Brevet FR3111328A1 — 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 est placé au-dessus desdits rotors. 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 d’instabilités des engins de l’état de la technique qui placent le centre de gravité en-dessous des rotors. L’engin comporte : deux rotors contrarotatifs (409 et 410) un châssis (403), un ou deux modules d’orientation (440 et 441), un centre de gravité (404) au-dessus des rotors (409, 410). Figure d’abrégé = [Fig 4] 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 2 et un module d’orientation permettant de pivoter l’ensemble du système de propulsion autour d’une liaison pivot 3. Le système de propulsion est composé de deux rotors, chacun composé d’un moteur et d’une hélice. Lesdits rotors d’un engin de l’état de la technique peuvent être coaxiaux (cf. brevet N° FR_2980117) ou non coaxiaux (l’engin de l’état de la technique est alors connu sous le nom « birotor », « bicopter » ou « twincopter »). Un engin volant de l’état de la technique comme tout engin volant multirotors reçoit une consigne d’attitude 8 qu’il doit maintenir pour se stabiliser ou se déplacer. Pour déplacer l’engin dans la direction 16, le pilote doit alors imposer une consigne d’attitude 8. Contrairement aux hélicoptères classiques qui font varier le pas de pales orientables, le module d’orientation d’un engin de l’état de la technique fait pivoter l’ensemble du rotor (moteur + hélice) et oriente ainsi directement le flux d’air produit par la rotation des hélices dans le sens 18. La résultante verticale 4 de la force ainsi créée s’oppose à la gravité et permet à l’engin de s’élever dans les airs 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 rotors sont nécessaires. Intuitivement, les engins de l’état de la technique placent la masse principale de l’engin en dessous du système de propulsion, considérant que le système est plus stable avec la masse pendulant en dessous. Cependant, dans cette configuration, lorsque le module d’orientation 3 fait pivoter le système de propulsion 2 dans le sens 18, ledit module d’orientation ferme l’angle 20 entre le système de propulsion 2 et le châssis1. Le châssis 1 subit alors par réaction une rotation contraire 9 qui est opposée à la rotation souhaitée 6. 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 et non en dessous. Un module d’orientation 10 permet d’orienter la force créée par la rotation des hélices 11 dans le sens 19. 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. Lorsque le module d’orientation 10 fait pivoter le système de propulsion 11 dans le sens 19, ledit module d’orientation ferme l’angle 20 entre le système de propulsion 11 et le châssis 17. Le châssis 17 subit alors par réaction une rotation 21 qui va cette fois dans le même sens que la rotation souhaitée 13. L’attitude souhaitée 14 de l’engin est donc 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 rotors 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 rotors sont fixés et qui comporte des moyens d’orientation pour faire pivoter lesdits rotors autour d’un axe, une répartition des masses plaçant le centre de gravité au-dessus des rotors. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de quatre 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 [Fig 8] représente un engin volant selon un quatrième mode de réalisation de l’invention. la [Fig 9] représente un troisième module d’orientation de l’engin volant selon le quatrième mode de réalisation de l’invention décrit dans la [Fig 8]. 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. L'engin volant 200 comporte : un châssis 201, un moteur supérieur 202, une hélice 203 fixée sur le moteur 202 et qui propulse l’air vers le bas, un moteur inférieur 204, une hélice 205 fixée sur le moteur 204 et qui propulse l’air vers le bas, un module d’orientation à deux axes 206. Le module d'orientation 206 comporte des moyens d'orientation pour faire pivoter l’ensemble des moteurs 202, 204 et de leurs hélices 203, 205 autour 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 tout en conservant une constitution simple et compacte. L’engin est stabilisé et maintenu sur l’axe de lacet 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. 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 dans le châssis 201. 