Brevet FR2874205A1 — publié le 20060217

Procédé et dispositif de suspension active d'un aéronef â voilure tournante. La présente invention est relative â un procédé et â un dispositif de suspension active d'un aéronef â voilure tournante. Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication de systèmes de suspension d'hélicoptères. La présente invention s'applique aux trains d'atterrissage des aéronefs, et en particulier des giravions, pour améliorer leur comportement en cas d'atterrissage dur ou de crash. Divers systèmes ont déjà été décrits pour adapter la raideur et/ou la dureté d'amortissement d'une suspension d'un véhicule. Le brevet US 4 730 816 décrit un dispositif de commande de dureté d'une suspension d'un véhicule routier; le dispositif comporte deux chambres reliées par une canalisation équipée d'une valve â commande électromagnétique à deux étranglements, et un accumulateur hydropneumatique formant ressort; la valve unique rapide influence la dureté du ressort et celle de l'amortisseur, en fonctions de signaux délivrés par des capteurs à un dispositif électronique qui commande la position de la valve. La dureté de l'amortissement est mesurée à tout instant, et sa valeur souhaitée est calculée par le dispositif électronique, puis est appliquée à la valve de commande; la dureté d'amortissement et de suspension peut varier en fonction de l'état de la chaussée, de l'état de charge, de l'accélération ou de la vitesse du véhicule, par exemple selon une loi d'asservissement provoquant une diminution de la dureté de suspension à faible vitesse. Le brevet US 5 276 622 décrit un système de commande de variation du coefficient d'amortissement d'un amortisseur destiné à éviter les chocs de fin de course. 2874205 2 Le brevet US 6 120 009 décrit un absorbeur de choc pour un train d'atterrissage d'avion, dont la longueur, la raideur, et la dureté d'amortissement sont variables en fonction de signaux délivrés par des capteurs â un dispositif électronique commandant trois vannes contrôlant le débit de fluide entrant ou sortant d'une des chambres de l'absorbeur de choc; les capteurs peuvent être sensibles â des paramètres de fonctionnement de l'amortisseur tels que la vitesse du piston, â des paramètres de fonctionnement de l'avion tels que sa vitesse, et/ou â des paramètres du train d'atterrissage. Le document Testing of Semiactive Landing Gear Control for a General Aviation Aircraft , Gian Luca Ghiringhelli, Journal of Aircraft, vol.37, n 4, July-August 2000, pages 606-616, propose des modèles mathématiques de comportement du pneumatique et de l'amortisseur d'un train d'atterrissage, et décrit les expérimentations destinées â valider ces modèles et leurs applications au contrôle d'une valve de commande de dureté d'un amortisseur. Le brevet US 6 474 598 décrit un amortisseur oléopneumatique pour un train d'atterrissage qui comporte une bobine électromagnétique pour contrôler la viscosité d'une huile magnéto-rhéologique s'écoulant d'une chambre â l'autre de l'amortisseur. Un objectif de l'invention est de proposer un système amélioré de suspension active pour un aéronef; un objectif de l'invention est de remédier aux inconvénients et lacunes des systèmes connus de suspension d'aéronefs. Un objectif de l'invention est de proposer un procédé et un dispositif améliorés de suspension pour un aéronef â voilure tournante, et en particulier pour un hélicoptère. Un objectif de l'invention est de proposer un train d'atterrissage d'hélicoptère â amortisseur asservi adapté â l'hélicoptère, et/ou adapté aux atterrissages durs (et/ou aux crashs ). 2874205 3 Un objectif de l'invention est de proposer un aéronef équipé d'un système amélioré d'asservissement de la dureté d'un train d'atterrissage. L'invention s'applique en particulier aux hélicoptères comportant une cellule ou structure centrale supportant un rotor principal et au moins un groupe de motorisation; l'hélicoptère comporte en outre une poutre de queue reliée â la structure centrale et supportant un rotor arrière. Conformément â un aspect de l'invention, l'asservissement de la dureté d'un amortisseur d'un train d'atterrissage de l'aéronef est effectué en fonction - notamment - d'une donnée représentative de la période 10 correspondant â une fréquence propre de déformation de la structure de