Brevet FR2920129A1 — publié le 20090227

Procédé et système de manoeuvre d'un aéronef par déplacement de son centre de gravité Domaine de l'invention L'invention concerne un procédé pour manoeuvrer un aéronef en déplaçant son centre de gravité au moyen d'un transfert de carburant entre les différents réservoirs dudit aéronef. L'invention concerne également un système mettant en oeuvre ce procédé. L'invention trouve des applications dans le domaine de l'aéronautique io et, en particulier, dans le domaine des commandes de pilotage d'un aéronef pour améliorer la manoeuvrabilité de l'aéronef, notamment en cas de défaillance des actionneurs classiques. Etat de la technique En aéronautique, les aéronefs, et en particulier les aéronefs de 15 transport de passagers, doivent répondre à des conditions de sécurité importantes. En effet, les constructeurs d'aéronefs cherchent à prévoir toutes les défaillances de matériel qui peuvent être préjudiciables à la poursuite du vol et à mettre en place un moyen pour pallier à chacune de ces défaillances. C'est le cas, en particulier, des différents systèmes de manoeuvre des 20 aéronefs. Habituellement, pour manoeuvrer un aéronef, le pilote utilise des commandes de vol, telles que le manche à balai, pour commander des actionneurs mécaniques. Ces actionneurs mécaniques ont pour rôle de déplacer des surfaces aérodynamiques de l'aéronef, le déplacement de ces surfaces aérodynamiques entraînant une manoeuvre de l'aéronef. 25 Le pilote dispose, notamment, comme moyen de manoeuvre, de surfaces aérodynamiques aptes à se déplacer sur les voilures de l'aéronef. Par exemple, le pilote peut utiliser les ailerons situés aux extrémités des voilures pour réaliser une inclinaison latérale. Il peut utiliser les spoilers, situés sur l'extrados des ailes de l'aéronef, ou les becs de bord d'attaque, 30 situés sur l'intrados des ailes de l'aéronef, pour modifier la portance de l'aile. Le pilote peut également utiliser la dérive, située sur l'empennage de l'aéronef, pour modifier le lacet de l'aéronef, c'est-à-dire la trajectoire dans le plan horizontal de l'aéronef. Les différentes surfaces aérodynamiques d'un aéronef permettent de manoeuvrer l'aéronef aussi bien dans le plan horizontal de l'aéronef que dans son plan vertical. Elles permettent, en particulier, d'obtenir : - un mouvement de roulis de l'aéronef, c'est-à-dire un mouvement de rotation de l'aéronef autour de son axe longitudinal, ou - un mouvement de tangage de l'aéronef, c'est-à-dire un mouvement d'inclinaison longitudinale, dans le plan vertical de l'aéronef. Le mouvement de tangage est obtenu généralement en modifiant l'assiette de l'aéronef, c'est-à-dire l'inclinaison longitudinale de l'aéronef. io L'assiette peut être modifiée de façon à créer un mouvement de cabrage où l'aéronef se dirige vers le ciel ou un mouvement de piquage où l'aéronef se dirige vers le sol, par rapport à un axe horizontal. Les surfaces aérodynamiques permettant ces différents mouvements de lacet, de tangage et de roulis sont déplacées chacune au moyen d'au 15 moins un actionneur mécanique. Ces actionneurs mécaniques sont généralement alimentés par des circuits hydrauliques et/ou électriques. Pour les raisons de sécurité évoquées précédemment, les circuits d'alimentation hydrauliques et électriques des actionneurs mécaniques sont généralement doublés. Cette redondance des circuits d'alimentation permet 20 de remplacer rapidement et simplement un circuit d'alimentation défaillant. Toutefois, il peut arriver que les circuits d'alimentation hydrauliques et électriques redondants soient aussi défectueux. Dans ce cas, avec un système de manoeuvre classique, le pilote n'a plus de moyens pour manoeuvrer l'aéronef. 25 En outre, il peut arriver que des surfaces aérodynamiques soient endommagées extérieurement, par exemple, suite à une averse de grêle, à une collision avec un oiseau, etc. Dans ce cas, l'aéronef se trouve amputé d'une partie au moins de ses moyens de manoeuvre, empêchant le pilote de manoeuvrer correctement l'aéronef. 