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 permette un contrôle efficace 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 rotors. La montre un module d’orientation selon le premier mode dit « coaxial » de réalisation de l’invention décrit dans la . Pour une meilleure compréhension, la a représente un premier module d’orientation qui vient s’intégrer dans un deuxième module pour constituer le module complet représenté par la b. Le module d’orientation comporte : un moteur supérieur 302 avec une hélice 303 fixée au dit moteur dont l’arbre de sortie est orienté vers le haut, un moteur inférieur 304 avec une hélice 305 fixée 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 module 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 module dit de tangage 311 sur lequel est attachée la partie fixe d’un servocommande 312, une liaison pivot de roulis 313 reliant le module 308 à la traverse 307 sur l’axe de roulis 391, une liaison pivot de tangage 314 reliant le module 311 au module 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 module de tangage 311. La partie mobile 315 du servocommande 312 est fixée au module de roulis 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 module 308 et permet de mettre en rotation le module 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 répartis de part et d’autre du châssis. Ce mode de réalisation, dit « en tandem », permet un meilleur rendement général du système que le système coaxial qui fait tourner les pales inférieures dans un flux d’air déjà accéléré par les pales supérieures. La représente l’engin volant en état de vol 400 ainsi que dans sa version repliée 402 permettant un emport aisé et très compact de l’engin. L’engin volant comporte : un châssis 403, deux bras 405 et 406 qui dans ce mode de réalisation sont repliables le long du châssis en configuration de transport. Les bras 405, 406, s’étendent horizontalement de part et d’autre du châssis en configuration de vol. deux modules d’orientation 440 et 441 décrit également dans les [Fig 5 et 6] et fixés sur les bras 405, 406, deux rotors 409 et 410 constitués chacun d’un moteur et d’une hélice et fixés sur les modules d’orientation 440 et 441 eux-mêmes fixés à l’extrémité des bras 405, 406, deux patins d’atterrissage 411 et 412, un centre de gravité 404 placé au-dessus des rotors 409 et 410. Les deux bras 405 et 406 sont fixés au châssis 403 par une liaison pivot 413, 414 qui permet de replier lesdits bras vers le haut et le long du châssis 403 pour que l’engin 402 soit plus compact lors de son transport. Les deux bras 405 et 406 sont dépliés en position horizontale pour que l’engin soit en état de vol et sont maintenus en position horizontale par les deux patins d’atterrissage 411 et 412 qui traversent les bras 405 et 406 et le châssis 403. Ainsi, les patins 411 et 412 servent autant de patins d’atterrissage que de maintien des deux bras 405 et 406 en position horizontale dans le châssis 403. Les deux rotors 409 et 410 ne sont pas coaxiaux et leurs hélices ne partagent donc pas le même axe de rotation. Lesdits rotors 409 et 410 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 et indépendamment les deux rotors autour de l’axe de tangage 432. Lorsque les deux modules d’orientation font pivoter les deux rotors 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 rotors 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 rotors 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 rotors. La montre un premier mode de réalisation du module d’orientation utilisé dans le deuxième mode de réalisation de l’invention décrit dans la . Le système d’orientation est en prise directe du rotor. Le module d’orientation comporte : un support fixe 501 solidaire du bras 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 rotor 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 le plateau504. 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 rotor 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 . Le système d’orientation n’est pas en prise directe comme dans le mode de réalisation décrit dans la 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 rotor 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 rotor 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 leviers de commande 707 et 708, deux rotors 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 rotors 711 et 712. Les rotors 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 en coulissant autour de l’axe de tangage 761. 