Brevet FR3111329A1 — publié le 20211217

Engin volant à décollage et atterrissage vertical à rotor contrarotatif L’invention concerne un engin volant n’utilisant que deux rotors et dont le centre de gravité, contrairement aux engins de l’état de la technique, est placé au-dessus de son système de propulsion. L’engin conserve donc les avantages d’un engin à deux rotors comme la compacité, la simplicité, le rendement énergétique, le coût de production réduit et la discrétion sonore mais répond aux problèmes de pendules et d’instabilités des engins de l’état de la technique qui placent le centre de gravité en-dessous du système de propulsion. L’engin comporte : un châssis 403 dont le centre de gravité 404 est au-dessus des rotors 409, 410, deux bras horizontaux 405 et 406, deux modules d’orientation 440 et 441, deux rotors contrarotatifs pivotant autour de l’axe de tangage. engin volant birotor à décollage et atterrissage vertical La présente invention concerne un engin volant à décollage et atterrissage vertical à deux rotors. Un engin volant à décollage et atterrissage vertical à deux rotors de l'état de la technique tel que représenté dans la a comporte un châssis 1, un système de propulsion par hélices à pas fixe 2, coaxial ou en tandem (également connu sous la dénomination « birotor », « bicopter », « twincopter ») et un module d’orientation permettant de pivoter les moteurs et leurs hélices autour d’une liaison pivot 3. Contrairement aux hélicoptères classiques qui font varier le pas de pales orientables, le module d’orientation permet de pivoter l’ensemble du système de propulsion (moteur + hélice) et d’orienter directement le flux d’air produit par la rotation des hélices. La résultante verticale 4 de la force ainsi créée permet de contrer la gravité et la résultante 5 perpendiculaire au châssis provoque une rotation 6 dudit châssis autour du centre de gravité 7 de l’engin, permettant d’incliner le châssis selon la consigne d’attitude souhaitée 8. L’intérêt des engins volant à deux rotors de l’état de la technique comparés aux autres engins à quatre rotors notamment est un meilleur rendement énergétique, une compacité supérieure, une discrétion sonore accrue et un coût moindre puisque seuls deux systèmes de propulsion sont nécessaires. Intuitivement, les engins à deux rotors de l’état de la technique placent le châssis en dessous du centre de poussée, considérant que le système est plus stable avec la masse pendulant en dessous. Cependant, dans cette configuration, le module d’orientation provoque directement une rotation 9 du châssis autour de la liaison pivot 3 qui s’oppose à la rotation 6 et qui place dans certains cas le châssis 1 dans une attitude inverse à celle souhaitée 8, comme représenté sur la a. On peut facilement comprendre et visualiser cette rotation directe 9 en bloquant manuellement les hélices en position horizontale et en observant le mouvement du châssis lorsqu’une consigne d’attitude lui est donnée. Cette contradiction entre attitude souhaitée et attitude réelle créée une instabilité très importante empêchant ces engins de voler correctement dans des conditions même peu venteuses. Cela se concrétise également par un effet de pendule qui voit le châssis faire un mouvement de balancier autour de la position verticale au lieu de respecter la consigne d’attitude souhaitée 8. Un objet de la présente invention est de proposer un engin volant à décollage et atterrissage vertical ne présentant pas les instabilités de l’état de la technique mais qui conserve ses avantages comme la compacité, la simplicité, le bon rendement énergétique, la discrétion sonore et le coût de production moindre d’un engin à deux rotors. L’engin de la présente invention, représenté théoriquement dans la b, utilise le même principe d’orientation directe du flux d’air que l’état de la technique mais place le centre de gravité 7 au-dessus du système de propulsion. Un module d’orientation 10 permet d’orienter la force créée par la rotation des hélices 11. La résultante 12 de cette force, perpendiculaire au châssis, crée une rotation 13 autour du centre de gravité 7 permettant