Brevet FR3093502A1 — publié le 20200911

Description Titre de l'invention : AERONEF AVEC MOTEURS PRINCIPAUX DE TYPE TURBOFAN ET MOTEURS COMPLEMENTAIRES A HELICES Domaine technique 100011 La présente invention concerne un aéronef combinant des moteurs principaux de propulsion de type turbofan et des moteurs complémentaires à hélices. Technique antérieure [0002] Dans le domaine aéronautique, l'inversion de poussée (« reverse thrust » en langue anglo-saxonne) est fournie par un dispositif inverseur de poussée permettant d'orienter vers l'avant une partie ou la totalité de la poussée exercée par un moteur de propulsion de type turbofan, clans le but de ralentir l'aéronef et d'en réduire la distance de freinage à l'atterrissage. Bien que l'inversion de poussée soit particulièrement utile pour améliorer les performances de freinage de l'aéronef à l'atterrissage, notamment sur pistes contaminées_ elle entraîne un accroissement notable du poids et de l'encombrement (les nacelles des moteurs de propulsion, et donc un accroissement du poids (les aéronefs qu'ils équipent. Or, la gestion du poids est un paramètre important dans la gestion de consommation énergétique des aéronefs. De plus, cela complexifie la conception des nacelles des moteurs de propulsion. De plus, dans le cas particulier des moteurs de propulsion de type turbofan à haut taux de dilution UHBR (« Ultra High Bypass Ratio » en langue anglo-saxonne), ces moteurs ont un encombrement élevé du fait du diamètre élevé de leurs hélices de soufflante ; il est par conséquent souhaitable de réduire l'encombrement de leurs nacelles. [0003] 11 est souhaitable de pallier ces inconvénients de l'état de la technique et notamment de fournir une solution permettant d'alléger les nacelles des moteurs de propulsion de type turbofan des aéronefs et d'en simplifier la conception. Exposé de l'invention [0004] Un objet de la présente invention est de proposer un aéronef comportant des moteurs principaux de propulsion de type turbofan destinés à fournir des capacités principales de poussée, ainsi qu'un contrôleur et des moteurs à hélices. Les moteurs principaux de propulsion de type turbofan sont dimensionnés en tenant compte de capacités supplémentaires de poussée fournie par les moteurs à hélices pour répondre à des exigences de poussée nominale de l'aéronef. Les moteurs à hélices sont montés sur une moitié extérieure des ailes de l'aéronef, et le contrôleur est adapté et configuré pour instruire les moteurs à hélices de fournir une inversion de poussée de freinage lors des atterrissages de l'aéronef. Ainsi, il est possible de limiter les capacités de poussée inverse 2 des moteurs principaux de propulsion de type turbofan, voire de les supprimer, en s'appuyant sur l'inversion de poussée de freinage fournie par les moteurs à hélices lors des atterrissages de l'aéronef. Les nacelles des moteurs principaux de propulsion de type turbofan sont donc plus légères et moins encombrantes, et leur conception s'en trouve fortement simplifiée. [0005] Selon un mode de réalisation particulier, les moteurs principaux de propulsion de type turbofan sont des moteurs sans inverseurs de poussée. [0006] Selon un mode de réalisation particulier, les moteurs principaux de propulsion de type turbofan sont montés sur les ailes de l'aéronef, et les moteurs à hélices sont montés sur les ailes de l'aéronef entre les moteurs principaux de propulsion de type turhofan et le bout des ailes. [0007] Selon un mode de réalisation particulier, les moteurs à hélices sont des moteurs à hélices de bout d'aile. [0008] Selon un mode de réalisation particulier, les moteurs à hélices sont placés à l'arrière des ailes. [0009] Selon un mode de réalisation particulier, les moteurs à hélices sont actionnés par des générateurs électriques. [0010] Selon un mode de réalisation particulier, les moteurs à hélices sont actionnés par des générateurs électriques de l'aéronef qui effectuent des prélèvements mécaniques sur des étages basse-pression des moteurs principaux de propulsion de type turhofan. [0011] Selon