30 Dans ces deux cas où le pilote ne peut plus utiliser les surfaces aérodynamiques de l'aéronef, le pilote peut utiliser, comme ultime moyen de contrôle des mouvements de l'aéronef, la poussée des réacteurs. En effet, en poussant plus ou moins un réacteur situé d'un coté de l'aéronef, par rapport à l'autre côté, l'aéronef peut effectuer des mouvements dans le plan 35 horizontal et/ou le plan vertical. Mais, si par malchance, un ou plusieurs d es réacteurs de l'aéronef sont également endommagés, par exemple dans le cas d'une averse de grêle, alors il ne reste alors plus aucun moyen au pilote pour contrôler le mouvement de l'aéronef afin de tenter un atterrissage ou un amerrissage. L'aéronef ne peut donc plus être manoeuvré. Par ailleurs, pour des raisons économiques, les constructeurs aéronautiques cherchent à diminuer au maximum la consommation en carburant des aéronefs. Or, en fonctionnement normal, lorsqu'elles se déplacent, les surfaces aérodynamiques de l'aéronef s'opposent à l'écoulement de l'air autour de l'aéronef. C'est d'ailleurs cette opposition à io l'écoulement de l'air qui permet d'effectuer, classiquement, une manoeuvre latérale ou verticale de l'aéronef. Cependant, cette opposition à l'écoulement de l'air génère une traînée aérodynamique qui augmente la consommation en carburant de l'aéronef. Exposé de l'invention 15 L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des techniques exposées précédemment. A cette fin, l'invention propose un procédé et un système permettant de contrôler le roulis et le tangage d'un aéronef, sans utiliser les surfaces aérodynamiques, en déplaçant son centre de gravité. Selon l'invention, le centre de gravité de l'aéronef est déplacé en 20 modifiant la répartition du carburant embarqué à bord de l'aéronef entre les différents réservoirs dudit aéronef. Autrement dit, l'invention propose un système permettant de transférer du carburant d'au moins un réservoir vers au moins un autre réservoir de l'aéronef afin de déplacer son centre de gravité et ainsi de manoeuvrer l'aéronef à l'aide de la masse du carburant. 25 De façon plus précise, l'invention concerne un procédé pour manoeuvrer un aéronef en vol, caractérisé en ce qu'il consiste à déplacer le centre de gravité de l'aéronef en transférant du carburant d'au moins un premier réservoir de carburant vers au moins un second réservoir de carburant dudit aéronef. 30 Le procédé de l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : -lorsqu'une commande de manoeuvre est émise par un pilote, un calculateur de l'aéronef détermine une quantité de carburant à transférer. - le calculateur de l'aéronef vérifie que la quantité de carburant à transférer est inférieure à des valeurs prédéterminées de quantités de carburant maximum transférables pour protéger l'enveloppe de vol. - le carburant est transféré d'un réservoir latéral droit vers un réservoir latéral gauche, ou inversement, pour créer un mouvement de roulis de l'aéronef. - le carburant est transféré d'un réservoir central vers un réservoir arrière, ou inversement, pour créer un mouvement de tangage de l'aéronef. L'invention concerne également un système de manoeuvre d'un io aéronef en vol mettant en oeuvre le procédé exposé précédemment. Ce système comporte une commande de vol apte à être manipulée par un pilote et à émettre, lors de cette manipulation, un ordre de manoeuvre. Il se caractérise par le fait qu'il comporte : - au moins un premier réservoir de carburant et au moins un second 15 réservoir de carburant, - un calculateur apte à recevoir l'ordre de manoeuvre et à déterminer, en fonction de cet ordre, une quantité de carburant à transférer du premier réservoir vers le second réservoir , et - au moins un moyen de transfert reliant le premier et le second 20 réservoirs et commandé par le calculateur, pour transférer le carburant du premier réservoir vers le second réservoir. Le système de l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - il comporte au moins deux réservoirs latéraux communicants l'un 25 avec l'autre par l'intermédiaire d'un moyen de transfert latéral. - les réservoirs latéraux sont agencés dans la voilure. - il comporte au moins un réservoir central et un réservoir arrière communiquant l'un avec l'autre par l'intermédiaire d'un moyen de transfert longitudinal. 