Brevet FR3039506A1 — publié le 20170203

ROTOR DE SUSTENTATION ET AERODYNE HYBRIDE A DECOLLAGE ET/OU ATTERRISSAGE VERTICAL OU COURT LE COMPORTANT L'invention concerne un rotor ou système rotor de 5 sustentation, pour un aérodyne hybride à décollage et/ou atterrissage vertical ou court, permettant à l'aérodyne de décoller et/ou d'atterrir verticalement ou sur de courtes distances, puis de se mouvoir horizontalement à grande vitesse, l'aérodyne hybride étant du type équipé d'une 10 voilure fixe et d'une voilure tournante, apte à être immobilisée en vol de croisière. L'invention s'applique en particulier à de petits aérodynes d'une envergure relativement faible (par exemple : 4m) évoluant à une vitesse relativement élevée 15 (par exemple : 350 km/h) et destinés à des missions de surveillance côtière, ou bien à des surveillances de voies ferrées ou routières sur de longues distances, ou encore à des transports d'assistance/évacuation médicale sur de longues distances dans des zones relativement inhabitées, 20 les aérodynes étant capables de décoller de n'importe quel endroit sans nécessiter particulièrement d'avoir une piste de décollage ou une infrastructure particulière. Typiquement, il peut s'agir d'un aérodyne de type ULM (ou LSA) équipé par exemple d'un rotor de 3m de diamètre avec 25 une motorisation de 150KW capable d'évoluer à une vitesse de croisière d'environ 350 km/h et de franchir une distance de l'ordre de 1000 km. Pour réussir cette performance, il faut que le rotor ou système rotor objet de la présente invention soit performant en sustentation, 30 mais aussi qu'il ne génère pas de traînée trop importante en déplacement horizontal à grande vitesse de l'aérodyne. Pour cela, l'invention propose d'utiliser, d'une part, un rotor ou système rotor constitué principalement par une ou 3039506 2 deux mono pales tournant de façon contrarotative (en sens inverse l'une de l'autre) et, d'autre part, d'offrir des moyens d'arrêter la rotation de ladite ou desdites mono pales pendant le vol de croisière et de la ou les maintenir en position en toute sécurité avec une traînée aérodynamique minimale. L'idée d'utiliser une ou des mono pales dans des concepts de « stop rotor » hybrides VTOL (acronyme anglo saxon pour décollage et atterrissage vertical) est une idée très ancienne. Elle est dans le domaine public. En effet, une mono pale présente, de façon évidente, un intérêt vis-à-vis de la traînée du rotor quand la rotation de celui-ci est arrêtée. C'est aussi une bonne solution quand on veut concevoir un système où le rotor est caché (mis à l'abri du vent relatif) pendant le vol à vitesse élevée. Par exemple, dans ce domaine, on peut relever au niveau des brevets : - Aldi (1970/ US3693910) - Burrel (1975/ US3884431) - Bolonkin (2001/ US6234422) - Capanna (2002/ US6340133) - Hong (2009/ US8376264) Tous ces inventeurs, ainsi que d'autres non cités, ont envisagé d'utiliser des rotors équipés de mono pales avec ou sans contrepoids pendant les décollages et atterrissages, puis de les stocker horizontalement et/ou de les dissimuler dans la structure de l'aérodyne de façon à ce qu'ils ne créent pas un frein aérodynamique trop important, quand l'aérodyne est en situation de vol horizontal à grande vitesse, c'est-à-dire à vitesse suffisamment élevée pour que la sustentation et la manoeuvrabilité de l'aérodyne soient assurées par sa 3039506 3 voilure fixe et les dérives et gouvernails de direction et profondeur qui lui sont associées de manière bien connue. Aucun de ces systèmes n'a réellement été développé et commercialisé. 5 De l'avis de la Demanderesse, les raisons qui ont conduit à l'échec de ces systèmes, et qui font mieux comprendre l'intérêt de la présente invention, sont les suivantes : - dans le cas où le rotor doit être caché, cela 10 conduit, d'une part, à des mécanismes trop complexes, et, d'autre part, à des situations d'instabilité aérodynamique du rotor au moment où il est mis l'abri et au moment où il est découvert pour l'atterrissage, 15 - dans le cas où le rotor n'est pas caché et laissé libre dans le flux d'air (ou vent relatif) en vol de croisière, si la charge rotorique (en N/m2) est correcte de façon à avoir une puissance de décollage raisonnable, cela suppose un diamètre du rotor 20 important, et, par conséquent, une longueur de pales assez grande qui conduit à des instabilités au moment de l'arrêt et/ou de la remise en rotation du rotor, quand le rotor perd l'effet stabilisateur de la force centrifuge. En effet, les pales d'un rotor, pour être 25 efficaces aérodynamiquement, doivent être relativement fines et donc relativement souples, et présenter de bonnes performances d'aéroélasticité, telles que celles des pales de rotors d'hélicoptères modernes. 