Brevet FR2930759A1 — publié le 20091106

DISPOSITIF ANNEXE DE DEPLACEMENT AU SOL D'UN VEHICULE AERIEN A TURBOMACHINE La présente invention concerne un dispositif annexe de déplacement au sol d'un véhicule aérien et plus particulièrement un dispositif consistant en un système intégré de déplacement d'un véhicule aérien adapté à la traction du véhicule au sol. Elle s'applique en particulier aux avions commerciaux équipés de turboréacteurs. D'une manière générale, la phase de roulage des avions commerciaux au sol est effectuée grâce à la poussée d'au moins un des moteurs principaux de l'avion, et/ou en tractant l'aéronef au moyen d'un tracteur de piste. Le roulage d'un avion peut être découpé en deux phases. la première phase est la phase dite en anglais de � taxi out � c'est à dire la phase dans laquelle l'avion se dirige depuis la porte d'embarquement des passagers jusqu'au seuil de la piste dans le but de décoller: Au cours de cette phase l'avion quitte le terminal repoussé en marche 15 arrière au moyen d'un tracteur de piste et un ou plusieurs de ses moteurs principaux sont alors allumés. Une fois que l'avion est suffisamment écarté du terminal et positionné pour se déplacer en marche avant, le tracteur est déconnecté, l'avion se déplace alors à faible vitesse en utilisant la poussée d'un ou plusieurs de ses moteurs 20 principaux, depuis le terminal jusqu'au seuil de la piste de décollage. L'avion est alors contrôlé par le pilote depuis le cockpit via l'unité de pilotage. La seconde phase est la phase dite en anglais de � taxi-in �, c'est à dire la phase où l'avion se dirige après l'atterrissage depuis la piste d'atterrissage jusqu'au terminal : 2 Dans cette phase, après avoir atterri, l'avion se dirige à faible vitesse de la piste d'atterrissage vers le terminal par la poussée d'un ou plusieurs de ses moteurs principaux, sous le contrôle du pilote dans le cockpit, via l'unité de pilotage. A l'approche du terminal, la manoeuvre de l'avion peut-être guidé par du personnel de piste et, en cas de trafic congestionné, l'avion peut s'arrêter avant le terminal et être ensuite amené par un tracteur de piste jusqu'à la porte de débarquement. Effectuer le roulage des avions selon la procédure actuelle est à l'origine de 10 coûts significatifs pour les compagnies aériennes. Ces coûts sont liés en premier lieu à l'utilisation des réacteurs pour le roulage, car ceux-ci sont dimensionnés pour la phase de vol, et n'ont donc pas un fonctionnement optimal à faible vitesse et faible puissance, ce qui entraîne une surconsommation de kérosène. 15 Ensuite, il faut également prendre en compte les coûts supplémentaires de maintenance et de réparation des dommages causés par le souffle des réacteurs lorsque les avions sont trop près les uns des autres, et par l'ingestion de débris par les réacteurs au cours du roulage. En outre, utiliser les réacteurs pour le roulage est par ailleurs une source de 20 pollution sonore dans l'aéroport, et entraîne l'émissions de particules polluantes qui ont un effet sur la qualité de l'air locale et contribuent à l'effet de serre. De plus la procédure actuelle rend l'avion dépendant de tracteurs de piste pour les marches arrières car les réacteurs des avions ne permettent généralement pas de manoeuvrer en marche arrière. 25 Ceci peut entraîner à la fois des délais, lorsque les tracteurs ne sont pas disponibles, et des coûts liés à leur utilisation. Il est donc souhaitable pour les compagnies de réduire leurs coûts opérationnels en optimisant les mouvements au sol des avions. Pour cela, de nouvelles procédures de roulage doivent être proposées, afin de diminuer la 30 consommation de kérosène, diminuer la durée de taxi ainsi que réduire les émissions sonores et les émissions de gaz polluants. 3 La solution proposée par la présente invention concerne ainsi un système de roulage autonome, logé dans ou à proximité des moyeux ou des jantes des roues des trains principaux ou du train avant d'un avion commercial. