Brevet FR3083774A1 — publié le 20200117

AERONEF A DECOLLAGE ET ATTERRISSAGE VERTICAUX DOMAINE [1] La présente invention concerne les aéronefs à décollage et atterrissage verticaux, notamment dédiés au transport de personnes et/ou aux tâches logistiques, et en particulier l'équilibrage de tels aéronefs autour du centre de gravité. CONTEXTE [2] Aujourd'hui, de nombreuses études décrivent l'utilisation d'aéronefs à décollage et atterrissage verticaux (Vertical Take-Off And Landing, VTOL) pour le transport de personnes et de marchandises. Pour assurer la pilotabilité de ce type de véhicule, il est nécessaire de s'assurer que le centrage de l'aéronef reste dans une plage définie par le constructeur, quel que soit son chargement et ceci lors de toutes les phases de vol. On entend par centrage, le positionnement du centre de gravité du véhicule en prenant en considération l'équilibre statique et dynamique du véhicule. [3] Ainsi, un centrage défavorable implique une inégalité de sollicitation des rotors de l'aéronef de type VTOL, et donc de la puissance fournie par ces rotors. Lorsque le centrage varie en dehors de cette plage définie par le constructeur, le centrage rend l'aéronef instable et peut mener à son crash. Il est donc primordial, pour des questions de sécurité, que le centrage de l'aéronef soit assuré lors des différentes phases de vol. [4] Cette problématique se pose également pour les avions. Pour rester dans la plage indiquée par le constructeur de l'avion, la charge utile ainsi que le centrage sont analysés avant le décollage pour permettre une bonne répartition de la charge utile lors du chargement de l'avion. En outre, au cours du vol, le carburant peut être transféré dans différents réservoirs de l'appareil 2 pour maintenir le centrage dans la plage constructrice et ainsi optimiser les conditions de vol en réduisant la consommation de carburant. [5] Le personnel en charge d'opérer les futurs aéronefs logistiques de type VTOL ne sera ni sensibilisé ni spécifiquement formé aux opérations 5 aériennes et en particulier aux problématiques de centrage. Or, il n'existe aucune solution permettant actuellement d'assurer le centrage d'un aéronef de type VTOL avant et pendant les phases de vol tout en limitant les interventions humaines. [6] L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, 10 efficace et économique au problème précité. RESUME DE L'INVENTION [7] A cette fin, la présente invention propose un aéronef, à décollage et atterrissage verticaux dédié au transport d'une charge utile, comprenant : - au moins une masse ; 15 - des moyens de déplacement de ladite au moins une masse ; - des moyens de commande des moyens de déplacement de ladite au moins une masse en fonction de la position du centre de gravité ; caractérisé en ce que les moyens de déplacement sont configurés pour 20 permettre un positionnement de ladite au moins une masse selon au moins deux directions définissant entre elles un plan parallèle à un plan comprenant un axe de tangage et un axe de roulis de l'aéronef. [8] Le centrage peut être effectué avec plus de précision que dans l'art antérieur car il est possible de déplacer ladite au moins une masse en 25 plusieurs positions sur un plan, et non seulement suivant une seule direction, comme dans l'art antérieur. [9] Un tel aéronef à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) facilite les opérations de centrage, en positionnant automatiquement ladite au moins une charge en fonction du centrage du VTOL, par le biais de moyens de 3 déplacement et de moyens de commande de ces moyens de déplacement. Ainsi, le centrage du VTOL est réglé de sorte que la valeur du centrage soit contenue dans une plage de valeurs fournie par le constructeur de l'aéronef, permettant alors une utilisation optimale du VTOL. En outre, un tel aéronef 5 nécessite une faible intervention humaine pour les opérations de centrage, permettant alors son utilisation et son chargement par des opérateurs non formés aux opérations aériennes. Les opérations de centrage de l'aéronef s'en retrouvent par conséquent simplifiées et la sécurité de ce dernier en est améliorée. 