un mode de réalisation particulier, les moteurs à hélices sont utilisés comme générateurs électriques lors de phases de vol de l'aéronef pendant lesquelles aucune poussée supplémentaire n'est requise pour compléter la poussée des moteurs principaux de propulsion de type turbofan. [0012] Selon un mode de réalisation particulier, le contrôleur est adapté et configuré pour contrôler le lacet de l'aéronef par contrôle différentiel des moteurs à hélices. [0013] Selon un mode de réalisation particulier, la surface d'empennage vertical de l'aéronef est dimensionnée en tenant compte des capacités supplémentaires de poussée fournie par les moteurs à hélices. [0014] Selon un mode de réalisation particulier, le contrôleur est adapté et configuré pour utiliser les moteurs à hélices lors de manoeuvres au sol de l'aéronef [0015] Selon un mode de réalisation particulier, lors des manoeuvres au sol de l'aéronef, les moteurs à hélices sont actionnés par un générateur électrique auxiliaire de l'aéronef et/ ou au moins une batterie. Brève description des dessins [0016] Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, appa- raîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'au moins un exemple 3 de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : [0017] [fig.1] montre une vue de dessus d'un aéronef équipé de moteurs principaux de propulsion de type turhofan et de moteurs complémentaires à hélices ; [0018] [fig.2] illustre schématiquement un exemple d'agencement matériel de contrôleur adapté et configuré pour contrôler les moteurs à hélices ; et [0019] [fig.3] illustre schématiquement un ensemble de modes opérationnels du contrôleur. [0020] EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION [0021] La Fig. 1 illustre schématiquement, en vue de dessus, un aéronef 100. L'aéronef 100 comporte des moteurs principaux de propulsion de type turbofan 111. Les moteurs principaux de propulsion de type turbofan 111 sont préférentiellement montés sur les ailes 102 de l'aéronef 100, mais peuvent aussi être montés en partie arrière de l'aéronef 100. Les moteurs principaux de propulsion de type turhofan 111 sont destinés à fournir à l'aéronef 100 des capacités principales de poussée. Les moteurs principaux de propulsion de type turbofan 111 sont préférentiellement des moteurs à haut taux de dilution UHBR. [0022] L'aéronef 100 comporte en outre des moteurs à hélices 130. Les moteurs à hélices 130 sont montés sur une moitié extérieure des ailes 102 de l'aéronef 100. [0023] Préférentiellement, lorsque les moteurs principaux de propulsion de type turbofan Ill sont montés sur les ailes 102 de l'aéronef 100, les moteurs à hélices 130 sont montés entre les moteurs principaux de propulsion de type turbofan 1 1 1 et le bout des ailes 102. Dans ce cas, chaque aile 102 comporte ainsi au moins un moteur principal de propulsion de type turbofan Ill et au moins un moteur à hélice 130. [0024] Les moteurs principaux de propulsion 1 1 1 de type turbofan sont dimensionnés en tenant compte de capacités supplémentaires de poussée fournie par les moteurs à hélices 130 pour répondre à des exigences de poussée nominale de l'aéronef 100. Les nacelles des moteurs principaux de propulsion Ill de type turbofan sont adaptées en conséquence. [0025] Les moteurs à hélices 130 peuvent ainsi fournir une poussée complémentaire à celle fournie par les moteurs principaux de propulsion de type turbofan Ill lors de phases de décollage de l'aéronef 100. [0026] L'aéronef 100 comporte en outre un contrôleur 120, qui est adapté et configuré pour instruire les moteurs à hélices 130 de fournir une inversion de poussée de freinage lors des atterrissages de l'aéronef 100. [0027] Ainsi, les moteurs à hélices 130 permettent d'utiliser des nacelles de moteurs principaux de propulsion de type turbofan moins encombrantes et plus légères et de conception fortement simplifiée. [0028] Dans un mode de réalisation particulier, les moteurs principaux de propulsion de type turbofan 111 sont des moteurs sans inverseurs de poussée. L'inversion de poussée de freinage