Brevet FR2825975A1 — publié le 20021220

SYSTEME DE COMMANDE DE PILOTAGE D'AERONEF L'invention concerne les organes de commande de pilotage des aéronefs, et notamment des avions légers. Le pilotage des avions se fait traditionnellement à l'aide d'un manche à balai actionné manuellement et de palonniers actionnés par les pieds. Le manche à balai assure la commande simultanée des gouvernes de profondeur pour modifier l'angle de tangage et faire monter ou descendre l'avion, ainsi que la commande en différentiel des gouvernes de direction pour modifier l'angle de roulis et faire tourner l'avion ; les palonniers, droite et gauche, commandent généralement une gouverne de direction pour modifier un angle de lacet, soit pour faire tourner l'avion à plat soit pour compenser la dérive de l'avion en présence de vent latéral. Le manche à balai s'actionne à la fois par traction et poussée, pour la commande de tangage, et par basculement droite ou gauche pour la commande de roulis. Le pilotage utilise d'une manière équilibrée des actions exercées par la main sur le manche à balai et par les pieds sur les palonniers. Le manche à balai se présente soit sous forme d'une poignée simple au bout d'un arbre longitudinal, cette poignée étant actionnée par une seule main, en rotation autour de l'arbre, soit sous forme d'une poignée double ou d'un volant tenu à deux mains mais exerçant sur l'arbre globalement les mêmes mouvements que la poignée simple. Pour les avions très légers, le pilotage à l'aide du manche à balai et des palonniers s'effectue par l'intermédaire d'une transmission mécanique directe entre le manche à balai ou les palonniers d'une part et les ailerons ou gouvernes de l'avion d'autre part : des câbles ou des biellettes servent à effectuer cette transmission. L'invention a pour but de simplifier la réalisation du système de commande de pilotage de l'avion. Un autre but de l'invention est de simplifier la manipulation par le pilote des commandes qui sont à sa disposition. Un autre but est de réaliser des commandes qui soient très simples à mettre en place dans l'avion et qui ne nécessitent pas de réglage de la position du pilote en fonction de sa taille ; typiquement, dans les petits avions, le siège du pilote doit être avancé ou reculé en fonction de la taille du pilote pour lui donner une position confortable sur les pédales de palonniers ; cette modification de position a tendance à modifier l'équilibre général de l'avion. Un autre but encore est de réaliser un système de transmission d'efforts tel que des personnes ayant un handicap moteur, notamment des paraplégiques, puissent les utiliser pour le pilotage de l'avion. L'invention propose à cet effet une commande de pilotage comportant un boîtier fixe dans lequel est monté à rotation un arbre de sortie et dans lequel pénètre un bras de commande allongé selon un axe longitudinal ; le bras est pourvu d'une poignée s'écartant de cet axe et est relié à l'arbre de sortie par une articulation à cardan ayant un centre de rotation situé à une position fixe par rapport au boîtier, pour transmettre un mouvement de rotation à l'arbre de sortie lorsque la poignée est actionnée dans un mouvement de rotation autour de l'axe longitudinal du bras de commande quelle que soit l'orientation de l'axe du bras par rapport à l'arbre de sortie ; le bras de commande est par ailleurs monté à rotation dans un palier constitué dans un premier support, le premier support étant monté à rotation sur un deuxième support lui-même monté à rotation sur le boîtier fixe, les axes de rotation du premier support et du deuxième support étant perpendiculaires entre eux et se coupant au centre de rotation de l'articulation à cardan. Le bras de commande étant accroché à l'extrémité de l'arbre de sortie par'l'articulation à cardan, il peut se déplacer librement en rotation autour du centre de cette articulation, c'est-à-dire autour de l'intersection entre l'axe de rotation du premier support et l'axe de rotation du deuxième support. Dans son mouvement, le bras entraîne donc en rotation le premier support et le deuxième support chacun autour de son axe respectif. Le mouvement du premier support peut servir à actionner une commande de mouvement de l'avion autour d'un axe ; le mouvement du deuxième support peut servir à actionner une commande de mouvement de l'avion autour d'un autre axe ; et le mouvement de rotation de la poignée autour du bras fait tourner l'arbre de sortie, cette