10 [010] Selon une caractéristique supplémentaire, la masse peut comprendre une masse inerte et/ou un ou des composants de l'aéronef. [11] En particulier, le ou lesdits composants de l'aéronefs peuvent être des batteries. [12] L'utilisation des batteries comme masse permet de limiter 15 l'encombrement de l'aéronef si l'espace intérieur définissant la cabine de transport de l'aéronef est réduit. [13] Également, les moyens de déplacement peuvent comprendre au moins deux tiges de guidage portées par un bâti de l'aéronef et suivant lesquelles ladite masse est mobile en translation. 20 [014] En particulier, lesdites tiges de guidage peuvent être orientées de sorte à être perpendiculaires l'une à l'autre. [15] Ainsi la masse inerte et/ou le ou lesdits composants de l'aéronef sont mobiles suivant les axes respectivement définis par les tiges de guidage de manière à ajuster le centrage de l'aéronef. L'utilisation de tiges de guidage 25 orientées de sorte à être perpendiculaires l'une à l'autre permet de plus la mobilité de la masse inerte et/ou du ou desdits composants dans un plan défini par les deux axes de tangage et de roulis selon lesquels les tiges de guidage sont orientées. [16] Dans un mode de réalisation alternatif, la masse peut comprendre au moins une partie de la charge utile de l'aéronef. 4 [017] Pour le cas particulier des VTOL logistiques, c'est-à-dire dédiés au transport de marchandises, le centrage peut être réalisé directement en utilisant la charge utile, c'est-à-dire la charge marchande embarquée dans le véhicule, lors du chargement de la charge utile dans l'aéronef. 5 [018] Dans ce cas, les moyens de déplacement peuvent comprendre un plancher comportant des organes de roulement. [19] Ainsi, la charge utile est disposée sur le plancher, et peut être facilement déplacer à l'aide des organes de roulement, qui, de par leur mouvement de rotation, rendent mobile la charge utile dans les deux 10 directions du plan précité. [20] Également, le plancher peut comprendre des moyens de blocage de la charge utile. [21] Ces moyens de blocage permettent de maintenir dans une ou plusieurs positions discrètes sur le plancher au moins une partie de la charge 15 utile disposée sur le plancher de sorte à assurer le centrage de l'aéronef. [22] L'invention concerne également un procédé d'ajustement du centre de gravité de l'aéronef tel que décrit précédemment, comprenant les étapes : - calculer une position du centre de gravité de l'aéronef ; - comparer la position du centre de gravité avec une plage de 20 positions optimales du centre de gravité ; - commander les moyens de déplacement pour déplacer la masse de manière à ce que le centre de gravité soit positionné dans ladite plage. [023] L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques 25 et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES la figure 1 est une vue schématique d'un aéronef de type VTOL selon l'invention ; 5 - la figure 2 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation de l'aéronef selon l'invention ; - la figure 3A est une vue schématique d'un second mode de réalisation de l'aéronef selon l'invention ; 5 la figure 3B est une vue schématique d'une variante du second mode de réalisation de l'aéronef selon l'invention ; la figure 4 un plancher comprenant des organes de roulement tel que présents dans la variante du second mode de réalisation. DESCRIPTION DETAILLEE 10 [024] La figure 1 illustre un exemple d'aéronef 2 de type VTOL selon l'invention. [25] L'aéronef 2 comprend un fuselage 4, comportant une partie formant une cabine de transport de passagers ou de fret. L'aéronef 2 s'étend selon un axe longitudinal A'. Le fuselage comprend également un nez 6 dirigé dans 15 le sens d'avance de l'aéronef et s'étendant le long de l'axe longitudinal A'. [26] L'aéronef 2 comprend deux couples de rotors 8 de sustentation disposés au-dessus de la cabine. Les rotors 8 sont montés sur quatre parties de voilures, appelés bras 10, fixées au fuselage 4 et s'étendant dans une direction B' transverse à l'axe longitudinal A'. 