Brevet FR2851224A1 — publié le 20040820

Aéronefs hybrides, comportant un système d'allégement torique et une voilure tournante centrale. Les aéronefs selon l'invention sont du type vecteur aérien plus lourd que l'air, hybride de l'hélicoptère et du ballon dirigeable allégé à l'hélium. Ils comportent une cellule centrale, un rotor de sustentation à axe vertical, et des propulseurs pour le vol horizontal. Ils ne peuvent être comparés aux ballons dirigeables qui sont généralement plus légers que l'air, ni aux hélicoptères qui sont des engins non allégés, et encore moins aux avions. On connaît déjà des ballons dirigeables motorisés de toutes formes, du cigare à la forme lenticulaire. Ils sont généralement du type plus léger que l'air avec une structure interne rigide 10 très lourde de maintient de la forme du ballon. Ces aéronefs ont généralement peu de capacité de charge marchande du fait du poids de leur structure de maintien de leur forme. Ils ont eu peu de succès. Il n'existe pas actuellement d'engins de transport aérien capable d'enlever des charges supérieures à 200 tonnes, même des avions cargos qui ont besoin de longues pistes pour décoller et atterrir et de lourdes infrastructures au sol. Les plus gros hélicoptères actuels 1 5 n'emportent pas plus de 40 tonnes de charge utile et ceux de cette capacité sont très rares. Ils ont une très importante consommation de carburant, sont difficile à piloter et sont très onéreux. Les problèmes à résoudre pour réaliser des aéronefs aptes à transporter des charges allant jusqu'à au moins 1.000 tonnes, avec une infrastructure au sol très réduite, voire inexistante, sont les suivants: e ne pas nécessiter d'infrastructure au sol pour atterrir ou amerrir, charger ou décharger sa charge utile; * pouvoir se manipuler aussi facilement qu'un hélicoptère; * pouvoir atterrir ou décoller à la verticale sans nécessiter de piste d'atterrissage, mais seulement des moyens de chargement et de déchargement mobiles rapides; a ne pas nécessiter d'armature intérieure pour maintenir la forme de leur système d'allègement, même en cas de variations importantes de température ou de pression externe; * pouvoir faire du vol stationnaire, se déplacer à très faible vitesse ou à vitesse pouvant aller jusqu'à au moins 100 km/h selon les motorisations; * pouvoir transporter de très lourdes charges selon les modèles, jusqu'à au moins 1.000 30 tonnes; Ces divers problèmes sont résolus avec les aéronefs hybrides selon l'invention. Ils comportent un système d'allègement et des moyens de sustentation de la charge marchande et des moyens de propulsion en vol horizontal. Il est caractérisés en ce que le système d'allégement est composé d'un ensemble de segments de tore indépendants et identiques, constituant un ballon torique, emplis chacun d'un gaz plus léger que l'air, par exemple de l'hélium; ils maintiennent d'eux-mêmes leur propre forme par la pression interne de ce gaz, dont le volume global est défini selon la masse à vide dudit aéronef à alléger en le conservant très légèrement plus lourd que rair à vide. Il comporte une cellule sur laquelle ledit système d'allégement est fixé; la totalité de la charge marchande est portée par une grande voilure tournante carénée, à axe vertical, comportant uniquement un réglage du pas des pales et ses moyens de motorisation. Le système d'allégement est constitué d'un ballon torique comportant un ensemble de segments identiques indépendants, en tissu à haute résistance mécanique, étanche à l'hélium, 10 chaque segment du tore comporte, à ses extrémités fermées, des moyens de solidarisation avec les segments voisins, et des moyens de fixation sur chaque élément de structure de la cellule disposé entre les extrémités de chaque segment du tore. Le ballon torique du système d'allégement, est prolongé par un volume de section triangulaire, dont la toile est engagée sur un profilé circulaire fixé sur les membrures de la cellule centrale et 15 collée sur le dessus et le dessous du ballon torique. L'espace entre les segments identiques du tore, assemblés sur les membrures de la cellule centrale est obturé de façon étanche pour rendre étanche le volume extérieur de section triangulaire. Chacun des segment du tore d'allégement comporte à ses deux extrémités, un cordon en fibres à 20 haute résistance mécanique assemblé en anneau et fixé par collage et/ou couture à la périphérie des extrémité de chaque segment en laissant subsister de place en place un dégagement pour l'assemblage rapide sur le cordon correspondant du segment voisin au moyen d'attaches câbles après fixation de chacune desdites extrémités sur la membrure de la