30 - Dans le cas où la charge rotorique est forte, les pales sont plus courtes et plus rigides, donc plus stables, mais la puissance nécessaire pour assurer la sustentation est très élevée, ce qui nuit à l'intérêt 3039506 4 du concept. Il est aussi possible de multiplier les rotors avec des pales de longueur faible et rigides, mais la complexité des transmissions de puissance rend alors ce concept peu compétitif. 5 - Enfin, il est possible d'utiliser deux mono pales tournant en sens inverse de façon contrarotative. Par exemple, les hélicoptères de type KAMOV, utilisent des rotors contrarotatifs. En dépit des avantages offerts par ce type de concept contrarotatif, la 10 complexité de la maîtrise simultanée du pas collectif et du pas cyclique sur deux niveaux, le long de l'axe du rotor, pour un rotor contrarotatif fait que cette conception, mécaniquement très complexe et fragile, est peu répandue. 15 L'invention proposée par la demanderesse résout ces contradictions, et permet de proposer une conception globale du rotor ou système rotor qui peut être à la fois efficace en portance pendant un vol stabilisé, mais aussi permettre d'être arrêté puis remis en rotation en toute 20 sécurité pendant ou après un vol de croisière à grand vitesse. Les principales caractéristiques du rotor proposé selon l'invention sont : - un rotor constitué d'une mono pale ou, de préférence, 25 de deux mono pales équipées chacune d'un contrepoids et tournant de façon contrarotative autour d'un même axe ou chacune autour de l'un respectivement de deux axes décalés sur l'axe de roulis de l'aérodyne. Les pales, le contrepoids et les bras porteurs du 30 contrepoids sont profilés de façon aérodynamique pour offrir un minimum de résistance à l'avancement pendant le vol de croisière. 3039506 5 - La partie active de la pale (celle qui présente un profil aérodynamique et produit la portance) a une longueur réduite par rapport au rayon du rotor, elle parcourt une surface annulaire, en périphérie du 5 disque rotor, qui permet, d'une part, d'utiliser la partie la plus efficace de la pale pour la portance, et, d'autre part, de limiter la flexion de la pale (qui varie comme le cube de sa longueur), et donc de limiter les instabilités au moment de l'arrêt ou de 10 la remise en rotation du rotor. - Une variation de pas collective : le pas des pales peut être changé uniquement de façon collective, de façon à simplifier grandement le mécanisme d'ajustement du pas. L'absence de variations 15 cycliques du pas est compensée par la présence, par exemple aux extrémités du fuselage et/ou des ailes de la voilure fixe de l'aérodyne, de soufflantes d'attitude qui permettent de corriger le roulis et le tangage de l'aérodyne. 20 - de façon à avoir ce qu'on appelle « une figure de mérite » (FOM en anglais) acceptable, il faut avoir : o une bonne charge rotor ( REVENDICATIONS1. Rotor pour aérodyne hybride, à voilure fixe et à voilure tournante apte à être immobilisée en vol de 5 croisière de l'aérodyne, destiné à produire de la portance par sa rotation en phase de vol vertical et à être immobilisé et stocké longitudinalement en phase de vol de croisière à grande vitesse, du type comportant au moins une mono pale (20) avec contrepoids (20d), ladite mono 10 pale comprenant: - une pale active (20a) qui génère la portance du rotor pendant sa rotation - une première partie (20b) qui porte ladite pale active (20a) et constitue la liaison de la pale active 15 (20a) à un mât rotor (10) ; et - une deuxième partie (20c) qui porte ledit contrepoids (20d) et constitue la liaison du contrepoids (20d) audit mât rotor (10), caractérisé en ce que : 20 - la longueur de la pale active (20a) selon son envergure est significativement inférieure au rayon R du rotor ; - ladite partie (20b) porteuse de la pale active (20a) est une partie structurellement rigide, en 25 particulier vis-à-vis de la flexion et de la torsion ; - ladite partie (20b) porteuse de la pale active (20a) présente une section transversale (200b) ayant une portance nulle ou quasi nulle et une traînée aérodynamique faible quand le rotor est en rotation ; et 30 - l'ensemble constitué par la pale active (20a) et la partie rigide (20b) porteuse de la pale active est articulé autour d'un axe transversal (YY) perpendiculaire à l'axe de rotation (ZZ) du rotor, sensiblement au niveau 3039506 47 dudit axe de rotation (ZZ) du mât rotor (10), et à l'axe longitudinal de ladite pale active (20a) et de ladite partie rigide (20b) porteuse de la pale active, et sécant avec ledit axe de rotation (ZZ). 