Brevet FR3092926A1 — publié le 20200821

Description Titre de l'invention : Aéronef à décollage et atterrissage verticaux à propulsion hybride muni d'un système de gestion automatique d'énergie embarqué Domaine technique 100011 L'invention concerne un système de gestion automatique d'énergie dans un aéronef à décollage et atterrissage verticaux à propulsion hybride. Technique antérieure [0002] Les aéronefs actuels pilotés évoluent à partir d'un aérodrome/aéroport pour un avion ou un héliport pour un hélicoptère et le pilote (commandant de bord) est responsable de la tenue des règles de l'air, de la sécurité et du respect des règles environnementales. Il s'assure, en fonction de son plan de vol autorisé par le contrôle du trafic aérien ATC (pour Air Traffic Control), des conditions météorologiques et du bilan de masse/ performance, qu'il dispose de la quantité de carburant suffisante pour effectuer sa mission, avec à l'arrivée, les réserves règlementaires. Il peut éventuellement être assisté pour ce faire d'un système de gestion de vol dit FMS (pour Flight Management System). [0003] Les aéronefs à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) sont de plus en plus utilisés notamment dans le transport intra-urbain et inter-urbain de marchandises ou de personnes. Sauf dans le cas du transport d'une petite charge (typiquement un colis postal) sur une faible distance, du fait de la faible densité des batteries actuelles, ces aéronefs fonctionnent avec des systèmes de propulsion hybride et opèreront à terme en automatique (c'est-à-dire sans pilote à bord) à partir d'une zone de poser ou plateforme, connue aujourd'hui sous différentes appellations, comme skyport, vertiport ou droneport. De plus, ces aéronefs VTOL hybrides sont prévus pour voler, avec ou sans passager à bord (en cas de transport de marchandises), dans des zones de trafic aérien dense soumis à une règlementation de circulation aérienne devant être conforme à minima aux mêmes obligations règlementaires que les aéronefs pilotés. [0004] On tonnait avec le brevet FR3019358 un procédé de gestion de l'énergie embarquée, propulsive et non propulsive, qui vise à alléger la charge de travail du pilote d'un aéronef en lui proposant différentes stratégies et des solutions optimales de configuration des moteurs de cet aéronef. [0005] Toutefois, un tel procédé qui implique nécessairement la présence d'un pilote ne prend pas en compte l'ensemble des contraintes liées à une gestion autonome sans pilote. Il apparait donc très peu adapté aux aéronefs VTOL, notamment à propulsion hybride, dont le système énergétique doit suivre automatiquement et en temps réel les 2 conditions de vol comme les contraintes règlementaires de sécurité, environnementales et économiques. Exposé de l'invention [0006] La présente invention se propose de pallier les inconvénients précédents avec un système de gestion automatique de l'énergie embarquée sur un aéronef VTOL hybride sans pilote, qui prenne en compte toutes ces contraintes. [0007] Pour ce faire, il est divulgué un aéronef à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) comportant un générateur d'électricité à moteur thermique, un ensemble de stockage d'énergie électrique, une motorisation électrique de propulseurs assurant la propulsion et/ou la sustentation de l'aéronef et un système de gestion d'énergie embarqué sélectionnant automatiquement la source d'énergie à délivrer aux propulseurs la plus adaptée en fonction d'un plan de vol prédéterminé, de la niasse de l'aéronef et des ressources en énergie électrique et carburant disponibles, caractérisé en ce que le système de gestion d'énergie embarqué comporte un calculateur configuré pour : acquérir des données représentatives de contraintes de sécurité, de contraintes environnementales, et de contraintes économiques, déterminer un trajet optimal entre un point de départ et un point d'arrivée en fonction des données ainsi acquises, estimer les consommations d'énergie électrique ou de carburant nécessaires pour parcourir cc trajet optimal, comparer les consommations ainsi obtenues avec les ressources en énergie électrique et carburant disponibles, et activer sélectivement le moteur thermique dont il assure le contrôle et la surveillance, et/ou l'ensemble de stockage d'énergie électrique lors de ce trajet optimal, le calculateur étant en outre configuré pour couper le moteur thermique lors du décollage et de l'atterrissage de l'aéronef et lors d'un passage dans une zone règlementée interdisant les nuisances sonores et les émissions de polluants. [0008] Ainsi, la prise en compte des paramètres de masse, de niveaux d'énergie et de plan de vol permet d'optimiser de manière autonome la consommation et la recharge énergétique comme