Brevet FR2793765A1 — publié le 20001124

La présente invention concerne un dispositif de commande de vol d'un aéronef, et en particulier d'un hélicoptère. Ce dispositif qui peut être, dans le cadre de la présente invention, un dispositif du type à commandes de vol mécaniques ou électriques comporte, de facon connue, pour la commande par rapport à au moins un axe de commande (roulis, tangage, lacet) : - au moins un organe de commande (manche ou minimanche) suscepti ble d'être actionné par un pilote de l'aéronef ; - au moins un moyen d'actionnement (servocommande) d'un organe commandé (rotor), auquel on applique un ordre de commande ; et - des premiers moyens pour déterminer et transmettre audit moyen d'ac- tionnement un ordre de commande dépendant d'une première valeur représentative de l'actionnement dudit organe de commande. Bien que l'invention puisse, dans son principe, être appliquée à tout axe de commande (tangage, lacet, roulis) de tout type d'aéronef, elle est présentée ci-dessous plus précisément par rapport à l'axe de roulis d'un hélicoptère. On sait que, en vol d'avancement, lorsque le pilote d'un hélicop tère actionne l'organe ou manche de commande en roulis, c'est-à-dire provoque une déflexion latérale dudit manche, la réponse de l'hélicoptère à cet ordre de commande correspond en général à une vitesse angulaire (ou taux) de roulis, qui est à peu près proportionnelle à cette déflexion. Dans le cadre de la présente invention, on appellera ce type de com mande, "commande en vitesse" utilisant un ordre de commande en vi tesse (par exemple en vitesse angulaire de roulis). Ladite commande en vitesse est appropriée à la réalisation de la plupart des manoeuvres usuelles de pilotage. De plus, le fait que le manche commande une vitesse angulaire de roulis, et non une inclinaison, permet de conserver le manche à peu près centré dès lors que l'inclinaison souhaitée est atteinte, ce qui augmente le confort du pilotage. En outre, la capacité de pouvoir doser précisément la vitesse angulaire est appréciable lors de manoeuvres dynamiques de grande amplitude. Cependant, on sait également qu'une commande du type "en as- siette" (utilisant des ordres de commande en assiette), selon laquelle un actionnement de l'organe de commande (dans l'exemple considéré une déflexion latérale du manche) commande directement une rotation propor tionnelle (dans l'exemple considéré une inclinaison proportionnelle en rou lis) de l'hélicoptère, est mieux adaptée à certaines phases de vol que la commande en vitesse précitée. En particulier : - en vol de croisière aux instruments, par mauvaise visibilité, une com mande du type en assiette permet, lorsque la pression sur le manche est relâchée à l'issue d'une manoeuvre en roulis, de revenir automati quement sur l'assiette horizontale, ce qui est très sécurisant pour le pilote. Réciproquement, le maintien d'une inclinaison constante pour effectuer un virage continu, nécessite de maintenir une pression laté rale sur le manche, ce qui fournit en retour au pilote une indication tac tile sur l'inclinaison et lui permet de relâcher quelque peu son attention sur l'horizon artificiel ; et - pour de petites corrections de cap consistant à commander une mise en inclinaison suivie d'une remise à plat, la commande en assiette est intrinsèquement plus simple à gérer puisqu'elle ne nécessite qu'une impulsion (créneau) sur le manche au lieu d'une sollicitation alternée telle que nécessaire pour la commande en vitesse. Pour des tâches de précision, telles que le suivi d'un axe "ILS", cette caractéristique per met en particulier d'obtenir une trajectoire plus précise. Toutefois, quel que soit l'axe de commande considéré et quel que soit le type d'aéronef utilisé, il n'est pas possible de mettre en oeuvre simultanément, ou même de combiner, les deux types de commande (commande en assiette et commande en vitesse). Par conséquent, que l'on utilise l'une ou l'autre de ces commandes, il existe toujours des pha ses de vol pour lesquelles la commande utilisée n'est guère appropriée. La présente invention concerne un dispositif de commande de vol (mécanique ou électrique) d'un aéronef, en particulier d'un hélicoptère, qui permet de remédier à ces inconvénients. A cet effet, selon l'invention, ledit dispositif de commande de vol du type précité est remarquable en ce qu'il comporte de plus : - au moins un capteur pour déterminer une seconde valeur représenta tive de la commande exécutée par l'aéronef, par rapport audit axe de commande ; et - des seconds moyens associés auxdits premiers moyens de manière à déterminer, comme ordres de commande à appliquer audit moyen d'ac- tionnement : tant que ladite seconde valeur est inférieure ou égale à une valeur de référence, un