Brevet FR2907422A1 — publié le 20080425

AERONEF A VOL MIXTE AERODYNAMIQUE ET SPATIAL, ET PROCEDE DE PILOTAGE ASSOCIE DESCRIPTION Le sujet de cette invention est un aéronef a vol mixte aérodynamique et spatial, ainsi que son procédé de pilotage associé. Le domaine technique de l'invention est celui des avions spatiaux, c'est-à-dire des véhicules capables de décoller du sol comme des avions, d'atteindre l'espace et de revenir en se posant sur Terre, encore comme des avions. Ces véhicules doivent pouvoir emporter une charge utile et offrir des conditions de sécurité adéquates pour des vols habités, tout comme des avions classiques, et ils doivent en particulier être réutilisables, à la différence des fusées, qui sont consommées pendant le lancement à la fin du vol. Le terme d'espace peut être compris selon la terminologie de la Fédération Internationale de l'Aéronautique, qui désigne tout le volume désigné hors de l'atmosphère de la Terre, au-delà de cent kilomètres d'altitude par convention. Il peut aussi être considéré comme le volume où l'atmosphère est trop raréfiée pour permettre le vol des avions classiques. On peut distinguer entre les avions orbitaux, qui sont capable d'atteindre la vitesse orbitale à une altitude donnée (de l'ordre de 7, 5 Km/s à 200 Km d'altitude), et les avions suborbitaux, qui en sont incapables. Les avions orbitaux sont capables de devenir des satellites restant un temps presque 2907422 2 indéfini en orbite après la phase de propulsion, alors que les avions suborbitaux suivant une trajectoire qui les ramène à Terre quand leur phase de propulsion est terminée, au bout d'un temps fini, de l'ordre d'une 5 heure et demie, ou moins. Les avions orbitaux se distinguent des suborbitaux surtout par la quantité d'énergie qu'ils doivent emporter pour atteindre la vitesse orbitale et par la conception particulière qu'ils reçoivent pour résister à l'échauffement 10 beaucoup plus important qu'ils subissent à la rentrée dans l'atmosphère. La présente invention concerne d'abord les avions suborbitaux, mais pas exclusivement puisqu'il serait concevable de l'appliquer à des avions orbitaux avec des modifications quantitatives ou 15 secondaires, et elle peut aussi transporter comme charge utile un véhicule capable du vol orbital. Contrairement aux fusées qui font déjà l'objet de développements industriels importants, les avions spatiaux sont encore très peu répandus, et 20 beaucoup d'entre eux n'existent qu'à l'état de projet. Un premier exemple est la navette américaine qui n'est pourtant pas un avion spatial pur mais un lanceur mixte bi-étagé, décollant comme une fusée et dont seul le second étage, qui est largué après la phase de 25 décollage, est un planeur spatial. Ce planeur spatial a le double avantage, recherché avec l'invention, de pouvoir être réutilisé et de se poser sur Terre à la façon d'un planeur supersonique, donc à grande vitesse et sans pouvoir corriger une erreur ; mais le premier étage conserve les inconvénients de la fusée, et en 2907422 3 premiers lieux l'usage unique et la grosse consommation d'ergol pour s'arracher de l'atmosphère proche. Un deuxième exemple d'avion spatial a été conçu par la société Scaled Composite ; il est aussi à 5 deux étages. Un premier avion à vol aérodynamique entraîne un autre jusque vers 15 Km d'altitude et le largue. Le second avion a un moteur de fusée anaérobie, capable d'amener la charge utile jusqu'à 100 Km d'altitude. Ce deuxième étage atterrit comme celui de 10 la navette. Un troisième exemple, sensiblement plus ancien, est le prototype X15 américain, qui était lâché d'un avion porteur et pourrait atteindre une altitude supérieure à 100 Km. 15 D'autres véhicules spatiaux sont décrits dans le site Internet ttpë//caww.spacefuture.com/vehicles/designs.shtml, mais ces véhicules n'ont pas été construits ni mis en service. Certains décollent à la verticale, mais leur 20 mode de propulsion reste aussi coûteux que celui d'une fusée, ou ils sont associés à une fusée qui leur sert de premier étage, comme la navette spatiale américaine. Les documents EP 0 264 030, GB 2 362 145, WO 98/30 449, W0.01/64513, US 6 119 985, US 6 745 979, 25 US 2005/0279889 et US 6 193 187 illustrent respectivement un lanceur à deux étages ; un lanceur dont un ballon est le premier étage ; un avion tirant un autre ; un lanceur dont le premier étage est un lanceur à propulsion mixte pour moteurs aéronautiques 30 et propulseurs fusée; un avion spatial s'avitaillant en oxygène et trois avions à géométrie variable. 