la signature acoustique, et assurer le respect des règlements (survol de zones réglementées où les nuisances sonores et les émissions polluantes sont sous contraintes) lors du vol de l'aéronef [0009] De préférence, le calculateur est configuré pour, lors du passage dans la zone ré- glementée, gérer l'emploi d'atténuateurs de signature acoustique tels que des carénages de nacelles déployables. [0010] Avantageusement, le trajet optimal est un trajet moins disant en termes de temps de vol, de consommation d'énergie ou de coût de transport. [0011] De préférence, les contraintes de sécurité comprennent un nombre de passagers et colis transportés et des réserves obligatoires de recharge électriques et de carburant, les 3 contraintes environnementales comprennent une cartographie des zones survolées et des données météorologiques telles que la pression atmosphérique, la température et la vitesse des vents, et les contraintes économiques comprennent un ravitaillement en carburant et/ou en recharge électrique au niveau des différents vertiports accessibles dans le rayon d'action de l'aéronef en fonction de l'énergie embarquée disponible. [0012] L'aéronef selon l'invention comporte en outre un capteur de position de type GPS ou analogue pour déterminer en temps réel la position de l'aéronef, un capteur de masse pour déterminer la masse au décollage de l'aéronef, et une jauge de niveau pour déterminer en temps réel la ressource en carburant ainsi que le calculateur. Celui-ci est configuré pour déterminer en temps réel la capacité résiduelle de l'ensemble de stockage d'énergie électrique. [0013] De préférence, le calculateur intègre un module de gestion de vol (FMS) pour recevoir d'une station de contrôle du trafic aérien (ATC) le plan de vol prédéterminé comportant les points de départ et d'arrivée et la zone réglementée survolée. [0014] Avantageusement, le calculateur comporte également une fonction de calculateur de pleine autorité (ou FADEC) assurant le fonctionnement et la surveillance du générateur d'électricité à moteur thermique. Brève description des dessins [0015] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront dc la des- cription détaillée faite ci-dessous, en référence aux figures suivantes dépourvues dc tout caractère limitatif et sur lesquelles : [0016] [fig.1] La figure 1 illustre de façon schématique un aéronef VTOL hybride comportant un système de gestion automatique d'énergie conforme à l'invention, [0017] If ig.2] La figure 2 montre des exemples de trajets effectués par un aéronef VTOL hybride sur un exemple de cartographie d'une zone survolée, faisant apparaître une zone à émissions réglementées. [0018] [fig.3] La figure 3 est une vue schématique des différentes étapes mises en oeuvre par le système de gestion automatique d'énergie dans un aéronef VTOL hybride conforme à l'invention. Description des modes de réalisation 100191 La figure 1 illustre schématiquement un aéronef à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) à propulsion hybride comportant un générateur d'électricité à moteur thermique, un ensemble rechargeable de stockage d'énergie électrique, une motorisation électrique des propulseurs assurant la propulsion et/ou la sustentation de l'aéronef et un système de gestion d'énergie embarquée sélectionnant automatiquement et en temps réel la source d'énergie la plus adaptée à délivrer aux propulseurs en fonction du plan de vol (cartographie des zones survolées, conditions environnementales), de la masse de l'aéronef (nombre de passagers et fret transporté) et de l'énergie disponible (ressource électrique et carburant y compris les réserves réglementaires). [0020] Plus précisément cc VTOL hybride 10 comprend au moins un générateur d'électricité 12, génératrice ou selon le cas démarreur/générateur électrique, mû par un moteur thermique 14, par exemple une turbomachine (turbine à gaz ou tout autre moteur à combustion interne du type à pistons ou rotatif par exemple) à turbine libre ou liée. Le moteur thermique 14 est alimenté par un carburant stocké dans le réservoir 16 dont la quantité disponible est surveillée par une jauge de niveau 18, et le générateur électrique 12 recharge à la demande un stockcur d'énergie électrique 20, par exemple une unité de batteries et/ou de supercondensateurs. En cas d'utilisation de certains carburants (méthanol ou méthane par exemple), une pile à combustible peut optionnellement faire office de stockcur d'énergie en générant l'énergie électrique directement à partir du carburant stocké dans le réservoir 16. Toutefois, une telle pile à combustible n'est alors pas rechargeable. [0021] La recharge du stockcur d'énergie électrique 20 par le générateur électrique 12 est assurée par un module de puissance 22 