Brevet FR2948094A1 — publié le 20110121

STRUCTURE PORTANTE OU AEROMOTRICE A EFFET MAGNUS La présente invention concerne une structure aérodynamique à effet Magnus, et son application à un engin 5 mobile. Etat de la technique Les structures à effet Magnus sont connues dans 10 l'état de la technique. Elles comprennent un rotor Flettner muni d'ailettes, entraîné en rotation et fournissant une force selon une direction perpendiculaire à l'axe de rotation. On connaît en particulier la demande de brevet 15 internationale PCT2008/111922 décrivant un mécanisme à effet Magnus comprenant des rotors cylindriques ou coniques rotatifs automoteurs orientés selon un axe perpendiculaire à la direction du flux d'air relatif. Le brevet chinois 2008-106619 ou le brevet japonais 20 JP2008106619 décrivent un autre exemple de mécanisme à effet Magnus, constitué par un rotor disposé entre deux profilés fixes. Le brevet allemand P807080 du 20 février 2007 décrit un aéronef comprenant un rotor à effet Magnus. 25 Inconvénient de l'art antérieur Les structures aérodynamiques à effet Magnus connues dans l'art antérieur présentent un encombrement 30 important selon la direction radiale. La longueur est déterminée par la puissance nominale attendue, mais peut s'avérer pour certaines applications inappropriées dans des configurations où la puissance maximale n'est pas recherchée. C'est le cas par exemple pour une structure destinée à la 35 sustentation d'un engin hybride, utilisable en mode roulant, où l'encombrement constitue alors un inconvénient majeur. C'est également le cas pour une structure verticale pour un engin nautique, où une grande hauteur peut être recherchée pour maximiser la puissance lorsque le vent est faible, et où cette hauteur peut constituer un inconvénient par vents forts ou au repos. Solution apportée par l'invention Afin de répondre à cet inconvénient, l'invention propose une structure aérodynamique à effet Magnus comportant un rotor de Flettner comprenant au moins deux tronçons escamotables. Pour assurer la portance (ou la puissance motrice) maximale, les tronçons sont disposés coaxialement pour étendre au maximum le rotor. Au repos ou dans les situations nécessitant une moindre portance (ou puissance motrice), les tronçons sont escamotés et emboîtés pour réduire la longueur 20 axiale. Selon une variante, la structure portante (ou aéromotrice) à effet Magnus comporte un profilé avant s'étendant parallèlement à l'axe du rotor Flettner (1) sur au 25 moins une partie de la longueur de l'un desdits tronçons escamotable, le bord de fuite dudit profilé s'étendant parallèlement à l'axe du rotor Flettner (1). Selon une autre variante, non exclusive de la 30 précédente, la structure portante (ou aéromotrice) à effet Magnus comporte un profilé arrière s'étendant parallèlement à l'axe du rotor Flettner (1) sur au moins une partie de la longueur de l'un desdits tronçons escamotable. 35 La caractéristique selon laquelle le profilé 15 avant et/ou arrière s'étend parallèlement à l'axe du rotor ne limite pas l'invention à des profilés purement rectilignes et sans courbure et s'étend à des profilés ne couvrant pas complètement le premier tronçon. Les profilés peuvent notamment être emboitables et télescopiques et s'étendre au-delà du premier tronçon. Avantageusement, le rotor Flettner (1) présente des ailettes longitudinales et en ce que l'épaisseur du profilé 10 correspond à la distance tangentielle entre les bords d'attaque de deux ailettes consécutives. Selon une réalisation particulière, lesdites lames profilées sont supportées par des flasques transversales 15 articulées coaxialement par rapport au rotor. Selon une autre variante, ladite lame profilée est orientable selon un axe de pivotement confondu avec l'axe de rotation. Selon un mode de réalisation particulier, le rotor est prolongé radialement par au moins un élément annulaire de roulement. De préférence, la structure portante (ou aéromotrice) à effet Magnus selon l'invention comporte des ailettes ayant une courbure telle que, au bord d'attaque du rotor Flettner, l'extrémité extérieure de l'ailette soit plus haute que l'extrémité de l'ailette au niveau du fuselage. Cette variante améliore la stabilité en roulis . L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés 35 concernant des exemples non limitatifs de réalisation, où : 20 25 30 - la figure 1 représente une vue en perspective d'une structure selon l'invention - la figure 2 représente une vue en perspective d'une variante de réalisation d'une structure selon 5 l'invention - les figures 3 à 5 représentent une vue en