lors des atterrissages de l'aéronef 100 est alors assurée par les moteurs à hélices 130, sur instructions du contrôleur 120, sans contribution des moteurs principaux de propulsion de type turbofan 111. [0029] Dans un mode de réalisation particulier, les moteurs à hélices 130 sont en complément utilisés, sur instructions du contrôleur 120, pour déplacer l'aéronef 100 lors de manoeuvres au sol. Aucune poussée des moteurs principaux de propulsion de type turhofan 111 n'est alors requise. Les manoeuvres en marche arrière sont aussi facilitées. De plus, en actionnant le ou les moteurs à hélices 130 d'une aile 102 en poussée opposée à celle du ou des moteurs à hélices de l'autre aile 102, cela permet de faire effectuer à l'aéronef 100 une rotation sur lui-même. [0030] Dans un mode de réalisation particulier, les moteurs à hélices 130 sont en complément utilisés, sur instructions du contrôleur 120, comme générateurs électriques en phases de vol pendant lesquelles aucune poussée supplémentaire n'est requise pour compléter la poussée des moteurs principaux de propulsion de type turhofan 111. La génération d'énergie électrique induite par les moteurs à hélices 130 permet ainsi d'alimenter électriquement des équipements de l'aéronef 100 et/ou de recharger une ou plusieurs batteries de l'aéronef 100 et/ou pour recharger un ou plusieurs supercondensateurs qui peuvent ensuite être utilisés pour alimenter électriquement les moteurs à hélices 130 lors de phases d'atterrissage de l'aéronef 100. Les moteurs à hélices 130 peuvent alors servir d'éolienne de secours RAT (« Ram Air Turbine » en langue anglo-saxonne), afin de produire l'énergie nécessaire au fonctionnement des systèmes vitaux de l'aéronef 100 (contrôles de vol, circuits hydrauliques associés et instruments de vol critiques) en cas d'urgence. [0031] Dans un mode de réalisation particulier, en phases de vol, de décollage et d'atterrissage, les moteurs à hélices 130 sont en complément utilisés, sur instructions du contrôleur 120, pour contrôler le lacet de l'aéronef par contrôle différentiel des moteurs à hélices 130. Cela permet de faciliter le contrôle de trajectoire de l'aéronef 100. Dans un mode de réalisation particulier, la surface d'empennage vertical de l'aéronef 100 est alors dimensionnée en tenant compte des capacités supplémentaires de poussée fournie par les moteurs à hélices 130. Cela permet notamment de réduire la surface d'empennage vertical de l'aéronef 100. [0032] Dans un mode de réalisation particulier, les moteurs à hélices 130 sont actionnés par des générateurs électriques 112, 113 de l'aéronef 100. Avantageusement, pour appliquer l'inversion de poussée de freinage lors des atterrissages de l'aéronef 100 et/ ou pour contrôler le lacet de l'aéronef 100, les moteurs à hélices 130 sont actionnés par des générateurs électriques 112 de l'aéronef 100 qui effectuent des prélèvements mécaniques sur des étages basse-pression (arbre) des moteurs principaux de propulsion de type turbofan 111. Ainsi, cela permet une faible poussée au ralenti (« low idle thrurst » en langue anglo-saxonne) des moteurs principaux de propulsion de type turbofan 111. Avantageusement, pour effectuer des manoeuvres au sol, les moteurs à hélices 130 sont actionnés par un générateur électrique auxiliaire APU (« Auxiliary Power Unit » en langue anglo-saxonne) 113 de l'aéronef 100 et/ou par au moins une batterie. Ainsi, les manoeuvres au sol peuvent être effectuées avec les moteurs principaux dc propulsion de type turbofan 111 à l'arrêt. [0033] Dans un mode de réalisation particulier, les moteurs à hélices 130 sont différemment contrôlés par le contrôleur 120 en fonction d'un mode opérationnel sélectionné parmi un ensemble de modes opérationnels prédéfinis. Préférentiellement, tel qu'illustré sur la Fig. 3 : un premier mode opérationnel T 301 est utilisé en cas de manoeuvres au sol ; un second mode opérationnel F 302 est utilisé en phase de vol ; et un troisième mode opérationnel L 303 est utilisé en phase d'atterrissage. [0034] Le passage d'un mode opérationnel à un