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné aux trains d'atterrissage, avant ou principaux, d'un avion de ligne équipé de turboréacteurs. Des solutions techniques concernant le roulage autonome des aéronefs existent et notamment le document US 2006/0065779 Al décrit un train avant équipé d'au moins un axe de roue, au moins une roue couplée à l'axe de roue, au moins un moteur de roue couplé à l'axe de roue et à la roue et un dispositif de commande relié au moteur de roue et faisant tourner la roue. Ce document envisage comme mode de réalisation unique un moteur électrique logé dans la jante d'au moins une roue du train avant. Ce moteur électrique permet d'assurer la fonction de taxi, mais aussi de mettre en rotation les roues du train avant préalablement à l'atterrissage, afin de minimiser l'usure des pneus au moment où ceux-ci touchent la piste. Le principal inconvénient d'un système de train avant à moteur électrique motorisé est l'utilisation d'un système loin de l'APU (générateur auxiliaire situé à l'arrière de l'appareil qui fournit notamment la puissance électrique lorsque l'avion est au sol) ce qui nécessite le rajout de câblage de puissance et donc de la masse additionnelle embarquée. En outre, la masse totale d'un système de propulsion électrique comprend le moteur lui-même, le câblage de puissance, le convertisseur de puissance, le contrôleur et éventuellement un mécanisme de débrayage. La masse de ces appareils est bien souvent élevée et le carburant consommé par le fait de transporter cette masse additionnelle (effet boule de neige) risque d'annuler l'économie de carburant réalisée au cours du taxi. L'utilisation du train avant en traction a aussi pour inconvénient que la masse répartie sur le train avant risque de ne pas être suffisante pour permettre la traction de l'avion par le train avant: si la traction à appliquer est supérieure à la traction maximum applicable, la roue patine et l'avion ne peut pas avancer. Selon le document US 3 874 619, un dispositif hydraulique combinant système de freinage et système propulsif particulier selon lequel les freins sont montés sur des vérins assurant une mobilité de l'aéronef. 4 Selon le document US 3 059 712, un moteur hydraulique entraîne, au travers d'une vis sans fin, une couronne qui est couplée à la jante d'une roue d'un train d'atterrissage par un élément gonflable torique. L'entraînement de la roue est fait par le moteur hydraulique après gonflage 5 de l'élément gonflable qui permet l'entraînement. Une autre réalisation décrite dans le document US 3 711 043 est constituée par un moteur hydraulique logé dans le moyeu d'au moins une roue d'au moins un train principal de l'avion. Ce type de système, comme le précédent ne peut fonctionner sans l'installation d'un système de distribution hydraulique, ce qui 10 nécessite une importante modification de l'architecture hydraulique de l'avion et a un coût en termes de masse additionnelle embarquée. Enfin, le document WO 2007/048164 Al décrit un dispositif électromagnétique pouvant fonctionner comme moteur et générateur placé dans la jante d'au moins une roue d'au moins un train principal, ce qui permet d'assurer 15 à la fois les fonctions de roulage et de freinage, en remplacement des freins carbones qui aujourd'hui occupent cet espace dans les jantes des trains principaux. Ce type de système se révèle être pour le moment trop lourd et encombrant pour être monté de manière avantageuse sur avion. La présente invention a pour but de fournir un système de roulage 20 autonome pour avion commercial, qui puisse être logé à proximité d'un ou plusieurs trains avant ou principaux plus simple et plus léger que les solutions existantes, de sorte que l'avion puisse se déplacer au sol entre le terminal et la piste de décollage ou d'atterrissage sans l'aide de ses moteurs principaux ou de matériel de piste tout en consommant peu de carburant dans ces phases de 25 roulage et sans ajouter de surconsommation notable en phases de vol. Pour ce faire, la présente invention prévoit un dispositif d'entraînement d'au moins une roue d'un train d'atterrissage d'un aéronef qui comporte au moins une machine à turbine intégrée au niveau du train d'atterrissage de l'aéronef et qui est adapté à déplacer l'aéronef au sol à basse vitesse. 30 Préférablement, la machine à turbine est une turbomachine comportant une chambre de combustion en communication avec un étage de turbine axiale entraînant un étage de compression. Avantageusement, la machine à turbine est une micro-turbine. La turbomachine de type micro-turbine comporte avantageusement un turboréacteur simple flux, elle comporte préférentiellement un étage de compression sous forme d'un compresseur centrifuge et/ou un étage de turbine libre entraînant au moins une roue de l'aéronef au travers de moyens de 5 transmission mécaniques. Les moyens de transmission mécaniques comportent de préférence un système d'embrayage intercalé entre la turbomachine et ladite au moins une roue et/ou un réducteur fixe ou variable. Selon un mode de réalisation particulier, les moyens de transmission mécaniques