation 1 et une nacelle 2 de charge utile. La plateforme de sustentation 1 a la forme d'un disque incurvé, comme un parachute classique, mais elle est dotée d'un moteur ascensionnel. La nacelle 2 est située sous la plate-forme de façon à la stabiliser en abaissant le centre de gravité. La plate-forme de sustentation 1 fait appel à la formule aérodynamique des disques tournants et volants. C'est une voilure tournante, formée par deux étages 3 et 4 qui tournent en contrarotation, à des vitesses de rotation de l'ordre de plusieurs milliers de tours par minute. La partie centrale de la plate-forme ainsi que et la partie périphérique servent à la sustentation, de moteur de rotation et de stabilisation. A partir de I'axe de symétrie et de rotation y'y les étages 3 et 4 comprennent : -au centre, deux hélices contrarotatives 5 (dans t'étage supérieur 3) et 6 (dans t'étage inférieur 4) et ces hélices exercent une poussée d'air dirigée vers le sol, -dans la partie médiane, I'espace compris entre les deux étages 3 et 4 est traité pour en faire un compresseur axial et centrifuge, au moyen d'ailettes 7 et 8 qui assurent en partie la compression de l'air soufflé par la partie centrale, compriment cet air par force centrifuge et l'éjectent dans la partie périphérique de la plate forme, -dans la partie périphérique, une chambre de combustion 9, délimitée par les deux étages 3 et 4 et alimentée en carburant par un injecteur 10, cette chambre de combustion étant suivie par une turbine formée par au moins deux niveaux d'ailettes 11 (sur t'étage 3) et 12 (sur t'étage 4). Cette turbine constitue l'élément moteur qui entraîne les hélices contrarotatives 5 et 6 et le compresseur 7+8. Le carburant peut tre stocké dans un réservoir 13 aménagé dans l'un des deux étages 3 et 4, dont la rotation entraîne l'injection en 10 du carburant, par la seule force centrifuge. Ainsi, la sustentation de cet engin volant et tournant est assurée en partie à la fois par le flux d'air 14 soufflé par les hélices contrarotatives 5 et 6 au centre de l'engin, et par le flux 15 de gaz de combustion soufflé par la turbine à la périphérie de l'engin. Le flux d'air 14 aspiré au dessus de l'engin volant crée une dépression à t'extrades de la voilure tournante et une surpression à l'intrados. Le flux de gaz 15 augmente cette surpression et contribue à la qualité des écoulements à l'extrados et à l'intrados de la voilure tournante. La sustentation est en outre assurée par le déplacement de l'engin. Les étages 3 et 4 de la voilure tournante 1 sont fixés, dans leur partie centrale, par des points d'attaches ou paliers 14 et 17, qui tournent autour de I'axe y'y de la nacelle 2. La partie périphérique de la voilure tournante 1 est retenue contre les forces centrifuges qui pourraient la déformer, par deux jeux de câbles ou haubans 18 et 19, eux-mmes fixés dans leur partie centrale par des points d'attaches 20 et 21 sur I'axe y'y de la nacelle 2. La forme mme de la voilure tournante, concave, fait que les paliers 16 et 17, sur les hélices 5 et 6, sont situés au dessus de la nacelle 2, tandis que les paliers 20 et 21, sur les haubans 18 et 19, sont situés au dessous de la nacelle 2 : de façon plus générale, les deux jeux de paliers supérieurs et inférieurs sont séparés par une distance sensiblement égale à la concavité de la voilure tournante. La distance entre ces points de fixation, combinée au fait qu'il y a contrarotation, permet de piloter en partie l'engin, comme on le verra ultérieurement. Entre les paliers 16 et 17, au dessus de la nacelle 2, et 20 et 21, en dessous de la nacelle, sont placés deux disques 22 et 23, respectivement, qui comportent des moyens de couplage, magnétique par exemple, avec les paliers, pour le pilotage de t'engin. La nacelle 2, située au centre de la voilure tournante 1, comporte la charge utile, qui peut tre variée, mais comporte au moins une antenne 24 de réception des signaux de télécommande et des moyens de pilotage (non représentés) Les moyens d'action de cet engin volant sont des capteurs optroniques tels que par