Brevet FR3036377A1 — publié le 20161125

- 1 - La présente invention concerne un aéronef à voilure fixe à décollage et atterrissage verticaux capable d'assurer une transition en vol horizontal et de se diriger dans l'espace sans l'aide de gouvernes. De tels aéronefs sont traditionnellement équipés de gouvernes, ce qui les rend plus complexes à réaliser. De plus ces gouvernes augmentent la traînée de l'aéronef lorsqu'elles sont activées et donc diminuent les performances en vitesse et distance franchissable de l'aéronef. La transition entre le vol vertical et le vol horizontal, et inversement, est complexe à réaliser car il faut simultanément ajuster de manière continue les gouvernes de profondeur, les volets situés sur les ailes et sur la puissance du ou des moyens de propulsion en fonction de la vitesse acquise et de la portance qui en résulte, générée par la voilure fixe. Le dispositif selon l'invention remédie à ces difficultés et est particulièrement adapté pour les aéronefs sans pilotes à bord dit drones, mais peut aussi être utile pour les aéronefs traditionnels avec un pilote à bord, devant décoller et atterrir dans des endroits de dimensions limitées. Cette configuration permet également de maintenir l'aéronef en vol stationnaire si la mission le demande, ou dans le cas d'un atterrissage sur une zone momentanément encombrée d'attendre que celle-ci se libère. Cependant, il est toujours possible de rajouter des gouvernes mobiles supplémentaires, mais les avantages de l'invention sont alors partiellement perdus. Dans le cas d'un drone, le dispositif est constitué d'une cellule (1) qui contient la charge utile, les sources d'énergies destinées aux dispositifs de propulsion et les dispositifs de commande des propulseurs souvent appelé autopilote, d'une voilure fixe (2) destinée à assurer la sustentation de l'aéronef dans la partie vol horizontal, d'un empennage (3) qui peut être situé au-dessus ou en dessous ou de part et d'autre du plan formé par la voilure fixe et en plusieurs quantités si la stabilité en lacet de l'aéronef était insuffisante, d'une pluralité de propulseurs au nombre minium de 3 disposés au-dessus et en dessous et à une certaine distance du plan de la voilure fixe et de part et d'autre et à une certaine distance du plan perpendiculaire au plan de la voilure et passant par l'axe longitudinal de la cellule. Dans l'exemple de la FIG. 1 l'aéronef dispose de 4 moyens de propulsions (4), (5), (6) et (7). Ces moyens de propulsion sont préférablement des moteurs électriques entrainant des hélices, car ceux-ci sont capables de faire varier leur poussée de manière très rapide et précise, voire d'inverser leur poussée le cas échéant, mais tout autre dispositif de propulsion peut être employé comme les moteurs à piston, les turbopropulseurs, les turboréacteurs ou les fusées. Les commandes des moyens de propulsions doivent être individualisées, c'est-à-dire que l'autopilote doit être capable de commander individuellement et indépendamment chacun des propulseurs, car c'est en fonction de la force exercée par chacun de ces propulseurs que l'on va diriger l'aéronef dans l'espace. 3036377 - 2 - La position de ces propulseurs doit être suffisamment éloignée du centre de gravité de l'aéronef de façon à ce que la différence de poussée entre chacun d'entre eux puisse créer un couple suffisant dans les plans verticaux. Par exemple en FIG.2, passant par (4) et (6) et passant par (5) et (7) pour pouvoir faire transiter l'aéronef d'un vol vertical à un vol 5 horizontal ou inversement, en adaptant la puissance fournie par (4) et (5) par rapport à celle fournie par (6) et (7). Il en est de même pour diriger l'aéronef en azimut, avec par exemple la différence de poussée assurée par (4) et (6) par rapport à (5) et (7). De plus il est recommandé que la poussée assurée par les propulseurs situés au-dessus du 10 plan de la voilure fixe puisse compenser la résultante des forces constituées par le poids de l'aéronef et la composante verticale de la portance assurée par la voilure fixe dans la phase de transition du vol vertical vers le vol horizontal. De même, il est recommandé que la poussée assurée par les propulseurs situés en dessous du plan de la voilure fixe puisse compenser la résultante des forces constituées par le poids de l'aéronef et la 15 composante verticale de la portance assurée par la voilure fixe dans la phase de transition vol horizontal vers vol vertical. L'aéronef est conçu pour être posé au sol en position verticale. Pour assurer la stabilité de l'aéronef dans cette position il faut qu'il dispose au minium de 3 points de contact avec le sol disposés de telle manière que la projection verticale du centre de gravité de l'aéronef 20 au repos