comportent un dispositif d'inversion de sens de rotation des roues pour permettre le déplacement autonome de l'appareil en marche arrière. Le dispositif comporte avantageusement des moyens de réduction d'émissions sonores. Il comprend un système d'alimentation comprenant une ligne d'alimentation en carburant reliant les réservoirs de l'avion à la turbomachine et un système de gestion du carburant relié à une commande au cockpit pilotant une vanne de fermeture d'arrivée de carburant située sur la ligne d'alimentation en carburant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation non limitatif de l'invention en référence aux dessins qui représentent: en figure 1: une vue de côté en semi-coupe d'un premier exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention; en figure 2: une vue en perspective d'un exemple d'implantation d'un second exemple de dispositif selon l'invention monté sur une jambe de train. en figure 3: une vue en coupe détaillée d'un dispositif selon l'invention. Comme vu précédemment, l'invention consiste à intégrer sur une ou plusieurs parties d'un train d'atterrissage avant ou principal de l'avion une ou plusieurs machines à turbines. Ces machines à turbines sont suivant l'exemple de la figure 1 des turbomachines de type micro-turbines comprenant de manière non exclusive comme représenté en figure 1 un turboréacteur simple flux avec un étage de compression 2, le compresseur considéré étant un compresseur centrifuge, une chambre de combustion 3, un étage de turbine axiale 4 entraînant l'étage de compression 2, un étage de turbine libre 5, des moyens de transmission 6 mécaniques 6 comprenant de manière connue par exemple un dispositif de réduction fixe ou variable par exemple un réducteur constitué d'un train épicycloïdal et éventuellement un système d'embrayage, ces moyens de transmission entraînant dans l'exemple de la figure 1 une jante 13 de roue au travers de moyens d'engrenage 16. La turbomachine comprend en outre un système d'alimentation qui comprend une ligne de carburant 7 reliant les réservoirs de l'avion à ladite turbomachine, une vanne 8 de fermeture d'arrivée de carburant située à un endroit de la ligne de carburant et un système 9 de gestion du carburant au niveau de la turbomachine ou au niveau du coeur électrique de l'aéronef. La mise en route du système est directement commandée par l'équipage depuis le cockpit. En effet, celui-ci en appuyant sur un bouton 10 envoie un signal électrique au contrôleur principal situé dans le coeur électrique de l'avion. Celui-ci convertit le signal électrique en signal logique envoyé vers la vanne de fermeture d'arrivée de carburant située le long de la ligne d'arrivée de carburant. L'ouverture de la vanne permet alors l'alimentation en carburant de la turbomachine démarrée par un démarreur électrique 17. Lors des phases de roulage en marche avant à basse vitesse, entre le terminal et la piste, la vitesse de l'avion est directement contrôlée par l'équipage 20 depuis le cockpit. Dans le cas des avions à commandes électriques, l'équipage envoie depuis le cockpit au travers d'un moyen de commande tel qu'un joystick 11 un signal électrique jusqu'au contrôleur principal 9 situé dans le coeur électrique de l'avion. Celui-ci relaie le signal au système de gestion du carburant, qui régule le débit de 25 carburant alimentant la turbomachine au niveau des injecteurs carburant 12. De ce débit dépend la vitesse de rotation de la turbine axiale, et donc la vitesse de rotation de la turbine libre. La turbine libre entraîne la rotation d'une ou plusieurs des roues du train sur laquelle cette turbomachine est montée, par l'intermédiaire des moyens de transmission mécaniques 6. Ainsi, l'équipage, en 30 contrôlant depuis le cockpit le débit de kérosène, contrôle directement la vitesse de roulage de l'avion. 7 D'autres dispositifs de régulation de vitesse peuvent être utilisés et notamment un variateur mécanique sur la sortie de la turbomachine peut permettre de faire varier la vitesse de rotation des roues. Un avantage de la turbomachine par rapport aux systèmes électriques est que les systèmes électriques ont une faible puissance massique par rapport à d'autres systèmes. A titre de comparaison, la puissance massique d'un moteur électrique est de l'ordre de 0.3 à 1 kW/kg installé alors que celle d'une turbomachine sous forme d'une micro-turbine est de 2.5 kW/kg installé. De plus les systèmes électriques ont également une faible puissance volumique (environ 1500 kW. m3 comparé à 2500 kW. m3 pour une micro-turbine) et