auquel le stockcur et le générateur sont reliés et qui assure également l'alimentation en puissance d'un ou plusieurs propulseurs électriques 24 constitué chacun d'au moins un rotor 26 mû par un moteur électrique 28, éventuellement via un réducteur 30. Pour la simplification des dessins, seul un propulseur électrique est représenté mais il est entendu que l'invention s'applique sans distinction à un plus grand nombre de propulseurs, typiquement de deux à douze ou plus par exemple. Le rotor pouvant être simple ou double de type contrarotatif [0022] Le fonctionnement et le contrôle du système de gestion automatique d'énergie, c'est-à-dire le choix de la source d'énergie (générateur d'électricité ou ensemble de stockage d'énergie électrique) à utiliser par le ou les propulseurs électriques 24 est assuré par un calculateur 32 selon une logique de gestion qui sera décrite plus loin en regard de la figure 3. Ce calculateur inclut typiquement le FADEC (ou calculateur de pleine autorité) qui assure donc également le fonctionnement et la surveillance du générateur d'électricité à moteur thermique (ou turbogénérateur) mais il peut aussi être hébergé par un module supplémentaire dédié et séparé du FADEC. [0023] Afin de déterminer la masse au décollage de l'aéronef, l'aéronef 10 est en outre doté d'au moins un capteur de masse 34 disposé avantageusement dans son train d'atterrissage 36 supportant la cellule de l'aéronef 38. Enfin, l'aéronef est équipé d'un système de gestion de vol FMS 40 qui reçoit notamment les données de localisation de l'aéronef d'un capteur GPS ou analogue 42 et, entre autres fonctions, assure l'interface (pour les échanges de données externes) avec une station au sol 44 de contrôle du trafic aérien ATC (pour Air Traffic Control) ou des vertiports. [0024] On notera que si, dans la description qui précède, le module de puissance 22, le cal- culateur 32 assurant ici également le rôle de FADEC, et le module de gestion de vol 40 ont été décrit comme des modules distincts, il est bien entendu possible de regrouper tous ces moyens de calcul et/ou de gestion en un seul composant 46, ou encore de regrouper les fonctions basses puissances assurée par le calculateur 32 et le module de gestion de vol 40 dans un module distinct 48 en gardant l'alimentation en puissance et la recharge stockeur assurée par le module de puissance 22, ségréguée alors dans un boîtier dédié. [0025] La figure 2 montre un extrait d'une cartographie aérienne sur laquelle figure quatre vertiports A, B, Cet D et une zone réglementée 100 dans laquelle existent des contraintes environnementales en termes de bruit perçus par les riverains (nuisances sonores) ou d'émission de polluants qui interdisent un fonctionnement du moteur thermique et obligent à un survol de l'aéronef VTOL en mode électrique uniquement . [0026] Le fonctionnement du système embarqué de gestion automatique d'énergie de l'invention est maintenant décrit en regard de la figure 3 dans le cadre d'un vol entre le vertiport A et le vertiport B. [0027] La première étape 200 consiste à recueillir un certain nombre de données permettant de déterminer dans une étape suivante 210 le trajet optimal (c'est-à-dire le moins disant en termes de temps de vol, de consommation d'énergie ou de coût de transport) entre ces deux vertiports en fonction de ces données acquises. Ces données concernent à la fois les paramètres du vol (points de départ et d'arrivée, nombre de passagers et de bagages ou nombre de colis, créneau horaire demandé), les paramètres environnementaux (cartographie des zones survolées, données ou cartes météorologiques (pression atmosphérique, température, vitesse des vents), ravitaillement en carburant et en recharge électrique au niveau des différents vertiports concernés par les zones survolées ou dans le rayon d'action de l'aéronef en fonction de l'énergie embarquée disponible, les paramètres économiques (prix des recharges électriques et du carburant, coût de la maintenance, amortissements) et les paramètres de l'aéronef (position, masse embarquée, carburant disponible et niveau du stockeur d'énergie obtenu avantageusement par un simple décompte du consommé depuis la dernière recharge). [0028] Les paramètres de vol et les paramètres environnementaux et économiques sont délivrés par la station 44 de contrôle du trafic aérien ou des vertiports au module de gestion de vol 40 qui reçoit en outre directement de l'aéronef ses propres paramètres (les données relatives à la recharge et au ravitaillement peuvent toutefois être reçues directement des vertiports concernés). A partir de ces différentes données, qui 6 constituent autant de contraintes à respecter, le module de gestion de vol 40 va alors déterminer le trajet optimal entre les