Brevet FR3113887A1 — publié le 20220311

Aéronef à voilure tournante comprenant un rotor (20) muni d’un moyeu (23) qui reçoit au moins une pale (21) entrainée en rotation par une hélice (22) motorisée positionnée à une extrémité libre de la pale (21) et mettant le rotor (20) en rotation autour d’un axe. Selon l’invention, la pale (21) est montée en liaison pivot avec le moyeu (23) de sorte que le pas de la pale (21) est modifiable, et en ce qu’un moteur (30) électrique est assujetti, d’une part à la pale (21) et, d’autre part au moyeu (23), le moteur (30) électrique étant relié à une unité de commande apte à piloter le moteur (30) électrique pour faire pivoter la pale (21) en fonction d’une consigne de pilotage de l’aéronef. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Aéronef à voilure tournante avec motorisation en bout de pales et à pas modifiable La présente invention se rapporte au domaine technique des aéronefs à voilure tournante avec motorisation en bout de pales, et concerne plus particulièrement un tel aéronef comprenant un dispositif de contrôle du pas de la ou des pales. L’invention trouve une application avantageuse dans le domaine des aéronefs sans pilote, communément appelé « drones ». Art antérieur Sur un aéronef à voilure tournante, pour se mouvoir dans une direction ou tout simplement pour résister au vent, il faut pouvoir incliner cycliquement et/ou collectivement le ou les pales dans la direction voulue. Pour ce faire, différents mécanismes existent, comme les plateaux cycliques utilisés pour les hélicoptères. Un plateau cyclique est très réactif car il permet l’inclinaison cyclique de chacune des pales mais a l’inconvénient d’être lourd, très cher à l’entretien et très compliqué. Le demandeur est titulaire du brevet FR3075758 décrivant un aéronef à voilure tournante avec motorisation en bout de pale, et utilisant un procédé permettant d’agir distinctement sur l’intensité des tourbillons marginaux générés aux extrémités des pales, pour ainsi aggraver ou contrecarrer sélectivement les effets des tourbillons marginaux et donc diminuer ou augmenter sélectivement la force de portance et/ou la traînée exercée aux extrémités des pales et provoquer un mouvement de basculement de l’aéronef. Ce procédé donne entière satisfaction en termes de contrôle de l’aéronef, mais peut être amélioré en termes de réactivité et de puissance dans les manœuvres, ainsi qu’en termes de résistance à des vents puissants. Le but de l’invention est donc de fournir un aéronef à voilure tournante avec motorisation en bout de pales dont le contrôle est amélioré en termes de réactivité et de puissance dans les manœuvres, ainsi qu’en termes de résistance à des vents puissants. À cet effet, il a été mis au point un aéronef à voilure tournante comprenant au moins un rotor, et de préférence un stator, avec le rotor monté en liaison pivot sur le stator. Le rotor est muni d’un moyeu qui reçoit au moins une pale entraînée en rotation par une hélice motorisée positionnée à une extrémité libre de la pale et mettant le rotor en rotation autour d’un axe, et notamment par rapport au stator. Selon l’invention, la pale est montée en liaison pivot avec le moyeu de sorte que le pas de la pale est modifiable, et en ce qu’un moteur électrique est assujetti d’une part à la pale et d’autre part au moyeu, le moteur électrique étant relié à une unité de commande, de préférence embarquée par le rotor, apte à piloter le moteur électrique pour faire pivoter la pale en fonction d’une consigne de pilotage de l’aéronef. De cette manière, il est possible de modifier le pas cyclique de chacune des pales exactement comme le ferait un plateau cyclique, et aussi efficacement. Ainsi, le contrôle de l’aéronef selon l’invention est réactif, puissant dans ses manœuvres, résistant à des vents puissants. Néanmoins, et de manière avantageuse la mécanique mise en œuvre est beaucoup plus simple puisque chaque pale dispose de son propre moteur électrique. La solution proposée est donc beaucoup plus légère, facile à mettre en œuvre et à entretenir. Selon une forme de réalisation particulière, le moteur électrique est assujetti à la pale et au moyeu par l’intermédiaire d’éléments de réduction cinématique, tels que des poulies ou des