exemple des caméras 25, ou des moyens de contre-mesure. La nacelle est stable puisque la contrarotation des étages 3 et 4 de la voilure tournante annule le couple. L'engin volant selon l'invention peut tre mis en oeuvre sans contrainte importante : il peut tre tancé et récupéré à partir d'une plateforme quelconque, voire mme volante comme un hélicoptère dont il peut constituer un moyen d'observation déporté. Le moteur de sustentation peut tre démarré au moyen d'un moteur auxiliaire, externe, qui entraîne par exemple la couronne extérieure de t'étage 3. Un disque volant tournant rapidement sur lui-mme peut difficilement tre équipé de commandes de vol qui soient capables de le faire monter ou descendre, avancer ou reculer, aller à droite ou à gauche, s'incliner en avant ou en arrière etc. Un des moyens de pilotage utilise le fait que l'on dispose de deux étages superposés 3 et 4 contrarotatifs tournant librement autour d'un corps central 2 et que chaque étage est lié à ce corps par deux points d'attache 16 et 20,17 et 21, de type paliers, séparés par une certaine distance. A chaque point d'attache, chaque étage peut tre freiné et le freinage doit pouvoir tre réalisé en des points précis de la circonférence de chacun des points d'attache. Un certain pilotage de l'engin est, dans ces conditions, possible sans faire appel à des gouvernes aérodynamiques. L'engin vole sensiblement à plat ; il glisse monte et descend dans cette position ; il n'a ni avant ni arrière ni droite ni gauche ses seuls axes de référence sont d'une part une direction, le Nord par exemple ou la direction engin-station de pilotage, matérialisée dans ce cas par une liaison hertzienne, d'autre part la verticale. Les actions de pilotage comme : -l'orientation du corps central -les changements d'altitude, -les changements d'attitude. peuvent tre, au moins partiellement, réalisées par des dispositifs de freinage, électromagnétiques par exemple. Chaque dispositif est capable d'appliquer une action de freinage en un point précis de la circonférence. On peut ainsi déterminer un nombre"n"très grand de points d'application de ces freinages par rotor et par point d'attache, donc 4n pour les 2 étages et leurs points d'attache alignés verticalement, quatre à quatre suivant"n" génératrices du corps central, La figure 4 permet de mieux matérialiser la technique de pilotage. Elle schématise I'axe y'y de l'engin et les 4 paliers 16 et 20 pour le premier étage 3, ou rotor R1, et 17 et 21 pour le second étage 4, ou rotor R2. Leurs sens de rotation sont représentés par des flèches, et les repères AB... GH symbolisent de points de couplages possibles avec les disques de freinage 22 et 23, non représentés. Rotation du corps central : -un freinage du rotor R1 appliqué en A (ou B ou G ou H) par le corps central va entraîner celui-ci dans une rotation Q1 parallèle à l'axe y'y qui sera dans un premier sens. -un freinage appliqué en un des autres points C à F du rotor R2 va entraîner une rotation dans un deuxième sens, inverse ; La valeur de 921 est définie par la puissance des freinages. Pour éviter des couples parasites pouvant donner naissance à des rotations de type Q2 perpendiculaires à l'axe y'y ces freinages doivent tre appliqués aux points d'attache hauts et aux points d'attache bas du mme côté, c'est à dire sur le schéma en A, C, E, G ou en B, D, F et H. Contrôle de l'altitude : L'engin vole normalement avec un certain niveau de freinage général appliqué aux rotors. Le relâchement collectif de ces freinages permet aux rotors d'accélérer, ce qui fait gagner de l'altitude par sustentation aérodynamique et poussée plus fortes. Une baisse de la vitesse de rotation est obtenue par I'application de freinages plus importants. II s'ensuit une baisse d'altitude. La mise en oeuvre des différents freinages pour obtenir un pilotage de l'engin peut conduire à une baisse des vitesses de rotation et donc à une perte d'altitude. La restauration des vitesses de rotation est obtenue par une modification de l'injection de carburant. Modification de la position par rapport