2. Rotor selon la revendication 1 dans lequel la longueur de la pale active (20a), selon son axe longitudinal, est inférieure à 75 % du rayon R du rotor et, de préférence, comprise entre 50 % et 70 % du rayon R. 3. Rotor selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite partie (20c) porteuse du contrepoids (20d) est sensiblement analogue à la partie (20b) porteuse de la pale active (20a) en ce qu'elle est structurellement rigide et de section transversale (200c) ayant une traînée aérodynamique faible et une portance nulle ou quasi nulle quand le rotor est en rotation. 4. Rotor selon la revendication 3, dans lequel la longueur de la partie rigide (20c) porteuse du contrepoids (20d), selon l'axe longitudinal de la pale active, est sensiblement égale à celle de la partie rigide (20b) porteuse de la pale active (20a). 5. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la partie (20c) porteuse du contrepoids (20d) et la partie (20b) porteuse de la pale active (20a) forment une seule et même structure continue et rigide articulée à pivotement autour dudit axe transversal (YY), au niveau dudit axe de rotation (ZZ) du rotor. 3039506 48 6. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la partie (20c) porteuse du contrepoids (20d) est entraînée en rotation comme la partie (20b) porteuse de la pale active (20a) mais reste 5 fixée perpendiculairement à l'axe (ZZ) de rotation du rotor pendant toutes les phases de vol de l'aérodyne. 7. Rotor selon la revendication 6, dans lequel le contrepoids (20d) conserve un degré de mobilité longitu- 10 dinale qui est piloté par un dispositif d'équilibrage (100a, 101a, 102a, 104a, 105a) proportionnellement à l'angle de conicité (a) que fait la pale active (20a) avec le plan dit "horizontal" défini par les axes de roulis et tangage de l'aérodyne, de façon rapprocher le 15 contrepoids (20d) du mât rotor (10) quand l'angle (a) de conicité de la pale (20a, 20b) augmente, de sorte équilibrer les efforts centrifuges de part et d'autre du mât rotor (10). 20 8. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, constitué de l'assemblage de deux rotors mono pales sensiblement identiques tournant en sens inverse agencé en rotor unique avec deux mono pales (20, 21) contrarotatives autour d'un même axe (ZZ) de rotation 25 du mât rotor (10). 9. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant au moins deux rotors mono pales sensiblement identiques et tournant en sens 30 inverses, chacun autour de l'un respectivement d'axes de rotation espacés longitudinalement sur l'axe de roulis (XX) de l'aérodyne. 3039506 49 10. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, tel que, pendant le vol de croisière, ladite au moins une mono pale (20, 21) est arrêtée et verrouillée longitudinalement de façon à ce que 5 le contrepoids (20d, 21d) soit orienté vers l'avant de l'aérodyne et la pale active (20a, 21a) vers l'arrière de l'aérodyne, sensiblement dans la direction de l'axe de roulis de l'aérodyne. 10 11. Rotor selon la revendication 10 telle que rattachée à la revendication 8 ou 9, contrarotative tel que, pendant un vol vertical, les deux mono pales (20, 21) tournent en sens inverse à la même vitesse angulaire, à partir d'une position zéro initiale, qui est la position 15 arrêtée longitudinalement selon revendication 10. 12. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 8 à 11, dans lequel les deux parties rigides (20b,20c) porteuses pour l'une de la pale 20 active (20a) et pour l'autre du contrepoids (20d) sont solidaires l'une de l'autre et formées en une seule structure à la fois rigide et profilée aérodynamiquement pour offrir une résistance faible en rotation sans générer de portance aérodynamique, tout en étant articulées autour 25 d'un axe transversal (YY) situé exactement au niveau de l'axe (ZZ) de rotation du rotor. 13. Rotor selon la revendication 7, dans lequel un dispositif d'équilibrage mécanique (104a, 105a' 102a) 30 est, au moins en partie, agencé à l'intérieur de la partie rigide (20c) porteuse du contrepoids (20d), de façon à rapprocher ledit contrepoids (20d) de l'axe (ZZ) de rotation du rotor, quand l'angle de conicité (a) que fait 3039506 50 la pale active (20a) avec le plan dit "horizontal" augmente, de façon à équilibrer les forces centrifuges quelle que soit la position de la pale active (20a). 5 14. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel le rotor est entraîné en rotation par un dispositif d'entraînement (60,61,62,63) masqué à l'intérieur de la partie rigide (20c) porteuse du contrepoids (20d), ledit dispositif d'entraînement 10 autorisant des mouvements de traînée en rotation de faible amplitude autour de l' axe de rotation (ZZ) du rotor, pour amortir les variations des forces de traînée de la pale active (20a), ledit dispositif d'entraînement comportant un système de butée d'entraînement amortie (62). 15 15. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel le pas angulaire ou « angle d'attaque » de la pale active (20a) est piloté en incidence par un système d'arbre (51) longitudinal, retenu 20 et monté rotatif sur lui-même autour de son axe par des roulements et butées (501,502,503), ledit arbre (51) traversant la partie rigide (20b) porteuse de la pale active (20a) et étant solidaire en rotation, par son extrémité radiale externe par rapport à l'axe de rotation 25 (ZZ) du rotor, du pied de ladite pale active (20a), et piloté par une biellette (50) de commande de pas reliée par un levier de pas (52) à l'extrémité radiale interne dudit arbre (51). 30 16. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, dans lequel le pas angulaire ou "angle d'attaque" de la pale active (20a) est fixe et 3039506 51 optimisé pour offrir la portance maximale à la vitesse de rotation nominale du rotor. 17. Rotor selon la revendication 8 ou 9, dans 5 lequel le pas des pales actives (20a, 21a) des deux mono pales (20, 21) est réglé uniquement collectivement, pour l'équipement d'un aérodyne (1) dont les mouvements de roulis et de tangage sont pilotés par des systèmes de stabilisation (4a, 4b, 4c) placés, de préférence, en bout 10 d'ailes (1a) et/ou aux extrémités du fuselage (1c). 18. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, dans lequel une chaîne d'entraînement motorisée et de mise en rotation du rotor à 15 la fin d'un vol de croisière comporte, d'une part, un moteur principal thermique (70), du type moteurs à combustion interne à 4 ou 2 temps ou turbine à gaz, entraînant un arbre de transmission (71) de la puissance motrice, par l'intermédiaire d'un embrayage (70a) et d'une 20 roue libre (70b), et une boîte de transmission (72) reliée au mât rotor (10a-10b) pour assurer le vol vertical, et, d'autre part, un frein (710) sur l'arbre (71) de transmission de puissance, un moteur secondaire (73), de préférence électrique, couplé par un embrayage (73a) et 25 une roue libre (73b) à une transmission de puissance (73c) en prise avec l'arbre (71) de transmission, en aval du frein (710), pour arrêter et positionner longitudinalement la ou les mono pales (20, 21) du rotor et servir à la mise en rotation du rotor. 30 19. Rotor selon la revendication 18, dans lequel une chaîne d'entraînement motorisée secondaire, de faible puissance, par exemple de 10% de la puissance principale, 3039506 52 comprend un moteur auxiliaire (30) raccordable, par au moins un embrayage (30a, 31a) et une roue libre (30b, 31b), audit arbre (71) de transmission de puissance, et est débrayable et apte à être utilisée dans toutes les 5 phases transitoires de vol ainsi qu'en situation d'avarie du moteur principal (70), une hélice (3) propulsive ou tractive étant apte à être entraînée en vol de croisière par le moteur principal (70) et, en secours, par le moteur auxiliaire (30). 10 20. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, dans lequel lesdites parties rigides (20b, 20c) porteuses respectivement de la pale active (20a) et du contrepoids (20d) sont, au moins pour 15 l'une d'entre elles, et de préférence pour les deux, profilées de façon à offrir une résistance aérodynamique différente selon l'orientation du vent relatif, avec un profil de type elliptique sur le bord d'attaque (200b, 200c) et, de préférence, un profil « en creux » sur le 20 bord de fuite (201b, 201c), chaque profil ayant une orientation inverse de l'autre, et inverse d'une partie rigide à l'autre, de façon à ce que, quand l'aérodyne est en vol de croisière, le vent relatif produise sur les deux parties rigides (20b, 20c) un couple d'entraînement du 25 rotor qui tend à faire tourner la pale active (20a) dans le sens qui lui permet de générer de la portance. 21. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, dans lequel au moins un élément de 30 verrouillage mécanique (80, 90), rétractile, et apte à être masqué dans la structure de l'aérodyne (1), est agencé de façon à venir verrouiller mécaniquement, pendant un vol de croisière, le rotor (20, 21) en venant s'appuyer 3039506 53 sur au moins une protubérance (810a, 810b) agencée sur la partie rigide (20b, 21b) porteuse d'une pale active (20a, 20b) et/ou sur le contrepoids (20d, 21d) correspondant ou la partie rigide (20c, 21c) porteuse dudit contrepoids 5 (20d, 21d). 22. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, dans lequel au moins un dispositif de verrouillage mécanique (85b, 86) de la partie rigide 10 (21b) porteuse de la pale active (21a) est prévu, ledit dispositif de verrouillage étant solidaire, d'une part, du mât rotor (10) et, d'autre part, comportant un élément de verrouillage (85b) engageable dans une partie femelle (86) solidaire de la partie rigide (21b) porteuse de la pale 15 active (21a), et supportant une masselotte (85a) en étant sollicité par au moins un ressort (85d), le dispositif étant agencé de telle sorte que la force centrifuge, qui s'exerce sur la masselotte (85a), quand le rotor est en rotation, libère le dispositif de verrouillage, qui 20 verrouille la mono pale (21) correspondante en position horizontale quand le rotor est à l'arrêt. 23. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, dans lequel ledit contrepoids (21d) 25 est placé à l'extrémité d'un élément prolongateur (21e) de la partie rigide (21c) porteuse du contrepoids (21d), ledit élément prolongateur (21e) ayant un profil soit cylindrique et sensiblement circulaire, soit ayant un profil ovale orienté pour offrir une faible résistance 30 aérodynamique quand le rotor est en rotation et qu'un flux d'air vertical important est généré par la pale active (21a), soit étant entouré d'un carénage profilé aérodynamiquement et libre en rotation de façon 3039506 54 s'orienter pour offrir une faible résistance aérodynamique quelle que soit la direction du flux d'air. 24. Rotor selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 23, dans lequel l'entraînement du rotor en rotation pendant le vol vertical est obtenu en éjectant de l'air comprimé (B), de préférence au niveau du contrepoids (21d), avantageusement porté par un élément prolongateur (21e) de la partie rigide (21c) porteuse du 10 contrepoids (21d), la distance r qui sépare le point moyen d'éjection de l'air à l'axe rotor (10) étant telle que le rapport r/R soit compris entre 55 % et 85 %, R étant le rayon du rotor, et/ou au niveau du bout de la pale active (20a). 15 25. Rotor selon la revendication 24, dans lequel une boîte mécanique (70c) de synchronisation et de redémarrage du rotor est associée à un frein (710) et à au moins un moteur électrique (73) avec son système de 20 transmission (71, 73a, 73b, 73c). 26. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 25, dans lequel le bout de la pale active (21a) est équipé d'un dispositif d'orientation à 25 dérive (221a) relevable par pivotement autour de l'axe longitudinal de la pale active (20a), tel que, quand le rotor n'est plus entraîné en rotation, ladite dérive (221a) est relevée et soumise à l'effet du vent relatif, de sorte que la mono pale (21a) correspondante est 30 orientée sensiblement dans la direction de l'axe de roulis (XX) de l'aérodyne (1). 3039506 55 27. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 26, dans lequel au moins une mono pale comporte deux pales actives (20a, 21a) portées par la même partie rigide (20b) et écartées l'une de l'autre en V d'un 5 angle au moins égal à 30°, sensiblement dans le plan du disque rotor correspondant. 28. Aérodyne du type hybride, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un rotor (2 ; 20, 21) selon l'une 10 quelconque des revendications 1 à 27, pour le vol vertical, et d'une voilure fixe (1a, lb), de préférence une voilure de type « canard » ou des ailes de type « tandem », supportée par un fuselage (1c), et équipé de systèmes (4a, 4b, 4c) de stabilisation en bout d'ailes 15 (1a) et/ou en extrémité(s) contrôler les mouvements de l'aérodyne (1), ainsi qu'au préférence propulsive, pour pendant son vol de croisière. de fuselage (1c), pour roulis et de tangage de moins une hélice (3), de propulser l'aérodyne (1) 20 29. Aérodyne selon la revendication 28, caractérisé en ce que les systèmes (4a, 4b, 4c) de stabilisation en bout d'ailes (lb) et/ou en extrémité de fuselage (1c), pour contrôler les mouvements de roulis et de tangage de 25 l'aérodyne (1), sont réalisés de la même façon que le rotor principal de sustentation en vol vertical, mais à une échelle plus petite, correspondant à la fonction desdits systèmes (4a, 4b, 4c) de stabilisation avec au moins une mono pale (20, 21) avec contrepoids (20d, 21d).