20 [027] Les rotors 8 de chaque couple sont disposés face à face et de part et d'autre de l'axe longitudinal A'. De préférence, comme on peut le voir sur la figure 1, un premier couple est disposé à une première extrémité du fuselage 4 et le second couple est disposé à une second extrémité du fuselage 4 selon l'axe longitudinal A'. 25 [028] Chaque rotor 8 comprend deux pales 12a, 12b reliées à un moyen d'entrainement 14 en rotation de ces pales 12a, 12b. Le moyen d'entrainement 14 permettant de faire tourner les rotors 12a, 12b peut être par exemple un moteur, pouvant être électrique ou non. 6 [29] L'aéronef 2 peut comprendre au minimum quatre rotors 8, et peut dans certains modes de réalisation en comporter plus. [30] L'aéronef 2 comprend également deux ailes 16 ou surface de portance, disposées de part et d'autre de l'axe longitudinal A'. Ces ailes 16 5 sont disposées face à face sensiblement à mi-distance entre les deux couples de rotors 8. [31] L'aéronef 2 comprend une masse (non représentée sur la figure 1), disposée dans la cabine. L'aéronef 2 comprend en outre des moyens de déplacement 18 de la masse ainsi que des moyens de commande 20 des 10 moyens de déplacement de la masse 22. [32] Les moyens de commande 20 actionnent les moyens de déplacement 18 de la masse en fonction du centre de gravité de l'aéronef 2. Ce centre de gravité est déterminé par calcul suivant différentes méthodes détaillées par la suite. Les moyens de déplacement 18 sont en particulier configurés pour 15 permettre un positionnement de la masse suivant au moins deux directions définissant entre elles un plan. Ce plan est parallèle à un plan comprenant un axe de roulis A' et un axe de tangage B' de l'aéronef 2. L'axe de roulis est l'axe longitudinal A' selon lequel l'aéronef 2 s'étend. L'axe de tangage est l'axe transversal à l'axe longitudinal B' selon lequel les ailes 16 s'étendent. 20 [033] Pour mieux comprendre l'invention, on se réfère aux figures 2, 3A et 3B schématisant la masse et les moyens de déplacement 18 de la masse dans l'aéronef tel que décrit en figure 1. [34] Comme illustré en figure 2 qui représente un premier mode de réalisation, la masse 22 est une masse inerte 23 et/ou un ou des composants 25 de l'aéronef. Par masse inerte 23, on entend une masse n'assurant qu'une fonction d'équilibrage. Dans le cas particulier où la masse 22 est un ou plusieurs composants électriques, la masse 22 peut être une ou plusieurs batteries de l'aéronef. [35] La masse 22 est monté mobile en translation sur une première paire 30 de tiges 26a, 26b par le biais de moyens d'accroche 24. Les deux tiges 26a, 26b de cette paire sont parallèles, espacées l'une de l'autre et orientées 7 selon une première direction A, parallèle à l'axe de roulis A' de l'aéronef 2. Ces tiges 26a, 26b s'étendant selon la première direction A, sont sensiblement de la même longueur selon cette direction A. Ainsi, la masse 22 peut être mobile en translation suivant la première direction A. 5 [036] La première paire de tiges 26a, 26b est montée en translation, au niveau de deux de ses extrémités selon la première direction A, sur une seconde paire de tiges 28a, 28b. Les deux tiges 28a, 28b de la seconde paire de tiges sont parallèles et orientées selon une seconde direction B, transverse à la première direction, et parallèle à l'axe de tangage B' de 10 l'aéronef 2. Elles sont de plus assez espacées l'une de l'autre de sorte que la première paire de tiges 26a, 26b est disposée perpendiculairement à la seconde paire de tiges 28a, 28b et entre les deux tiges 28a, 28b de la seconde paire. [37] Les deux paires de tiges 26a, 26b, 28a, 28b sont fixées et portées par 15 un bâti de l'aéronef 2 en particulier la partie du fuselage 4 définissant la cabine. [38] Ainsi, en plus d'être mobile selon la première direction A, la masse 22 est également mobile selon la seconde direction B. Par