perspective d'une structure télescopique, respectivement en position d'élongation maximale, intermédiaire et minimale. L'invention décrite selon les exemples non 10 limitatifs qui suivent concerne une aile ayant une partie centrale rotative (1) selon son axe. Cette partie centrale mobile (1) est cylindrique et mobile en rotation selon son axe. Elle peut également être réalisée selon une forme conique. Dans l'exemple décrit, la 15 partie centrale est équipée d'ailettes (2 à 6) améliorant la prise à l'écoulement de fluide. Les ailettes (2 à 6) sont de préférence incurvées de sorte à offrir plus de résistance à l'écoulement relatif sur l'intrados de l'aile et moins de résistance à l'écoulement 20 relatif sur l'extrados de l'aile. Le nombre d'ailettes (2 à 6), leur hauteur, leur profil selon l'axe de corde de l'ailette, leur courbure selon l'axe de l'aile et leur répartition autour de la partie centrale sont des paramètres caractérisant les performances en 25 sustentation et stabilité de l'aile. Les ailettes (2 à 6) peuvent être fixes ou mobiles afin de modifier notamment leur résistance à l'écoulement en fonction de leur position relative sur la partie centrale au cours de la rotation. La figure 2 représente un exemple de réalisation 30 d'une aile dont les ailettes (2 à 6) sont orientables, entre une position repliée illustrée par la figure 2 et une position escamotée comme représentée en figure 1. Les ailes présentent en outre un profilé avant orientable (7) dont l'incidence par rapport à l'écoulement 35 relatif est réglable. La partie arrière de cette partie profilée épouse l'enveloppe cylindrique contenant la partie centrale de l'aile (en laissant le jeu nécessaire à la libre rotation de la partie centrale). Dans le cas d'une partie centrale équipée d'ailettes (2 à 6), afin de conserver une compression optimale du fluide sur l'intrados et une dépression optimale du fluide sur l'extrados de l'aile, l'arrière du profilé avant (7) orientable adopte une courbure selon l'axe de l'aile et une épaisseur suffisante pour éviter des fuites de fluide entre elle-même et la partie centrale mobile (1). Le profilé avant (7) orientable est facultatif. L'aile comporte également un profilé arrière orientable (8) dont l'incidence par rapport à l'écoulement relatif est réglable. La partie avant de ce profilé (8) épouse l'enveloppe cylindrique contenant la partie centrale de l'aile (en laissant le jeu nécessaire à la libre rotation de celle-ci). Dans le cas d'une partie centrale équipée d'ailettes (2 à 6), afin de conserver une compression optimale du fluide sur l'intrados et une dépression optimale du fluide sur l'extrados de l'aile, l'avant du profilé arrière (8) adopte une courbure par rapport à l'axe de l'aile et une épaisseur suffisante pour éviter des fuites de fluide entre elle-même et la partie centrale mobile. Le profilé arrière (8) orientable est également facultatif. La partie centrale (1) mobile en rotation est soumise à un écoulement relatif, et se comporte comme une pompe compressant de manière asymétrique l'intrados et l'extrados de l'aile et créant ainsi une portance normale à la direction de l'écoulement et dans le plan de rotation. L'écoulement sur l'intrados rencontre les ailettes (2 à 6) qui ont une composante de vitesse opposée à l'écoulement. L'écoulement sur l'extrados rencontre les ailettes (2 à 6) qui ont une composante de vitesse dans le sens de l'écoulement. En fonction du régime de rotation, la composante de vitesse dans le sens de l'écoulement peut être inférieure ou supérieure à la vitesse de l'écoulement : Si elle est inférieure, les ailettes (2 à 6) compressent l'écoulement de l'extrados, mais la compression est moindre que celle que produirait un corps immobile et surtout moindre que la compression sur l'intrados. Si elle est supérieure, les ailettes (2 à 6) provoquent une dépression de l'écoulement sur l'extrados. Les profilés avant (7) et arrière (8) prolongent les surfaces d'intrados et d'extrados soumises à la différence de pression. Une aile composée uniquement de la partie centrale mobile (1) fournira une portance constante quelque soit son incidence par rapport à l'écoulement relatif. Une aile de ce type ne participe donc pas directement à la stabilisation en tangage du véhicule qui en est équipé. Une aile composée de l'ensemble des éléments 20 décrits se comporte de manière similaire à une aile classique avec les particularités suivantes : La structure cylindrique centrale (1) offre une rigidité importante La possibilité d'orienter les parties profilées 25 avant (7) et arrière (8) de manière indépendante