cellule. Les membrures rayonnantes de la cellule sur lesquelles sont fixés les segments de tore sont prolongées chacune par deux profilés fixés à leur extrémité sur un profilé extérieur coopérant avec la toile de recouvrement constituant le volume extérieur empli d'hélium, destiné accroître la finesse du maître-couple et faciliter la pénétration dans l'air. Un bouclier des pales du rotor central de sustentation à axe vertical est constitué, selon le fractionnement du tore, d'un ensemble d'éléments verticaux annulaires fixés sur la partie intérieure verticale de chaque membrure de la cellule par des bras, ledit bouclier de pales faisant office de carénage. Les propulseurs de vol horizontal sont fixés sur la structure de la cellule centrale. Les membranes de fermeture disposées à chaque extrémité de chaque segment du tore d'allégement, sont assemblées avec leur voisine en laissant passer entre elles des canalisations destinées au remplissage et au maintien de la pression interne des volumes d'allégement emplis d'hélium ou de gaz plus léger que l'air par l'intermédiaire d'ajutages appropriés sur lesquels sont connectés des tuyaux souples raccordés chacun à l'un desdits volumes d'hélium. La cellule comporte des béquilles d'appui au sol, munies chacune d'un moyen d'amortissement hydraulique coopérant avec un accumulateur hydraulique et un moyen de correction d'assiette agissant sur leur hauteur par rapport au sol, en communication avec un capteur de pression et un moyen hydraulique de contrôle du poids de l'engin au décollage ou à vide. La caractéristique essentielle de ce type d'aéronef est qu'il est totalement allégé à vide par son système d'allégement torique, permettant au grand rotor central de n'avoir à sustenter que la charge utile et le carburant, ce qui le rend aussi maniable qu'un hélicoptère. En cela il differe de tous les autres types de ballons dirigeables dont la structure et la charge utile sont allégées entièrement ou presque, ce qui nécessite de longues manoeuvres d'atterrissage, d'ancrage ou de ballastage au moment de leur déchargement ou de leur chargement. De plus ils sont peu maniables au sol, au décollage et à l'atterrissage. On sait construire actuellement des voilures tournantes jusqu'à au moins 120 mètres de diamètre, ce qui permet d'envisager de transporter des charges considérables. La charge utile est disposée sous le rotor et de façon uniformément répartie autour de l'axe du rotor, ce qui 20 participe à la stabilité en vol. Le grand rotor de sustentation ayant un effet giroscopique, participe également à cette stabilité. Le grand rotor de sustentation de la charge est disposé dans le trou central du tore formant carène, à l'équateur de celui-ci. Le tore est protégé des pales par un bouclier. Les membranes de fermeture disposées à chaque extrémité de chaque segment de tore, sont 25 assemblées avec leur voisine en laissant passer entre elles des canalisations destinées au remplissage et au maintien de la pression interne des volumes d'allégement emplis d'hélium, ou autre gaz d'allégement, par l'intermédiaire d'ajutages appropriés sur lesquels sont connectés des tuyaux souples raccordés chacun à l'un desdits volumes de gaz d'allégement. Le maintien permanent de la forme de chacun des segments des tores ou cylindre en fonction des variations 30 de température et de pression extérieure, est assuré par des moyens de compensation de pression au moyen de volumes d'air disposés dans les segments de tore, en apport ou en retrait d'air ou d'hélium par le moyen de pompes disposées dans la salle des machines de la cellule en coopération avec des capteurs électroniques de pression contrôlant automatiquement cette compensation au moyen d'électrovannes disposées sur les canalisations de fluide, elles-mêmes reliées à des réservoirs tampons. Avantages des aéronefs selon l'invention: * capacité de transport de charges marchandes jusqu'à au moins 1.000 tonnes, suivant le volume global d'allégement et le diamètre de la voilure tournante; * réduction du maître-couple par un système d'allégement complémentaire à section décroissante vers l'extérieur facilitant la pénétration dans l'air; * décolle et atterrit verticalement, pas besoin de piste d'atterrissage du fait qu'il n'a pas de train d'atterrissage * pas besoin d'infrastructure fixe au sol, seulement des moyens mobiles de chargement et déchargement rapides, et des moyens de ravitaillement en carburant; * rotor central caréné par le tore intérieur et son bouclier qui canalise son flux dans le sens vertical accroissant son efficacité par disparition des tourbillons marginaux en bout de pales protégées par