Brevet FR3065440A1 — publié le 20181026

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un aéronef à voilure rhomboédrique à décollage et/ou atterrissage vertical. Elle s'applique, en particulier, aux avions et drones dont l'orientation de l'axe des hélices permet un vol horizontal, d'une part, et un atterrissage, voire un décollage, vertical, d'autre part. ETAT DE LA TECHNIQUE Depuis l'avènement de l'aéronautique, les concepteurs se sont toujours préoccupés de dessiner un avion ayant un domaine de vol le plus vaste possible tout en minimisant la masse de la structure. On rappelle ici que le domaine de vol d'un aéronef est l'espace en vitesse air, facteur de charge et altitude à l'intérieur duquel il peut fonctionner en sécurité. Avec les nouvelles technologies, les nouveaux matériaux et les moyens de calculs toujours plus puissants, de nouveaux concepts d'avions font leur apparition. Les ailes rhomboédriques, ou closes, ou en diamant, ou à fente, ou annulaires, etc..., ont été considérée dès les débuts de l'aviation. Ce n'est qu'assez récemment que des études aérodynamiques poussées, grâce aux nouveaux outils de calculs et de simulations numériques, ont démontré leur gain potentiel en matière de traînée induite, même si ce gain reste relativement modeste (de l'ordre de quelques pourcents). Par contre la masse de la structure est fortement réduite (environ 30% de gain) de par le contreventement naturel des ailes entre elles mais au prix d'une rigidité accrue. Les aéronefs à voilure rhomboédrique présentent néanmoins l'inconvénient de nécessiter une piste d'atterrissage pour pouvoir atterrir, voire décoller. EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un aéronef comportant un fuselage et une voilure rhomboédrique comportant des ailes avant 3065440 2 montées sur un support d'emplanture avant et des ailes arrière montées sur un support d'emplanture arrière, dans lequel : - au moins deux ailes portent un moteur muni d'une hélice, - l'extrémité arrière du fuselage porte un moteur muni d'une hélice et 5 - l'aéronef comporte des moyens de basculement de ces moteurs, l'arbre de rotation de chacune des hélices basculant entre une orientation parallèle à l'axe principal du fuselage et une orientation perpendiculaire à l'axe principal du fuselage et à un axe passant par les extrémités des ailes avant. Ainsi, pour le vol, les arbres des hélices sont positionnés parallèles à l'axe du 10 fuselage tandis que, pour l'atterrissage, le vol stationnaire, voire le décollage, les arbres des hélices sont verticaux. Cet aéronef à atterrissage vertical possède une capacité d'emport ainsi qu'un rayon d'action (an anglais « range ») très proche du même aéronef sans moyen de basculement des moteurs. C'est un point assez paradoxal puisque, dans leur 15 ensemble, les avions à atterrissage vertical sont plus lourds qu'un avion traditionnel pour des performances similaires. Dans des modes de réalisation, l'axe perpendiculaire à l'axe principal du fuselage et à l'axe passant par les extrémités d'ailes avant qui passe par le centre de gravité de l'aéronef traverse le triangle exinscrit passant par les hélices. 20 Grâce à la présence, aux sommets d'un triangle, d'au moins trois moteurs munis d'hélices, le vol stationnaire est stable. Dans des modes de réalisation, l'hélice en extrémité arrière du fuselage est positionnée en dessous de l'axe principal du fuselage lorsque l'arbre de cette hélice est dans une orientation perpendiculaire à l'axe principal du fuselage. 25 Grâce à ces dispositions, les ailes arrière peuvent s'étendre jusqu'au moteur arrière sans limiter le débattement de l'hélice arrière. Dans des modes de réalisation, les hélices des moteurs portés par les ailes sont positionnées au-dessus des ailes lorsque les arbres de ces hélices sont dans une orientation perpendiculaire à l'axe principal du fuselage. Dans des modes de réalisation, les hélices des moteurs portés par les ailes sont positionnées en amont des ailes avant, dans le sens du vol de l'aéronef. Sur le plan aérodynamique, le fait d'avoir les ailes avant soufflées accentue l'effet rhomboïde et augmente sérieusement l'efficacité des gouvernes ainsi que la 3065440 3 variation de cambrure des ailes soufflées. Ceci se traduit par une augmentation des performances de l'avion aux basses vitesses et une diminution de la tramée. Cette diminution est sensible pour des envergures d'aéronef au-delà de cinq mètres. Du fait du souffle des hélices, les écoulements autour des ailes, surtout des 5 ailes avant, sont beaucoup plus sains et mieux contrôlés. Ils permettent donc une plus grande efficacité des volets, surtout en position basse pour augmenter la portance. Le fait d'avoir deux moteurs sur les ailes avant permet d'obtenir un contrôle en lacet inexistant sur une aile rhomboïde pure. Ce qui peut revêtir une grande importance pour certaines phases de vol, dans des scénarios de missions spécifiques. 