2907422 4 La plupart des projets d'aéronefs dans l'espace, et les seuls à avoir volé sont donc à étages multiples. Cette conception semble plus avantageuse pour ce qu'elle autorise un rapport entre la masse 5 utile et la masse au décollage plus intéressant, qui donne la possibilité d'associer une quantité de carburant plus grande à la charge utile et donc de la propulser plus loin. Les inconvénients sont que la complexité est beaucoup accrue et que l'étage supérieur 10 a des possibilités de déplacement réduites. Les deux étages doivent être tous deux munis des mêmes moyens pour certaines fonctions, comme les tuyères directionnelles pour ajuster leur orientation, et ils doivent encore comprendre des moyens de séparation. 15 L'étage supérieur n'est pas piloté de façon efficace pour le retour et doit rentrer en vol plané. Cela et la circonstance que les moyens de largage peuvent être sujets à des défaillances rend le vol plus risqué. Certains aéronefs ont utilisé une 20 propulsion mixte aérobie et anaérobie, pour circuler successivement dans l'atmosphère dense et dans l'espace. Cette idée est exploitée dans l'invention, d'une façon plus efficace toutefois puisque les conceptions antérieures ne peuvent en général pas 25 s'affranchir de la contrainte des étages multiples. La raison principale est dans un choix différent des ailes, puisqu'il est apparu aux présents inventeurs que les ailes généralement proposées pour ces conceptions antérieures étaient des ailes en delta, courtes et à 30 grande flèche vers l'arrière, bien adaptées aux vols supersoniques mais dont la portance est moins bonne. La 2907422 5 conception de l'invention utilise au contraire une aile droite et longue, à faible flèche vers l'arrière, pour assurer une bonne portance dans l'atmosphère dense et jusqu'à une altitude élevée. Ces portions du voyage 5 sont accomplies sans inconvénient à vitesse subsonique. La propulsion fusée commence seulement à une altitude assez élevée pour que les efforts aérodynamiques restent supportables par l'aile. Il n'est alors pas nécessaire d'adopter une géométrie variable pour 10 protéger l'aile et réduire la traînée en la repliant contre le fuselage. Au contraire, on préfère une conception rigide, plus simple, plus légère, nécessitant moins d'entretien et pas susceptible d'avarie. 15 D'une façon générale, on a cherché à optimiser le vol atmosphérique en termes de consommation, d'altitude et de masse ; on en est venu à adopter le concept du vol subsonique à haute altitude, et cela a permis d'atteindre une optimisation de la 20 masse totale et en particulier de propulsion fusée, puisque moins de masse pour le vol atmosphérique implique moins de poussée et moins de carburant pour le vol fusée, et à nouveau moins de masse et moins de carburant pour le vol atmosphérique : on a pu arriver à 25 un aéronef assez simple, léger et économe en énergie pour emporter lui-même son carburant, sans lanceur auxiliaire séparé, et apte à commencer et finir le vol à la façon d'un avion classique, avec un pilotage et une orientation horizontale. Il faut souligner 30 l'avantage de pouvoir piloter et diriger l'aéronef pendant le vol de retour, par rapport aux retours 2907422 6 planés, pour améliorer la sécurité des vols habités. L'avion pourra ainsi parcourir des distances significatives après son retour dans l'atmosphère et choisir la piste d'atterrissage. La vitesse de fin de 5 vol sera beaucoup plus lente qu'avec un véhicule à ailes delta conçue pour le vol supersonique. Un objectif de l'invention est d'éliminer les inconvénients des conceptions antérieures et de fournir un aéronef spatial d'un genre nouveau, à étage 10 unique capable de voler correctement, avec des capacités de pilotage entières, à basse altitude tout en pouvant poursuivre son voyage dans l'espace. Cet aéronef aura l'aspect extérieur général d'un avion de transport commercial et différera d'un avion classique 15 par certains aménagements. Sous une forme générale, l'aéronef de l'invention comprend un fuselage, une aile transversale fixe essentiellement droite et allongée, ayant une