autre se fait par exemple sur actionnement d'un organe dc contrôle dans le cockpit 101 dc l'aéronef 100, comme par exemple le palonnier. D'autres types d'événements, par exemple des événements générés de manière automatique, peuvent être utilisés par le contrôleur 120 comme déclencheurs du passage d'un mode opérationnel à un autre. [0035] Par ailleurs, d'autres modes opérationnels peuvent être définis, comme par exemple un mode opérationnel de débrayage, dans lequel les moteurs à hélices 130 sont débrayés. Le contrôleur 120 actionne (commute) les circuits électriques de l'aéronef 100 appropriés en fonction du mode opérationnel appliqué. [0036] Dans un mode de réalisation particulier, les moteurs à hélices 130 sont des moteurs à hélices de bout d'aile (« wing tip propelers » en langue anglo-saxonne). Cela facilite la rotation de l'aéronef 100 notamment lors des manoeuvres au sol. Dans un mode de réalisation particulier, en phase de vol et/ou de décollage, les moteurs à hélices 130 sont alors actionnés par le contrôleur 120 en sens de rotation contraire de l'enroulement de l'air sur le bout des ailes 102 où ils sont respectivement montés. Cela permet de réduire la traînée induite des ailes 102. [0037] Dans un mode de réalisation particulier, les moteurs à hélices 130 sont placés à l'arrière des ailes 102, comme illustré sur la Fig. 1. Cela facilite la mise en oeuvre de l'inversion de poussée, et lorsque les moteurs à hélices 130 sont des moteurs à hélices de bout d'aile, cela permet de bénéficier du flux d'air des tourbillons marginaux de bouts d'ailes (« wingtip vortices » en langue anglo-saxonne). 6 [0038] La Fig. 2 illustre schématiquement un agencement matériel du contrôleur 120 (libellé CTRL). Le contrôleur 120 comporte alors, reliés par un bus de communication 210 : un processeur ou CPU (« Central Processing Unit » en langue anglo-saxonne) 201 ; une mémoire vive RAM (« Read-Only Memory » en langue anglo-saxonne) 202 ; une mémoire morte 203, par exemple de type ROM (« Read Only Memory » en langue anglo-saxonne) ou EEPROM (« Electrically-Erasable Programmable ROM » en langue anglo-saxonne) ; potentiellement, une unité de stockage 204, telle qu'un disque dur HDD (« Hard Disk Drive » en langue anglo-saxonne) ou un disque à semi-conducteurs SSD (« Solid State Drive » en langue anglo-saxonne), ou un lecteur de support de stockage, tel qu'un lecteur de cartes SD (« Sccure Digital » en langue anglo-saxonne) ; et un gestionnaire d'interfaces d'entrées / sorties I/O 205. [0039] Le gestionnaire d'interfaces d'entrées / sorties 1/0 205 permet notamment le contrôle des moteurs à hélices 130, et d'actionner les circuits électriques de l'aéronef 100 appropriés en fonction du mode opérationnel appliqué. [0040] Le processeur 201 est capable d'exécuter des instructions chargées dans la mémoire vive 202 à partir de la mémoire morte 203, d'une mémoire externe, d'un support de stockage (tel qu'une carte SD), ou d'un réseau de communication. Lorsque le contrôleur 120 est mis sous tension, le processeur 201 est capable de lire de la mémoire vive 202 des instructions et de les exécuter. Ces instructions forment un programme d'ordinateur causant l'implémentation, par le processeur 201, de tout ou partie du comportement décrit ici en relation avec le contrôleur 120. [0041] Tout ou partie du comportement décrit ici peut ainsi être implémenté sous forme lo- gicielle par exécution d'un ensemble d'instructions par une machine programmable, par exemple un processeur de type DSP (« Digital Signal Processor » en langue anglo-saxonne) ou un microcontrôleur, ou être implémenté sous forme matérielle par une machine ou un composant dédié, par exemple un composant FPGA (« Field Programmable Gate Array » en langue anglo-saxonne) ou ASIC (« Application Specific Integrated Circuit » en langue anglo-saxonne). D'une manière générale, le contrôleur 120 comporte de la circuiterie électronique adaptée et configurée pour implémenter, sous forme logicielle et/ou matérielle, le comportement décrit ici en relation avec le contrôleur 120. 7