30 L'invention concerne également un aéronef comportant un système tel que décrit précédemment. Brève description des dessins La figure 1 représente des exemples d'une commande de tangage d'un aéronef par transfert de carburant. La figure 2 représente des exemples d'une commande de roulis d'un l'aéronef par transfert de carburant. La figure 3 représente schématiquement une architecture du système de manoeuvre selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention L'invention propose un procédé permettant de manoeuvrer l'aéronef dans un plan vertical ou dans un plan horizontal en déplaçant son centre de gravité. Le centre de gravité d'un aéronef peut être modifié en déplaçant la masse relative au carburant embarqué dans l'aéronef. io En effet, tout aéronef en vol transporte une quantité importante de carburant. Pour des raisons de sécurité, la quantité de carburant embarquée est supérieure à la quantité de carburant estimée, nécessaire pour effectuer sa mission. En effet, une réglementation impose que chaque aéronef emporte une marge de carburant afin de faire face à des évènements 15 imprévus. Globalement, la réglementation prévoit que l'on emporte 10% de carburant supplémentaire à la quantité de carburant estimée pour le vol, auquel est ajoutée une marge d'une demi-heure de vol. On peut donc considérer que, en général, une partie de la masse globale de l'aéronef est constituée par le carburant. L'emplacement du centre de gravité de l'aéronef 20 est donc dépendant de cette masse. Le déplacement de cette masse permet donc de modifier l'emplacement du centre de gravité de l'aéronef. Un aéronef a généralement plusieurs réservoirs de carburant. Il comporte habituellement un réservoir de carburant latéral, situé dans la voilure. Ce réservoir est divisé en plusieurs compartiments, créant ainsi un 25 réservoir latéral droit, dans l'aile droite de l'aéronef, et un réservoir latéral gauche, dans l'aile gauche de l'aéronef. Un aéronef comporte généralement aussi un réservoir central, situé dans le fuselage de l'aéronef. La plupart des aéronefs comporte, de plus, un réservoir de carburant arrière, situé dans le fuselage, en arrière du réservoir 30 central (l'arrière de l'aéronef étant la partie du fuselage de l'aéronef opposée au cockpit). Selon l'invention, le carburant peut être transféré d'un réservoir vers un autre réservoir, notamment, du réservoir latéral droit vers le réservoir latéral gauche, ou inversement, et du réservoir central vers le réservoir 35 arrière, ou inversement. Pour cela, le système de l'invention comporte, en plus des réservoirs, des pompes de transfert du carburant. Il comporte, en particulier, une pompe latérale pour transférer la carburant d'un réservoir latéral vers un autre réservoir latéral et une pompe longitudinale pour transférer le carburant d'un réservoir arrière vers le réservoir central, ou inversement. Sur la figure 1, on a représenté différents exemples de positionnement du centre de gravité d'un même aéronef. Dans un premier exemple d'aéronef, appelé cas n 1, la force gravité F2 et la portance F1 sont équilibrées et appliquées toutes deux au point central P1. Le centre de io gravité de l'aéronef est donc centré à la position P1. Dans ce cas n 1, l'aéronef vole à une altitude constante. Dans le cas n 2 de la figure 1, l'aéronef est dans une position de cabrage. Pour obtenir une assiette à cabrer, l'invention propose de transférer une partie au moins du carburant du réservoir central de l'aéronef vers le 15 réservoir arrière dudit aéronef. Cela a pour conséquence de déplacer