deux vertiports. [0029] Sur la hase de ce trajet optimal, le calculateur 32 va dans une nouvelle étape 220 estimer la consommation d'énergie électrique ou de carburant nécessaires pour chaque configuration de motorisation de l'aéronef VTOL, c'est à dire à la fois en mode tout électrique, où le moteur électrique 28 est alimenté par le seul stockeur d'énergie 20 (est inclus dans ce mode le cas où le moteur électrique est alimenté depuis une pile à combustible qui consomme alors du carburant et non de l'énergie électrique), en mode tout thermique, où seul le turbogénérateur 12, 14 alimenté depuis le réservoir de carburant 16 commande le propulseur électrique 24, et en mode mixte électrique/thermique où stockcur d'énergie et turbogénérateur sont actifs successivement ou simultanément pour la commande du propulseur électrique. [0030] Dans une étape de test suivante 230, le calculateur 32 va comparer les différents résultats obtenus avec les ressources en énergie électrique et carburant dont dispose l'aéronef VTOL et décider si le trajet entre les vcrtiports A et B est possible dans l'une au moins des trois configurations de motorisation précitées. [0031] Si la réponse à ce test est positive, alors, dans une étape 240, le calculateur 32 en liaison avec le module de gestion de vol 40 et en fonction de la géolocalisation de l'aéronef VTOL fourni par le capteur 42 assurera le suivi du trajet et la commande au travers du module de puissance 22 du moteur électrique depuis le stockeur d'énergie ou depuis le turbogénérateur dont il commandera en outre la mise en route ou l'arrêt, ou depuis les deux. Pendant tout le trajet, la modification des conditions météo, par exemple l'arrivée d'une composante de vent contraire, pourra entrainer du fait d'une majoration de la consommation énergétique en résultant (par exemple de 10%) une modification de la répartition des sources d'énergie. De préférence, pour limiter les nuisances sonores, les phases de décollage et d'atterrissage seront effectuées en mode tout électrique à partir du seul stockeur d'énergie électrique 20. En fin de vol, une demande de recharge électrique ou de ravitaillement en carburant sera effectuée auprès du vertiport B. [0032] Si le trajet implique le survol d'une zone réglementée comme la zone 100, il sera avantageusement prévu dans une étape optionnelle 245 que le module de gestion de vol 40 assure aussi la gestion de l'emploi d'atténuateurs de signature acoustique tels des carénages de nacelles déployables par exemple (voir la référence 50 à la figure 1), à moins qu'il ne soit décider d'un détournement du trajet pour éviter le survol de cette zone réglementée. On peut noter que l'emploi d'atténuateurs sera de préférence privilégié au détriment de la performance de l'aéronef VTOL lors du survol d'une telle zone à réduction de nuisances sonores ou d'émissions de polluants. [0033] Au contraire, si la réponse au test de l'étape 230 est négative, il sera procédé à un 7 nouveau test à l'étape 250 pour déterminer s'il ne serait pas alors possible de procéder à une recharge électrique ou un ravitaillement en carburant sur le vertiport A, de telle sorte à satisfaire les besoins électriques et/ou en carburant nécessaires pour effectuer le trajet requis. Si cela s'avère possible cette recharge et/ou ce ravitaillement seront réalisés dans une étape suivante 260 et, une fois terminés, il sera fait retour à l'étape 210 pour un nouveau calcul du trajet optimal, les paramètres de vol ou environnementaux comme ceux de l'aéronef ayant évolués du fait notamment du report du plan de vol et du ravitaillement. [0034] Il est fait retour à la figure 2 pour décrire maintenant plus précisément un exemple de mise en oeuvre de l'invention sur la base de deux scénarios alternatifs, l'un correspondant à un vol direct entre le vertiport A et le vertiport B et l'autre à un vol entre les vcrtiports A et B via le vertiport C. [0035] Dans ce premier scénario, le vol direct du vcrtiport A vers le vcrtiport B est possible selon le plan de vol autorisé par r ATC. Il faut alors distinguer selon que celui-ci peut être réalisé 1) en tout électrique, 2) en électrique uniquement entre les points GPS1 et GPS2 correspondant à une zone 100 où les émissions sonores ou polluantes sont interdites, et 3) en mode mixte électrique/thermique ou tout thermique. [0036] Dans le mode tout électrique, on doit considérer si une fois le vol achevé la recharge électrique au vertiport B est possible et avantageuse économiquement ou bien si elle est impossible ou désavantageuse, selon les informations de prix et de disponibilité reçues des différentes stations 44 des vertiports. [0037] En effet, si la recharge est possible, alors le vol vers le vertiport B est effectué selon le