10 Dans des modes de réalisation, les supports d'emplanture d'ailes sont positionnés respectivement, en dessous et au-dessus du fuselage. Cette configuration est, en effet, optimale. Dans des modes de réalisation, à chaque jonction des extrémités d'ailes avant et arrière est positionnée une surface verticale de fermeture des extrémités d'ailes. 15 Ces surfaces verticales de fermeture des extrémités d'ailes permettent de réduire la tramée de la voilure. Dans des modes de réalisation, le fuselage ne porte aucun empennage vertical. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 20 D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente, schématiquement et en vue en perspective, un mode de réalisation particulier de l'aéronef objet de l'invention dans une 25 configuration de vol horizontal, - la figure 2 représente une vue de détail de la figure 1, - la figure 3 représente, schématiquement et en vue en perspective, l'aéronef illustré en figures 1 et 2, dans une configuration de vol vertical, - la figure 4 représente une vue de détail de la figure 3, 30 - la figure 5 représente, schématiquement et en vue en perspective, l'aéronef illustré en figures 1 à 4, dans une configuration de vol horizontal et - la figure 6 représente, schématiquement et en vue en perspective, l'aéronef illustré en figures 1 à 4, dans une configuration de vol vertical. 3065440 4 DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION On note, dès à présent, que les figures en sont pas à l'échelle. Pour simplifier la compréhension des dessins et schémas, les ailes et surfaces verticales à la jonction des extrémités d'ailes sont représentées par des surfaces de faible épaisseur. 5 On observe, en figures 1 à 6, un aéronef 10 comportant un fuselage 11 et une voilure 12 de forme rhomboédrique. La voilure 12 comporte une aile avant gauche 13, une aile avant droite 14, une aile arrière gauche 15 et une aile arrière droite 16. Les ailes avant 13 et 14 se rejoignent sur un support d'emplanture 17 d'ailes avant situé en dessous du fuselage 11. Les ailes arrière 15 et 16 se rejoignent sur un support 10 d'emplanture 18 d'ailes arrière. Comme illustré dans les figures, les supports 17 et 18 d'emplanture d'ailes sont préférentiellement positionnés respectivement, en dessous et au-dessus du fuselage 11, cette configuration étant optimale pour plusieurs aspects. On observe aussi dans les figures que le fuselage 11 ne porte aucun empennage vertical. 15 Les ailes gauches 13 et 15 se rejoignent sur une jonction d'ailes gauche située au-dessus du fuselage 11. Les ailes droites 14 et 16 se rejoignent sur une jonction d'ailes droite. A chaque jonction des extrémités d'ailes avant et arrière est positionné une surface verticale, à gauche 19 et à droite 20, de fermeture des extrémités d'ailes. La fermeture des extrémités des ailes, pour obtenir une aile d'allongement 20 quasiment infini, consiste ainsi en une surface aérodynamique verticale 19 ou 20 (profilée ou non). Une des caractéristiques des ailes rhomboïdes est l'absence de surface verticale, donc d'un gain non négligeable en tramée de profil. Chaque surface verticale 19 ou 20 qui joint deux ailes en leurs extrémités permet de fermer l'espace et ainsi, en théorie, d'avoir une aile proche d'une aile à envergure infinie. 25 Chacune des ailes 13, 14, 15 et 16 représentées dans les figures présentent une forme générale en rectangle. Elles sont ainsi à corde constante, leurs bords d'attaque et de fuite étant parallèles. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à ce type de forme générale mais s'étend à toutes les formes d'ailes, hormis les ailes delta. 30 Les ailes avant 13 et 14 présentent des surfaces de contrôle (non représentées), ailerons ou volets. Les ailes arrière 15 et 16 présentent des surfaces de contrôle (non représentées), ailerons ou volets. 