Brevet FR3041930A1 — publié le 20170407

Contexte: Le besoin de déplacements rapides ou d'accès à des espaces inadaptées au transport terrestre incite au développement des transports par voie aérienne. Toutefois, l'absence de pistes de décollage limite l'accessibilité à de nombreuses zones, imposant souvent un complément de déplacement par voie terrestre. Ces contraintes peuvent être résolues par l'usage d'aéronefs à décollage court ou vertical. Le décollage vertical ou le décollage court nécessitent une puissance installée importante et la solution généralement retenue de dispositifs à ailes tournantes (hélicoptères) se fait au détriment du rayon d'action et impose des dispositifs mécaniques complexes et couteux. Des systèmes d'aéronefs à décollage vertical équipés d'ailes fixes et tilt-rotor permettent d'augmenter le rayon d'action car le ratio portance / trainée est fortement amélioré en vol horizontal par rapport aux hélicoptères. Toutefois ces systèmes restent relativement complexes. Une autre option consiste à faire basculer l'ensemble de l'appareil, propulsé par une ou deux hélices, depuis la position verticale lors du décollage, vers la position horizontale lors du vol de croisière, la portance étant alors obtenue grâce à des surfaces planes fixes (Cf. le projet de la NASA du puffin par exemple). Dans le domaine des véhicules aériens sans pilote (UAV), les multicopters ont permis de réduire de façon drastique la complexité mécanique du décollage vertical : la rotation du véhicule sur chacun des axes est obtenue par pilotage différentiel de la vitesse des moteurs d'hélices. Toutefois ces systèmes impliquent un cout énergétique élevé pour leur sustentation. L'application de ces technologies au vol avec pilote est en projet (FLIKE-A par exemple). Des UAV, associant le décollage vertical type multicopter et le vol horizontal ont été également développés: L'UAV bascule sur l'axe de tangage puis vole horizontalement, porté par une aile plan fixe (Quadshot de transition robotics inc., par exemple). Le principe est décrit par exemple dans le brevet WO 2011 /081683 Al Les ailes planes présentent l'inconvénient de produire des tourbillons marginaux. Aussi, différentes solutions d'ailes fermées (rectangulaires, ou circulaires) ont été proposées permettant de réduire la trainée induite, les plus anciennes datant des années 1900 (Blériot III par exemple). Les performances des hélices peuvent être améliorées par l'adjonction de carénages (ducted- fan), ces éléments permettant simultanément d'améliorer la sécurité des personnes. Deux hélices tournant en sens opposés peuvent également être installées en double sur le même axe. Ces hélices « contrarotatives » permettent de réduire la turbulence de sillage. 3041930 2 Dès les années 30, des aérodynes ont combinées aile circulaire et ducted-fan (Stipa-Caproni et Lippisch aerodyne par exemple). Ces conceptions ont été envisagées plus récemment dans des projets à une ou deux ailes circulaires (NASA Spiral duct ESTOL par exemple). Toutefois, pour ces systèmes, le décollage reste traditionnel. Des solutions à plusieurs ailes circulaires intégrant la 5- propulsion et permettant le décollage vertical ont été proposées. C'est le cas du Bel X22, ou plus récemment du projet de Moller M400. Ces aéronefs à moteurs thermiques réalisent la transition vol vertical/vol horizontal par la bascule des aile-rotors (tilt-rotors), la carlingue restant à l'horizontal. Des aéronefs ont été proposés depuis les années 50, à décollage vertical, à aile circulaire 10 intégrant la propulsion, et pour lesquels la transition de vol est réalisée par simple bascule sur l'axe de tangage. Il s'agit par exemple du C450 de la SNECMA, propulsé par un réacteur. La position des pilotes et passagers dans ce type de machine doit être gérée lors de la phase de transition afin de maintenir la visibilité en vol et une position confortable des pilotes et passagers. Une solution consistant à installer un siège basculant est ainsi proposée dans le cas du C450, 15 tandis que c'est l'ensemble du cockpit qui pivote dans le cas du Convair 49. Ces machines ne comportent qu'un seul réacteur-aile. Aucune de ces solutions ne permet à ce jour de satisfaire