Brevet FR2860211A1 — publié le 20050401

MECANISME DE COUPLAGE MECANIQUE DES COMMANDES POUR AERONEF A VOILURES CONTRAROTATIVES. La présente invention relève du domaine des aéronefs à ailes tournantes, elle concerne plus particulièrement les aéronefs à voilures tournantes contrarotatives Ces machines sont issues de concepts anciens. Dans cette famille, il existe maintenant dans le domaine publique, celui des voilures tournantes contrarotatives coaxiales, avec en particulier celui de deux rotors couronnes tournantes en sens inverse autour d'une nacelle soit en version drone, soit en version nacelle habitée, Il existe également dans le domaine publique le procédé du pilotage de la machine par la commande de l'incidence des pales par un rotor de commande ou par des anneaux de commandes. Citons entre autres les brevets dont les trois derniers sont actifs: RONTEIX N 1.082.009 du 19 mai 1953 FR SPERRY N 597082 du 10 août 1944 USA BAKEWELL N 2740595 du 3 avril 1956 USA. ROGER DURAND N 0 215 719 du 7 mai 1985 EUR DANIEL PAUCHARD N FR86/00330 du 27 septembre 1985 CYCON N 0457 710 A3 du 18 mai 1990 EUR DANIEL PAUCHARD N FR01/00149 du 20 janvier 2000 FR MICHEL GUILHOT- GAUDEFFROY N 0307364 du 18Juin 2003 FR La présente invention prend en compte le fait connu que sur ces machines, les rotors en mouvement soumis à des forces réagissent comme un gyroscope en mouvement soumis à des forces: Soit un gyroscope, par exemple un disque disposé parallèlement dans un plan modélisé par deux axes xx' et yy' perpendiculaires se coupant en une origine o, centre de gravité du gyroscope et selon un axe zz' de rotation du disque et, passant par son origine perpendiculairement à ce plan. Quand ce gyroscope est en mouvement et que par exemple il est soumis à une force parallèle à son axe de rotation et située par exemple sur l'axe xx' hors de l'origine, le gyroscope bascule autour de l'axe xx' comme si la force était appliquée, le gyroscope à l'arrêt, en avance de 90 , soit ici sur l'axe yy' à même distance du centre o, Dans le cas des commandes de tangage comme de roulis d'un hélicoptère mono rotor, il est créé une force de poussée sur la pale dont l'action sur le rotor en rotation, constituant gyroscope, se traduit par une inclinaison du rotor comme si la force eut été décalée de 90 , rotor à l'arrêt. Dans le cas d'aéronef à voilures tournantes contra rotatives, autour d'un mât comme d'une nacelle cylindrique, pour avoir une contribution harmonieuse des rotors, pour le tangage comme pour le roulis il est impératif que soient inversés les ordres de contribution réglant les angles de pas sur chaque pale correspondante appartenant à chacun des rotors quand elles se croisent qu'ils soient: - par action directe sur les pales, système électrique par exemple, - par action sur une liaison mécanique (biellette) sur les manchons des pales, liaison commandée par la position de son anneau de commande correspondant (lui-même entraîné par son rotor correspondant), positionné en hauteur par rapport au plan des rotors et en inclinaison par rapport à celui-ci en trois points à 120 dans l'espace par le positionnement vertical de galets reliés à un patin indépendant dont les déplacements verticaux se font par l'action d'un servomoteur ( liaison directe ou indirecte par levier), qui sont couplés électroniquement pour les ordres de tangage, roulis, pas général, lacet, cyclique de translation, autorotation, ou comme ici dans la présente invention par un couplage mécanique des commandes décrit plus loin. Lors du montage de la roue conique qui couple les rotors contrarotatifs, les rotors sont de préférence calés avec pales superposées avec leur axe d'articulation de pas dans le plan de croisement. Dans le cas général où les pales sont munies de manchon avec bras latéral de liaison à une biellette de contrôle de pas, et que cette biellette agit de façon approximativement perpendiculaire au bras pour pleinement bénéficier de l'effet de levier, pour faciliter le système de commande, il est ici décrit que les patins deux à deux associés glissent dans des rails distants selon un angle proportionnel à deux longueurs du bras de manchon et quand les pales de chaque rotor se croisent au droit de chaque groupe de support de patin, les rails associés sont distant du plan de croisement du même angle. Les anneaux de guidage sont symétriquement déplacés en inclinaison opposée par les ordres de tangage et roulis comme une commande multidirectionnelle dans le cas d'aéronef