Brevet FR3061143A1 — publié le 20180629

Drone volant solaire comprenant deux ailes portantes en tandem sur lesquelles sont couplées des cellules photovoltaïques. Le domaine de l'invention est celui de la conception et de la fabrication de drones volants. L'invention concerne plus particulièrement les drones volants à voilure fixe alimentés en énergie par des cellules photovoltaïques. Les drones volants à voilure fixe correspondent à des drones entraînés par des moyens moteurs, et qui comprennent une voilure dont la portance, à partir d'une vitesse prédéterminée de déplacement du drone, permet à ce dernier de voler. Ces drones volants dits « à voilure fixe » s'opposent aux drones volants « à voilure tournante » dont la sustentation est assurée par un ou plusieurs rotors. Des dispositifs volants de ce type peuvent être de petite ou de grande taille, et être propulsés par différents types de motorisations. Les drones équipés d'une motorisation utilisant de l'électricité ont pour avantages de disposer d'une autonomie importante. L'art antérieur propose par exemple de tels drones destinés à voler longtemps à une altitude haute ou intermédiaire. Pour réaliser l'alimentation électrique de ces drones, des accumulateurs électriques et des cellules photovoltaïques sont utilisées. Le jour, les cellules photovoltaïques sont dédiées à l'alimentation électrique du drone et au rechargement des accumulateurs électriques. La nuit, les accumulateurs électriques prennent le relai et permettent au drone de continuer de voler jusqu'à ce que les cellules photovoltaïques soient de nouveau ensoleillées. Pour améliorer l'autonomie et la capacité d'emport d'un drone, l'art antérieur a proposé des solutions visant à optimiser la capacité d'un drone à emmagasiner de l'énergie électrique à partir de l'ensoleillement On connaît ainsi des drones présentant un fuselage unique et une aile 30 portante, recouverte de cellules photovoltaïques, d'une envergure très importante par rapport à la longueur du drone. 3061143 2 On connaît aussi des drones présentant une pluralité de fuselages, disposés de manière parallèle, soutenant une aile portante de grande envergure, les fuselages et l'aile portante étant tous recouverts de cellules photovoltaïques. 5 On connaît encore des drones volants présentant des organes surdimensionnés de manière à augmenter la surface du drone pouvant être recouverte de cellules photovoltaïques. En effet, on retrouve des drones volants présentant un empennage arrière surdimensionné. Ces différentes solutions permettent d'augmenter la surface d'un 10 avion sur laquelle peuvent être couplées des cellules photovoltaïques. Cependant, ces solutions induisent de multiples inconvénients. Toutefois, les solutions connues mettent en oeuvre des architectures de drones provoquant de fortes contraintes structurelles lorsque le drone est en vol. Ces contraintes structurelles peuvent résulter d'une envergure 15 démesurée d'une aile portante et nécessiter le recours à des matériaux composites de haute technicité. Les contraintes structurelles de ces architectures s'accompagnent alors d'un encombrement important et d'un coût élevé de fabrication des drones volants. De plus, les architectures connues entraînent un mauvais placement 20 des cellules photovoltaïques par rapport à des éléments structuraux du drone volant, réduisant en conséquence l'ensoleillement global des cellules photovoltaïques couplées sur ce drone. Par exemple, on remarque que les architectures employant de multiples fuselages peuvent créer des zones d'ombres sur des surfaces du drone pourvues de cellules photovoltaïques. De 25 telles architectures nuisent donc à la capacité des cellules photovoltaïques à être ensoleillées, alors que ces mêmes cellules photovoltaïques ajoutent du poids au drone volant. On constate ainsi une dégradation des performances et de l'endurance d'un drone volant conçu selon une de ces architectures. L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, l'invention a pour objectif de proposer un drone volant à voilure fixe et à alimentation électrique par cellules photovoltaïques 3061143 3 dont les performances en endurance sont optimisées par rapport à ce qui est permis par l'art antérieur. L'invention a aussi pour objectif de proposer un tel drone volant dont l'aérodynamisme est optimisé par rapport à des drones équivalents proposés 5 par l'art antérieur. L'invention a encore pour objectif de proposer un tel drone volant qui dispose d'une architecture entrainant peu de contraintes structurelles et optimisant sa capacité à emmagasiner de l'énergie électrique par l'intermédiaire de cellules photovoltaïques. 