conséquent, la masse 22 peut être positionnée dans plusieurs positions discrètes dans le 20 plan 7 défini par la première direction A et la seconde direction B. [39] Dans un mode de réalisation non illustré, on peut envisager que les paires de tiges 26a, 26b, 28a, 28b soient remplacées respectivement par une tige de guidage. Les moyens de déplacement 18 comprendront alors deux tiges de guidage, perpendiculaires l'une à l'autre, portées par un bâti 25 de l'aéronef 2 et suivant lesquelles la masse inerte et/ou le ou lesdits composants de l'aéronef sont mobiles en translation. [40] Dans un second mode de réalisation, illustré en particulier aux figures 3A et 3B, la masse 22 peut comprendre une partie de la charge utile de l'aéronef 2. Par charge utile, on entend l'ensemble de ce qui est transporté, 30 matérialisé par des containers 30 sur les figures. 8 [41] Les moyens de déplacement 18 de tels containers 30 peuvent se décliner selon deux variantes. [42] La première variante, illustrée sur la figure 3A, se rapproche des moyens de déplacement 18 utilisés dans le premier mode réalisation. 5 Comme on peut le voir, les containers 30 sont montés en translation sur une première paire de tiges 26a, 26b orienté selon une première direction A, identique à la première paire de tiges 26a, 26b décrite en référence à la figure 2. De même, la première paire de tiges 26a, 26b est montée en translation sur la seconde paire de tiges 28a, 28b lesquelles sont orientées selon une 10 seconde direction B perpendiculaire à la première direction A. [43] Ainsi les containers 30 sont mobiles selon deux directions, la première et la seconde direction A, B, et peuvent être positionnés dans le plan Tr défini par la première direction A et la seconde direction B. [44] Une seconde variante, illustrée sur la figure 4, permet le 15 positionnement d'une pluralité de containers 30, représentant au moins une partie de la charge utile, dans des positions discrètes sur le plancher 32 de la cabine de l'aéronef 2. [45] Ainsi, les moyens de déplacement 18 des containers 30 comprennent un plancher 32 comportant des organes de roulement 34, tel qu'illustré à la 20 figure 4. Le plancher 32 est formé de plaques 36, comprenant des logements, de forme semi-sphérique, dans lesquels sont logées des billes 38 sphériques, aptes à être mobiles en rotation dans le logement. [46] Ainsi, en poussant un container 30 sur un tel plancher 32, selon une direction contenue dans un plan parallèle au plancher 32, les billes 38 25 placées sous le container 30 sont mises en rotation, de sorte que le mouvement des billes 38 transmis au container 30 permet son déplacement en translation sur le plancher 32. [47] Dans l'exemple illustré, les containers 30 peuvent être placés sur des plateaux 40, afin de faciliter leur mouvement de translation sur le plancher 30 32. 9 [48] Le plancher 32 comprend en outre des moyens de blocage 42, permettant de bloquer les containers 30, représentant au moins une partie de la charge utile, dans une position discrète sur le plancher 32. Les moyens de blocage 42 permettent d'immobiliser chacun des containers 30 dans une 5 position discrète sur le plancher 32. [49] Les moyens de blocage 42 peuvent être par exemple des crochets mobiles, chaque crochet étant mobile entre une position bloquante dans laquelle le crochet forme un angle non nul avec le plancher 32 et une position non bloquante dans laquelle le crochet forme un angle nul avec le plancher 10 32, les crochets étant alors escamotés dans le plancher 32. Les crochets peuvent présenter une longueur d'environ 20 cm. [50] Ainsi, dans cette seconde variante, les containers 30 peuvent être disposés dans des positions discrètes sur le plancher 32 indépendamment les uns des autres. 