envergure plus grande que la longueur du fuselage, des 20 moteurs aéronautiques placés sur le fuselage ou dans le fuselage, et des propulseurs fusée à ergol. Cette constitution garantit de bonnes possibilités de pilotage à basse altitude comme à haute altitude. De préférence, l'envergure de l'aile et la 25 longueur du fuselage sont en rapport compris entre 1 et 2 ; mieux encore, entre 1,3 et 1,7. La charge alaire (rapport entre la masse totale de l'avion et la surface de l'aile, qui conditionne l'altitude atteinte en subsonique) est de préférence comprise entre 2,5 et 3,3 30 m2 par tonne. La masse à vide est de préférence comprise entre 40% et 60% de la masse en pleine charge. 2907422 7 Selon une possibilité importante, les réservoirs d'ergol sont placés dans une portion postérieure du fuselage, l'aile est placée sur ladite portion postérieure, une portion antérieure du fuselage 5 comprend une cabine pour le pilote et les passagers et l'aéronef comprend un empennage en plan canard placé sur ladite portion antérieure. L'aéronef est alors conçu pour le transport de passagers, les charges importantes au décollage étant à l'arrière et l'aile 10 étant déplacée aussi vers l'arrière par rapport aux conceptions classiques d'avions afin de prendre en compte la position très en arrière du centre de gravité. L'empennage en plan canard à l'avant rétablit la stabilité et aide aussi à la portance. 15 L'invention concerne aussi un procédé de pilotage d'un aéronef comprenant une première étape de vol aérodynamique en recourant à des moteurs aéronautique, une deuxième étape de vol de lancement dans l'espace en recourant à des propulseurs fusée 20 après avoir commandé un changement d'inclinaison de l'aéronef entre la première étape et la deuxième étape, une troisième étape de chute planée avec le fuselage sensiblement perpendiculaire à la trajectoire, et une quatrième étape de vol aérodynamique d'atterrissage 25 après avoir replacé l'aéronef sensiblement en direction de la trajectoire entre la troisième étape de vol et la quatrième étape de vol. La propulsion fusée est de préférence à poussée variable. 2907422 8 Ces aspects de l'invention ainsi que d'autres seront maintenant décrits en liaison aux figures, dont : les figures 1 et 2 sont une vue de biais 5 et une vue de face de l'aéronef, et la figure 3 illustre une étape du vol. L'aéronef comprend un fuselage 1 de forme générale cylindrique mais s'effilant à l'avant vers un nez 2. Il dépasse du fuselage 1 une aile 3 transversale 10 à grand allongement en direction latérale de l'aéronef et à faible flèche vers l'arrière et qui est implantée à l'arrière du fuselage 1, à environ 80% de la longueur totale jusqu'à l'avant, un empennage 4 transversal en plan canard à l'avant, non loin du nez 2, et une dérive 15 5 supérieure à l'arrière, à grande flèche vers l'arrière, analogue à celle d'un avion classique. L'aile 3 est ici placée à une portion inférieure de fuselage 1, mais elle pourrait l'être à mi-hauteur ou à une hauteur élevée. On doit aussi mentionner un train 20 d'atterrissage 6 sous le fuselage 1 et une paire de moteurs aéronautiques 7 (turboréacteurs), situés aussi dans la partie postérieure du fuselage 1 mais un peu en avant de l'aile 3. Les moteurs aéronautiques 7 sont, dans ce mode de réalisation, montés sur les côtés 25 latéraux du fuselage 1 un peu au-dessus de lui par l'intermédiaire de mâts de fixation et de nacelles en s'étendant hors du fuselage 1. Cette conception n'est pas obligatoire et les moteurs aéronautiques 7 pourraient être intégrés à la structure du fuselage 1, 30 des prises d'air de celui-ci offrant un accès à l'air de combustion et une sortie aux gaz de combustion. 