soit situé à l'intérieur du triangle constitué de ces 3 points, ou dans le cas où il y a plus de 3 points à l'intérieur de ce polygone de sustentation. A ce titre il est possible de dessiner la voilure fixe et les dérives pour assurer une telle sustentation. A titre d'exemple la FIG. 3 donne une telle configuration avec 5 points de contact. Cependant tout autre dispositif permettant de remplir cette fonction de support peut également 25 convenir, comme par exemple un bâti solidaire du sol et ayant une forme adaptée à l'arrière de la cellule (1), de la voilure fixe (2) et de l'empennage (3) La séquence entre le décollage et le vol horizontal de l'aéronef se déroule de la manière suivante, en prenant comme exemple un aéronef disposant de 4 propulseurs, selon FIG. 4A, FIG. 4B, FIG. 4C et FIG.4D : 30 1) Lors du décollage, les 4 propulseurs fonctionnent à la puissance maximum de façon à atteindre verticalement une altitude de sécurité. 2) On réduit alors progressivement la puissance fournie par les propulseurs (6) et (7). Ceci a pour effet de commencer à faire tourner l'aéronef autour d'un axe horizontal perpendiculaire à sa destination et passant par son centre de gravité. 35 Lors de cette transition l'aéronef s'incline vers l'avant et comme il se déplace, une portance générée par la voilure fixe commence à exister. 3036377 - 3 - 3) Le vol horizontal commençant à être atteint, on augmente à nouveau la puissance des propulseurs (6) et (7), la vitesse de translation de l'aéronef augmente, sa vitesse ascensionnelle diminue et la portance augmente. 4) En fin de séquence le vol horizontal est atteint. La sustentation est totalement 5 assurée par la voilure fixe et toute la puissance disponible des propulseurs est utilisée pour faire avancer l'aéronef. Dans cette partie du vol on va alors légèrement diminuer la puissance des propulseurs (4) et (5) situés au-dessus de la voilure par rapport à celle des propulseurs (6) et (7) situés sous la voilure, de façon à maximiser la portance et minimiser la traînée, ce qui permettra 10 d'optimiser la distance franchissable par l'aéronef pour une quantité donnée d'énergie disponible à bord. La séquence entre le vol horizontal et l'atterrissage de l'aéronef, ou une phase de vol vertical intermédiaire, se déroule de la manière suivante, en prenant comme exemple un aéronef disposant de 4 propulseurs, selon FIG. 4E, FIG. 4F, FIG. 4G et FIG. 4H : 15 1) On part du vol horizontal avec une sustentation totalement assurée par la voilure fixe de l'aéronef et une puissance propulseur optimisée pour un tel vol. 2) On réduit alors la puissance fournie par les propulseurs (4) et (5) situés au-dessus de la voilure et on met au régime maximum les propulseurs (6) et (7) situés en dessous de la voilure fixe, ce qui a pour effet de faire cabrer l'appareil 20 3) La portance diminue jusqu'à ce que la portance de la voilure fixe décroche. Simultanément on augmente à nouveau la puissance des propulseurs (4) et (5) situés au-dessus de la voilure pour compenser la perte de portance de la voilure, et ce jusqu'à atteindre un vol vertical de l'aéronef. 4) On réduit ensuite la puissance des 4 propulseurs de façon à assurer un vol 25 globalement vertical descendant. On peut alors ajuster cette puissance sur un ou plusieurs propulseurs de façon à donner une composante horizontale au vol de l'aéronef et lui permettre ainsi de rejoindre la zone où il doit se poser. La vitesse verticale de l'aéronef est alors réduite de façon à minimiser la vitesse d'impact au sol qui doit être voisine de zéro. 30 Le dispositif selon l'invention dispose d'une capacité à décoller et atterrir aussi sur des plateformes mobiles et en mouvement, tant que les déplacements de ces dernières ne sont pas trop rapides par rapport à la vitesse horizontale de l'aéronef quand il est en mode vol vertical. Le dispositif selon l'invention est destiné à être utilisé pour tout vol dont la distance entre 35 le point de décollage et d'atterrissage est important par rapport à la distance franchissable par l'aéronef, une voilure fixe ayant de meilleures performances qu'une voilure rotative, ces points de décollage et d'atterrissage ne disposant pas de piste dédiée de dimensions suffisantes. Les applications sont donc principalement dédiées aux 3036377 - 4 - aéronefs devant décoller et se poser à partir de véhicules mobiles terrestres ou marins en mouvement ou non, ou sur les toitures de bâtiments industriels, d'habitation ou autre en zones rurales, industrielles, urbaines ou toute autre zone. Il en est de même à tout autre endroit où il n'est pas possible décoller ou de se poser à partir d'un vol en plané. 