la masse relative au carburant vers l'arrière de l'aéronef, déplaçant ainsi la force de gravité F2 vers la position P2, située en arrière de la position P1. La force de portance F1, quant à elle, reste à la position P1. On comprend donc que la force de gravité F2 et la force de portance F1 constituent ensemble un 20 couple de forces C2 qui modifie l'assiette de l'aéronef. Dans le cas n 2 de la figure 1, le couple C2 est un couple à cabrer qui permet de cabrer l'aéronef, c'est-à-dire de le diriger vers le ciel de sorte qu'il forme un angle positif avec l'axe horizontal H. Dans le cas n 3 de la figure 1, l'aéronef est dans une position de 25 piquage. Pour obtenir une telle assiette à piquer, l'invention propose de transférer une partie au moins du carburant du réservoir arrière de l'aéronef vers le réservoir central dudit aéronef. Cela a pour conséquence de déplacer la masse relative au carburant vers l'avant de l'aéronef, déplaçant ainsi la force de gravité F2 vers la position P3, située en avant de la position P1. La 30 force de portance F1, quant à elle, reste à la position P1. On comprend donc que la force de gravité F2 et la force de portance F1 constituent ensemble un couple de forces C3 qui modifie l'assiette de l'aéronef. Dans le cas n 3 de la figure 1, le couple C3 est un couple à piquer qui permet de faire piquer l'aéronef vers le sol, c'est-à-dire de le diriger vers la terre de sorte qu'il forme 35 un angle négatif avec l'axe horizontal H. Ainsi, en transférant tout le carburant, ou une partie seulement du carburant, du réservoir central vers le réservoir arrière, ou inversement, on fait subir à l'aéronef un mouvement de tangage, dans le plan vertical de l'aéronef, respectivement vers le ciel ou vers le sol. Sur la figure 2, on a représenté un aéronef dans le cas d'un transfert de carburant entre les deux réservoirs latéraux. Dans le cas n 1 de la figure 2, on a représenté un aéronef lorsque le carburant est réparti de façon équilibrée entre les deux réservoirs latéraux. Dans ce cas, la force de gravité F2 et la portance F1 de l'aéronef sont équilibrées et appliquées toutes deux io au point central P1. Le centre de gravité de l'aéronef est donc centré à la position P1. Dans ce cas n 1 de la figure 2, l'aéronef a une trajectoire horizontale, c'est-à-dire qu'il vole dans un plan horizontal. Dans le cas n 2 de la figure 2, du carburant est transféré du réservoir latéral gauche de l'aéronef vers le réservoir latéral droit dudit aéronef. Cela a 15 pour conséquence de déplacer la masse relative au carburant vers la droite de l'aéronef, déplaçant ainsi la force de gravité F2 vers la position P4, située à droite de la position P1 (l'aéronef étant montré de face sur la figure 2, la droite de l'aéronef est située à gauche sur la figure). Le centre de gravité de l'aéronef se déplace alors sa droite. La force de portance F1, quant à elle, 20 reste à la position P1. On comprend donc que la force de gravité F2 et la force de portance F1 constituent ensemble un couple de forces C4 qui entraîne l'aéronef dans un mouvement de rotation par rapport à son axe longitudinal. L'aéronef effectue ainsi un mouvement de roulis vers la droite. Dans le cas n 3 de la figure 2, le carburant est transféré du réservoir 25 latéral droit vers le réservoir latéral gauche de l'aéronef. Cela a pour conséquence de déplacer la masse relative au carburant vers la gauche de l'aéronef, déplaçant ainsi la force de gravité F2 vers la position P5, située à gauche de la position P1 (l'aéronef étant montré de face sur la figure 2, la gauche de l'aéronef est située à droite sur la figure). Le centre de gravité de 30 l'aéronef se déplace alors la gauche de l'aéronef. La force de portance F1, quant à elle, reste à la position P1. On comprend donc que la force de gravité F2 et la force de portance F1 constituent ensemble un couple de forces C5 qui entraîne l'aéronef dans un mouvement de rotation par rapport à son axe longitudinal. L'aéronef effectue