10 Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints par l'invention qui a pour objet un drone volant comprenant : - un fuselage constitué d'un unique corps central ; - une voilure constituée de : - une aile portante avant définit par une surface alaire Ai, une 15 envergure El et une corde Cl , avec Al =E1 x Cl ; - une aile portante arrière définit par une surface alaire A2, une envergure E2 et une corde C2, avec A2 = E2 x C2; l'aile portante arrière étant décalée en hauteur et en longueur sur le fuselage par rapport à l'aile portante avant ; 20 - des moyens de propulsion alimentés au moins par des accumulateurs électriques et/ou des cellules photovoltaïques ; - des cellules photovoltaïques recouvrant essentiellement les faces supérieures de l'aile portante avant et de l'aile portante arrière ; caractérisé en ce que : 25 - l'aile portante avant est rattachée directement sur une hauteur inférieure du corps central en s'étendant à partir de ce corps central, et présente un dièdre nul ou négatif ; - l'aile portante arrière est rattachée directement sur une hauteur supérieure du corps central en s'étendant à partir de ce corps 30 central, et présente un dièdre nul ou positif ; - El > E2 ; - A2 = Al +/- 30% Al . 3061143 4 Un tel drone volant selon l'invention présente une importante surface alaire totale lui permettant de disposer d'un nombre important de cellules photovoltaïques, tout en présentant des qualités aérodynamiques importantes. 5 En effet, la configuration en tandem des ailes portantes et la taille relative des deux ailes l'une par rapport à l'autre n'impliquent pas l'emploi de matériaux lourds et/ou couteux pour réaliser une unique aile portante de grande taille, ou une aile portante principale d'une taille bien plus importante par rapport à une deuxième aile portante de taille inférieure. 10 Plus précisément, l'unique corps central du fuselage ainsi que le rattachement direct des ailes portantes sur ce corps central permet au drone de ne pas présenter de dégradation de ses performances aérodynamiques résultante d'un fuselage avec des corps multiples et/ou des bras destinés à porter des ailes portantes. 15 Le décalage en hauteur et en longueur des ailes sur le fuselage permet de combiner une combinaison en tandem des ailes portantes augmentant la surface alaire totale et le nombre de cellules photovoltaïque, tout en diminuant l'encombrement en largeur total du drone volant, et en maximisant l'exposition au soleil théorique des cellules photovoltaïques. 20 En substance, le principe de l'invention permet de proposer une surface de cellules photovoltaïques importante combinée à des performances aérodynamiques optimisées, tendant donc à augmenter notablement l'autonomie du drone. La marge de dimensions de A2 (Al +/- 30% Ai) a été identifiée pour 25 avoir une surface alaire de l'aile portante arrière proche de celle de l'aile portante avant afin de garantir une bonne stabilité générale du drone volant, tout en conservant une surface de panneaux solaire optimisée. Avantageusement, l'aile portante avant et l'aile portante arrière sont des ailes droites. 30 De telles ailes portantes optimisent la capacité du drone à voler à des vitesses subsoniques tout en diminuant la possibilité de la projection de 306 1 1 4 3 5 l'ombre d'une aile sur une autre, du fait de l'écartement constant entre les ailes. De manière préférentielle, A2 = Al +/- 15% Ai. La marge restreinte de dimensions de A2 (Al +/- 15% Ai) a été 5 identifiée pour avoir une surface alaire de l'aile portante arrière encore plus proche de celle de l'aile portante avant. Cette configuration garantit une bonne stabilité générale du drone volant tout en présentant une surface de cellules photovoltaïques plus optimisée par rapport à celle correspondant à A2 = Al +/- 30% Al. 10 Un ensemble plus important de solutions est identifié pour des valeurs de A2 = Al +/- 15% Al. Plus la surface alaire A2 de l'aile portante arrière est proche de la surface alaire Al de l'aile portante avant, plus l'ensemble de solutions (énergétiques et aérodynamique) est important. De manière encore plus préférentielle, la surface alaire A2 est 15 essentiellement égale à la surface alaire Al. Dans cette solution préférée, le rapport entre la surface alaire totale disponible pour des cellules photovoltaïques et les propriétés aérodynamiques du drone volant (et ainsi de ses besoins en énergie) est optimisé. En effet, cette solution permet de doubler la surface alaire disponible pour des 20 cellules photovoltaïques (deux ailes portantes de surface identique) en ajoutant une quantité peu significative de masse au poids total du drone. Selon un mode de réalisation préférentiel, l'aile portante arrière présente un dièdre positif et l'aile portante avant présente un dièdre nul. Ce mode de réalisation améliore la stabilité longitudinale en vol du 25 drone volant. Selon une caractéristique avantageuse, le dièdre positif présenté par l'aile portante arrière est compris de 1 degré à 5 degrés. Un tel dièdre positif permet de conférer suffisamment de stabilité en vol au drone volant tout en lui permettant de présenter des cellules 30 photovoltaïques sur des plans dont leur inclinaison leur permet de bénéficier d'un ensoleillement théorique important. 