15 [051] Bien-sûr, la masse 22 peut comprendre une ou plusieurs masses inertes et/ou un ou des composants de l'aéronef et/ou une partie ou la totalité de la charge utile, et ainsi l'aéronef 2 peut comprendre des combinaisons des variantes des moyens de déplacement 18 tel que décrits ci-dessus. [52] Les moyens de déplacements 18 sont commandés par des moyens 20 de commande 20, tel que des calculateurs, ou un circuit électronique spécifique de commande. [53] Comme évoqué, le positionnement de la masse 22 est réalisé en prenant en compte le centrage de l'aéronef 2, en vue d'ajuster la position du centre de gravité de l'aéronef 2, pour que le centrage soit compris dans la 25 plage conseillée et fournie par le constructeur. [54] Pour cela, l'ajustement du centre de gravité de l'aéronef 2 tel que décrit précédemment peut être ainsi réalisé selon un procédé, dont un exemple est décrit ci-après. [55] Le calcul du centre de gravité peut être effectué à l'aide par exemple 30 de l'un des trois systèmes décrits ci-après, et des procédés associés. 10 [56] Le premier système, dit système d'aide au sol, consiste, dans un premier temps, à peser et déterminer le centre de gravité des containers 30, c'est-à-dire de la charge utile, destinés à être transportés par l'aéronef 2. Un opérateur, par le biais de moyens de mesures adéquates détermine 5 l'emplacement optimal des containers 30 et/ou le positionnement de la masse mobile 22, pouvant être une masse inerte 23 et/ou des composants de l'aéronef 2, en fonction de la masse et du centre de gravité de chacun des containers 30. [57] Les informations relatives aux positionnements des containers 30 10 et/ou de la masse inerte 23 et/ou du ou des composants mobiles de l'aéronef 2, sont alors transmises aux moyens de commandes 20, qui envoient les instructions adéquates aux moyens de déplacements 18 pour positionner les containers 30 et/ou la masse inerte 23 et/ou le ou les composants mobiles de l'aéronef 2. 15 [058] Ainsi, le premier système, faisant principalement intervenir des moyens de mesures et l'opérateur, permet d'assurer le centrage de l'aéronef 2, lors du chargement de celui-ci. [59] Le deuxième système, dit système de calcul via des jauges de contraintes, consiste à installer des jauges de contraintes sous les trains 20 d'atterrissage ou les plateaux 40 sur lesquels est disposée la charge utile, pouvant prendre la forme de containers 30. [60] Par le biais de moyens adaptés, le système calcule le centrage de l'aéronef 2 puis calcule la position adéquate de la masse, pouvant être au moins une partie de la charge utile et/ou la masse inerte 23 et/ou du ou des 25 composants mobiles de l'aéronef 2. Pour assurer un centrage compris dans la plage de valeurs transmises par le constructeur, des instructions adéquates sont alors envoyées aux moyens de commande 20 des moyens de déplacement 18 pour positionner la masse 22. Par ailleurs, le calcul réalisé par le système peut prendre en considération la masse du carburant 30 (kérosène, hydrogène par exemple) embarquée dans l'aéronef 2 dans le cas où il comprend un moteur thermique ou une pile à combustible. Egalement, 11 le système peut alerter lors de la surcharge de l'aéronef 2, lors du chargement de celui-ci. [61] Lors des phases de vol, et en fonction d'une estimation de la consommation du carburant, lorsque l'aéronef 2 comprend un moteur 5 thermique, la masse inerte 23 et/ou le ou les composants mobiles de l'aéronef 2 peut être repositionné par le biais des moyens de déplacement 18, afin d'optimiser le centrage en fonction de la consommation du carburant. [62] Le troisième système, dit système de calcul via la consommation des propulseurs verticaux, c'est-à-dire des rotors 8, consiste dans un premier 10 temps à calculer, à vide, les puissances consommées par les rotors 8 lors des phases verticales (décollage et atterrissage) de façon à étalonner les propulseurs. [63] Suite au chargement de la charge utile dans l'aéronef 2, l'aéronef 2 décolle et se place en position stationnaire au-dessus du sol, de sorte que le 15 poids de l'ensemble de l'aéronef 2 est entièrement soutenu par ses rotors 8. L'analyse des puissances consommées par les rotors 8, et notamment la comparaison avec les puissances mesurées à vide, permet de calculer la modification de la