3065440 5 A l'arrière du fuselage 11, un moteur 21 entraîne en rotation une hélice 22 pour propulser l'aéronef 10. Un moteur 24 entraînant en rotation une hélice 25 est porté par l'aile avant gauche 13. Un moteur 26 entraînant en rotation une hélice 27 est porté par l'aile avant droite 14. 5 L'aéronef 10 est ainsi propulsé par une moteur 21 à hélice 22 située à l'arrière du fuselage 11 et par des moteurs 24 et 26 à hélices 25 et 27, respectivement, portés par les ailes avant 13 et 14, respectivement. On observe, en figures 2 et 4, un servo-moteur 28 mettant en rotation un arbre 29 solidaire d'une extrémité d'une tige droite 30. L'autre extrémité de la tige 30 est 10 montée sur un pivot 31 qui entraîne une bielle 32 reportant le mouvement du pivot 31 sur un pivot 33. Une extrémité d'une tige droite d'actionnement 34 est montée sur le pivot 33. L'autre extrémité de la tige 34 est solidaire d'un arbre de rotation 35 du moteur 26. Ainsi, l'actionnement du servo-moteur fait commuter le plan de rotation de l'hélice 27 d'une configuration verticale (figure 2) pour le vol horizontal à une configuration 15 horizontale (figure 4), pour le vol stationnaire ou vertical, par exemple pour une phase d'atterrissage ou de décollage. Bien entendu, les deux autres moteurs, 21 et 24, sont munis de servo-moteurs et de systèmes mécaniques similaires qui réalisent le basculement des moteurs. L'arbre de rotation de chacune des hélices 22, 25 et 27 bascule entre une orientation dite « horizontale » parallèle à l'axe principal du fuselage 20 11 (figures 1, 2 et 5) et une orientation dite « verticale » perpendiculaire à l'axe principal du fuselage 11 et à un axe passant par les extrémités des ailes avant. Ainsi, pour le vol rapide, les arbres des hélices 22, 25 et 27 sont dans la position « horizontale » tandis que, pour l'atterrissage, le vol stationnaire, voire le décollage, les arbres des hélices 22, 25 et 27 sont dans la position verticale. Cet aéronef 10 à 25 atterrissage vertical possède une capacité d'emport ainsi qu'un rayon d'action (an anglais « range ») très proche du même aéronef sans moyen de basculement des moteurs. Préférentiellement, les actionnements des trois servo-moteurs 28 sont synchronisés. En revanche, les vitesses de rotation des moteurs 21, 24 et 26 et des 30 hélices 22, 25 et 27 sont commandées indépendamment. Dans le cas d'un drone, un boîtier électronique de contrôle (non représenté) comporte une unité centrale qui actionne les servo-moteurs et commande les moteurs 3065440 6 et de façon coordonnée. Le boîtier électronique de contrôle assure aussi des fonctions de commandes des surfaces de contrôle, volets et ailerons, de manière connue en soi. L'axe vertical, perpendiculaire à l'axe principal du fuselage 11 et à l'axe passant par les extrémités d'ailes avant, qui passe par le centre de gravité de l'aéronef 10 5 traverse le triangle exinscrit passant par les hélices 22, 25 et 27. Ainsi, le vol stationnaire est stable. Comme on l'observe en figures 5 et 6, dans le mode de réalisation représenté, l'hélice 22 en extrémité arrière du fuselage 11 est positionnée en dessous de l'axe principal du fuselage 11 lorsque l'arbre de cette hélice 22 est dans une orientation 10 verticale. Les ailes arrière 15 et 16 peuvent ainsi s'étendre jusqu'au moteur arrière 21 sans limiter le débattement de l'hélice arrière 22. Les hélices 25 et 27 des moteurs 24 et 26 portés par les ailes 13 et 14 sont positionnées au-dessus des ailes lorsque les arbres de ces hélices sont en position verticale. Comme illustré dans les figures, les hélices 25 et 27 des moteurs 24 et 26 15 portés par les ailes 13 et 14 sont positionnées en amont des ailes avant, dans le sens du vol de l'aéronef 10. Sur le plan aérodynamique, le fait d'avoir les ailes avant soufflées accentue l'effet rhomboïde et augmente sérieusement l'efficacité des gouvernes ainsi que la variation de cambrure des ailes soufflées. Ceci se traduit par une augmentation des 20 performances de l'avion aux basses vitesses et une diminution de la tramée. Cette diminution est sensible pour des envergures d'aéronef au-delà de cinq mètres. Du fait du souffle des hélices 25 et 27, les écoulements autour des ailes, surtout des ailes avant 13 et 14, sont beaucoup plus sains et mieux contrôlés. Ils permettent donc une plus grande efficacité des volets, surtout en position basse pour augmenter 25 la portance. Le fait d'avoir deux moteurs 24 et 26 sur les ailes avant 13 et 14 permet d'obtenir un contrôle en lacet inexistant sur une aile rhomboïde pure. Ce qui peut revêtir une grande importance pour certaines phases de vol, dans des scénarios de missions spécifiques. 