ledit bouclier; le rotor dont le plan de rotation est fixe, comporte seulement un 15 réglage collectif du pas des pales; * annulation du couple gyroscopique du rotor par les propulseurs de vol horizontal, ou par un propulseur arrière réservé à cet effet et à la correction de cap pour les grands aéronefs, notamment en cas de panne d'un des propulseurs de vol horizontal; * peut rester en vol stationnaire ou se déplacer à très faible vitesse, ou à une vitesse jusqu'à au 20 moins 100 km/h selon la motorisation; * évolue de 0 à 2.000 mètres d'altitude ou plus dans le cas de missions spéciales, dans ce cas, il est équipé de moyens de compensation des différences de pression atmosphérique; * réalisable avec les matériaux modernes et légers actuels dont les techniques de mise en oeuvre sont bien connues, de même que sa sustentation et sa motorisation qui sont très simples; * peut effectuer, des missions très diverses, impossibles à un cot raisonnable par les avions ou hélicoptères pour lesquels il intervient comme un complément au delà de leur capacité de charge: transport de passagers; transports de charges très lourdes non fractionnées, au-delà des performances des hélicoptères et avions cargos; protection civile et militaire; intervention en cas de catastrophes naturelles, secours en masse des populations sinistrées en 30 péril; lutte contre les incendies de forêt; à capacité très supérieure, un aéronef apte à transporter 100 tonnes d'eau ou plus, est moins cher qu'un " Canadair ", pas dangereux à utiliser et d'un cot d'exploitation plus économique avec une charge d'eau 15 fois plus importante et avec une mise en oeuvre bien plus efficace et sans danger au chargement, quel que soient les conditions météorologiques et peut travailler de nuit; * travaux dans des lieux inaccessibles etc; transport lourd d'aliments, de matériel dans des zones actuellement inaccessibles (Amazonie, Afrique, Sibérie...). L'invention est décrite en détail dans le texte qui suit en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels: * la figure 1 montre schématiquement en coupe en élévation, un exemple d'aeronef gros porteur selon l'invention; * la figure 2 montre schématiquement en vue de dessus, la division du ballon torique en segments identiques, ainsi que la structure sur laquelle ils sont fixés. les figures 1 et 2 montrent schématiquement en coupe en élévation, un exemple d'aéronef selon l'invention. Il comporte: un ballon torique 1, maintenant de lui-même sa propre forme, constitué d'un ensemble de segments de tore identiques et indépendants, fixés sur une cellule 2 par un ensemble de membrures rayonnantes 3 équidistantes, constitutives de la cellule 2 et solidaires chacune, à leur autre extrémité, d'un carré 4 sur lequel viennent s'assembler les segments 5 du tore 1. La position des carrés 4 est rigidifiée par des portions de profilés 6, 7 et 8, 15 9, de forme annulaire, solidarisées aux angles supérieurs et inférieurs internes et externes des carrés 4. L'axe vertical XX' de la cellule se confond avec celui du ballon 1. D'autres membrures 10,11 ont été montrées à titre d'exemple pour renforcer latéralement les membrures 3. Au dessus de la cellule 2 et à l'équateur YY' du ballon, est disposé un rotor 12 de sustentation. Au droit de ce rotor est disposé un bouclier rigide 13. Ce bouclier est destiné à maintenir un espace constant entre l'intérieur du tore 1 et les pales du rotor 10 en rotation. Il est rendu solidaire des carrés correspondants 4 par des bras 14, 15. Le rotor est entraîné en rotation par une turbine ou tout autre moyen connu. Les rotors de 120m de diamètre ont 9 pales. Le rotor n'a pas besoin de pas cyclique du fait qu'il n'a pour 25 fonction que la sustentation. Il ne comporte qu'un réglage de pas variable des pales. Ces aéronefs, dont le tore a une section importante, présentent une difficile pénétration dans l'air, aussi ils sont prolongés par un volume étanche 16 empli d'hélium, de section triangulaire. Ce volume est réalisé par deux profilés 17,18, solidaires de chacun des carrés 4 des membrures rayonnantes 3, qui maintiennent à leur extrémité un profilé extérieur annulaire 19. 