répartition (de la position) de la charge utile et/ou la masse inerte 23 et/ou le ou les composants mobiles de l'aéronef 2 pour optimiser la 20 position du centre de gravité. Le centrage de l'aéronef 2 en est déduit. [64] Des instructions adéquates, en accord avec le calcul réalisé, sont ainsi transmises aux moyens de commande 18, afin de déplacer la charge utile, c'est-à-dire les containers 30, et/ou la masse inerte 23 et/ou le ou les composants mobiles de l'aéronef 2 par le biais des moyens de déplacement 25 18 pour optimiser le centrage de l'aéronef 2. [65] Un procédé d'ajustement du centre de gravité pour un aéronef 2 selon l'invention, permet en outre un réglage du centrage de l'appareil. [66] La première étape de ce procédé consiste à calculer une position du centre de gravité de l'aéronef 2. Les méthodes détaillées précédemment 30 peuvent ainsi être mises en oeuvre. 12 [67] La deuxième étape consiste à comparer la position du centre de gravité avec une plage de positions optimales du centre de gravité. Si le centre de gravité est positionné de sorte que le centrage est en dehors de la plage constructeur, il est alors nécessaire pour ajuster le centre de gravité 5 de l'aéronef 2, de déplacer la masse inerte 23 et/ou le ou les composants mobiles de l'aéronef 2. Des positions optimales de la masse inerte 23 et/ou du ou des composants mobiles sont alors calculées, par le biais d'un circuit électronique spécifique embarqué dans l'aéronef 2. [68] La troisième étape consiste à commander les moyens de 10 déplacement 18 pour déplacer la masse inerte 23 et/ou le ou les composants mobiles de l'aéronef 2 dans les positions calculées, de manière à ce que le centre de gravité soit positionné dans ladite plage. [69] II est ainsi envisageable d'automatiser REVENDICATIONS1. Aéronef (2), à décollage et atterrissage verticaux dédié au transport d'une charge utile, comprenant : - au moins une masse (22) ; - des moyens de déplacement (18) de ladite au moins une masse (22) ; - des moyens de commande (20) des moyens de déplacement (18) de ladite au moins une masse (22) en fonction de la position du centre de gravité ; caractérisé en ce que les moyens de déplacement (18) sont configurés pour permettre un positionnement de ladite au moins une masse (22) selon au moins deux directions (A, B) définissant entre elles un plan (r) parallèle à un plan comprenant un axe de tangage (A') et un axe de roulis (B') de l'aéronef (2). 2, Aéronef (2) selon la revendication 1, dans lequel la masse (22) comprend une masse inerte (23) et/ou un ou des composants de l'aéronef (2). 3. Aéronef (2) selon la revendication 2, dans lequel le ou lesdits composants de l'aéronef (2) sont des batteries. 4. Aéronef (2) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens de déplacement (18) comprennent au moins deux tiges (26a, 26b, 28a, 28b) de guidage portées par un bâti (4) de l'aéronef (2) et suivant lesquelles ladite masse (22) est mobile en translation. 5, Aéronef (2) selon la revendication 4, dans lequel lesdites tiges (26a, 26b, 28a, 28b) de guidage sont orientées de sorte à être perpendiculaires l'une par rapport à l'autre. 6. Aéronef (2) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la masse (22) comprend au moins une partie de la charge utile de l'aéronef (2). 7, Aéronef (2) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens de déplacement (18) comprennent un plancher (32) comportant des organes de roulement (34). 14 8. Aéronef (2) selon la revendication 7, dans lequel le plancher (32) comprend des moyens de blocage (42) de la charge utile. 9. Procédé d'ajustement du centre de gravité de l'aéronef (2) selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant les étapes : 5 Calculer une position du centre de gravité de l'aéronef (2) ; Comparer la position du centre de gravité avec une plage de positions optimales du centre de gravité ; Commander les moyens de déplacement (18) pour déplacer la masse (22) de manière à ce que le centre de gravité soit 10 positionné dans ladite plage.