ainsi un mouvement de roulis vers 35 la gauche. Une fois que l'aéronef a atteint l'inclinaison désirée, le carburant peut être retransféré dans les autres réservoirs latéraux, central ou arrière, de façon à ce que la masse de carburant soit équilibrée. Dans un mode de réalisation de l'invention, il est possible d'utiliser uniquement un transfert de carburant entre deux réservoirs et de combiner la manoeuvre ainsi obtenue avec une manoeuvre obtenue par les moyens traditionnels, comme le déplacement de surfaces aérodynamiques. Le procédé de l'invention peut alors être utilisé en mode de pilotage normal pour réaliser des petites corrections de direction. Par exemple, un transfert entre io les deux réservoirs latéraux, pour obtenir un mouvement de roulis, peut être combiné à l'utilisation de la gouverne qui elle permet d'obtenir un mouvement de lacet de l'aéronef. Dans ce cas, le transfert de carburant remplace sensiblement l'utilisation des ailerons. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, un transfert de 15 carburant entre les deux réservoirs latéraux et un transfert de carburant entre les réservoirs arrière et central permet de combiner une manoeuvre en roulis et une manoeuvre en tangage. Ce mode de réalisation peut être utilisé comme mode de secours pour l'aéronef, par exemple en cas de défaillances des surfaces aérodynamiques et des réacteurs. Ce mode de réalisation peut 20 aussi être utilisé en fonctionnement normal de l'aéronef ; il permet alors de diminuer sensiblement la consommation en carburant de l'aéronef car le déplacement des surfaces aérodynamiques est réduit ou inexistant, ce qui réduit ou annule la traînée provoquée par ces surfaces. Dans l'invention, le transfert du carburant entre deux réservoirs est 25 géré par un calculateur de l'aéronef, par exemple de bord. Ainsi, lorsque le pilote souhaite manoeuvrer l'aéronef, il utilise une commande de bord classique de l'aéronef, par exemple le manche à balai. L'ordre de manoeuvre est alors transmis à l'ordinateur de bord. Celui-ci détermine les réservoirs concernés par le type de mouvement demandé (roulis ou tangage). Il 30 détermine aussi la quantité de carburant à transférer d'un réservoir vers un autre pour obtenir l'angle d'inclinaison demandé par le pilote. La détermination de la quantité de carburant à transférer prend en compte différents paramètres de l'aéronef tels que la position initiale de l'aéronef (roulis, tangage), la répartition des masses de carburant au moment de la 35 commande et la consigne du pilote (plus elle est différente de la position de l'aéronef, plus il faut transférer de carburant). Le calculateur de bord commande ensuite des pompes à carburant qui assurent le transfert du carburant entre les réservoirs. Le système de l'invention comporte donc des réservoirs de carburant et des pompes de transfert, comme expliqué précédemment. Il comporte également au moins une commande de bord pour commander les manoeuvres de l'aéronef et un calculateur pour déterminer le type de transfert à effectuer, latéral ou longitudinal, et la quantité de carburant à transférer. Il comporte également une mémoire dans laquelle sont io mémorisées des valeurs des quantités de carburant maximum transférables. Ces valeurs de quantités de carburant maximum transférables sont prédéterminées et sont fonction du modèle de l'aéronef. En effet, on comprend bien que, si la quantité de carburant transférée est trop importante, elle peut entraîner une inclinaison trop importante de 15 l'aéronef qui pourrait conduire à un crash. Ainsi lorsque le calculateur a déterminé la quantité de carburant à transférer, il vérifie que cette quantité de carburant soit dans les limites de transfert possibles et mémorisées. Autrement dit, afin de garantir la manoeuvrabilité et la stabilité du vol, le pilote utilise ses commandes de vol habituelles qui, dans l'invention, sont traitées 20 par un calculateur de manière à réguler le transfert de carburant tout en protégeant les limites de centrage dans lesquelles l'aéronef est contrôlable. Il est possible, en fonctionnement normal, de manoeuvrer entièrement l'aéronef sans utiliser d'autres surfaces aérodynamiques que la dérive. Il en résulte ainsi un gain substantiel de la consommation de carburant, pour des 25 raisons d'absence de traînée expliquées précédemment. En cas de panne totale des surfaces aérodynamique, le transfert de carburant permet de conserver le contrôle de l'aéronef, même si un ou plusieurs réacteurs viennent à s'éteindre, pour tenter un atterrissage ou un amerrissage. 