d’incliner le châssis selon l’attitude souhaitée 14. L’asservissement provoque également une rotation directe 15 du châssis qui va dans le même sens que la rotation provoquée par la force résultante. Il n’y a donc plus de contradiction entre l’attitude souhaitée et l’attitude réelle de l’engin. L’attitude souhaitée 14 de l’engin est garantie même en cas de perturbations extérieures comme des rafales de vent. L’engin est ainsi beaucoup plus stable que celui de l’état de la technique car il respecte la consigne d’attitude souhaitée 14 en toutes circonstances. Selon des modes particuliers de réalisation, l’engin volant à décollage et atterrissage vertical à deux rotors comporte : un châssis, deux systèmes de propulsion comprenant chacun au moins un moteur et une hélice à pas fixe fixée à ce moteur, deux modules d’orientation montés sur ledit châssis et sur lequel les moteurs sont fixés et qui comporte des moyens d’orientation pour faire pivoter ledit moteur autour d’un axe, un centre de gravité placé au-dessus du système de propulsion. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de trois exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : la [Fig 2] représente un engin volant selon un premier mode dit « coaxial » de réalisation de l’invention, la [Fig 3] représente un module d’orientation de l’engin volant selon le premier mode de réalisation de l’invention décrit dans la [Fig 2], la [Fig 4] représente un engin volant selon un deuxième mode dit « en tandem » de réalisation de l’invention, la [Fig 5] représente un premier module d’orientation de l’engin en prise directe selon le deuxième mode de réalisation de l’invention décrit dans la [Fig 4], la [Fig 6] représente un deuxième module d’orientation de l’engin à l’aide de biellettes selon le deuxième mode de réalisation de l’invention décrit dans la [Fig 4], la [Fig 7] représente un engin volant selon un troisième mode de réalisation de l’invention. La montre un engin volant 200 à rotor contrarotatif coaxial selon un premier mode de réalisation de l’invention. L'engin volant 200 comporte un axe de roulis 220 et un axe de tangage 230 qui est orthogonal à l'axe de roulis 220. L'engin volant 200 comporte : un châssis 201, un moteur supérieur 202, un ensemble de pales à pas fixe 203 fixées sur le moteur 202, un moteur inférieur 204, un ensemble de pales à pas fixe 205 fixées sur le moteur 204, un module d’orientation à deux axes 206. Le module d'orientation 206 comporte des moyens d'orientation pour faire pivoter le moteur 202 et 204 autour à la fois de l’axe de tangage 230 et de l’axe de roulis 220. La rotation du module d’orientation 206 autour de l’axe de tangage 230 permet de faire basculer le système de propulsion complet vers l’avant ou l’arrière et de basculer ainsi le châssis selon une consigne d’angle de tangage souhaitée. La rotation du module d’orientation 206 autour de l’axe de roulis 220 permet de faire basculer le système de propulsion complet vers la droite ou la gauche et de basculer ainsi le châssis selon une consigne d’angle de roulis souhaitée. Le module d’orientation permet donc de stabiliser et d’orienter l’engin volant sur les axes de tangage et de roulis sans recours à un système complexe de pales à pas variable. La position du centre de gravité 250 au-dessus du système de propulsion permet d’éviter les instabilités de l’état de la technique en conservant une constitution simple et compacte. L’axe de lacet est stabilisé et maintenu par le couple créé par la différence de rotation entre l’hélice supérieure et l’hélice inférieure. L’altitude de l’engin est maintenue par la variation collective des vitesses de rotation des hélices supérieures et inférieures qui exercent dans tous les cas une poussée vers le bas. Dans le mode de réalisation de l’invention présenté sur la , le châssis 201 présente deux flancs 221 et 222 qui s’étendent parallèlement l’un à l’autre et qui sont fixés ici l’un à l’autre par l’intermédiaire d’entretoises. Des traverses sont perpendiculaires aux flancs et permettent de fixer l’électronique embarqués et de maintenir le module d’orientation 206. La masse principale de l’engin, ici