Brevet FR3083522A1 — publié le 20200110

Description Titre de l'invention : Aéronef [0001] La présente invention concerne un aéronef, en particulier un aéronef entièrement électrique capable de décoller et d'atterrir à la verticale ("vertical take-off and landing" - VTOL). [0002] Par VTOL, on entend dans le jargon de la technique aérospatiale tout type d'aéronef, de drone ou de fusée qui a la capacité de décoller et d'atterrir essentiellement à la verticale et sans piste de décollage et d'atterrissage. Dans ce qui suit, ce terme générique est utilisé dans un sens large qui inclut non seulement les aéronefs à ailes rigides à surfaces portantes, mais également des giravions comme des hélicoptères, des autogires et des girodynes ainsi que des hybrides tels que les hélicoptères combinés ainsi que les convertiplanes. Sont également inclus les aéronefs qui ont la capacité de décoller et d'atterrir sur des pistes particulièrement courts ("short take-off and landing" - STOL), de décoller sur de courtes pistes et d'atterrir à la verticale ("short take-off and vertical landing", STOVL) ou de décoller à la verticale mais d'atterrir à l'horizontale (" vertical take-off and horizontal landing", VTHL). [0003] Pendant la phase (le décollage et d'atterrissage, le besoin en courant d'un VTOL est élevé. La batterie d'un VTOL entraîné à l'électricité selon l'état de la technique doit donc satisfaire des exigences très élevées non seulement en termes de capacité mais également en termes de densité de puissance. [0004] CN106981914A divulgue un procédé et un système de commande d'énergie pour un véhicule basés sur deux batteries. Selon la situation du véhicule, le véhicule commute entre un mode habituel, un mode de récupération, un mode de chargement de la batterie de réserve ou un mode d'isolation, la charge du véhicule étant alimentée en courant par une première batterie en mode habituel, la charge du véhicule, la première batterie et une deuxième batterie étant chargées simultanément par un générateur de courant en mode de récupération, la deuxième batterie étant chargée par le générateur de puissance en mode de charge de la batterie de réserve, et la puissance de la charge du véhicule étant apportée par la première batterie et à un moteur de démarrage par la deuxième batterie en mode d'isolation. Les batteries doivent être chargées et déchargées efficacement sur la totalité du cycle de fonctionnement en fonction des différents besoins en puissance selon les différentes conditions de travail. [0005] Lc document EP2592686B1 décrit un système de commande qui commande le fonc- tionnement d'une batterie d'accumulation raccordée à un réseau d'énergie comptant plusieurs batteries d'accumulation disposées dans un réseau d'énergie et un ensemble de commande qui, sur la base de l'état des batteries et de l'apport d'énergie, définit à l'aide d'une prédiction des besoins un taux de chargement ou de déchargement in- 2 dividucl pour chacune des batteries d'accumulation. [0006] Le document DE4118594C1 propose pour un véhicule électrique la combinaison d'une batterie à haute puissance dont le contenu spécifique en énergie est relativement élevé, par exemple une batterie au nickel/cadmium, au sodium/soufre ou au zinc/ brome, comme gros accumulateur d'énergie, avec une plus petite batterie de même tension dont le contenu spécifique en énergie est plus petit mais dont la puissance est relativement élevée par rapport à son poids et dont le rapport prix/puissance est nettement plus bas, par exemple une batterie gel/plomb ou plomb-acide. [0007] Pour résoudre le problème évoqué plus haut, on propose une forme alternative d'alimentation en énergie qui n'augmente pas considérablement le poids total de l'aéronef. L'invention propose dans ce but un aéronef, en particulier un aéronef complètement électrique, capable au sens donné plus haut de décoller et d'atterrir à la verticale, caractérisé en ce que : l'aéronef présente une batterie d'énergie, une batterie de puissance, des rotors de sustentation et des hélices de vol de croisière et l'aéronef est configuré de telle sorte qu'au cours des phases de vol de croisière, la batterie d'énergie alimente les hélices de vol de croisière et qu'au cours des phases de décollage et d'atterrissage, la batterie de puissance alimente les rotors de sustentation. [0008] L'aéronef selon l'invention est caractérisé en ce que : l'aéronef présente en outre une batterie de puissance de réserve et l'aéronef est configuré de telle sorte qu'en cas de besoin, la batterie de puissance de réserve alimente sélectivement les rotors de sustentation ; l'aéronef est configuré de telle sorte qu'au cours des phases de vol de croisière, la batterie d'énergie charge en outre la batterie de puissance et la batterie de puissance de réserve dans le cas où la batterie de puissance de réserve peut être rechargée ; l'aéronef présente un entraînement entièrement électrique ; l'aéronef comprend des surfaces portantes rabattues ou rabattables ; les batteries peuvent être rechargées rapidement ; les rotors de sustentation sont des hélices carénées fixes à l'horizontale ; l'aéronef présente des lamelles et les hélices horizontales carénées peuvent être recouvertes sélectivement au moyen des lamelles ; les hélices de vol de croisière sont des hélices carénées fixes à la verticale destinées à générer une propulsion ; et l'aéronef peut être commandé sélectivement de manière entièrement autonome. 