30 Sur la figure 3, on a représenté un exemple d'architecture du système de l'invention. Dans ce système, le calculateur de bord 2 est relié à la commande de vol 1 de l'aéronef. Comme montré sur la figure 3, le calculateur 2 est connecté à une pompe de transfert latérale 3 et à une pompe de transfert longitudinale 6. La pompe latérale 3 assure une liaison 35 entre le réservoir latéral droit 5 et le réservoir latéral gauche 4. La pompe longitudinale 6 assure une liaison entre le réservoir central 7 et le réservoir arrière 8. Dans le système de l'invention, la commande de vol 1 est une commande classique d'un aéronef. Le procédé mis en oeuvre pour manoeuvrer l'aéronef est donc transparent pour le pilote qui agit sur des commandes de vol classiques. C'est le calculateur de bord qui gère le transfert de carburant pour améliorer ou simplement pour obtenir une inclinaison de l'aéronef. REVENDICATIONS 1 ù Procédé pour manoeuvrer un aéronef en vol, caractérisé en ce qu'il consiste à déplacer le centre de gravité de l'aéronef en transférant du carburant d'au moins un premier réservoir (4,7) de carburant vers au moins un second réservoir (5,8) de carburant dudit aéronef. 2 ù Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsqu'une commande de manoeuvre est émise par un pilote, un calculateur (2) de l'aéronef détermine une quantité de carburant à transférer. io 3 ù Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le calculateur de l'aéronef vérifie que la quantité de carburant à transférer est inférieure à des valeurs prédéterminées de quantités de carburant maximum transférables. 4 ù Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 15 caractérisé en ce que le carburant est transféré d'un réservoir latéral droit (5) vers un réservoir latéral gauche (4), ou inversement, pour créer un mouvement de roulis de l'aéronef. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le carburant est transféré d'un réservoir central (7) vers 20 un réservoir arrière (8), ou inversement, pour créer un mouvement de tangage de l'aéronef. 6 ù Système de manoeuvre d'un aéronef en vol comportant une commande de vol (1) apte à être manipulée par un pilote et à émettre, lors de cette manipulation, un ordre de manoeuvre, 25 caractérisé en ce qu'il comporte : - au moins un premier réservoir de carburant (4, 7) et au moins un second réservoir de carburant (5, 8), - un calculateur (2) apte à recevoir l'ordre de manoeuvre et à déterminer, en fonction de cet ordre, une quantité de carburant à transférer 30 du premier réservoir vers le second réservoir, et - au moins un moyen de transfert (3, 6) reliant le premier et le second réservoirs et commandé par le calculateur, pour transférer le carburant du premier réservoir vers le second réservoir.7 ù Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux réservoirs latéraux (4, 5) communiquant l'un avec l'autre par l'intermédiaire d'un moyen de transfert latéral (3). 8 - Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que les 5 réservoirs latéraux sont agencés dans la voilure. 9 ù Système selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un réservoir central (7) et un réservoir arrière (8) communiquant l'un avec l'autre par l'intermédiaire d'un moyen de transfert longitudinal (6). io 10 ù Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte un système de manoeuvre selon l'une quelconque des revendications 6 à 9.