5 Dans le dispositif selon l'invention il est important que la position du centre de gravité (12) de l'aéronef soit positionné le plus proche possible de sa position optimale, déterminée par un calcul théorique ou des essais en soufflerie ou toute autre méthode, et fonction de la forme de l'aéronef. Pour cela il est recommandé de pouvoir ajuster longitudinalement la position de la charge utile (20) à l'intérieur de la cellule (1) ou d'un 10 compartiment (21) de celle-ci. Selon la FIG. 5 qui est un exemple possible de dispositif permettant d'ajuster la position longitudinale de la charge utile (20), on dispose d'une tige filetée (22) entrainée en rotation par un moteur électrique (23), ou un servomoteur ou tout autre dispositif mécanique ou manuel. Cette tige filetée (20) est guidée par 2 guides (24) et (25), ou une pluralité de guides, qui sont par exemple des roulements à 15 bille. La rotation de la tige filetée (22) entraine en translation une pièce filetée (26) rendue solidaire de la charge utile (20) par exemple par l'intermédiaire d'une encoche pratiquée dans celle-ci. Le dispositif (23) d'entrainement de la vis filetée (22) peut être embarqué dans l'aéronef ou extérieur à celui-ci. Dans le cas où le dispositif (23) est situé à l'extérieur de l'aéronef il convient de bloquer en rotation la tige filetée (22) lorsqu'on 20 désolidarise cette dernière du dispositif d'entrainement (23). Ceci peut être réalisé à l'aide d'une vis ou tout autre moyen de freinage en rotation de la tige filetée (22). Les dessins annexés illustrent l'invention : La FIG. 1 représente l'aéronef vu de face lorsqu'il est en vol horizontal La FIG. 2 représente l'aéronef vu de côté lorsqu'il est en vol horizontal. (12) indique la 25 position du centre de gravité La FIG. 3 représente l'aéronef vu de dessus lorsqu'il est en vol horizontal La FIG. 4 représente les diverses positions de l'aéronef dans les phases de transition de vol : les FIG. 4A, FIG. 4B, FIG. 4C et FIG. 4D représentent la séquence du décollage vers le vol horizontal ; les FIG. 4E, FIG. 4F, FIG. 4G et FIG. 4H représentent la séquence du vol 30 horizontal vers l'atterrissage. Les flèches représentées donnent un exemple de la direction et l'intensité des forces : (8) de la poussée exercée par les propulseur (4) et (5) situés au-dessus de la voilure fixe, (9) de la poussée exercée par les propulseurs (6) et (7) situés en dessous de la voilure fixe, (10) du poids de l'aéronef et (11) de la portance générée par la voilure fixe qui se déplace dans l'air. 35 La FIG. 5 représente une coupe longitudinale de la charge utile, de la baie de chargement solidaire de la cellule et du dispositif de réglage longitudinal de la position de la charge utile REVENDICATIONS1. Dispositif aéronef à voilure fixe à décollage et atterrissage verticaux caractérisé en ce qu'il est capable d'assurer une transition en vol horizontal et de se diriger dans l'espace sans l'aide de gouvernes par action individuelle sur le régime des propulseurs. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par des performances de distance franchissable améliorées par l'absence de gouverne ce qui a pour effet de réduire la traînée aérodynamique de l'aéronef. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par la capacité à avoir un mode de vol vertical et un mode de vol horizontal effectué par action individuelle sur le régime des propulseurs. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par la présence d'une voilure fixe et d'une pluralité de propulseurs en quantité minimum de 3 de façon à exercer un couple dans trois axes différents et permettre le vol horizontal et le vol vertical. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par une forme de cellule, de voilure fixe et d'empennage permettant à l'aéronef de reposer au sol par l'arrière de manière stable et de rester au repos entre deux vols qui commencent et finissent verticaux. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par la présence d'un système de réglage de la position longitudinale du centre de gravité permettant d'optimiser l'attitude de vol horizontal de l'aéronef pour en réduire la traînée aérodynamique. 7) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5 et 6 permettant d'avoir un vol 25 vertical permettant de décoller et d'atterrir sur des zones de petites dimensions de l'ordre de la dimension de l'envergure de l'aéronef, ou toute autre surface de taille supérieure. 8) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7 capable de décoller et atterrir sur des plateformes terrestres ou maritimes mobiles à l'arrêt ou en mouvement 30 par action individuelle sur le régime des propulseur permettant à l'aéronef en vol vertical d'avoir simultanément une composante de vol horizontal à vitesse variable permettant de rejoindre la plateforme mobile. 1)2) 3) 4) 5) 6)