engrenages. Ainsi il est possible d’adapter les caractéristiques de vitesse et de couple du moteur aux besoins de l’application. De préférence, le moteur de l’hélice et la pale sont solidaires en pivotement lorsque le pas est modifié. Ainsi le montage du moteur et de son hélice à l’extrémité de la pale est également simplifié. Selon des formes de réalisation particulières, le moteur électrique est solidaire du moyeu ou de la pale et comprend un arbre de sortie équipé d’un pignon coopérant avec un pignon secondaire solidaire de la pale ou du moyeu. Cela permet de faciliter le montage de ces éléments. Dans cette forme de réalisation, le pignon secondaire solidaire de la pale se présente par exemple sous la forme d’une bague comprenant une portion annulaire dentée, fixée autour d’une extrémité d’un tube traversant et solidaire de la pale. De la sorte, le pignon peut être fixé par serrage sur le tube, évitant ainsi la fragilisation qu’auraient entraîné par exemple des perçages pour fixation par vis ou par goupille. Dans un mode de réalisation particulier, la bague comprend des portées de roulement et est reçue dans un boitier de roulement. Cela permet d’avoir une conception compacte et robuste, limitant le nombre de pièces mises en jeu. Avantageusement, les portées de roulement sont positionnées de part et d’autre de la portion dentée et le boitier de roulement comprend une fenêtre latérale en communication avec la portion dentée dans laquelle s’engage le pignon de l’arbre de sortie du moteur. Cela augmente encore la robustesse de l’assemblage, car l’effort soumis par la roue dentée n’est pas en porte à faux par rapport au boîtier de roulement. La compacité est également améliorée car l’assemblage est moins long. Dans ce mode de réalisation, le boitier se présente par exemple sous la forme de deux demi-boîtiers, dont un premier demi-boîtier est fixé au moyeu par l’intermédiaire d’une platine et un deuxième demi-boîtier reçoit le moteur. Cela permet un montage et un entretien du boîtier et des composants facilités. Avantageusement, des connectiques d’alimentation et de pilotage des hélices traversent la pale à l’intérieur du tube. Les connectiques d’alimentation et de pilotage sont ainsi protégées. Dans un mode de réalisation particulier, l’aéronef comprend au moins un rotor secondaire monté en liaison pivot sur le rotor, le rotor secondaire étant muni d’au moins une pale entrainée en rotation par une hélice positionnée à une extrémité libre de la pale. Cette construction permet notamment de maximiser la portance de l’aéronef sans augmenter son diamètre. la figure 1 est une vue d’ensemble en perspective d’un aéronef selon l’invention. la figure 2 et une vue de détail en perspective d’un premier mode de réalisation de la liaison pivot entre la pale et le moyeu, et montrant le moteur électrique. La figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 2, montrant que la pale a pivoté par rapport à une position nominale. La figure 4 est une vue de détail en perspective d’un autre mode de réalisation de la liaison pivot entre la pale et le moyeu, et montrant un moteur électrique. La figure 5 est une vue similaire à la figure 4 en coupe partielle. La figure 6 est une vue d’ensemble en perspective d’un mode de réalisation particulier d’un aéronef selon l’invention comprenant deux rotors. Description détaillée de l’invention La figure 1 décrit un aéronef comprenant un stator (10) et un rotor (20). Le stator (10) permet à l’aéronef de se poser sur le sol, au moyen de pieds. Le nombre de pied peut être variable mais dans un mode de réalisation préféré il y en a trois. Le stator (10) peut également servir à embarquer des équipements non représentés, qui peuvent être par exemple une caméra, un appareil photo, un radar ou tout autre équipement pouvant servir par exemple à faire de l’acquisition de données. Il peut également s’agir d’un objet que l’aéronef doit transporter d’un premier lieu vers un deuxième lieu. D’autre charges à transporter peuvent être envisagées sans que cela ne sorte du cadre de l’invention. Le rotor (20) est monté en liaison pivot sur le stator (10), c’est-à-dire qu’il tourne autour d’un axe vertical. Dans un mode de réalisation préféré cette liaison pivot est réalisée selon des moyens