premier itinéraire 110 en mode tout électrique. La gestion du mode électrique est assurée par le calculateur 32 qui procède notamment à une évaluation de la charge électrique résiduelle à l'arrivée au vertiport B avec une demande de recharge. [0038] Si, par contre, la recharge électrique au vertiport B est impossible ou désavantageuse économiquement, alors il est décidé d'utiliser au mieux les ressources électriques en activant le mode électrique uniquement au survol de la zone 100 entre les points GPSI et GPS2, le calculateur 32 démarrant après le décollage et gérant le moteur thermique entre le vertiport A et GPS1, coupant le moteur thermique au passage de GPS1 et transférant la génération électrique au stockeur électrique 20 puis entre GPS2 et le vertiport B, transférant la génération électrique sur le mode thermique au passage de GPS2 et redémarrant le moteur thermique. Comme précédemment, il est procédé également à une évaluation de la quantité résiduelle de carburant au vertiport B et une demande éventuelle de ravitaillement carburant est alors sollicitée à ce vertiport. [0039] Dans le mode mixte électrique/thermique ou tout thermique (aussi valable si le survol de la zone 100 entre GPSI et GPS2 est impossible), le module de gestion de vol 40 détermine si un déroutement par un second itinéraire 120 est possible et si oui transmet 8 le résultat de son calcul au calculateur 32 qui démarre et gère le moteur thermique entre les vertiport A et vertiport B, le décollage et l'atterrissage étant toutefois effectués préférentiellement en mode électrique. Si un tel déroutement n'est pas possible, une demande de ravitaillement et/ou de recharge au départ de vertiport A est effectuée si cela s'avère plus avantageux économiquement et que cela ne pose pas de contraintes en termes de plan de vol (selon ATC). [0040] Dans le second scénario, le vol direct du vcrtiport A vers le vertiport B est impossible (ni en électrique, ni en mixte ni en thermique), en revanche un vol vers le vcrtiport C estimé par le module de gestion de vol 40 et transmis au calculateur 32 est possible selon trois modes différents. [0041] Un premier mode tout électrique est possible vers le vertiport C. Dans ce mode, et si le ravitaillement électrique au vertiport C est possible et avantageux économiquement, alors il est procédé à un vol vers ce vcrtiport C par le troisième itinéraire 130 en mode électrique géré par le calculateur 32 et une évaluation de la charge électrique résiduelle au vertiport C et une demande de recharge à ce vcrtiport est effectuée. Si, par contre, le ravitaillement électrique au vertiport C est impossible ou désavantageux, le calculateur 32 démarre et gère le moteur thermique entre les vertiports A et C utilisant ainsi les ressources électriques au mieux. Il est effectué une évaluation de la quantité résiduelle de carburant au vertiport C et une demande de complément de ravitaillement carburant à cc vertiport. Le vol se poursuit ensuite vers le vertiport B par l'itinéraire 140 ou une demande d'un nouveau déroutement est effectuée si le vol sur le vertiport B est toujours impossible. [0042] Un deuxième mode mixte uniquement, est aussi possible vers le vertiport C avec décollage et atten-issage en mode électrique puis passage en mode thermique par le calculateur 32 qui démarre et gère le moteur thermique entre les vertiports A et C. Il est aussi évalué la quantité de carburant et la charge résiduelle au vertiport C et une demande de ravitaillement/recharge au vertiport C. Le vol se poursuit ensuite vers le vertiport B ou une demande d'un nouveau déroutement est effectuée si le vol sur le vertiport B est toujours impossible. [0043] Enfin un troisième mode thermique uniquement, est possible vers le vertiport C (avec ravitaillement possible à ce vertiport), le calculateur 32 démarrant et gérant le moteur thermique entre les vertiports A et C, une évaluation de la quantité résiduelle de carburant en C et une demande de ravitaillement étant également effectuées. Le vol se poursuit ensuite vers le vertiport B ou une demande d'un nouveau déroutement est effectuée si le vol sur le vertiport B s'avère toujours impossible. [0044] On notera qu'une demande de ravitaillement et/ou de recharge au départ du vertiport A peut aussi être effectuée si elle s'avère plus avantageuse économiquement que le vol vers le vertiport C et qu'il n'existe pas de contraintes sur le plan de vol. 9 [0045] Avec l'invention, on réalise une optimisation de la signature acoustique au-dessus des zones survolées et une optimisation économique en fonction des coûts de l'énergie embarquée et des coûts de maintenance de l'installation énergétique embarquée. [Revendication I] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]