à voilure tournante contrarotatives coaxiales. Dans le cas de commande de tangage et de roulis les anneaux de guidage de chacun des deux rotors ne sont pas parallèles contrairement à ce qui est décrit dans le brevet sur la sécurisation du gyroptère PAUCHARD N FR01/00149 du 20 janvier 2000 FR. Dans le brevet 0307364 de GUILHOT GAUDEFFROY sur un nouvel aéronef à voilures contrarotatives coaxiales sur couronnes et à sécurité renforcée, il est proposé une commandes du déplacement des patins de guidage de chaque anneau de guidage entre autre par action réglée sur six servomoteurs indépendants dont les commandes de base sont couplées électroniquement. La commande de pas général y est obtenue par un déplacement vertical identique des anneaux de guidage de chaque rotor. La commande de lacet par le rapprochement ou l'écartement de ces anneaux symétriquement, La commande du cyclique de translation obtenue en corrélation avec la commande de lacet par un pincement des anneaux fonction du sens du vent relatif, commande davantage nécessaire sur les rotors tournants à faible vitesse par rapport à ce vent relatif ou que la vitesse de translation est importante par rapport à la vitesse de rotation du rotor. Le phénomène de variation cyclique du vent relatif sur les pales d'un rotor induirait un déséquilibre de portance si le phénomène de battements des pales couplé au positionnement des biellettes ne venait pas compenser ce déséquilibre La commande de direction tangage et roulis multidirectionnelle dans le cas d'un aéronef à voilure contrarotatives coaxiales est obtenue par une inclinaison opposée des anneaux de guidage de chacun des rotors contra rotatifs et symétriquement avec le décalage du au positionnement angulaire des rails des patins de guidage correspondants, proportionnellement au bras de réglage de pas du manchon. Plus particulièrement pour le cas d'usage drone de la machine, le couplage électronique avec six servomoteurs indépendants est privilégié pour des choix de fiabilité et d'automatisme. Les machines sont plus prévues conduites que pilotées. Cependant plus particulièrement, dans le cas des applications modélisme, c'est l'économie qui est recherchée, de plus les pilotes ont l'habitude des télécommandes du modélisme avec des programmes d'aide au pilotage commandant par un servomoteur le pas général, par un autre le tangage, par un autre le roulis et par un quatrième le lacet. Un nouveau mécanisme de couplage mécanique des commandes pour aéronef à voilures contrarotatives est ici inventé. Les trois groupes de patins indépendants (16-16' etc.) ; des anneaux de guidage associés à chacun des rotors contrarotatifs sont actionnés par six câbles gainés dont une extrémité de leur gaine {13) est fixée sur la nacelle (N), l'autre extrémité sur la branche de la croix de lacet correspondante faisant partie du mécanisme ci-après décrit. Une extrémité du câble est fixé sur son patin (16), ou avantageusement en y ajoutant un levier démultiplicateur (17) et l'autre extrémité (12) sur la branche correspondante de la croix six branches à 60 , principale du mécanisme. Ce mécanisme de couplage mécanique des commandes pour aéronef à voilures contrarotatives est concevable avec les mêmes matériaux que ceux des hélicoptères du modélisme, avec les mêmes précisions attendues, la différence technologique vient des câbles (tirer, pousser) de commandes, hors ils existent agréés aéronautiques pour les grosses machines et ils en existent de nouveaux pour les petites machines, la biellette(17) levier est prévue pour réglée la précision nécessaire, de plus dans une conception avantageuse, la gaine (13) ou une couverture additionnelle de gaine sera en matériaux rétractables permettant de rigidifier la gaine une fois celle-ci en place pour diminuer au plus les jeux dus à son éventuel déplacement. Ce mécanisme peut être placé dans la nacelle sans exigence, il comporte un axe principal(2) lié à la nacelle(l), un tube(3) terminé par une rotule entoure un bout de cet axe, sur cette rotule est placée une croix principale {14) en forme de volant ou pas, elle possède six branches à 60 (4), chacune permettant la fixation d'une des extrémités des six câbles des six patins correspondants, ces fixations sont diamétralement opposées pour chaque couple de patin (16-16'). Leurs positionnements sur les branches sont réglables pour les mises au point éventuelles. Cette croix est positionnée en hauteur par un servomoteur (18) de pas général fixé sur