connus tels que des roulements à billes ou des paliers lisses par exemple, et le rotor (20) tourne librement par rapport au stator (10). Le rotor (20) est muni d’un moyeu (23) qui reçoit au moins une pale (21), et dans un mode de réalisation préféré trois pales (21). Chacune des pales (21) comporte à son extrémité libre un moteur non légendé qui entraîne une hélice (22). C’est la rotation de cette hélice (22) qui met la pale (21) en mouvement et fait donc tourner le rotor (20). Lorsque la vitesse de rotation du rotor (20) est suffisante, la portance conférée par chacune des pales (21) permet alors à l’aéronef de décoller et d’entamer son vol. La vitesse de rotation du rotor (20) de l’aéronef selon l’invention est généralement de l’ordre de 2 à 4 tours par seconde. Bien entendu, étant donné que la rotation du rotor (20) est réalisée par l’intermédiaire de l’hélice (22), la présence du stator (10) n’est pas essentielle. Chacune des pales (21) est montée en liaison pivot avec le moyeu (23) de sorte que le pas de la pale (21) est modifiable. En d’autres termes, chaque pale (21) peut pivoter autour de son axe longitudinal. Chacune des pales (21) possède un pas qui lui confère des caractéristiques aérodynamiques. Afin de piloter l’aéronef lors de son vol, il est intéressant de pouvoir modifier le pas des pales. Cette modification peut être constante sur tout le cycle de rotation de la pale autour de l’axe pivot du rotor et on parle alors de pas collectif, ou alors cette modification peut être fonction de la position angulaire de la pale et on parle alors de pas cyclique. La modification du pas collectif permet de faire monter ou descendre l’aéronef sans modifier la vitesse de rotation du rotor (20). La modification du pas cyclique permet de faire basculer et translater horizontalement l’aéronef, ou de garder sa position stable par rapport au sol s’il y a un vent horizontal. Le pas est dit cyclique dans la mesure où le pas est modifié au cours du cycle de rotation de la pale (21) : la valeur du pas est fonction de la position angulaire de la pale (21) par rapport au stator (10). Il est évident que le mécanisme de gestion du pas cyclique doit être suffisamment réactif pour pivoter la pale (21) et régler son pas à une cadence au moins égale à la vitesse de rotation du rotor (20). La faible vitesse de rotation du rotor (20) de l’aéronef selon l’invention par rapport à l’art antérieur permet d’envisager l’utilisation d’un moteur (30) électrique pour assurer la fonction de réglage du pas de la pale (21). Ce moteur (30) électrique est assujetti, d’une part à la pale (21) et, d’autre part au moyeu (23) et peut par exemple être un servomoteur ou un moteur sans balai dit « brushless » en anglais. Ce moteur (30) est relié à, et piloté par, une unité de commande qui est de préférence embarquée par le rotor (20). Cette unité utilise notamment des informations issues de moyens de calcul de la vitesse de rotation du rotor (20), des moyens de détermination de la position instantanée du stator (10). Si cette unité n’est pas en mesure de faire ces calculs elle-même, ces moyens peuvent être des capteurs embarqués par l’aéronef, par exemple des accéléromètres, des gyromètres, des magnétomètres, des capteurs GPS, des capteurs de position angulaire optiques ou magnétiques dits codeurs. Dans un mode de réalisation préféré, les accéléromètres, gyromètres et magnétomètres sont réunis au sein d’une centrale inertielle. Ces capteurs sont disposés à différents endroits de l’aéronef afin de pouvoir connaître entre autres la vitesse de rotation exacte du rotor (20) par rapport à un référentiel terrestre et par rapport au stator (10), le cap du stator (10). Dans un mode de réalisation préféré, cette unité envoie au moteur (30) ses commandes selon une technique de modulation de largeur d'impulsions, mais tout autre moyen adapté peut être utilisé, comme par exemple des commandes sur bus dédié type bus CAN (Controller Area Network - en anglais). L’unité de commande est également apte à recevoir des consignes issues par exemple d’un automate programmable pour lequel un itinéraire à suivre par l’aéronef aurait été programmé, ou encore par un opérateur à distance pilotant l’aéronef. Dans ce cas la communication entre une télécommande