permet d'adapter la cambrure de l'aile La modification de la vitesse de rotation de la partie centrale mobile (1) permet d'adapter les performances de l'aile en fonction notamment de la vitesse 30 relative de l'écoulement, de la pression du fluide et de l'effet recherché (maximisation de la portance, minimisation de la traînée, maximisation de la finesse) L'aile bénéficie également d'un effet de stabilisation gyroscopique du à la rotation de la partie 35 centrale (1). Il est possible de le minimiser en ajoutant une masse tournant sur le même axe que la partie centrale mobile (1) et en sens inverse. La variation du moment cinétique opposé à la rotation de la partie mobile peut être utilisée à des fins de pilotage. Afin d'améliorer la stabilité en roulis, on peut donner une courbure aux ailettes et à la partie profilée avant orientable telle qu'en regardant l'aile depuis l'avant, la partie centrale de chacun de ces éléments soit plus basse que 10 son extrémité (courbure variable). Vue de l'arrière, la courbure des ailettes (2 à 6) est inversée, le profilé arrière orientable (8) aura donc de préférence une courbure inverse au profilé avant orientable (7). L'invention concerne plus particulièrement le fait 15 que la partie centrale mobile (1) est constituée de tronçons emboitables. Comparativement à une aile classique, la forme de la partie centrale mobile (1) permet la réalisation facile d'ailes télescopiques composées de parties centrales 20 mobiles (1) s'emboîtant les unes dans les autres (en particulier si la hauteur des ailettes est minimale). Une aile à partie centrale rotative de ce type peut-être utilisée dans les applications suivantes : - Ailes d'avions compacts : ailes télescopiques, 25 sustentation importante par unité de surface. - Ailes de drones, d'avions traversant des zones de combats : robustesse mécanique de l'aile, déflection de projectiles par la partie tournante de l'aile. - Ailes d'avions commerciaux subsoniques . 30 utilisation du volume intérieure de l'aile pour le transport de charge utile (passagers, cargo). - Ailes de véhicules sous-marins. A titre d'exemple, la partie centrale mobile (1) est constitué d'un tube de 3 mètres de long formé de deux 35 tronçons escamotables, avec un diamètre d'un mètre. Ce tube est prolongé de deux disques de 1,20 m de diamètre à ses extrémités. La partie mobile comprend 12 ailettes (2 à 6) répartie uniformément (tous les 30°) sur la partie centrale mobile. Ces ailettes présentent une hauteur de 10 centimètres de hauteur et sont orientées à 90° par rapport à une tangente au corps central cylindrique. Le bord d'attaque du profil de l'ailette forme un angle de 45° par rapport à la base (orienté vers l'avant de l'aile quand l'ailette est sur la partie basse du cylindre, orientée vers l'arrière sur la partie haute du cylindre). L'axe de l'ailette est courbe et fait un angle de 0° par rapport à l'axe du cylindre à la base de l'aile (au niveau du fuselage) et un angle de 5° par rapport à l'axe du cylindre à l'extrémité de l'aile (vu de face, l'ailette est plus haute à l'extrémité de l'aile qu'à sa base). L'épaisseur des l'ailettes est de 2 cm à sa base et 1 cm à son extrémité. Le profilé avant (7) est orientable. La partie arrière épouse la forme cylindrique de la partie centrale mobile. Son épaisseur correspond à une portion de 30° du cylindre de manière à contenir en totalité le volume compris entre 2 ailettes. Sa courbure suit la courbure des ailettes le long de l'axe du cylindre (0° à la base, 5° à l'extrémité), longueur de 3 mètres, largeur de 30 cm. Le profilé arrière (8) orientable présente une partie arrière épousant la forme cylindrique de la partie centrale mobile, épaisseur correspondant à une portion de 30° du cylindre de manière à contenir en totalité le volume compris entre 2 ailettes). Sa courbure suit la courbure des ailettes le long de l'axe du cylindre (0° à la base, 5° à l'extrémité ù courbure opposée à la partie avant), longueur de 3 mètres, largeur de 50 cm. Selon un autre exemple, la partie télescopique de l'aile est formée par deux tubes de respectivement 2 mètres et 80 cm de long et de 80 cm de diamètre avec deux disques de 90 cm de diamètre délimitant la partie exposée au vent relatif (2 mètres de long) et la partie restant à l'intérieur de la partie centrale mobile. Un disque est placé en extrémité externe de l'aile, l'autre à 2 mètres de celui-ci. La partie télescopique est équipée de 12 ailettes de 5 cm de hauteur sur toute la partie exposée au vent relatif, 1 cm d'épaisseur à la base et 5 mm à son extrémité, base de l'ailette à 90°, extrémité de l'ailette à 45° par rapport à la base (orienté vers l'avant de l'aile quand l'ailette est sur la partie basse du cylindre, orientée vers l'arrière sur la partie haute du cylindre), l'axe de l'ailette est rectiligne et fait un angle de 5° par rapport à l'axe du cylindre. L'aile présente une envergure de 3 mètres et une largeur de 2 m quand elle est repliée et une envergure de 5 m et une largeur de 2 m quand elle est dépliée. Les figures 3 à 5 représentent une vue en perspective d'une structure télescopique, respectivement en position d'élongation maximale, intermédiaire et minimale. 