rotation de l'arbre'pouvant actionner une commande de mouvement de l'avion autour d'un troisième axe. De préférence, le mouvement de rotation du bras autour de l'axe de l'un des supports détermine le mouvement de tangage pour la montée ou la descente de l'avion ; le mouvement de rotation du bras autour de l'axe de l'autre support détermine le mouvement de lacet pour les virages à plat ou la compensation de vent latéral ; et la rotation de la poignée autour de l'axe du bras détermine le mouvement de roulis de l'avion pour les virages inclinés Le pilotage peut donc s'effectuer uniquement avec la poignée de commande située en bout du bras de commande. Le bras de commande est situé de préférence latéralement à la droite du pilote, par exemple entre le siège du pilote et le siège d'un éventuel copilote, pour pouvoir être actionné soit par le pilote soit par le copilote. L'invention s'applique non seulement à des avions mais aussi à des simulateurs destinés à l'apprentissage du pilotage En effet, il est souhaitable qu'un simulateur destiné à l'apprentissage du pilotage d'un avion ayant un type d'organe de commande particulier soit pourvu des mêmes organes de commande que l'avion qu'il simule. L'invention est applicable sur des avions légers, voire même des planeurs non motorisés, mais aussi sur des avions de grande taille. L'absence de commande de palonniers par les pieds facilite l'utilisation par des personnes ayant un handicap moteur des membres inférieurs. Enfin, on notera que le pilotage s'effectue avec des mouvements aisés et naturels de la main et du bras : mouvement de la main autour de l'avant-bras (mouvement de supination/pronation) et mouvement de l'avantbras autour du coude. Il n'est pas nécessaire d'effectuer un mouvement (plus malaisé et fournissant moins de force) de rotation de la main autour du poignet comme il serait nécessaire de le faire si la poignée tournait sur ellemême à la manière d'une poignée de tournevis ou d'une poignée de guidon de moto. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente une vue générale d'un exemple de réalisation pratique de la commande unique de pilotage selon l'invention ; - ! a figure 2 représente une vue (boîtier enlevé) des biellettes de transmission de mouvements du bras de commande ; - la figure 3 représente l'arrière du boîtier du système de commande ; - la figure 4 représente une vue de l'articulation à cardan à l'intérieur du boîtier. 1 Sur la figure 1, on voit une vue générale de la commande de pilotage selon l'invention. Les liaisons avec les éléments commandés (gouvernes de profondeur, ailerons de roulis, ailerons de lacet) ne sont pas représentées pour ne pas surcharger le dessin. Ces liaisons peuvent être réalisées par des biellettes rigides ou des câbles métalliques, comme on l'expliquera plus loin. La commande de pilotage comporte un boîtier de maintien 10 fixé sur l'avion. Ce boîtier, de forme généralement parallépipédique, est ouvert vers l'avant pour laisser libre passage à un bras de commande manuelle 12 actionné par le pilote ; le boîtier est également ouvert partiellement vers l'arrière pour laisser libre passage aux liaisons par biellettes ou câbles vers les gouvernes de l'avion. A l'intérieur du boîtier sont disposés différentes articulations et paliers de rotation. Le bras de commande 12 est constitué par exemple par une tige tubulaire rectiligne ayant un axe longitudinal désigné par la référence 14. A l'extrémité de cette tige, à l'opposé du boîtier 10, est disposée une poignée 16 qui s'écarte de l'axe 14. Un mouvement de rotation de cette poignée autour de l'axe 14 fait tourner le bras de commande 12 autour de cet axe. L'arrière du boîtier 10 porte un support fixe non visible sur la figure 1, sur lequel est fixé un palier également non visible, dans lequel est monté à rotation un arbre de sortie 18 qui peut tourner librement dans ce palier, autour de son axe longitudinal fixe 19, sans cependant pouvoir se déplacer en translation dans le sens de cet axe. L'arbre de sortie 18 n'a donc qu'un seul degré de liberté de mouvement, qui est la possibilité de tourner autour de son axe longitudinal fixe 19. L'extrémité de l'arbre de sortie 18 à l'intérieur du boîtier 10 est reliée à l'extrémité du bras de commande 12 par une articulation à cardan 20 de sorte qu'un mouvement de rotation du bras 12 autour de son axe longitudinal entraîne en rotation l'arbre de sortie 18 autour de son axe quel que soit l'angle formé