à la verticale : La référence de verticale ne peut tre obtenue à bord de l'engin que si celui-ci est en vol rectiligne horizontal, à vitesse constante. Cette condition peut tre aisément contrôlée avec les caméras d'observation de la charge utile. Pour la suite de t'exposé on suppose donc que la connaissance de la verticale du lieu où se trouve l'engin, est assurée. Pour incliner le corps central et donc créer une rotation Q2 dans le sens horaire (de I'avant vers l'arrière du dessin) on applique des freinages en A et en E. Le couple symbolisé Q2 crée une précession sur les rotors considérés comme des gyroscopes. Le sens de la précession et son ampleur dépendent de la valeur du freinage prédominant ; I'angle parcouru dépend du temps d'application. Un choix approprié de ces paramètres et des points d'application des freinages permet de pointer I'axe de rotation générale dans la direction voulue par rapport à la verticale. Un autre procédé pour modifier la position de l'engin volant par rapport à la verticale consiste à déplacer une masse à l'intérieur de la nacelle 2. La combinaison entre l'orientation du drone par rapport à la verticale, en l'orientant vers une direction, et la modification de la vitesse de rotation du moteur permet de déplacer horizontalement le drone, plus ou moins rapidement. L'engin volant selon l'invention est destiné à l'observation du sol. II est précisé par les revendications suivantes ; REVENDICATIONS 1-Engin volant autopropulsé et télécommandé, muni d'une charge utile cet engin étant caractérisé en ce qu'il comporte d'une part une plate-forme sustentatrice qui est une voilure tournante (1) ayant la forme d'un disque concave, dont la concavité est dirigée vers le sol, et dont les deux étages (3.4) constituent un moteur ascensionel (5 à 12)), et d'autre part une nacelle (2) emportant la charge utile (25), cette nacelle étant fixée sur I'axe de rotation (y'y) de la voilure tournante (1) et munie des moyens de pilotage (16 à 23) de l'engin volant. 2-Engin volant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la voilure tournante (1) est constituée par deux étages (3,4) tournant en contrerotation. 3-Engin volant selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'espace compris entre le premier étage (3) et le second étage (4) de la voilure tournante (1) forme un moteur ascensionnel, ayant une zone de compresseur centrifuge (7,8), une chambre de combustion (9) d'un carburant, et une zone de turbine (11,12) par laquelle les gaz sont éjectés (15) vers le sol. 4-Engin volant selon la revendication 2, caractérisé en ce que la zone centrale de la voilure tournante (1) est en forme d'hélices (5,6) contrerotatives, dont le jet d'air (14) est dirigé vers le sol. 5-Engin volant selon ta revendication 3, caractérisé en ce que du carburant est stocké dans l'un des deux étages (3) de la voilure tournante (1) et est injecté (10) dans la chambre de combustion (9) par la force centrifuge du dit étage (3) en rotation. 6-Engin volant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux étages (3,4) de la voilure tournante (1) sont fixés, sur I'axe (y'y) de la nacelle (2), chacun par deux points d'attache ou paliers (16+20,17+21), les deux paliers d'un mme étage étant séparés par une distance sensiblement égale à la concavité de la voilure tournante (1) 7-Engin volant selon la revendication 6, caractérisé en ce que de moyens de couplage (16,23) sont disposés entre deux paliers contrarotatifs (16+17,20+21), les dits moyens étant de type couplage électromagnétique entre un palier et t'axe de rotation (y'y) de t'engin. 8-Engin volant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la nacelle (2) est munie d'au moins une antenne (24) de réception des signaux de pilotage télécommandé de l'engin, ainsi que des moyens de pilotage par couplage des paliers de rotation de la voilure tournante (1) avec sa nacelle (2). 9-Engin volant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la nacelle (2) est munie d'au moins un moyen d'observation (25) du sol, tel qu'un capteur optronique.