une batterie électrique 240, est fixée le plus haut possible pour que le bras de levier entre le centre de poussée 260 et le centre de gravité 250 permettent un contrôle suffisant sur les axes de tangage et de roulis. Dans le mode de réalisation de l’invention présenté sur la , trois tiges 271, 272 et 273 permettent à l’engin de se poser sur le sol sans que les hélices inférieures soient en contact avec le sol. Dans ce mode de réalisation, un système électronique est embarqué pour permettre un vol automatique de l’engin et pour transformer les commandes du sol en consignes pour l’orientation et la mise en rotation des systèmes de propulsion. La montre un module d’orientation selon le premier mode dit « coaxial » de réalisation de l’invention décrit dans la [Fig 2]. Pour une meilleure compréhension, la [Fig 3]a représente un premier module d’orientation qui vient s’intégrer dans un plateau pour constituer le module complet représenté par la [Fig 3]b. Le module d’orientation comporte : un moteur supérieur 302 avec un ensemble de pales 303 fixées au dit moteur dont l’arbre de sorite est orienté vers le haut, un moteur inférieur 304 avec un ensemble de pales 305 fixées au dit moteur dont l’arbre de sortie est orienté vers le bas, deux traverses 306 et 307, reliant les deux flancs 221, 222 du châssis de l’engin, décrits dans la [Fig 2], un plateau dit de roulis 308 mis en rotation autour de l’axe du roulis 391 par un servocommande 310 dont la partie fixe est attachée à la traverse 306, un plateau dit de tangage 311 sur lequel est attachée la partie fixe d’un servocommande 312, une liaison pivot de roulis 313 reliant le plateau 308 à la traverse 307 sur l’axe de roulis 391, une liaison pivot de tangage 314 reliant le plateau 311 au plateau 308 sur l’axe de tangage 392. Les deux moteurs 302 et 304 ainsi que la partie fixe du servocommande 312 sont fixés sur le plateau 311. La partie mobile 315 du servocommande 312 est fixée au plateau 308. Le servocommande 312 permet donc d’orienter l’ensemble de la propulsion d’avant en arrière autour de l’axe du tangage 392. La partie mobile du servocommande 310 est fixée au plateau 308 et permet de mettre en rotation le plateau 308 et donc l’ensemble de la propulsion autour de l’axe de roulis 391. La montre un engin volant selon un deuxième mode de réalisation. Ce mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce que les deux rotors contrarotatifs ne sont plus coaxiaux mais en tandem. Ce mode de réalisation permet un meilleur rendement général du système que le système coaxial qui voit les pales inférieures tourner dans un flux d’air déjà accéléré par les pales supérieures. La [Fig 4] représente l’engin volant en état de vol 401 ainsi que dans sa version repliée 402 permettant un emport aisé de l’engin. L’engin volant 400 comporte : un châssis 403, deux bras 405 et 406 qui dans ce mode de réalisation sont repliables le long du châssis. deux modules d’orientation 440 et 441 décrit également dans les [Fig 5] et 6, deux moteurs 407 et 408 sur lesquels sont fixés des pales 409 et 410, deux patins d’atterrissage 411 et 412, un centre de gravité 404 placé au-dessus des moteurs 407 et 408. Les deux bras 405 et 406 sont dépliés en position horizontale pour que l’engin soit en état de vol. Ces bras sont fixés au châssis par l’intermédiaire de deux liaisons pivots 413 et 414 et sont maintenus en position horizontale par les deux patins d’atterrissage cylindrique 411 et 412 qui traversent les bras 405 et 406. Ainsi, les patins 411 et 412 servent autant de patins d’atterrissage que de maintien des deux bras 405 et 406 en position horizontale. Les deux moteurs 407 et 408 sont contrarotatifs et leurs rotations contraires permettent de garder un couple relativement neutre sur l’axe de lacet 430. La vitesse de rotation collective permet de générer la poussée nécessaire au vol de l’engin. La différence de rotation entre les deux rotors permet d’orienter l’engin et de maintenir son attitude sur l’axe du roulis 431. Les deux modules d’orientations 440 et 441 permettent d’orienter directement les deux systèmes de propulsion indépendamment autour de