entre les axes longitudinaux respectifs 14 et 19 du bras de commande 12 et de l'arbre de sortie 18. Ce mouvement de rotation de la poignée autour de l'axe 14 est utilisé pour la commande des ailerons de roulis de l'avion. Le centre de rotation de l'articulation à cardan 20, qui est à l'intersection des axes 14 et 19, est situé à une position fixe à l'intérieur du boîtier 10, du fait que l'arbre de sortie 18 ne peut pas se déplacer en translation et ne peut que subir un mouvement de rotation autour de son axe longitudinal 19 dans le palier qui le supporte et qui est fixe par rapport au boîtier. Le bras de commande 12 peut d'une part tourner autour de son axe longitudinal 14 en entraînant l'arbre de sortie 18, et d'autre part prendre une inclinaison quelconque dans l'espace par rapport à l'arbre de sortie 18 en tournant autour d'un point fixe qui est le centre de rotation de l'articulation à cardan 20. Le pilote agit sur la poignée 16 du bras de commande d'une part en la faisant tourner autour de l'axe 14 et d'autre part en donnant au bras 12 une inclinaison angulaire quelconque par rapport au boîtier, dans la mesure du débattement que lui permet l'ouverture frontale du boîtier fixe 10. Un mouvement de montée ou descente du bras provoquera une action sur l'angle de tangage, tendant à faire monter ou descendre l'avion ; un mouvement latéral du bras provoquera une action sur l'angle de lacet ; enfin, une rotation de la poignée autour de l'axe 14 (quelle que soit l'orientation de cet axe) provoquera une action sur l'angle de roulis, tendant à faire tourner l'avion dans le sens de la rotation. Les trois mouvements peuvent se combiner. Pour transmettre aux gouvernes de l'avion les différents mouvements imposés par le pilote au bras de commande 12, on prévoit le mécanisme suivant : le bras est monté en rotation libre dans un palier 22 définissant la direction de l'axe 14 ; ce palier est fixé sur un premier support mobile 24. Ce support 24 est lui-même monté en rotation libre sur un dexuième support 30. La rotation du support 24 s'effectue autour d'un axe 26 qui est perpendiculaire à l'axe de rotation (14) du palier 22 et qui passe par le centre de rotation de l'articulation à cardan 20. De préférence, cet axe 26 est vertical lorsque le bras de commande est horizontal dans l'avion, mais il pourrait aussi être horizontal. Si l'axe 26 est vertical, le support 24 sert à transmettre un mouvment pour une action sur l'angle de lacet ; si l'axe 26 était horizontal lorsque le bras de commande est horizontal, le support 24 servirait à transmettre une action sur l'angle de tangage. On considérera dans la suite que le premier support mobile 24 1 sert à transmettre le mouvement de lacet. Pour que le support 24 puisse tourner par rapport au support 30, autour de l'axe 26, on prévoit un ensemble d'un arbre orienté selon cet axe 26 et un palier correspondant, dans lequel peut tourner cet arbre. L'ensemble arbre/palier est désigné par la référence 28 sur la figure 1. L'arbre (ou respectivement le palier) est fixé sur le support 24, et réciproquement le palier (ou respectivement l'arbre) est fixé sur un deuxième support mobile 30. Le support 24 a de préférence une forme de cavalier en U dont le fond porte le palier 22 et dont les branches portent chacune un arbre ou un palier d'un ensemble arbre/palier 28. Le deuxième support mobile 30 a de préférence une forme rectangulaire ayant deux côtés opposés portant chacun un arbre ou palier d'un ensemble arbre/palier 28. Les deux autres côtés du rectangle servent au montage à rotation du support 30 sur le boîtier fixe 10. La forme en U du support mobile 24 et la forme en anneau rectangulaire du support 30 permettent de laisser place, à l'intérieur du U et de l'anneau rectangulaire, à l'articulation à cardan 20. Le deuxième support mobile 30 est monté à rotation libre sur le boîtier fixe'1 0, selon un axe 32 qui d'une part est perpendiculaire à l'axe 26 et à l'axe 19, et d'autre part coupe l'axe 26 et l'axe 19 au centre de rotation de l'articulation à cardan 20. Au moins un ensemble arbre/palier 34, d'axe 32, est prévu entre le boîtier fixe et le deuxième support mobile 30 pour effectuer ce montage à rotation. Le palier peut être sur le boîtier et l'arbre sur le support ou le contraire. De préférence, il y a deux ensembles arbre/palier 34, situés sur deux côtés opposés de l'anneau rectangulaire formant le support 30. Lorsque le pilote exécute uniquement un mouvement