simultanément l'ensemble des objectifs suivants : 20 -Pilotage, lors du décollage vertical et de l'ensemble des phases de vol, géré par poussée différentielle sur les propulseurs, permettant ainsi de simplifier ou supprimer les plans mobiles utilisés pour le contrôle de trajectoire. -Utilisation de propulseurs carénés contribuant à la portance en remplacement de plans porteurs. -Maintien des pilotes et passagers en position sensiblement constante par rapport à l'axe de 25 gravitation durant l'ensemble des phases du vol et embarquement et débarquement aisés. La solution présentée ici répond à l'ensemble de ces objectifs: Il s'agit d'un aéronef à décollage vertical et vol horizontal, comportant au moins 3 ailes circulaires intégrant chacune au moins un dispositif de propulsion positionné au moins en partie dans chacun 30 des volumes délimités par chacune de ces ailes fermées. Ces ailes fermées sont toutes fixées, sans possibilité de rotation, à une même structure de l'aéronef, cette fixation les rendant toutes solidaires entre elles et avec la structure durant l'ensemble des phases du vol. Cet aéronef peut passer de la phase de décollage vertical (ou de vol stationnaire) à la phase de vol horizontal, et vice-versa, par rotation sur l'axe de tangage sans nécessiter la présence de tilt- rotors. 3041930 3 Tout ou partie de la cellule portant au moins les pilotes et passagers est articulée par rapport au reste de l'aéronef afin de permettre le maintien des pilotes et passagers dans une position sensiblement constante par rapport à l'axe de gravitation durant l'ensemble des phases du vol. La solution présentée Intègre donc: -Les avantages des multicopter UAV : simplicité mécanique de la propulsion contrôlée par pilotage différentiel de la vitesse des hélices, pas d'usage ou usage réduit des plans mobiles, pas de tilt-rotors. 10 -Les avantages des aéronefs à ailes circulaires : allongement réduit, et vol horizontal à traînée réduite. -La possibilité de définir les caractéristiques des ailes uniquement en fonction des objectifs de vitesse souhaités en croisière : pas de contraintes imposées par les vitesses de décollage et atterrissage. 15 Y sont associés des avantages en matière de sécurité (possibilité de moteurs multiples, hélices carénées), de performances (finesse élevé envisageable), et de confort (position des pilotes et passagers. Un exemple, non limitatif, de la solution proposée est illustré sur la figure 1 (aéronef en vol horizontal) et sur la figure 2 (aéronef en position de décollage ou atterrissage, cellule basculée). 20 Dans cet exemple, l'aéronef comporte un cockpit (1) mobile sur l'axe de tangage par rapport au reste de l'appareil constitué d'une structure portant les trois ailes circulaires (2) et dans lesquelles sont positionnées des moteurs électriques et hélices contrarotatives (3). A l'embarquement et au débarquement, le cockpit en position proche du sol (1, figure 2) permet un accès facile. Lors de la transition de la phase de décollage vers la phase de vol horizontal, le cockpit reste en position 25 sensiblement horizontale alors que le reste de l'appareil bascule sur l'axe de tangage. En phase de vol de croisière (figure 1), le cockpit contribue à la portance sur l'avant, améliorant ainsi la stabilité longitudinale. 30 REVENDICATIONS1. Aéronef à décollage et atterrissage verticaux caractérisé en ce qu'il comporte au moins 3 ailes fermées intégrant au moins un dispositif de propulsion positionné au moins en partie dans chacun des volumes délimités par chacune de ces ailes fermées, et caractérisé en ce que ces ailes fermées sont toutes fixées, sans possibilité de rotation, à une même structure de l'aéronef, cette fixation les rendant toutes solidaires entre elles et avec la structure durant l'ensemble des phases du vol, et caractérisé en ce que la rotation de l'aéronef sur au moins un de ses trois axes (roulis, tangage et lacet) est obtenue grâce à la modification différentielle de la poussée de deux au moins des dispositifs de propulsions, et caractérisé en ce que la cellule portant le ou les pilote(s) et le ou les éventuel(s) passager(s) peut pivoter autour de l'axe de tangage indépendamment de la structure portant ces ailes fermées.