30 Ce profilé 19 coopère avec une toile 20 constituant ledit volume 16 destiné accroître la finesse du maitre-couple et faciliter la pénétration dans l'air. Cette toile 20 passe sur le profilé annulaire 19 et est collée sur le dessus et le dessous du ballon toriquel. Ces aéronefs sont employés pour des utilisations impossibles avec un ancrage au sol pour leur chargement ou leur déchargement, par exemple pour la lutte contre les incendies de forêt, ou lorsqu'ils doivent enlever ou livrer leur charge dans des lieux ne comportant pas d'équipement au sol pour pouvoir les ancrer ou effectuer un ballastage. Pour transporter des charges très lourdes à un cot plus économique, pour des missions permettant un ancrage au sol, on utilise des ballons toriques de plus grosse section, pour alléger totalement l'aéronef à vide et également une partie importante de la charge, ce qui réduit considérablement la consommation de carburant. La propulsion en vol horizontal est effectuée au moyen de deux propulseurs latéraux carénés 10 identiques 24 et 25 comportant chacun un déviateur de jet, qui peuvent, selon la masse de l'aéronef, être entraînés par un moteur thermique classique pour les plus petits, par une turbine ou par un réacteur pour ceux de masse importante; ceux-ci peuvent en comporter plus de deux. On peut disposer à l'arrière de la cellule, un propulseur perpendiculairement aux propulseurs 24 et 25, pour assurer la fonction de maintien du cap en cas de panne de l'un des propulseurs en 1 5 vol horizontal. Des béquilles 30 sont disposées pour obtenir une large assise pour permettre de mieux résister au vent lorsque l'aéronef est au sol. La figure 2 montre schématiquement, en vue de dessus, le tore 1 d'allégement divisés en segments de 30 . Cette division pourrait être de 22030 ou 150 ou autres selon le diamètre 20 extérieur de l'aéronef Cette division en segments facilite sa construction; elle offre une meilleure sécurité en cas de fuite d'un des segments; elle permet le passage de gaines techniques entre les segments qui sont fermés à leurs extrémités et forment des volumes étanches séparés. Ces volumes peuvent être assemblés de diverses façons: soit par laçage, soit par collage en bordure périphérique; soit par couture et collage après passage des gaines techniques ou canalisations de fluide, ou encore au moyen de cordons et d'attaches câbles. Ces canalisations sont rendues solidaires de l'enveloppe de leur segment de tore au moyen de renforts de type connus, rapportés cousus et/ou collés. Des renforts et moyens de fixation des carrés 4 d'immobilisation du tore 1, sont rapportés sur chaque extrémité de l'enveloppe de chaque segment de tore. Chaque segment possède un trou d'homme qui permet une visite interne dans le cas ou les segments comportent chacun un volume d'air à 8 bars pour compenser les différences de pression en altitude. Le maintien permanent de la forme de chacun des segments de tore en fonction des variations de température et de pression extérieure, est assuré par des moyens de compensation de volume d'air et de volumes de gaz d'allégement, en apport ou en retrait d'air ou de gaz d'allégement par le moyen de pompes disposées dans la salle des machines de la cellule. Des capteurs électroniques de pression disposés dans chacun des tores et des volumes de gaz d'allégement, contrôlent automatiquement les besoins de compensation d'air ou de gaz, soit 5 en plus, soit en moins, au moyen d'électrovannes disposées sur les canalisations de fluide, ellesmêmes reliées à un réservoir tampon. Le passage de ces canalisations s'effectue entre les segments de tores. Les canalisations de fluide de chaque segment de tore et/ou de cylindres sont rendues solidaires de l'un des côtés dudit segment avant assemblage. Les profilés circulaires 6, 7 et 8, 9 qui relient les carrés 4 entre eux, sont tangent au diamètre extérieur du tore. Le tore est rendu solidaire de ces profilés par des passants rapportés, soit de place en place, soit sur toute leur longueur. 8 2851224 REVENDICATIONS: 1 - Aéronefs hybrides, équipés d'une voilure tournante de sustentation, d'un système d'allègement et de moyens de propulsion en vol horizontal, caractérisés en ce que le système d'allégement comporte un tore (1) prolongé vers l'extérieur par un second volume (16) de section triangulaire, en ce que le tore est composé d'un ensemble de segments indépendants et identiques (5), emplis chacun d'un gaz plus léger que l'air, maintenant d'eux-mêmes leur propre forme par la pression interne de ce gaz, dont le volume global est défini selon la masse à vide dudit aéronef à alléger en le conservant très légèrement plus lourd que l'air à vide, en ce qu'il comporte une cellule (2) sur laquelle ledit système d'allégement est fixé, en ce que la totalité de 10 la charge marchande est portée par une grande voilure tournante carénée (12), à axe vertical XX', comportant uniquement un réglage du pas des pales et ses moyens de motorisation. 