premier ordre de commande en assiette, proportionnel à ladite première valeur, ladite première valeur étant égale à une va leur de limitation lorsque ladite seconde valeur est égale à ladite va leur de référence ; et lorsque ladite seconde valeur est supérieure à ladite valeur de réfé rence, un second ordre de commande en assiette, proportionnel à ladite valeur de limitation et un ordre de commande en vitesse, pro portionnel à la différence entre ladite première valeur et ladite valeur de limitation, c'est-à-dire proportionnel au supplément d'actionne- ment par rapport à l'actionnement représentatif de ladite valeur de limitation, qui permet d'amener l'aéronef à la valeur de référence précitée. Ainsi, grâce à l'invention - un actionnement de l'organe de commande (par exemple une déflexion latérale du manche de commande) engendre une commande en assiette de l'aéronef (par exemple une inclinaison en roulis), proportionnelle à cet actionnement, jusqu'à ladite valeur de référence ; - au-delà de cette valeur (le seuil d'inclinaison en roulis précité, par exemple), l'actionnement supplémentaire de l'organe de commande engendre une commande en vitesse (par exemple une vitesse angulaire en roulis) proportionnelle à ce supplément d'actionnement, ce qui permet de combiner les deux types de commande (en assiette et en vitesse) de sorte que chaque commande est active dans les domaines de vol où elle est la plus efficace. En particulier, la commande en assiette est ainsi active pour les petites corrections, par exemple de cap, et la commande en vitesse, pour des manoeuvres de grande amplitude. Par conséquent, le dispositif conforme à l'invention permet de ré unir les avantages des deux types de commande. En plus des phases de vol précitées, l'invention est également avantageuse en vol tactique près du sol, et en particulier par mauvaise visibilité ou de nuit. Comme indiqué précédemment, le dispositif conforme à l'inven- tion est particulièrement approprié à la commande par rapport à l'axe de commande en roulis. Toutefois, il peut bien entendu également être utilisé (en supplément ou en variante) pour la commande par rapport aux axes de commande en tangage et en lacet. De plus, dans un mode de réalisation particulier, ledit dispositif comporte des organes de commande, des moyens d'actionnement, des capteurs et des premiers et seconds moyens, pour la commande de l'aé ronef par rapport à chacun des axes de commande en roulis, en tangage et en lacet de l'aéronef. En outre, selon l'invention, ladite valeur de référence en roulis de l'aéronef est ajustable en vol, soit par l'action du pilote, soit automati quement à partir d'informations déterminantes du cas de vol. L'unique figure du dessin permet de bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Cette figure est le schéma synoptique d'un dispositif de commande de vol conforme à l'invention. Le dispositif 1 représenté schématiquement sur la figure est mon té à bord d'un aéronef, en l'occurrence un hélicoptère He à piloter, bien que, pour des raisons de clarté du dessin, l'hélicoptère He soit représenté à petite échelle, extérieurement audit dispositif 1. Ledit hélicoptère He comporte au moins un rotor principal RP destiné à assurer la sustentation, l'avance et la commande en tangage et en roulis, ainsi qu'un rotor de queue RQ ou tout autre dispositif destiné à assurer l'équilibre latéral et, éventuellement, la commande en lacet de l'hélicoptère He. De façon connue, ledit dispositif 1 comporte pour la commande par rapport à au moins un axe de commande (roulis, tangage, lacet) : - un organe de commande 2 (manche ou minimanche) susceptible d'être actionné par un pilote de l'hélicoptère He ; - des moyens d'actionnement (par exemple des servocommandes) non représentés d'organes commandés (rotors RP et RQ), auxquels on ap plique des ordres de commande ; et - des premiers moyens Ml pour déterminer et transmettre auxdits moyens d'actionnement des ordres de commande, et notamment un ordre de commande dépendant d'une première valeur Vl représenta tive de l'actionnement dudit organe de commande 2. Dans le cadre de la présente invention, le dispositif de commande de vol peut être un dispositif à commandes mécaniques, de sorte que lesdits premiers moyens comportent notamment une timonerie et un vé rin. Toutefois, dans le mode de réalisation préféré représenté sur la fi gure, le dispositif 1 est un dispositif de commande de vol électrique. Aus si, lesdits premiers moyens Ml comportent, de façon connue, pour la commande en vitesse par rapport à un axe de commande (dans l'exemple représenté et décrit ci-dessous, on considère à titre non limitatif que cet axe est l'axe de commande en roulis) : - un capteur 3 détectant la position en