25 La structure présente comme dans l'exemple précédent un rotor (1) muni d'ailettes (2, 3, 4). Ces ailettes présentent en coupe transversale une forme en L avec une première zone (9) s'étendant dans un plan radial, ou dans un plan formant un angle inférieur à 15° par rapport au plan 30 radial, et une deuxième zone (19) s'étendant sensiblement tangentiellement, et formant un angle compris entre 70 et 110° par rapport au plan de la première zone (9). Le rotor (1) est creux et reçoit un tronçon 35 escamotable (10) coaxial. Ce tronçon (10) présente également20 des ailettes (12 à 15) situées dans le prolongement des ailettes du rotor extérieur (1). Les profilés avant (7) et arrière (8) s'étendent 5 seulement le long du rotor extérieur (1). Le tronçon intérieur (10) est actionné par un vérin ou un moteur qui commande l'extraction lorsque la puissance attendue est importante, et la rétractation dans le rotor (1) 10 lorsqu'une limitation de l'encombrement ou une réduction de la puissance est souhaitée. Selon une option, les profilés (7) et/ou (8) peuvent également comporter une partie rétractable et 15 télescopique pour modifier l'étendue de ces parties qui sont soit fixes soit orientables. REVENDICATIONS1 - Structure portante ou aéromotrice à effet Magnus, du type comportant un rotor Flettner (1) caractérisée en ce que ledit rotor Flettner (1) comprend au moins deux tronçons escamotables, encastrable axialement pour réduire l'encombrement lorsque la portance ou la puissance aéromotrice attendue est faible, et extensible lorsque la portance ou la puissance aéromotrice attendue est élevée. 2 û Structure portante ou aéromotrice à effet Magnus selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte un profilé avant (7) s'étendant parallèlement à l'axe du rotor Flettner (1) sur au moins une partie de la longueur de l'un desdits tronçons escamotable, le bord de fuite dudit profilé s'étendant parallèlement à l'axe du rotor Flettner (1). 3 û Structure portante (ou aéromotrice) à effet Magnus selon la revendication 1 ou selon la revendication 2 caractérisée en ce qu'elle comporte un profilé arrière (8) s'étendant parallèlement à l'axe du rotor Flettner (1) sur au moins une partie de la longueur de l'un desdits tronçons escamotable. 4 Structure portante ou aéromotrice à effet Magnus selon la revendication 2 ou selon la revendication 3 caractérisée en ce que le rotor Flettner (1) présente des ailettes longitudinales (2 à 6) et en ce que l'épaisseur du profilé (7, 8) correspond à la distance tangentielle entre les bords d'attaque de deux ailettes consécutives. 5 û Structure portante ou aéromotrice à effet Magnus selon l'une quelconque des revendication précédentes caractérisée en ce que le rotor Flettner (1) présente desailettes longitudinales (2 à 6) orientables entre une position repliée et une position déployée. 6 - Structure portante ou aéromotrice à effet Magnus selon l'une au moins des revendications 2 à 5 caractérisée en ce que lesdites lames profilées sont supportées par des flasques transversales articulées coaxialement par rapport au rotor. 7 - Structure portante ou aéromotrice à effet Magnus selon l'une au moins des revendications 2 à 6 caractérisée en ce que ladite lame profilée est orientable selon un axe de pivotement confondu avec l'axe de rotation. 8 - Structure portante ou aéromotrice à effet Magnus selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le rotor est prolongé radialement par au moins un élément annulaire de roulement. 20 9 - Structure portante ou aéromotrice à effet Magnus selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une masse tournant sur le même axe que la partie centrale mobile (1) et en sens inverse. 25 - Structure portante ou aéromotrice à effet Magnus selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte des ailettes ayant une courbure telle que, au bord d'attaque du rotor Flettner, 30 l'extrémité extérieure de l'ailette soit plus haute que l'extrémité de l'ailette au niveau du fuselage. 10 15