3061143 6 Avantageusement, l'aile portante avant et l'aile portante arrière sont décalées en longueur sur le fuselage selon une distance de séparation longitudinale DL comprise de 2,5 x Cl à 3,5 x Cl. Préférentiellement, l'aile portante avant et l'aile portante arrière sont 5 décalées en hauteur sur le fuselage selon une distance de séparation en hauteur DH comprise de 0,4 x Cl à 0,6 x Cl. Ces positionnements relatifs des ailes portantes entre-elles permettent d'améliorer la stabilité longitudinale en vol du drone volant. Ces positionnements relatifs permettent également d'optimiser 10 l'aérodynamisme du drone volant et ainsi de diminuer ses besoins en énergie pour pouvoir voler. Ces positionnements optimisent aussi la capacité d'ensoleillement des cellules photovoltaïques positionnés sur les surfaces supérieures des ailes portantes en évitant des phénomènes d'ombrage d'une aile portante sur une autre. 15 Selon une autre caractéristique avantageuse, l'aile portante avant présente un vrillage négatif compris de -1 degré à -4 degrés. Cette caractéristique permet d'obtenir une répartition de la portance de façon elliptique le long de l'aile. De plus, le décrochage interviendra d'abord à l'emplanture, puis à l'extrémité de l'aile. 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'une vue latérale 25 du drone volant selon l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'une vue du dessus du drone volant selon l'invention ; - la figure 3 est une représentation schématique d'une vue de face du drone volant selon l'invention. 30 Tel qu'illustré par les figures 1, 2, et 3 le drone volant selon l'invention comprend : - un fuselage ; 3061143 7 - une voilure constituée de deux ailes portantes disposées en tandem ; - une dérive 4. Le drone volant dispose de moyens de propulsion (non représentés) 5 alimentés au moins par des accumulateurs électriques et/ou des cellules photovoltaïques. Ces moyens de propulsions peuvent prendre la forme d'un ou de plusieurs moteurs électriques à hélice couplés sur le fuselage et/ou les ailes portantes. En référence aux figures 1 à 3, le drone volant comprend également 10 des cellules photovoltaïques 3 qui recouvrent essentiellement les faces supérieures des deux ailes portantes. Le drone volant est ainsi du type « drone solaire ». Les cellules photovoltaïques 3 permettent au drone volant d'alimenter ses moyens de propulsions et de recharger ses accumulateurs électriques quand elles sont 15 ensoleillées. Plus précisément, le drone volant comprend une voilure constituée d'une aile portante avant 1 et d'une aile portante arrière 2. Ces ailes portantes sont notamment des ailes droites. L'aile portante avant est défini par une surface alaire Ai, une 20 envergure El et une corde Cl , avec Al =E1 x Cl . L'aile portante arrière, quant à elle, est défini par une surface alaire A2, une envergure E2 et une corde C2, avec A2 = E2 x C2. Selon le principe de l'invention, de manière à optimiser l'aérodynamisme du drone volant et sa surface alaire totale, l'envergure El de 25 l'aile portante avant 1 est strictement supérieure à l'envergure E2 de l'aile portante arrière 2. Préférentiellement, l'envergure E2 est essentiellement de 11 % inférieure à l'envergure El. De cette manière, les perturbations (tourbillons de sillage) créées par l'aile portante ont moins tendance à impacter l'aile portante arrière, et ainsi à dégrader les performances globales du drone 30 volant. Encore selon le principe de l'invention, A2 = Al +/- 30% Ai. 3061143 8 De manière préférentielle, A2 = Al +/- 15% Al. De manière encore plus préférentielle, et tel qu'illustré par la figure 2, la surface alaire A2 est essentiellement égale à la surface alaire Al. Selon ce mode de réalisation, la corde C2 est supérieure à la corde 5 Cl de manière à compenser l'envergure E2 réduite de l'aile portante arrière 2 par rapport à l'envergure El de l'aile portante avant 1. En référence aux figures 1 et 3, l'aile portante avant 1 est décalée en hauteur et en longueur sur le fuselage par rapport à l'aile portante arrière 2. Plus précisément, et tel qu'illustré par ces figures, le fuselage est 10 constitué d'un unique corps central 5 qui présente une hauteur inférieure 50 et une hauteur supérieure 51. Ce fuselage est mono-corps et de forme