de rotation de la poignée autour de l'axe 14 du bras 12, l'articulation à cardan 20 transmet ce mouvement à l'arbre de sortie 18, sans déplacement des supports 24 et 30, et ceci quelle que soit l'inclinaison du bras 12 par rapport au boîtier fixe. Lorsque le pilote déplace la poignée latéralement en faisant tourner le bras autour de l'axe 26, le support 24 tourne autour de l'axe 26 sans déplacement du support 30, et ceci quelle que soit l'orientation du support 30. Lorsque le pilote déplace la poignée de haut en bas en faisant tourner le bras 12 autour de l'axe 32, le support 30 tourne autour de cet axe J sans déplacement du support 24, et ceci quelle que soit l'orientation du support 24. Lorsque le pilote déplace le bras selon un mouvement quelconque autour du centre de rotation de l'articulation à cardan, les supports 24 et 30 tournent tous deux autour de leurs axes de rotation respectifs. Des câbles ou des biellettes peuvent être attachés aux supports 24 et 30 pour transformer en mouvement de translation les mouvements de rotation de ces supports. D'autres mécanismes de transmission mécanique (poulies, articulations sur pivots fixes, etc. ) peuvent être prévus pour transmettre aux gouvernes les mouvements des câbles ou biellettes, selon la configuration de l'avion. La figure 2 représente symboliquement des biellettes pour la transmission des trois mouvements exécutables par le pilote. Sur cette figure, qui est vue de l'arrière, c'est-à-dire du côté de l'arbre 18 et non du bras 12, on n'a pas représenté le boîtier 10. Une biellette rigide 40 est fixée au support 24 en un point tel que cette biellette se déplace en translation vers l'arrière ou vers l'avant lorsque le bras 12 tourne autour de l'axe 26. Ce déplacement agit sur un aileron arrière de t'avion, ou sur deux ailerons latéraux (appelés encore winglets) en bout d'ailes, pour un mouvement de lacet de l'avion. Ces ailerons tournent autour d'axes non horizontaux lorsque l'avion a une assiette horizontale. Une autre biellette rigide 42 est fixée au support 30 de telle manière qu'elle se déplace en translation vers l'arrière ou vers l'avant lorsque le bras 12 tourne autour de l'axe 32. Cette biellette agit symétriquement sur les gouvernes de profondeur de l'avion, pour un mouvement de tangage. Ces gouvernes tournent autour d'axes essentiellement horizontaux (lorsque l'avion a un angle de roulis nul). Enfin, pour la commande d'un mouvement de roulis, on peut prévoir par exemple une pièce 44 montée sur l'arbre de sortie 18 et solidaire en rotation de celui-ci. Cette pièce peut avoir deux extensions latérales 46 et 48 s'écartant de l'axe de l'arbre dans deux directions opposées. Au bout de ces extensions sont fixées respectivement une biellette rigide 50 et une biellette rigide 52, partant dans des directions opposées, l'une vers un aileron de roulis de l'aile gauche de l'avion, et l'autre vers un aileron de roulis de l'aile droite. Ces biellettes subissent des mouvements en translation, mais 1 dans des directions opposées, lorsque l'arbre de sortie 18 tourne autour de l'axe 19, donc lorsque le pilote actionne la poignée 16 en rotation autour de l'axe 14. Les ailerons de roulis, tournant autour d'un axe généralement horizontal, sont donc actionnés à l'inverse l'un de l'autre, ce qui est nécessaire pour donner à l'avion le mouvement de roulis désiré. La figure 3 représente le boîtier 10 vu de l'arrière. L'arbre de sortie 18 est maintenu dans une pièce de support fixe 54 qui ferme partiellement le boîtier 10 sans empêcher le passage des câbles ou biellettes décrites en référence à la figure 2 et non repréentées sur la figure 3. Les moyens qui empêchent les mouvements de translation de l'arbre 18 selon sa longueur ne sont pas représentés, ils peuvent faire partie soit d'un palier de rotation fixé sur le support 54 et dans lequel tourne l'arbre 18, soit d'un autre palier, non représenté, monté à une autre extrémité de l'arbre 18. Classiquement ces moyens peuvent comprendre une gorge dans l'arbre et un palier adapté au diamètre de cette gorge. Ces moyens peuvent d'ailleurs alternativement être prévus sur le bras de commande 12, au niveau du palier 22, étant donné que si on empêche le mouvement de translation du bras 12 selon son axe 14, on empêche également celui de l'arbre de sortie 18. La figure 4 repésente plus en détail l'articulation à cardan 20. Le boîtier 10 et le support 30 ont été supprimés pour mieux montrer cette articulation. On