sont limités en couple par rapport à une turbomachine. Lors de la phase de roulage, le contrôle de la direction de l'avion est effectué de la même manière que lorsque l'avion se déplace grâce à la poussée de ses moteurs principaux : un signal électrique est envoyé par le pilote depuis le cockpit, jusqu'au contrôleur situé dans le coeur électrique de l'avion. Un convertisseur dans le coeur électrique de l'avion convertit le signal électrique en signal logique qui est envoyé vers l'unité de contrôle de direction de l'avion situé sur le train avant. Les commandes de régulation de débit, et donc de vitesse des roues, 20 peuvent être couplées avec la commande de direction sur le même moyen de commande 11 pour faire rouler et diriger l'avion. Lors des phases à grande vitesse, décollage et atterrissage, l'avion est propulsé à l'aide de ses moteurs principaux. La turbine libre 5 est alors désengagée des roues grâce au système 25 d'embrayage des moyens de transmission mécaniques 6 et la turbomachine est mis en roue libre. Selon un mode de réalisation particulier, le système de transmission mécaniques disposé entre la turbomachine et les roues comporte un dispositif d'inversion de sens de rotation des roues pour permettre le déplacement 30 autonome de l'appareil en marche arrière. Ce dispositif peut être par exemple similaire à une boîte de vitesse, à l'instar des boîtes de vitesse de voiture, dans le sens où un pignon peut être engrené entre la roue de turbine libre et la roue de l'avion pour ajouter un étage d'engrenage et inverser ainsi le sens de rotation. D'autres moyens d'inversion de sens de rotation connus peuvent être intercalés entre la turbine et la ou les roues. Avantageusement, comme représenté en figure 1, la ou les turbomachines sous forme de micro-turbines pourront être placées dans le moyeu-même d'une ou plusieurs roues 22 du train considéré. De la sorte, la ou les roues sont directement entraînées par la turbine libre au travers du dispositif de transmission ici de type réducteur planétaire et le système d'embrayage. Selon cet exemple, la machine à turbine est disposée au bout de la fusée 14 qui porte la jante 13 au travers de roulements 15. L'entraînement de la roue se fait au moyen d'une denture 16 entre la jante et le dispositif de réduction des moyens d'entraînement 6. Il n'est pas dans ce cas nécessaire de concevoir un système de transmission mécanique autre qu'un réducteur planétaire entre la turbine libre et les roues. Cependant, toute autre localisation de la turbo-machine à proximité du train pourra être envisagée, pour des raisons de place par exemple moyennant l'ajout de moyens de transmission de mouvement comme un arbre de transmission. Il est à noter que vu la rapidité de démarrage des micro-turbines, une telle turbomachine pourra être mise en route au moyen du démarreur électrique 17 et arrêtée à chaque départ et arrêt de l'avion. Ceci limite la durée de fonctionnement de la turbomachine ce qui est favorable pour réduire la consommation de carburant. Dans l'exemple de la figure 2, le positionnement de la machine à turbine 1 est réalisé pour permettre un retrait aisé de cet équipement du train d'atterrissage 25 en cas de défaillance. Ce positionnement nécessite toutefois un dispositif de renvoi d'angle pour relier la turbine libre à l'arbre de roue qui devient en outre un arbre de transmission. La figure 3 représente le dispositif de l'invention en position sur une jambe 30 de train telle qu'une jambe de train avant. Selon cet exemple et dans le cas d'un train avant 19, la turbomachine est montée en avant de la jambe de train entre deux roues 13. Un dispositif d'attache et de décrochage rapide tel que les dispositifs déjà utilisés pour fixer les démarreurs des moteurs principaux sur la boite d'accessoires 5 desdits moteurs est avantageusement utilisé pour positionner ou enlever la turbomachine. Un tel dispositif d'attache consiste en un "quart de pompier" 23 qui reprend une partie des efforts induit par le dispositif à maintenir et permet son maintien en position. 