2907422 9 Les aménagements intérieurs principaux de l'aéronef sont les suivants. Le volume du fuselage 1 est divisé en trois compartiments principaux par une cloison avant et une cloison arrière 9. Un compartiment 5 antérieur 10 abrité par le nez 2 et à l'avant de la cloison antérieure 8 contient les systèmes de commande. Un compartiment médian 11 est ici une cabine contenant un pilote et les passagers. La cabine est étanche, mise sous pression, munie de portes et de hublots pour 10 l'accès et l'observation, et pourvue d'équipements et de mobilier de transport de personnes. Un compartiment postérieur 13 à l'arrière de la cloison postérieure 9 est affecté à la propulsion. Il comprend de gros réservoirs d'ergol 14 et 15 pouvant alimenter deux 15 propulseurs fusée 16 et 17 placés en parallèle tout à l'arrière de l'aéronef et en dépassant vers l'extérieur. L'utilisation d'une pluralité des propulseurs fusée 16 et 17 (deux ou trois en général) permet de les allumer l'un après l'autre et offre une 20 propulsion plus douce. Un seul propulseur peut être utilisé. Il est alors avantageusement à poussée variable. Le carburant nécessaire aux moteurs aéronautiques 7 est contenu dans l'aile 3. Il existe enfin un réservoir 18 plus petit que les réservoirs 25 d'ergol 14 et 15 et dont la fonction est d'alimenter des tuyères de modification d'orientation de l'aéronef. Certaines de ces tuyères portent la référence 19 et sont placées aux extrémités de l'aile 3, orientées vers le haut et vers le bas pour commander des mouvements de 30 roulis de l'aéronef. D'autres tuyères 20 et 21 sont placées sur le nez 2 de l'aéronef et dirigées dans les 2907422 10 directions verticales et horizontales afin de commander des mouvements de tangage et de lacet. La réalisation qu'on illustre principalement ici a été conçue pour transporter quatre 5 passagers et un pilote jusqu'à une altitude de 100 Km environ, donc une charge utile de 500 Kg. La longueur de l'aéronef est de 10 à 15 m et son envergure de 15 à 25 m, le fuselage 1 ayant 2 m de hauteur environ et pouvant avoir des sections circulaires ou elliptiques. 10 L'aile 3 a 35 m2 environ de surface, l'empennage 4 une envergure de 6 m et une surface de 5 m2, et la dérive 5 une surface de 10 m2 et 4,5 m de haut environ. Les ergols peuvent être de l'oxygène liquide et du méthane liquide. L'aéronef ayant une masse faible et la masse 15 des ergols étant faible, il devient plus simple et plus fiable. La masse au décollage peut être de 10 à 15 tonnes dont 5 à 7 tonnes de masse à vide, 3 à 5 tonnes d'ergols, 0,5 à 2 tonnes de masse de kérosène, le reste incluant la charge utile. La poussée des moteurs 20 aéronautiques peut être de 3000 à 7000 lbf (13,3 kN à 31,1 kN), la poussée des propulseurs fusée de 150 à 400 kN, et les tuyères 19, 20 et 21 peuvent avoir chacune 400 N de poussée environ. Afin de réduire la masse à vide, la structure de l'aéronef sera avantageusement en 25 matériaux composites de même que les réservoirs, ou en alliage léger à base d'aluminium comme l'aluminium-lithium. On va maintenant décrire comment l'aéronef accomplit les vols pour lesquels il a été conçu. 30 Une première étape concerne le décollage et la montée jusqu'à une altitude pouvant atteindre 14 à 2907422 11 18 Km environ, de préférence au-dessus des altitudes de la circulation aérienne générale. Seuls les moteurs aéronautiques 7 sont utilisés pour cela. L'aile 3 est conçue pour favoriser la montée jusqu'à cette altitude 5 en offrant la portance nécessaire pour l'atteindre, et étant associé à un vol à vitesse subsonique, de Mach 0,5 à Mach 0,8, ou peut-être mieux encore de Mach 0,5 à Mach 0,6, pour pousser doucement sur l'aéronef tout en le faisant monter le plus haut possible sous 10 consommation importante de carburant ; l'aile 3 est de toute façon mal adaptée aux vitesses supersoniques. Après cette première étape de vol, les propulseurs fusée 16 et 17 sont allumés, les moteurs aéronautiques 7 éteints, et la portance de l'aile 3 est utilisée pour 15 redresser la trajectoire à environ 70 par rapport à l'horizontale. Les efforts sur la structure de l'aéronef sont réduits car l'allumage des propulseurs fusée 16 et 17 commence seulement à cette haute altitude du fait de l'atmosphère rarefiée, ce qui 20 permet de garder une structure légère et, corrélativement, de nécessiter une masse de carburant moins élevée. La masse d'ergol nécessaire est elle-même réduite grâce à l'allumage des propulseurs fusée 16 et 17 à haute attitude, redevable au vol subsonique. Les 25 propulseurs fusée 16 et 17 sont mis en marche successivement afin de limiter les efforts dans la première phase de poussée. Il est prévu de masquer l'entrée d'air des moteurs aéronautiques 7 pour éviter qu'ils soient soumis à des échauffements et des 30 vitesses de gaz excessifs. La vitesse du vol devient supersonique, jusqu'à Mach 3 ou Mach 4 environ. Quand 2907422 12 l'ergol a été consommé, les propulseurs