2 - Aéronefs hybrides selon la revendication 1, caractérisés en ce que leur système d'allégement est constitué d'un ballon torique (1) comportant un ensemble de segments identiques indépendants (5), en tissu à haute résistance mécanique, étanche à l'hélium, en ce que chaque 15 segment (5) du tore comporte, à ses extrémités fermées, des moyens de solidarisation avec les segments voisins, et des moyens de fixation sur chaque carré (4), prolongeant les membrures (3) de la cellule, disposé entre les extrémité de chaque segment du tore. 3 - Aéronefs hybrides selon les revendications 1 et 2, caractérisés en ce que le ballon torique (1) du système d'allégement, est prolongé par le volume de section triangulaire (16), dont la toile 20 (20) est engagée sur un profilé circulaire (19), et collée sur le dessus et le dessous du ballon torique (1). 4 - Aéronefs hybrides selon les revendications 1 à 3, caractérisés en ce que l'espace entre les segments identiques (5) du tore, assemblés sur les carrés (4) prolongeant les membrures de la cellule centrale, est obturé de façon à rendre étanche le volume extérieur (16) de section 25 triangulaire. - Aéronefs hybrides selon les revendications 2 et 4, caractérisés en ce que chacun des segment (5) du tore d'allégement comporte à ses deux extrémités, un cordon en fibres à haute résistance mécanique assemblé en anneau et fixé par collage et couture à la périphérie des extrémité de chaque segment en laissant subsister de place en place un dégagement pour l'assemblage rapide 30 sur le cordon correspondant du segment voisin au moyen d'attaches câbles après fixation de chacune desdites extrémités sur la membrure de la cellule. 6 - Aéronefs hybrides selon les revendications 3 et 4, caractérisés en ce que les membrures rayonnantes (3) de la cellule, sur le carré (4) de chacun desquelles sont fixés les segments de tore, sont prolongées chacun par deux profilés (17, 18) fixés à leur extrémité sur le profilé extérieur (19), coopérant avec la toile de recouvrement (20) constituant le volume extérieur (16) destiné accroître la finesse du maitre-couple et faciliter la pénétration dans l'air. 7 - Aéronefs hybrides selon la revendication 1, caractérisés en ce que le bouclier (13), des pales du rotor central (12) de sustentation à axe vertical, est constitué, selon le fractionnement du tore, d'un ensemble d'éléments verticaux annulaires fixés chacun sur la partie intérieure verticale de chaque carré (4) prolongeant les membrures (3) de la cellule, par des bras (14, 15), ledit 10 bouclier de pales faisant office de carénage. 8 - Aéronefs hybrides selon la revendication 1, caractérisés en ce que les propulseurs (24, 25) de vol horizontal sont fixés sur les membrures (3) de la cellule centrale. 9 - Aéronefs hybrides selon les revendications 2, 4 et 5, caractérisés en ce que les membranes de fermeture disposées à chaque extrémité de chaque segment du tore d'allégement (5), sont 15 assemblées avec leur voisine en laissant passer entre elles des canalisations destinées au remplissage et au maintien permanent de la forme de chacun des segments des tores en fonction des variations de température et de pression extérieure, en ce que ce maintien est assuré par des moyens de compensation de volume d'air et de volumes d'hélium, en apport ou en retrait d'air ou de gaz d'allégement dans lesdits volumes, au moyen de pompes disposées dans la salle des 20 machines de la cellule en coopération avec des capteurs électroniques de pression contrôlant automatiquement cette compensation au moyen d'électrovannes disposées sur les canalisations de fluide, ellesmêmes reliées à des réservoirs tampons. - Aéronefs hybrides selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisés en ce qu'ils comportent des béquilles (30) d'appui au sol, munies chacune d'un moyen d'amortissement hydraulique 25 coopérant avec un accumulateur hydraulique et un moyen de correction d'assiette au sol agissant sur leur hauteur par rapport au sol, en communication avec un capteur de pression se trouvant sous chacun des pieds et un moyen de contrôle du poids de l'engin au décollage ou à vide. 11 - Aéronefs hybrides selon la revendication 1, caractérisés en ce que pour transporter des 30 charges très lourdes à un cot plus économique, pour des missions permettant un ancrage au sol, on utilise des ballons toriques de plus grosse section, pour alléger totalement l'aéronef à vide et également une partie importante de la charge. 2851224 12 - Aéronefs hybrides selon la revendication 1, caractérisés en ce que les profilés circulaires (6, 7 et 8, 9) qui relient les carrés (4) entre eux, sont tangent au diamètre extérieur du tore (1), en ce que le tore est rendu solidaire de ces profilés par des passants rapportés, soit de place en place, soit sur toute leur longueur.