10 Des bras 24, 25 se raccordant sur la jambe de train soutiennent le dispositif. L'arbre moteur 26 du dispositif, transmet le couple moteur à l'arbre de roue 27 au travers d'un pignon conique. L'admission d'air 28 de la turbine et l'échappement des gaz brûlés 29 sont 15 dirigés vers le bas et la canalisation 30 d'arrivée de carburant longe l'un des bras 24 de soutien du dispositif. La boîte d'engrenages 16 fonctionne en réducteur et peut comporter un système inverseur permettant le roulage en marche arrière. Ce mode de réalisation présente l'avantage d'une tuyauterie 7 20 d'alimentation en carburant plus courte, d'un accès à la micro-turbine plus aisée pour les actions de maintenance et, comme ce dispositif n'est pas essentiel, il est possible de faire voler un avion dont les micro-turbines ont été démontées pour raison de maintenance. Pour contrer les vibrations, un dispositif tel qu'une bielle 20, représentée en 25 pointillés sur la figure 2, liant la jambe de train à la turbomachine est en outre prévu selon ce mode de réalisation. De retour à la figure 1, l'invention prévoit des moyens de réduction des émissions sonores au cours du fonctionnement de la micro-turbine, ces moyens étant réalisés selon l'exemple sous forme d'un tore de détente 21 traité au plan 30 acoustique. Avec un tel système, les moteurs principaux étant éteints durant la phase de roulage, la consommation totale de pétrole pour une même mission décroît 10 sensiblement et jusqu'à 5% de carburant peut être économisé sur une mission de 500 nm pour un avion de ligne standard. De même, les émissions polluantes globales et locales s'en trouvent réduites, de même que le niveau sonore. Enfin, le roulage avec les moteurs avion arrêtés permet d'éviter l'ingestion de débris étrangers par les moteurs dans cette phase au sol. Le dispositif selon l'invention permet des mouvements autonomes de l'avion au sol, sans l'aide de tracteurs de piste, ce qui permet une économie de temps et une réduction des coûts d'opération. Contrairement à un moteur électrique ou hydraulique, le dispositif selon l'invention ne nécessite pas d'importantes modifications de l'architecture de l'avion. Seule une ligne de carburant la reliant à un des réservoirs de l'avion et une alimentation électrique de son démarreur à faible puissance doivent être ajoutées par micro-turbine. Selon les niveaux de puissance et de couple mécaniques souhaités pour le roulage, plusieurs configurations sont possibles : soit une micro-turbine par roue, soit une micro-turbine par train. Il est possible de disposer la machine à turbine sur la roulette avant ou de loger la ou les micro-turbines dans les essieux des roues des trains principaux, ce qui permet, dans ce dernier cas, du fait de la proximité des réservoirs, de minimiser la masse additionnelle due à l'ajout de la ligne de carburant. REVENDICATIONS1 - Dispositif d'entraînement d'au moins une roue (13) d'un train d'atterrissage d'un aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une machine à turbine (1) intégrée au niveau du train d'atterrissage de l'aéronef. 2 - Dispositif d'entraînement selon la revendication 1, pour lequel la machine à turbine (1) est une turbomachine comportant une chambre de combustion (3) en communication avec un étage de turbine axiale (4) entraînant un étage de compression (2). 3 - Dispositif d'entraînement selon la revendication 2, caractérisé en ce que la machine à turbine (1) est une micro-turbine. 4 - Dispositif d'entraînement selon la revendication 2 ou 3, pour lequel la turbomachine de type micro-turbine comporte un turboréacteur simple flux. 5 - Dispositif d'entraînement selon l'une des revendications 2 à 4, pour lequel la turbomachine comporte un étage de compression (2) sous forme d'un compresseur centrifuge. 6 - Dispositif d'entraînement selon l'une des revendications précédentes, pour lequel la turbomachine comporte un étage de turbine libre (5) entraînant au moins une roue (13) de l'aéronef au travers de moyens de transmission mécaniques (6). 7 - Dispositif d'entraînement selon la revendication 6, pour lequel les moyens de transmission mécaniques (6) comportent un système d'embrayage intercalé entre la turbomachine et ladite au moins une roue. 8 - Dispositif d'entraînement selon les revendications 6 et 7, pour lequel les moyens de transmission mécaniques (6) comportent un réducteur fixe ou variable. 9 - Dispositif d'entraînement selon l'une des revendications 6 à 8, pour lequel les moyens de transmission mécaniques (6) comportent un dispositif d'inversion de sens de rotation des roues pour permettre le déplacement autonome de l'appareil en marche arrière. 10 - Dispositif d'entraînement selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un système d'alimentation comprenant une ligne d'alimentation (7) en carburant reliant les réservoirs de l'avion à la turbomachine et12 un système (9) de gestion du carburant relié à une commande (11) au cockpit pilotant une vanne (8) de fermeture d'arrivée de carburant située sur la ligne d'alimentation en carburant.