y voit clairement les deux axes de rotation 60 et 62, perpendiculaires entre eux, l'axe 60 étant perpendiculaire à l'axe 19 et l'axe 62 étant perpendiculaire à l'axe 14. L'axe 26 défini dans le support 24 passe par l'intersection des axes 60 et 62 qui est aussi l'intersection des axes 14 et 19. De même, l'axe 32, visible sur les figures 1 à 3, qui est perpendiculaire à l'axe 26, passe également par le croisement des axes 60 et 62. On a ainsi décrit l'essentiel de la constitution de la commande de vol selon l'invention. On notera que dans une version d'avion pourvue d'un pilote automatique destiné à se substituer pendant certaines phases de vol aux actions du pilote humain, on prévoit que le boîtier 10 porte des moteurs d'entraînement agissant sur les pièces de la commande de vol pour les entraîner de la même manière que si le pilote humain agissait sur le bras de commande 12. Ces moteurs sont en rotation libre lorsqu'ils ne sont pas alimentés, c'est-à-dire lorsque le pilote automatique n'est pas en service, de manière à ne pas gêner les mouvements manuels du pilote humain. Des capteurs de position des moteurs ou des pièces mobiles du système (supports ou biellettes ou gouvernes) sont prévus pour renvoyer au pilote automatique des informations sur les positions des gouvernes. Dans l'application à un simulateur de vol, destiné notamment à l'apprentissage du pilotage sur un avion comportant la commande de pilotage qui vient d'être décrite, on comprendra que les liaisons mécaniques par biellettes ou par câbles peuvent être construites différemment puisqu'elles n'ont pas besoin de commander réellement des gouvernes. Elles peuvent être remplacées par d'autres éléments reliés par exemple à des ressorts de rappel simulant l'effort à vaincre dans la réalité pour agir sur les gouvernes. Elles peuvent aussi être purement et simplement supprimées. Des détecteurs de mouvement des supports 24 et 26 et de la pièce 44 doivent être prévus pour piloter le logiciel de simulation s'il est interactif, de manière à faire apparaître sur l'écran du simulateur des images qui correspondent aux mouvements exercés par le pilote sur la poignée 16. REVENDICATION 1. Commande de pilotage pour aéronef ou simulateur de vol, comportant un boîtier fixe (10) dans lequel est monté à rotation un arbre de sortie (18) et dans lequel pénètre un bras de commande (12) allongé selon un axe longitudinal (14), le bras étant pourvu d'une poignée (16) s'écartant de cet axe et étant relié à l'arbre de sortie (18) par une articulation à cardan (20) dont le centre est situé à une position fixe par rapport au boîtier (10), pour transmettre un mouvement de rotation à l'arbre de sortie lorsque la poignée est actionnée dans un mouvement de rotation autour de l'axe longitudinal du bras quelle que soit l'orientation de l'axe du bras par rapport à l'arbre de sortie, le bras étant par ailleurs monté à rotation dans un palier (22) constitué dans un premier support (24), le premier support étant monté à rotation sur un deuxième support (30) lui-même monté à rotation sur le boîtier fixe, les axes de rotation (26 et 32) du premier support et du deuxième support étant perpendiculaires entre eux et se coupant au centre de rotation de l'articulation à cardan. 2. Commande de pilotage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe de rotation (32) de l'un des supports est sensiblement horizontal, et l'axe de l'autre (26) est sensiblement vertical, pour un angle de tangage et de roulis nul de l'aéronef. 3. Commande de pilotage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une liaison mécanique (40) est établie entre l'un des supports (24) et des gouvernes de mouvement de lacet de l'aéronef, et une liaison mécanique (42) est établie entre l'autre support (30) et des gouvernes de mouvement de tangage de l'aéronef. 4. Commande de pilotage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une liaison mécanique (44,50, 52) est établie entre l'arbre de sortie (18) et des gouvernes de mouvement de roulis de l'aéronef. 5. Commande de pilotage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la liaison mécanique vers les gouvernes de mouvement de roulis comprend une pièce (44) solidaire en rotation de l'arbre de sortie (18), et deux biellettes ou câbles (50,52) fixés à cette pièce en deux points symétriques par rapport à l'axe de l'arbre, et se déplaçant en translation en directions opposées lors d'une rotation de l'arbre de sortie. 1