l’axe de tangage 432. Lorsque les deux modules d’orientation font pivoter les deux systèmes de propulsion dans le même sens, ils permettent d’orienter et de maintenir l’attitude de l’engin et sa rotation autour l’axe de tangage 432. Lorsque les deux modules d’orientation font pivoter les deux systèmes de propulsion dans le sens opposé, ils permettent d’orienter et de maintenir l’attitude de l’engin autour de l’axe de lacet 430. Dans ce mode de réalisation, la masse principale (par exemple la batterie 450) est fixée sur le châssis le plus haut possible afin de garantir un bras de levier suffisant entre le centre de poussée au niveau des hélices et le centre de gravité 404. Dans ce mode de réalisation, un système électronique est embarqué pour permettre un vol automatique de l’engin et pour transformer les commandes du sol en consignes pour l’orientation et la mise en rotation des systèmes de propulsion. La montre un premier mode de réalisation du module d’orientation utilisé dans le deuxième mode de réalisation de l’invention décrit dans la [Fig 4]. Le système d’orientation est en prise directe du système de propulsion. Le module d’orientation comporte : un support fixe 501 solidaire du bras horizontal de l’engin, un servomoteur disposant d’une partie fixe 502 et d’une partie rotative 503, un plateau 504, une liaison pivot 505 sur l’axe du tangage 520, Le système de propulsion constitué du moteur 531 et de son hélice 532 est fixé sur le plateau 504. La partie fixe 502 du servomoteur est également fixée sur ce plateau. Le plateau 504 est tenu à la partie fixe 501 par l’intermédiaire d’une liaison pivot 505 offrant un degré de liberté sur l’axe du tangage 520. La partie rotative 503 du servomoteur est fixée au support 501. Lorsque la partie rotative 503 tourne, elle fait pivoter le plateau 504 et donc le système de propulsion autour de l’axe de tangage. La montre un deuxième mode de réalisation du module d’orientation utilisé dans le deuxième mode de réalisation de l’invention décrit dans la [Fig 4]. Le système d’orientation n’est pas en prise directe comme dans le mode de réalisation décrit dans la [Fig 5] mais agit grâce à au moins une biellette de commande. Le module d’orientation comporte : un servomoteur disposant d’une partie fixe 602 et d’une partie rotative 603, deux biellettes de commande 671 et 672, un plateau 604, deux liaisons pivot 605 et 606 sur l’axe du tangage 620, Le système de propulsion constitué du moteur 631 et de son hélice 632 est fixé sur le plateau 604. Le plateau 604 est solidaire du bras horizontal de l’engin par l’intermédiaire de deux liaisons pivot 605 et 606 offrant un degré de liberté sur l’axe de tangage 620. La partie fixe 602 du servomoteur est fixée sur le bras horizontal 690 de l’engin. La partie rotative 603 du servomoteur est reliée au plateau 604 par l’intermédiaire d’au moins une biellette 671. Avantageusement, une deuxième biellette 672 permet d’équilibrer le système de commande. Avantageusement, les biellettes disposent elles-mêmes de liaisons pivot à leur extrémité pour faciliter leur mouvement. Lorsque la partie rotative 603 du servomoteur tourne, elle fait pivoter le plateau 604 et donc l’ensemble du système de propulsion autour de l’axe de tangage 620. La montre un engin volant selon un troisième mode de réalisation. Ce mode de réalisation diffère du deuxième mode de réalisation en ce qu’il s’adapte à un aéronef pilotable et non à un engin robotisé comme dans les deux premiers modes de réalisation. L’engin volant 700 comporte : un châssis 703, deux bras horizontaux 705 et 706 , deux palonniers de commande 707 et 708, deux systèmes de propulsion 711 et 712 composés chacun d’un moteur et d’un ensemble de pales, un patin d’atterrissage 730, un centre de gravité 704 placé au-dessus des systèmes de propulsion 711 et 712. Les systèmes de propulsion 711 et 712 sont solidaires des deux bras horizontaux 705 et 706. Ces deux bras sont fixés au châssis 703 mais garde un degré de liberté autour de l’axe de tangage 761 et peuvent donc pivoter autour de cet axe. Deux leviers de commande 707 et 708 sont solidaires des bras 705 et 706 et