l'aéronef. En d'autres termes, et selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de commande de la dureté d'un amortisseur d'un train d'atterrissage d'un aéronef, l'aéronef comportant une structure déformable selon un mode propre de déformation et selon une fréquence propre, procédé dans lequel on ajuste cette dureté, au cours d'une contraction (ou compression) de l'amortisseur, en fonction de ladite fréquence propre. Selon des modes préférentiels de réalisation: on mesure un effort transmis par le train d'atterrissage â la 20 structure déformable, et on ajuste ladite dureté en fonction de l'effort transmis mesuré ; - alternativement - ou en outre - on peut mesurer une vitesse de compression de l'amortisseur, et ajuster ladite dureté en fonction de la vitesse de compression mesurée; - l'amortisseur présentant deux chambres de fluide communicant par un conduit équipé d'une vanne ou d'une valve â ouverture variable, on fait varier l'ouverture de la vanne ou valve pour ajuster la dureté de l'amortisseur; 2874205 4 - on ajuste la dureté de l'amortisseur pour répartir l'énergie d'un choc â l'atterrissage sur une durée voisine de l'inverse de ladite fréquence propre; on sélectionne et/ou on élabore une loi d'asservissement de l'ouverture d'une vanne ou valve â ouverture variable de l'amortisseur, en fonction de paramètres d'un atterrissage en cours; - pour sélectionner et/ou pour élaborer ladite loi, on utilise des données enregistrées et/ou mesurées relatives â l'assiette de l'aéronef, la vitesse verticale de l'aéronef, la sustentation de l'aéronef, la masse de l'aéronef, la position du centre de gravité de l'aéronef, la position du train d'atterrissage de l'aéronef, la raideur du train d'atterrissage de l'aéronef, la chaîne cinématique du train d'atterrissage de l'aéronef. En d'autres termes, et selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif d'asservissement de la dureté d'un amortisseur d'un train d'atterrissage d'un aéronef comportant une structure présentant au moins une fréquence propre de déformation; le dispositif comporte un système d'ajustement de cette dureté et/ou d'un effort transmis par le train d'atterrissage â la structure - au cours d'un atterrissage - en fonction d'une donnée de durée correspondant â l'inverse de ladite fréquence propre. Selon un mode préféré de réalisation, lors d'un atterrissage de l'aéronef et pendant la course de compression (raccourcissement) d'un amortisseur d'un train d'atterrissage relié â la structure de l'aéronef, la dureté de l'amortisseur est asservie de façon â ce que l'effort transmis par le train d'atterrissage â la structure de l'aéronef soit maximal pendant une durée voisine de la période correspondant â une fréquence propre de déformation de la structure de l'aéronef. Avantageusement, la dureté de l'amortisseur est asservie de façon que le rapport de la durée (D) â la période (P) est supérieur â 0,8 et 2874205 5 inférieur à 1,2; ceci équivaut à ce que le produit de cette durée par la fréquence propre considérée soit compris dans la même plage de valeur. Idéalement, la dureté de l'amortisseur est asservie de façon que le rapport de la durée (D) à la période (P) soit égal à 1; ceci équivaut à ce que le produit de cette durée par la fréquence propre considérée soit égal à 1. Dans le cas particulier d'un aéronef à voilure tournante dont la structure comporte un mode propre de déformation par flexion (latérale ou verticale) de la poutre de queue, la dureté de l'amortisseur est commandée, lors d'un atterrissage avec une vitesse verticale d'approche d'au moins 2 mètres par seconde, de façon à répartir dans le temps l'énergie et/ou l'effort transmis(e) par le train d'atterrissage à la structure, pendant une durée voisine de la période calculée à partir de la fréquence propre correspondant audit mode propre de déformation de la poutre de queue. L'invention permet de minimiser la réponse dynamique de la structure lors d'un atterrissage en contrôlant de manière active le comportement des trains d'atterrissage. L'invention permet ainsi de limiter les efforts crêtes exercés sur la structure et les déformations résultant de ces efforts; cette diminution, qui peut dans certaines conditions atteindre, voire dépasser 40%, permet de réduire le dimensionnement - et par conséquent la masse - de la structure, ou bien d'augmenter la capacité d'atterrissage dur/crash de l'appareil, c'est-à-dire sa vitesse d'impact maximale admissible. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent dans la description suivante, qui se réfère aux dessins annexés et qui illustre, sans aucun caractère limitatif, des modes préférés de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre schématiquement un système de contrôle actif du train d'atterrissage selon l'invention. 2874205 6 La figure 2 illustre un exemple d'implantation d'un capteur de mesure de l'effort transmis â la structure par un train d'atterrissage. La figure 3 est un chronogramme schématique illustrant l'adéquation de la durée d'un créneau d'effort transmis par le train, â l'inverse de la fréquence propre de la structure excitée par le train. L'invention se base notamment sur des études et essais d'hélicoptères, qui mettent en évidence un couplage entre la structure de l'hélicoptère et les trains d'atterrissage, en particulier lors d'atterrissages â grande vitesse verticale (2 m/s Dans le cas particulier d'un hélicoptère, la poutre de queue est un élément structural très sollicité lors d'un atterrissage en raison du porte-à-faux important qu'il présente par rapport à la structure centrale; le moment des efforts d'inertie à l'encastrement est élevé. Des enregistrements de contraintes ont montré que la poutre de queue n'est pas seulement sollicitée en statique par la montée en effort brutale dans le train, mais aussi en dynamique, par un phénomène de résonance, à la fréquence propre correspondant à un mode propre de déformation par flexion de la poutre de queue. Le système d'asservissement selon l'invention permet d'adapter l'excitation de la structure par le train d'atterrissage à la fréquence propre de l'élément structural le plus critique, de façon à minimiser la valeur crête d'effort dans cet élément structural et donc de pouvoir alléger son dimensionnement. 2874205 7 Le contrôle de l'excitation de la structure par le train se fait en étalant plus ou moins la largeur du créneau d'effort transmis dans le train. Sur le schéma de la figure 3 sont représentées (en ordonnées) les variations en fonction du temps (en abscisse) de l'excitation EF de la structure par le train, et de la réponse RS de la structure â cette excitation. En désignant par D la durée du signal d'excitation et w la pulsation de la réponse structurale, la loi d'asservissement a pour object de déterminer la valeur Dmin de la durée D qui minimise la réponse structurale RS; la réponse minimale est généralement obtenue lorsque le rapport i=D/(2./w) vaut 1, ce qui correspond â une opposition de phase des signaux: le signal d'excitation EF s'annule en même temps que la réponse structurale, ce qui réduit cette dernière. A l'inverse, la réponse maximale est obtenue en particulier lorsque ce rapport vaut 1/2 ou 3/2: dans ce cas, le front descendant de l'excitation relance la réponse structurale. A titre d'exemple, pour une structure déformable d'hélicoptère présentant une fréquence propre de 5 Hertz, on asservit l'ouverture de la vanne pour obtenir un créneau d'effort exercé sur la structure, dont la durée est voisine de 200 milliseconde, par exemple située dans une plage allant de 160 â 240 ms. L'expression simplifiée de l'effort train en fonction du temps est de la forme: EF(t) = C(t).dx/dt, C(t) désignant le coefficient d'amortissement du train, dont la valeur est réglée â chaque instant par le système d'asservissement, et dx/dt désignant la vitesse d'enfoncement ou d'extension du train. Sachant que l'effort EF est borné par la limite de résistance statique EFmax de la liaison entre ferrure du train et structure de l'appareil, qui est le point d'introduction des efforts dans la structure, et que la vitesse est mesurée en permanence au moyen d'un capteur, le calculateur 2874205 8 d'asservissement va rechercher en temps réel la valeur de C(t) qui donne le rapport i le plus proche de 1 tout en respectant la contrainte EF En variante, on peut faire entrer dans l'expression de EF(t) des termes supplémentaires pour tenir compte en particulier des caractéristiques de raideur et d'amortissement du pneumatique et du gaz dans l'amortisseur du train. L'expression générale de EF(t) est alors de la forme: EF(t) = C(t). dx/dt + Kx, K étant un terme de raideur (pneumatique, gaz,...). Le système de contrôle actif du train selon l'invention permet d'asservir la courbe d'effort EF transmis par le train aux conditions d'atterrissage, â l'aide d'une loi préétablie adaptée aux conditions particulières du présent atterrissage; la loi est conçue pour limiter la valeur crête de la réponse RS de la structure déformable, et étaler dans le temps l'énergie de l'impact. Pour réaliser ce contrôle actif, il est nécessaire de disposer des moyens illustrés figure 1, â savoir: a) une mémoire 34 de stockage de données mémorisées et/ou mesurées définissant la "configuration d'atterrissage" : conditions d'atterrissage (assiette, vitesse verticale, sustentation,...), masse et centre de gravité de l'appareil, caractéristiques du train (position, raideur, cinématique,...) ; b) un capteur 22 de mesure des efforts exercés par le train sur la structure de l'hélicoptère au cours de l'atterrissage, et/ou un capteur sensible â la vitesse de compression de l'amortisseur; c) un calculateur 31, 32, 33 qui assure la sélection ou l'élaboration d'une loi (Effort = f(t)) respectant la condition EF Lorsque des lois d'asservissement sont prédéterminées, elles sont stockées dans la mémoire 34; alors, un sélecteur 33 du calculateur 31 sélectionne, à partir des informations qui lui sont fournies par la mémoire 34, la loi la mieux adaptée aux paramètres d'atterrissage du moment. En variante, une loi d'asservissement peut être élaborée par un module (non représenté) de calcul de loi d'asservissement qui est implanté dans le calculateur. Un module d'asservissement 32 a pour rôle de piloter l'actionneur 18 à partir des mesures d'effort délivrées par un capteur 22, en respectant la loi d'asservissement sélectionnée. L'actionneur comporte un organe de contrôle agissant directement sur les caractéristiques d'amortissement du train (par laminage du fluide), ainsi qu'un moyen d'entraînement de cet organe de contrôle, commandé par le calculateur, qui amplifie le signal électrique de commande et le convertit en un mouvement mécanique de l'organe précité. L'organe de contrôle peut être un orifice de section variable, du type diaphragme. Toutefois, les contraintes internes au train peuvent rendre difficile le dimensionnement d'un tel organe; on peut alors préférer un organe du type soupape, qui vient obturer plus ou moins un orifice de laminage d'huile circulant d'une chambre de l'amortisseur à une autre. L'entraînement de l'organe est effectué par un moteur électrique piloté par le calculateur. En variante, l'entraînement de l'organe peut être hydraulique puisque le mouvement de compression du train au cours de l'atterrissage provoque un déplacement du fluide hydraulique d'amortissement: cette source d'énergie "gratuite" est disponible; le moyen d'entraînement est alors du 2874205 10 type servocommande, avec un distributeur piloté électriquement par le calculateur. Selon une autre variante, au lieu de modifier l'orifice de laminage du fluide, on peut utiliser un fluide dont on modifie les caractéristiques de viscosité, en particulier un fluide magnéto-rhéologique dont la viscosité peut être contrôlée au moyen d'un courant électrique. La mesure, l'acquisition et/ou l'enregistrement - dans une mémoire du système 31 à 34 de calcul embarqué à bord de l'aéronef concerné - des paramètres de l'atterrissage en cours et des paramètres propres à l'aéronef concerné, peut notamment être réalisé à l'aide des systèmes décrits dans les brevets US 4,312,042 et US 3,426,586; pour la mesure des efforts transmis au train par l'essieu et transmis à la structure de l'aéronef par le train, des inclinomètres ou des jauges de contraintes JDC1, JDC2 fixées en amont ou en aval de l'amortisseur 10. La position et/ou la vitesse de compression (et inversement de détente) d'un amortisseur 10 oléopneumatique du train d'atterrissage 19, selon son axe longitudinal 16, peut être déterminée à partir des signaux délivrés par deux accéléromètres (ACC1 et ACC2 figure 2) respectivement solidaires des pièces ou ensembles relié(e)s par l'amortisseur 10: une pièce 13 reliant un essieu 11 (équipé de roues 12) à l'extrémité inférieure de l'amortisseur 10, d'une part, et des pièces 14, 15 (partiellement et schématiquement représentées) reliant l'extrémité supérieure de l'amortisseur 10 à la structure principale de l'aéronef (non représenté), d'autre part. 11 REVENDICATIONS 1. Procédé de commande de la dureté d'un amortisseur (10) d'un train d'atterrissage (19) d'un aéronef, l'aéronef comportant une structure (14, 15, 21) déformable selon une fréquence propre (FP), caractérisé en ce qu'on ajuste la dureté au cours d'une compression de l'amortisseur en fonction de ladite fréquence propre. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on mesure un effort (EF) transmis par le train d'atterrissage â la structure déformable, et on ajuste ladite dureté en fonction de l'effort transmis mesuré. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on mesure une vitesse de compression de l'amortisseur, et on ajuste ladite dureté en fonction de la vitesse de compression mesurée. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 â 3, dans lequel l'amortisseur présente deux chambres de fluide communicant par un conduit équipé d'une vanne ou d'une valve (18) â ouverture variable, dans lequel on fait varier l'ouverture de la vanne ou valve pour ajuster la dureté de l'amortisseur. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 â 4, dans lequel on ajuste la dureté de l'amortisseur pour répartir l'énergie d'un choc â l'atterrissage sur une durée (D) voisine de l'inverse (Dmin) de ladite fréquence propre. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 â 5, dans lequel on sélectionne et/ou on élabore une loi d'asservissement de l'ouverture d'une vanne ou valve â ouverture variable de l'amortisseur, en fonction de paramètres d'atterrissage en cours. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel, pour sélectionner et pour élaborer ladite loi, on utilise des données enregistrées et/ou mesurées relatives â l'assiette de l'aéronef, la vitesse verticale de 2874205 12 l'aéronef, la sustentation de l'aéronef, la masse de l'aéronef, la position du centre de gravité de l'aéronef, la position du train d'atterrissage de l'aéronef, la raideur du train d'atterrissage de l'aéronef, la chaîne cinématique du train d'atterrissage de l'aéronef. 8. Dispositif (20) d'asservissement de la dureté d'un amortisseur d'un train d'atterrissage (19) d'un aéronef comportant une structure (14, 15, 21) présentant au moins une fréquence propre de déformation (FP), caractérisé en ce qu'il comporte un système (31 â 34) d'ajustement de cette dureté et/ou d'un effort transmis par le train d'atterrissage â la structure - au cours d'un atterrissage - en fonction d'une donnée correspondant â l'inverse de ladite fréquence propre. 9. Dispositif selon la revendication 8, qui comporte un capteur (JDC1) sensible aux efforts exercés sur le train d'atterrissage, apte â délivrer au système d'ajustement des signaux ou données d'efforts exercés sur le train. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, qui comporte un capteur (JDC2, 22) sensible aux efforts exercés par le train d'atterrissage sur la structure, apte â délivrer au système d'ajustement des signaux ou données d'efforts exercés par le train. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 â 10, qui comporte un capteur (ACC1, ACC2) sensible â la position ou la vitesse de compression du train d'atterrissage, apte â délivrer au système d'ajustement des signaux ou données de position ou de vitesse de compression du train d'atterrissage. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 â 11, qui comporte: - une mémoire (34) de stockage de données mémorisées et/ou mesurées définissant une configuration d'atterrissage conditions d'atterrissage (assiette, vitesse verticale, sustentation,...), masse et centre 2874205 13 de gravité de l'appareil, caractéristiques du train (position, raideur, cinématique,...) ; - un capteur (JDC1, JDC2, 22) de mesure des efforts exercés par le train sur la structure de l'hélicoptère au cours de l'atterrissage, et/ou un 5 capteur (ACC1, ACC2) sensible â la vitesse de contraction de l'amortisseur; - un calculateur (31, 32, 33) qui assure la sélection ou l'élaboration d'une loi d'asservissement adaptée aux paramètres d'atterrissage propres au cas de vol présent, ainsi que l'asservissement du laminage hydraulique selon cette loi; et - un actionneur (18) piloté par le calculateur pour moduler la caractéristique d'amortissement du train.