roulis (première valeur Vl) du manche (cyclique) 2 ; - une unité de calcul 5 qui transforme la première valeur Vl représenta tive de la position en roulis du manche 2, reçue du capteur 3 par une liaison 4, en une commande en vitesse angulaire D#o ; - un ensemble E de capteurs montés à bord de l'hélicoptère He (comme illustré par une liaison 6) et délivrant (comme illustré par une flèche 7) sous forme de signaux électriques une pluralité d'informations sur les états dudit hélicoptère He, telles que la vitesse air, les vitesses angulai res, les accélérations angulaires, les assiettes et les facteurs de charge, ainsi que la vitesse angulaire en roulis D# ; - une unité de calcul 8 qui calcule la différence ED# entre, d'une part, une valeur de consigne D#ons dépendant de la valeur D#o qui est re çue de l'unité de calcul 5 et, d'autre part, la valeur D# transmise par l'ensemble E de capteurs (par les liaisons 7 et 9). On notera que, dans les dispositifs de commande de vol connus, D#ons est égale à D#o, ce qui n'est pas le cas dans le perfectionnement conforme à la pré sente invention, comme on le verra ci-dessous ; - un correcteur 10 relié par des liaisons 7, 4 et 11 respectivement à l'ensemble E de capteurs, au capteur 3 et à l'unité de calcul 8, qui est destiné à asservir D# sur D#ons, c'est-à-dire à asservir à 0 le signal d'erreur ED# reçu de l'unité 8. Ce correcteur 10 se charge également, à partir d'informations reçues de l'ensemble E, de la stabilité et du dé- couplage d'axe de la boucle de pilotage, et intègre, à partir de l'infor mation de l'ordre de pilotage en roulis, une fonction de précommande pour moduler la bande passante ; une unité de découplage de commandes 12 qui effectue un découplage des commandes qui sont reçues, pour la commande en roulis par une liaison SlA, et pour les commandes selon les autres axes (tangage, la cet, collectif) par des liaisons S2A, S3A et S4A ; et un mélangeur d'ordres 13 recevant, par des liaisons SlB à S413, les ordres issus de l'unité 12 et adressant des ordres de commande, par des liaisons sl à s3, aux servocommandes du rotor principal RP et, par une liaison s4, à la servocommande du rotor de queue RQ. Selon l'invention, ledit dispositif 1 comporte de plus : au moins un capteur intégré par exemple dans l'ensemble E, pour dé- terminer une seconde valeur # représentative de la commande exécu tée par l'hélicoptère He, par rapport audit axe de commande en roulis et des seconds moyens M2 associés auxdits premiers moyens Ml de ma nière à déterminer, comme ordres de commande en roulis à appliquer audit moyen d'actionnement : tant que ladite seconde valeur # est inférieure ou égale à une valeur de référence bref, un premier ordre de commande en assiette (pour une inclinaison en roulis), proportionnel à ladite première valeur Vl, ladite première valeur Vl étant égale à une valeur de limitation W lorsque ladite seconde valeur est égale à ladite valeur de référence bref ; et lorsque ladite seconde valeur est supérieure à ladite valeur de réfé rence ef, un second ordre de commande en assiette, proportionnel à ladite valeur de limitation Ve et un ordre de commande en vitesse (vitesse angulaire de roulis), proportionnel à la différence entre ladite première valeur Vl et ladite valeur de limitation Vî, c'est-à-dire pro portionnel au supplément d'actionnement relativement à la valeur de référence bref. Ainsi, grâce à l'invention - un actionnement de l'organe de commande 2 engendre une commande en assiette de l'aéronef (inclinaison en roulis), proportionnelle à cet ac- tionnement, jusqu'à ladite valeur de référence bref ; - au-delà de cette valeur, l'actionnement supplémentaire de l'organe de commande 2 engendre une commande en vitesse (vitesse angulaire en roulis) proportionnelle à ce supplément d'actionnement, ce qui permet de combiner les deux types de commande (on assiette et en vitesse) de sorte que chaque commande est active dans les domaines de vol où elle est la plus efficace. En particulier, la commande en assiette est ainsi active pour de petites corrections, et la commande en vitesse, pour des manoeuvres de grande amplitude. Dans un mode de réalisation particulier, lesdits seconds moyens M2 comportent : - un moyen 14 pour déterminer la valeur de référence bref. Cette valeur bref peut être modifiée par une action manuelle d'un opérateur ou d'un pilote ou par une action automatique, comme illustré par une flèche 15. Le moyen 14 peut utiliser, à cet effet, des informations et notam ment la seconde valeur #, reçues par une liaison 18 de l'ensemble E de capteurs ; - un moyen 16 calculant la différence E# entre la seconde valeur # et la valeur de référence bref reçue par une liaison 17 ; - un moyen 19 relié par une liaison 20 au