oblongue. Sur ce fuselage, l'aile portante avant 1 est rattachée directement sur la hauteur inférieure 50 du corps central 5 en s'étendant à partir de ce corps central, et l'aile portante arrière 2 est rattachée directement sur la hauteur supérieure 51 15 du corps central en s'étendant à partir de ce corps central. Tel qu'illustré par la figure 1, la hauteur supérieure 51 du corps central 5 est recouverte de cellules photovoltaïques 3. Selon la solution préférentielle illustrée par la figure 3, l'aile portante arrière 2 présente un dièdre positif et l'aile portante avant 1 présente un dièdre 20 nul. Le dièdre positif présenté par l'aile portante arrière 2 est avantageusement compris de 1 degré à 5 degrés. De cette manière, les perturbations créées par l'aile portante avant impactent moins l'aile portante arrière par rapport à une configuration dans laquelle, vue de face, les ailes portantes se superposeraient. L'aile portante avant présente également un vrillage négatif 25 compris de -1 degré à -4 degrés. De manière moins préférentielle, l'aile portante arrière peut présenter un dièdre nul et/ou l'aile portante avant peut présenter un dièdre négatif. En référence à la figure 2, l'aile portante avant et l'aile portante arrière sont décalées en longueur sur le fuselage selon une distance de séparation 30 longitudinale DL comprise de 2,5 x Cl à 3,5 x Cl. La distance de séparation longitudinale DL est notamment mesurée entre les foyers des deux ailes. 3061143 9 Tel qu'illustré par la figure 3 et tel qu'évoqué précédemment, l'aile portante avant 1 et l'aile portante arrière 2 sont décalées en hauteur sur le fuselage selon une distance de séparation en hauteur DH comprise de 0,4 x Cl à 0,6 x Cl . 5 A titre indicatif, le drone volant préférentiel décrit ci-dessus a un fuselage présentant une longueur d'environ 3 mètres et une envergure maximale d'environ 5 mètres. Ce drone volant est particulièrement optimisé au niveau aérodynamique (limitation de l'énergie nécessaire pour voler) et énergétique (capacité à générer de l'énergie). 10 Ce drone fait partie de la catégorie OTAN de classe 1 (-150 kg) et de catégorie mini (de 2 à 20kg). REVENDICATIONS1. Drone volant comprenant : - un fuselage constitué d'un unique corps central (5) ; - une voilure constituée de : - une aile portante avant (1) définit par une surface alaire Ai, une envergure El et une corde Cl, avec Al = El x Cl ; - une aile portante arrière (2) définit par une surface alaire A2, une envergure E2 et une corde C2, avec A2 = E2 x C2; l'aile portante arrière étant décalée en hauteur et en longueur sur le fuselage par rapport à l'aile portante avant ; - des moyens de propulsion alimentés au moins par des accumulateurs électriques et/ou des cellules photovoltaïques ; - des cellules photovoltaïques (3) recouvrant essentiellement les faces supérieures de l'aile portante avant et de l'aile portante arrière ; caractérisé en ce que : - l'aile portante avant est rattachée directement sur une hauteur inférieure (50) du corps central en s'étendant à partir de ce corps central, et présente un dièdre nul ou négatif ; - l'aile portante arrière est rattachée directement sur une hauteur supérieure (51) du corps central en s'étendant à partir de ce corps central, et présente un dièdre nul ou positif ; - El > E2 ; - A2 = Al +/- 30% Al . 2. Drone volant selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'aile portante avant (1) et l'aile portante arrière (2) sont des ailes droites. 3. Drone volant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que A2 = Al +/- 15% Ai. 3061143 11 4. Drone volant selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la surface alaire A2 est essentiellement égale à la surface alaire Al. 5. Drone volant selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce que l'aile portante arrière (2) présente un dièdre positif et en ce que l'aile portante avant (1) présente un dièdre nul. 6. Drone volant selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dièdre positif présenté par l'aile portante arrière (2) est compris de 1 10 degré à 5 degrés. 7. Drone volant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aile portante avant (1) et l'aile portante arrière (2) sont décalées en longueur sur le fuselage selon une distance de 15 séparation longitudinale DL comprise de 2,5 x Cl à 3,5 x Cl. 8. Drone volant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aile portante avant (1) et l'aile portante arrière (2) sont décalées en hauteur sur le fuselage selon une distance de 20 séparation en hauteur DH comprise de 0,4 x Cl à 0,6 x Cl. 9. Drone volant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aile portante avant (1) présente un vrillage négatif compris de -1 degré à -4 degrés. 25