3 [0009] Ainsi, l'aéronef peut présenter par exemple une batterie de haute puissance de réserve qui, en cas de besoin, alimente sélectivement les rotors de sustentation. De cette manière, même en cas de défaillance d'une seule batterie, il reste toujours au moins une batterie de puissance disponible pour l'atterrissage. [0010] Par ailleurs, l'aéronef peut être équipé de surfaces portantes rabattues ou même ra- battables sélectivement. Une variante de cc type augmente la surface alaire active en vol horizontal sans pour autant étendre la surface au sol de l'aéronef. [0011] En outre, l'aéronef peut disposer d'un système de batteries à recharge rapide qui délivre l'énergie d'entraînement pour le décollage et l'atterrissage à la verticale ainsi que pour le vol horizontal, et qui permet une recharge rapide de l'aéronef à l'arrêt. [0012] Pour entraîner l'aéronef, au lieu de rotors à déplacement libre, on peut utiliser plusieurs hélices carénées ("ducted fans") également de différentes tailles, qui, en dehors de la technique du déplacement aérien, sont connues par exemple pour les véhicules à coussin d'air ou les hydroglisseurs. Dans un tel mode de réalisation, la carène cylindrique qui entoure l'hélice peut réduire considérablement les pertes de poussée provoquées par les tourbillons aux pointes des pales. Des hélices carénées appropriées peuvent être orientées à l'horizontale ou à la verticale, avec une possibilité de pivotement entre les deux positions ou, pour des raisons aérodynamiques, être recouvertes en vol horizontal par des lamelles (" louvers"). De plus, on peut envisager une génération de poussée purement horizontale au moyen d'hélices carénées fixes. [0013] Enfin, en plus d'un fonctionnement de préférence entièrement autonome de l'aéronef, pour une qualification suffisante, on peut également envisager un contrôle manuel par pilote humain, ce qui confère à l'ensemble selon l'invention la plus grande flexibilité de manipulation possible. [0014] Un exemple de réalisation de l'invention a été représenté dans les dessins et va maintenant être décrit plus en détails. [0015] [fig.1] représente un schéma-blocs d'un aéronef selon l'invention. [0016] [fig.2] représente le flux d'énergie pendant une phase de vol de croisière dont les besoins en énergie sont relativement bas mais cependant encore élevés. [0017] [fig.3] représente le flux d'énergie pendant les phases de décollage et d'atterrissage dans lesquelles les besoins en puissance sont élevés, voire très élevés, mais avec un besoin en énergie seulement faible à moyen. [0018] [fig.4] représente l'utilisation d'une source d'énergie de réserve en cas de défaillance. [0019] La figure 1 représente les caractéristiques structurelles d'un mode de réalisation préféré de l'aéronef 10 selon l'invention dont le principe de fonctionnement en fonction de la phase de vol sera à présent expliqué à l'aide des figures 2 à 4. [0020] Dans la figure 2, on peut voir qu'une batterie d'énergie 11 alimente les hélices 15 de vol de croisière et n'est utilisée que pendant la phase de vol de croisière représentée. Sa capacité est conçue pour le vol de croisière et l'atterrissage, tandis que la puissance maximale prélevée dépend de la puissance des hélices 15 de vol de croisière et du taux de rechargement d'une batterie de puissance 12 supplémentaire. [0021] La figure 3 illustre que ladite batterie de puissance 12 alimente uniquement les rotors de sustentation 14 et est utilisée en permanence. La batterie de puissance 12 est déchargée pendant le décollage et l'atterrissage et est rechargée au cours du vol de croisière. Sa capacité est définie par la situation la plus défavorable de montée en altitude, parce que l'atterrissage n'a besoin que d'une fraction de l'énergie du décollage. Il en va de même pour la conception de la batterie de puissance 12 en termes de puissance délivrée et de besoin de puissance au cours du décollage et de l'atterrissage. [0022] Une batterie 13 de puissance de réserve représentée dans la figure 4 alimente uniquement les rotors de sustentation 14 et est utilisée uniquement pour un atterrissage de secours en cas de défaillance de la batterie de puissance 12 ou lorsque l'atterrissage est réalisé plus tôt qu'attendu et que la durée de vol de croisière n'a pas suffi pour recharger la batterie de puissance 12. Sa capacité est définie par conséquent par les conditions de l'atterrissage, sa puissance délivrée maximale par la puissance nécessaire absorbée par les rotors de sustentation 14 pour le décollage ou l'atterrissage. Il peut s'agir d'une cellule primaire ou une cellule secondaire. [0023] Un convertisseur de tension continue délivre une puissance constante pour le chargement de la batterie de puissance 12, en général déchargée après le décollage, pendant le vol de croisière pour pouvoir de nouveau l'utiliser au cours de l'attenissage. [0024] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. 5