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 commande 707 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 rotors 711 et 712. Les deux rotors 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 rotors 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 rotors 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. La montre un engin volant selon un quatrième mode de réalisation. Ce mode de réalisation utilise le même principe général que le deuxième mode de réalisation « en tandem » de la mais en diffère au niveau des patins d’atterrissage, du mode de fixation des deux bras en vol et des modules d’orientation. La représente l’engin volant en état de vol 800 ainsi que dans sa version repliée 802 permettant un emport aisé et très compact de l’engin. L’engin volant comporte : un châssis 803, deux bras 805 et 806 qui sont repliables le long du châssis en configuration de transport. Les bras 805, 806, s’étendent horizontalement de part et d’autre du châssis en configuration de vol. deux modules d’orientation 840 et 841 décrits dans la [Fig 9] et fixés sur les bras 805, 806, deux rotors 809 et 810 constitués chacun d’un moteur et d’une hélice et fixés sur les modules d’orientation 840 et 841 eux-mêmes fixés à l’extrémité des bras 805, 806, quatre patins d’atterrissage 811, 812, 898, 899 un centre de gravité 804 placé au-dessus des rotors 809 et 810. Les deux bras 805 et 806 sont fixés au châssis 803 par une liaison pivot 813, 814 qui permet de replier lesdits bras vers le haut et le long du châssis 803. Pour que l’engin 802 soit encore plus compact lors de son transport, les hélices sont également repliables. Les deux bras 805 et 806 sont dépliés en position horizontale pour que l’engin soit en état de vol et sont maintenus en position horizontale par un tube traversant les deux bras. A chaque extrémité de bras, deux patins sont maintenus en position basse en configuration de vol ou bien repliés le long des bras 805, 806 en configuration de transport. Ces patins permettent alors d’augmenter la distance entre les hélices et le sol lors des phases de décollage et d’atterrissage. Les deux rotors 809 et 810 ne sont pas coaxiaux et leurs hélices ne partagent donc pas le même axe de rotation. Lesdits rotors 809 et 810 sont contrarotatifs et leurs rotations contraires permettent de garder un couple relativement neutre sur l’axe de lacet 830. 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 831. Les deux modules d’orientations 840 et 841 permettent d’orienter directement et indépendamment les deux rotors autour de l’axe de tangage 832. Lorsque les deux modules d’orientation font pivoter les deux rotors dans le même sens, ils permettent d’orienter et de maintenir l’attitude de l’engin et sa rotation autour l’axe de tangage 832. Lorsque les deux modules d’orientation font pivoter les deux rotors dans le sens opposé, ils permettent d’orienter et de maintenir l’attitude de l’engin autour de l’axe de lacet 830. Dans ce mode de réalisation, la masse principale 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 rotors et le centre de gravité 804. 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 rotors. La montre un troisième mode de réalisation du module d’orientation. Le module d’orientation comporte : un servomoteur disposant d’une partie fixe 902 et d’une partie rotative 903, d’un support de rotor 904, solidaire de la partie rotative du servomoteur 903, d’une liaison pivot 990 autour de l’axe de tangage 991, Le rotor constitué du moteur 931 et de son hélice 932 est fixé sur le support de rotor 904. La partie fixe 902 du servomoteur est solidaire du bras 992 grâce à un support 993. Lorsque la partie rotative 903 du servomoteur tourne, elle fait pivoter le support de rotor 904 et donc l’ensemble du rotor autour de l’axe de tangage 991. Dans ce mode de réalisation, l’extrémité du bras 992 est solidaire d’un support 994 accueillant les deux patins d’atterrissage repliables ainsi que le support de rotor 904. Engin volant à décollage et atterrissage vertical (200, 400, 700, 800) caractérisé en ce qu’il comporte : un châssis, deux rotors contrarotatifs permettant de générer une poussée, un ou deux modules d’orientation permettent de faire pivoter lesdits rotors contrarotatifs autour des axes de tangage ou de roulis, un centre de gravité placé au-dessus des rotors contrarotatifs. 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 seul module d’orientation (206) permettant de basculer lesdits rotors contrarotatifs autour des deux axes de tangage et de roulis. Engin volant (400, 700, 800) selon la revendication 1, caractérisé en ce que : Deux bras s’étendent horizontalement de part et d’autre du châssis, les rotors contrarotatifs (409, 410 et 711, 712) sont fixés sur des modules d’orientation (440, 441, 705, 706, 840, 841) eux-mêmes fixés sur lesdits bras, Les modules d’orientation (440, 441 et 705, 706) permettent de faire pivoter lesdits rotors contrarotatifs de façon indépendante autour de l’axe de tangage (432, 761). Engin volant (402, 802) selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que : les deux bras sont fixés au châssis par une liaison pivot qui permet de replier lesdits bras vers le haut et le long du châssis pour que l’engin soit plus compact lors de son transport.