30 L'inventeur a découvert que la configuration rhomboïde permet de garder une finesse quasi constante sur une grande plage de vitesse en faisant varier la cambrure des ailes avant (et arrière pour conserver un vol équilibré). Cette particularité a été confirmée lors d'études en soufflerie. L'utilisation du morphisme des ailes est 3065440 7 particulièrement bien adaptée car une faible variation angulaire des ailes avant et arrière peut introduire des variations importantes d'incidence et/ou de variation de cambrure sur leur envergure. Cela permet de limiter l'usage des déflexions des volets, qui ont comme inconvénient la complexité des mixages des huit volets et le manque 5 de précision/résolution des servomoteurs et des commandes mécaniques de ces servomoteurs. Le morphisme est une solution extrêmement élégante pour "affiner" le réglage de la voilure aux conditions de vol sans avoir l'inconvénient des solutions lourdes et aérodynamiquement peu propres des volets multiples au bord de fuite et/ou les becs 10 et autres appendices au bord d'attaque. La voilure de type rhomboïde se prête particulièrement bien à ce type de "contrôle". Préférentiellement, les moteurs 24 et 26 sont montés sur la fibre neutre de torsion des ailes avant 13 et 14. Dans des variantes, la variation d'orientation angulaire des servo-moteurs et donc des axes de rotation des hélices sert à compenser la 15 variation d'orientation angulaire induite par les torsions des ailes provoquées par le morphisme. On note que l'aéronef 10 peut être lancé par une catapulte, des moyens pyrotechniques et/ou un ressort. REVENDICATIONS1. Aéronef (10) comportant un fuselage (11) et une voilure rhomboédrique (12) comportant des ailes avant (13, 14) montées sur un support d'emplanture avant (17) et des ailes arrière (15, 16) montées sur un support d'emplanture arrière (18), caractérisé en ce que : - au moins deux ailes (13, 14) portent un moteur (24, 26) muni d'une hélice (25, 27), - l'extrémité arrière du fuselage porte un moteur (21) muni d'une hélice (22) et - l'aéronef comporte des moyens (28 à 35) de basculement de ces moteurs, l'arbre de rotation de chacune des hélices basculant entre une orientation parallèle à l'axe principal du fuselage et une orientation perpendiculaire à l'axe principal du fuselage et à un axe passant par les extrémités des ailes avant. 2. Aéronef (10) selon la revendication 1, dans lequel l'axe perpendiculaire à l'axe principal du fuselage (11) et à l'axe passant par les extrémités d'ailes avant qui passe par le centre de gravité de l'aéronef traverse le triangle exinscrit passant par les hélices. 3. Aéronef (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'hélice (22) en extrémité arrière du fuselage (11) est positionnée en dessous de l'axe principal du fuselage lorsque l'arbre de cette hélice est dans une orientation perpendiculaire à l'axe principal du fuselage. 4. Aéronef (10) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les hélices (25, 27) des moteurs (24, 26) portés par les ailes (13, 14) sont positionnées au-dessus des ailes lorsque les arbres de ces hélices sont dans une orientation perpendiculaire à l'axe principal du fuselage (11). 5. Aéronef (10) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les hélices (25, 27) des moteurs (24, 26) portés par les ailes (13, 14) sont positionnées en amont des ailes avant, dans le sens du vol de l'aéronef. 3065440 9 6. Aéronef (10) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les supports d'emplanture d'ailes (17, 18) sont positionnés respectivement, en dessous et au-dessus du fuselage. 5 7. Aéronef (10) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel, à chaque jonction des extrémités d'ailes avant et arrière est positionnée une surface verticale (19, 20) de fermeture des extrémités d'ailes. 8. Aéronef (10) selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le fuselage (11) ne 10 porte aucun empennage vertical.