la nacelle (1) pour le réglage du pas général, et tous les câbles délacent les patins (16-16' etc.) en hauteur de même manière. Cette croix est inclinée par l'action de deux servomoteurs un de tangage (8), un de roulis (6) disposés à 90 fixé sur un plan (5-7) lié perpendiculairement au tube (3), ceci a pour effet d'incliner la croix dans une direction, et donc de positionner par les câbles (13-13' etc.) les patins des anneaux de guidage, provocant l'inclinaison de la machine dans la direction désirée. Sur le tube (3) sont positionnées perpendiculairement au tube (3) deux croix (11-11') à trois branches à 120 dont le déplacement selon le tube (3) est actionné par deux biellettes, d'un servomoteur de lacet fixé sur le plan lié au tube (3), ceci a pour effet de déplacer par action sur les câbles, les deux anneaux de guidage symétriquement écartés induisent par un différentiel entre les pas des pales du rotor haut par rapport au rotor bas, la rotation sur place de la nacelle, (effet sur l'équilibre aérodynamique des rotors en rotation contrarotatifs). Ces croix disposent d'un mécanisme supplémentaire non représenter ici avec action de servomoteurs liés à ces croix et fixés sur le même plan de référence que celui pour le servomoteur de lacet dans le cas de la mise en place d'un cyclique de translation, en ce cas ces croix sont inclinées, pincées, par rapport au sens du vent relatif. Le poids de ce mécanisme est compensé par le gain de poids sur l'économie du nombre de servomoteurs par rapport à la solution de couplage électronique, l'encombrement supplémentaire n'est pas signifiant du fait qu'une machine télécommandée possède moins d'équipements électroniques, et dans le cas d'une version de pilotage automatique ou semi automatique toutes les platines électroniques de commandes automatiques existantes pour les machines mono rotor sont directement utilisables. Il est à noter qu'en cas de mise en place d'une commande pour la maîtrise du cyclique de translation il pourra être choisi avantageusement de disposer d'une motorisation électrique par rotor avec bobinage sur le carénage et aimant en bout de pale, ceci a pour effet de limiter les battements et de pouvoir avoir un contrôle électrique de la contra rotation. Les nouveaux matériaux tant pour les aimants que pour les bobines permettent des allégements dans ce domaine. 30 REVENDICATIONS 1. Aéronef à voilures tournantes contrarotatives coaxiales, avec plusieurs couples de rotors comme avec pour l'exemple celui de deux rotors couronnes tournantes en sens inverse autour d'une nacelle soit en version drone, soit en version nacelle habitée, avec procédé du pilotage de la machine par la commande de l'incidence des pales par des anneaux de commande, caractérisée en ce qu'un mécanisme (Figure 1 pour le principe) de couplage mécanique de commande pour aéronef à voilures contrarotatives actionnent dans l'exemple décrit les patins et leur guide associé positionnant dans l'espace des anneaux de guidage qui eux-mêmes commandent le pas des pales, permettant la maîtrise du pas général sur un ordre (servomoteur par exemple), le tangage et roulis sur deux ordres indépendants (servomoteurs par exemple) mettant en valeur les capacités de vol multidirectionnel de la machine, le lacet qui par un ordre indépendant permet de conserver un cap avec assistance automatique, et de forcer un pointage dans une direction sans modification du Cx même si la machine évolue dans une autre direction, ou en géostationnaire dans un vent par rapport au sol (mixage du lacet avec le tangage et le roulis), le cyclique de translation avec ordre fonction du sens du vent relatif, et également 1'autorotation. 2. Aéronef à voilures tournantes contrarotatives coaxiales, équipé d'un système mécanique de couplage selon revendication 1, et dans le cas de l'utilisation de câbles mécaniques de liaison Figure 1 - (13-14 etc.) il sera avantageusement utiliser une gaine ou un habillage de gaine termodurcissant pour pouvoir rigidifier le câble en place et mieux maîtriser les éventuels jeux dans les commandes, 3. Aéronef à voilures tournantes contrarotatives coaxiales, selon revendication 1 dont le système de commande permettant le contrôle du cyclique de translation, il est revendiqué la possibilité d'utiliser le carénage quand il y en a pour y introduire des bobinages en relation avec des aimants fixés en bout de pales constituant motorisation indépendante des rotors contrôlables en vitesse et en contra rotation.