de fusée 16 et 17 sont éteints mais l'aéronef continue de s'élever par inertie jusqu'à une altitude pouvant atteindre 80 à 120 Km. 5 La troisième phase concerne la rentrée dans l'atmosphère, tous les moteurs de propulseurs étant coupés. L'incidence de l'aéronef est voisine de 90 , c'est-à-dire qu'il est orienté avec son extension perpendiculaire à la trajectoire afin d'opposer la plus 10 grande résistance de traînée pour maximiser le freinage. Puis, à une altitude de 40 Km environ, l'incidence est diminuée à 40 environ. Cette mesure devrait permettre de diminuer les efforts aérodynamiques. On cherche que l'accélération subie par 15 les passagers ne dépasse pas 5 g environ. A l'altitude de 25 Km environ, la vitesse de l'aéronef est redevenue subsonique, l'aéronef reprend une incidence de vol aéronautique, les moteurs aéronautiques 7 sont rallumés ou non, et le retour sur 20 Terre s'effectue soit en vol plané ou en vol motorisé jusqu'à une piste d'atterrissage. Certaines applications de l'invention peuvent être le tourisme spatial, la réalisation d'expériences en microgravité, l'utilisation de 25 l'aéronef comme premier étage réutilisable d'un satellite, ou le transfert rapide de passagers. 30 REVENDICATIONS 1) Aéronef comprenant un fuselage, une aile (3), des moteurs aéronautiques (7) et des propulseurs fusée (16, 17), caractérisé en ce que l'aile est fixe, essentiellement droite et allongée en direction latérale du fuselage, et a une envergure plus grande que la longueur du fuselage. 2) Aéronef selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'envergure de l'aile et la longueur du fuselage sont en rapport compris entre 1 et 2. 3) Aéronef selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'envergure de l'aile et la longueur du fuselage sont en rapport compris entre 1,3 et 1,7. 4) Aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une charge alaire composée entre 2,5 et 3,3 mètres carrés par tonne. 5) Aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il a une masse à vide comprise entre 40% et 60% d'une masse en charge. 6) Aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les réservoirs d'ergol (16, 17) sont placés dans une 2907422 14 portion postérieure (13) du fuselage (1), l'aile (3) est placée sur ladite portion postérieure, une portion antérieure (11) du fuselage comprend une cabine et l'aéronef comprend un empennage (4) placé sur ladite 5 portion antérieure. 7) Aéronef selon l'un quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une paire des propulseurs fusée. 8) Aéronef selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un train d'atterrissage (6). 9) Aéronef selon l'une quelconque des revendication 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des tuyères de modification d'orientation (19, 20, 21), 15 dont des tuyères de commandes de roulis placées sur des bouts des ailes et des tuyères de tangage et de lacet placées à l'avant du fuselage. 10) Procédé de pilotage d'un aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend une première étape de 20 vol aérodynamique en recourant à des moteurs aéronautiques, une deuxième étape de vol de lancement dans l'espace en recourant à des propulseurs fusée après avoir commandé un changement d'inclinaison de l'aéronef entre la première étape et la deuxième étape, 25 une troisième étape de chute placée avec le fuselage sensiblement perpendiculaire à la trajectoire, et une quatrième étape de vol aérodynamique d'atterrissage après avoir replacé l'aéronef sensiblement en direction de la trajectoire entre la troisième étape de vol et la 30 quatrième étape de vol. 2907422 15 11) Procédé de pilotage d'un aéronef selon la revendication 10, caractérisé en ce que la propulsion fusée est à poussée variable. 5 12) Procédé de pilotage d'un aéronef selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la quatrième étape est faite en v ol propulsé aérodynamique et subsonique. 10 13) Procédé de pilotage d'un aéronef selon les revendications 10, 11 ou 12, caractérisé en ce que le vol aérodynamique s'effectue à une vitesse subsonique comprise entre Mach 0,5 et Mach 0,8. 15 14) Procédé de pilotage d'un aéronef selon les revendications 10 à 13, caractérisé en ce que le vol aérodynamique s'effectue à une vitesse subsonique comprise entre Mach 0,5 et Mach 0,6. 20