permettent de faire pivoter ces bras autour de l’axe de tangage 761. Le pilote 790 de l’engin vient se positionner sur le châssis et y est maintenu par un dispositif de sécurité. Avec ou sans assistance, il contrôle les leviers de commande707 et 708 et donc la rotation des bras 705 et 706 autour de l’axe de tangage 761. Un autre système de commande, manuel ou automatique, permet de contrôler la vitesse de rotation des moteurs 711 et 712. Les deux moteurs 711 et 712 sont contrarotatifs et leurs rotations contraires permettent de garder un couple relativement neutre autour de l’axe de lacet 762. La vitesse de rotation collective permet de générer la poussée nécessaire au vol de l’engin. La différence de rotation entre les deux rotors permet d’orienter l’engin et de maintenir son attitude autour de l’axe du roulis 760. Lorsque les deux leviers de commande font pivoter les deux systèmes de propulsion dans le même sens, ils permettent d’orienter et de maintenir l’attitude de l’engin et sa rotation autour de l’axe de tangage 761. Lorsque les deux leviers de commande font pivoter les deux systèmes de propulsion dans le sens opposé, ils permettent d’orienter et de maintenir l’attitude de l’engin et sa rotation autour de l’axe de lacet 762. Engin volant à décollage et atterrissage vertical 200, 400, 700 caractérisé en ce qu’il comporte : un châssis, deux systèmes de propulsion permettant de générer une poussée, un ou deux modules d’orientation montés sur ledit châssis et sur lesquels les moteurs sont fixés et qui comportent des moyens d’orientation pour faire pivoter les moteurs autour des axes de tangage ou de roulis, un centre de gravité placé au-dessus des systèmes de propulsion. Engin volant 200 selon la revendication 1, caractérisé en ce que : lesdits rotors contrarotatifs partagent le même axe de rotation, un châssis 201 supporte un module d’orientation 300 et l’ensemble des composants permettant à l’engin de fonctionner, le centre de gravité 250 est placé au-dessus du centre de poussée situé au niveau des hélices, les rotors contrarotatifs sont fixés sur un module d’orientation 300 permettant de basculer les deux moteurs et leurs hélices autour des axes de tangage et de roulis. Engin volant 200 selon la revendication 2, caractérisé en ce que le module d’orientation 300 comporte : un plateau 311 sur lequel se fixent les moteurs et la partie fixe d’un système d’orientation 312 et qui permet d’orienter les moteurs sur l’axe de roulis ou de tangage, un plateau 308 sur lequel se fixe le plateau 311 grâce à une liaison pivot et qui permet d’orienter les moteurs sur l’axe de roulis ou de tangage, un système 306 et 307 permettant de maintenir le module d’orientation 300 dans le châssis 201. Engin volant 400, 700 selon la revendication 1, caractérisé en ce que : les rotors 407, 408 et 711, 712 ne partagent pas le même axe de rotation mais sont installés de part et d’autres du châssis, les rotors sont fixés à des modules d’orientation 440, 441 et 705, 706 permettant de les faire pivoter indépendamment autour d’un axe 432, 761, Engin volant 402 selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que : les hélices 409 et 410 sont constitués de pales repliables, les bras 405 et 406 de l’engin pivotent autour d’une liaison pivot 413, 414 et se replient vers le haut contre le châssis 403 pour que l’engin soit plus compact lors de son transport, avant la mise en vol de l’engin, les bras 405 et 406 se déplient à l’horizontal et sont fixés au châssis 403 par l’intermédiaire d’au moins une tige 411 et 412, les tiges 411 et 412 servent de patins d’atterrissage à l’engin et lui permettent de ne pas basculer autour de l’axe 432 lors des évolutions près du sol, Engin volant 700 selon la revendication 1 et 4, caractérisé en ce que : les rotors 711 et 712 sont fixés à des bras 705, 706 qui sont solidaires du châssis mais conservent un degré de liberté et peuvent pivoter autour d’un axe 761, des leviers de commande 707 et 708 sont fixés sur les bras 705, 706 et permettent de faire pivoter les bras manuellement ou de façon assistée autour d’un axe 761 et d’orienter l’engin selon les axes 761 et 762,