moyen 16, qui multiplie la va leur E# par un gain K prédéterminé pour obtenir une valeur Ec# - - un moyen de limitation 21 recevant cette valeur Ec# par une liaison 22 et limitant ladite valeur à une valeur L, si Ec# est supérieur à L. Le moyen de limitation 21 fournit ainsi à sa sortie une valeur Ec qui est égale : à L, si Ec# > L ; et à Ec#, si Ec#:## L ; et - un moyen 23 qui calcule une valeur de consigne D#ons (vitesse an gulaire de consigne) telle que D#cons Ec + D#co, les valeurs Ec## et D#co étant reçues respectivement par des liaisons 24 et 25. Cette valeur de consigne D#ons est transmise par une liaison 26 à l'unité de calcul 8, qui calcule la différence entre D# et D#ons, cette différence étant asservie à zéro par le correcteur 10. Le correcteur 10 cherche donc à obtenir la relation D#=D#o + Ec . Premièrement, selon l'invention, lorsque la seconde valeur # est inférieure ou égale à la valeur de référence bref, c'est-à-dire lorsque Ec# n'est pas limitée (Ec## Ec#), on a la relation D# D#co + K. (bref - #). Cette relation s'écrit dans la notation de Laplace (D# p.# D#o + K.(#ref - c'est-à-dire : (D#co / K + bref) / (1 + p/K . On obtient par conséquent à l'équilibre D#o / K + bref. Dans ce cas (commande en assiette), on contrôle un écart d'as- siette d'amplitude D#co/K autour de l'assiette d'équilibre bref. Deuxièmement, lorsque la seconde valeur # est supérieure à la valeur de référence bref, c'est-à-dire lorsque Ec# est limitée (Ecce L), on a la relation : D# D#o + L. Dans ce cas (commande en vitesse), on contrôle une vitesse an- gulaire (en roulis) corrigée du biais L. Par conséquent, pour annuler D#, le pilote doit positionner l'organe de commande 2 de sorte que D#co -IL. La combinaison des deux cas précités permet donc d'obtenir les avantages susmentionnés. Le dispositif 1 conforme à l'invention présenté ci-dessus pour la commande en roulis peut être appliqué par analogie à la commande par rapport aux autres axes de commande (tangage, roulis). De plus, la présente invention peut être mise en oeuvre simulta- nément pour tous les axes ou au moins pour plusieurs des différents axes de commande de l'hélicoptère ou de tout autre aéronef, notamment d'un aéronef à voilure fixe. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande de vol d'un aéronef, du type compor tant pour la commande par rapport à au moins un axe de commande : - au moins un organe de commande (2) susceptible d'être actionné par un pilote de l'aéronef (He) ; - au moins un moyen d'actionnement d'un organe commandé (RP, Ra), auquel on applique un ordre de commande ; et - des premiers moyens (Ml) pour déterminer et transmettre audit moyen d'actionnement un ordre de commande dépendant d'une première va leur représentative de l'actionnement dudit organe de commande (2), caractérisé en ce qu'il comporte de plus : - au moins un capteur (E) pour déterminer une seconde valeur représen tative de la commande exécutée par l'aéronef (He), par rapport audit axe de commande ; et - des seconds moyens (M2) associés auxdits premiers moyens (Ml) de manière à déterminer, comme ordres de commande à appliquer audit moyen d'actionnement : tant que ladite seconde valeur est inférieure ou égale à une valeur de référence, un premier ordre de commande en assiette, proportionnel à ladite première valeur, ladite première valeur étant égale à une va leur de limitation lorsque ladite seconde valeur est égale à ladite va leur de référence ; et lorsque ladite seconde valeur est supérieure à ladite valeur de réfé rence, un second ordre de commande en assiette, proportionnel à ladite valeur de limitation et un ordre de commande en vitesse, pro portionnel à la différence entre ladite première valeur et ladite valeur de limitation. 2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit axe de commande est l'axe de commande en roulis. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits premier et second ordres de commande en assiette engendrent une inclinaison en roulis de l'aéronef (He), et en ce que ledit ordre de commande en vitesse engendre une vitesse angulaire en roulis. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite valeur de référence en roulis de l'aéronef (He) est ajustable en vol. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit axe de commande est l'axe de commande en tangage. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit axe de commande est l'axe de commande en lacet. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce qu'il comporte des organes de commande (2), des moyens d'actionnement, des capteurs (E) et des premiers et seconds moyens (Ml, M2) pour la commande de l'aéronef (He) par rapport à cha cun des axes de commande en roulis, en tangage et en lacet de l'aéronef (He) -