manipulée par l’opérateur et l’aéronef se fait par radiofréquences, par Bluetooth, par wifi ou par tout autre moyen de communication et de fréquence adapté. La figure 2 illustre la liaison entre la pale (21) et le moyeu (23) selon un premier mode de réalisation. Cette liaison pivot peut être réalisée à l’aide de tout moyen adapté comme des roulements, des bagues ou des paliers. Au niveau de cette liaison se trouve le moteur (30) électrique, qui est assujetti d’une part à la pale (21) et, d’autre part au moyeu (23). Dans le mode de réalisation illustré, la partie fixe du moteur (30) est montée sur le moyeu (23), et l’arbre de sortie du moteur (30) entraîne un pignon (31). Ce pignon (31) engrène avec un pignon secondaire (26) qui solidaire de la pale (21). Sans sortir du cadre de l’invention, il est envisageable de monter le moteur (30) sur la pale (21) de sorte que le pignon (31) engrène avec un pignon secondaire (26) qui serait solidaire du moyeu (23). En lieu et place des pignons (26, 31), le concepteur peut choisir d’utiliser d’autres moyens de transmission tels que des poulies par exemple ou un système à courroie. Il peut également adapter les moyens de transmission afin de disposer d’une réduction cinématique, et ainsi adapter les caractéristiques de couple et vitesses disponibles en sortie du moteur (30) aux efforts et accélérations nécessaires pour actionner la pale (21). Cela permet également de choisir ou d’adapter le moteur (30) à monter sur l’aéronef. Le concepteur peut également choisir de monter le moteur (30) en prise directe avec la pale (21), c’est-à-dire sans utiliser de moyens de transmission tels que des pignons ou des courroies. L’économie de pièces réalisées se fait par contre au détriment de la liberté de choix du moteur (30). Sur cette figure 2, la pale (21) est dans une position nominale permettant à l’aéronef d’avoir un vol stationnaire par vent nul. La figure 3 montre la pale (21) dont le pas a été augmenté par la rotation du moteur (30). Si le pas de toutes les pales (21) est ainsi augmenté collectivement, alors l’aéronef monte. Si le pas des pales (21) est ainsi augmenté de façon cyclique, par exemple sur le côté droit de l’aéronef, alors la portance du rotor (20) est plus grande sur le côté droit de l’aéronef. L’aéronef n’est plus horizontal : il bascule vers la gauche et entame une translation. Si l’aéronef est soumis à un vent horizontal, une telle manœuvre lui permet de résister au vent et de maintenir sa position stationnaire en vol. De façon analogue, le moteur (30) peut tourner dans l’autre sens et diminuer le pas de la pale (21) par rapport à sa position nominale. Dans tous les cas, le moteur (30), piloté par l’unité de commande, est capable de modifier le pas de la pale (21) et de le ramener ensuite à sa position nominale en cohérence avec la vitesse de rotation du rotor (20). Les figures 4 et 5 illustrent un deuxième mode de réalisation dans lequel la liaison pivot entre la pale (21) et le moyeu (23) se fait au moyen d’un boîtier de roulements constitué par deux demi-boîtiers (27, 28). Dans ce mode de réalisation, le pignon secondaire (26) de la pale (21) prend la forme d’une bague munie d’une portion annulaire dentée (261), et présentant à ses extrémités des portées de roulements. De préférence, ce pignon (26) est alors fixé à un tube (25) qui est solidaire de la pale (21), et qui forme donc l’axe de pivotement de la pale (21). Par tube, on entend tout type d’élément s’étendant longitudinalement et à section creuse. Il pourrait notamment être utilisé un rail à section en « U » sans sortir du cadre de l’invention. Cette fixation se fait par serrage au moyen d’un collier (262) par exemple, d’au moins une vis de pression, ou d’un secteur fendu à l’instar d’une bague d’arrêt fendue. Il est par ailleurs envisageable de le fixer au moyen d’une goupille, par exemple élastique traversant de part en part le tube (25) et le pignon (26) mais cela pourrait fragiliser le tube (25). Des roulements (29) sont montés sur les portées adéquates du pignon (26) et coopèrent en rotation avec les demi-boîtiers (27, 28). Un tel assemblage permet d’avoir un boîtier facile à monter et à démonter, notamment pour la maintenance. Avantageusement, la portion annulaire dentée (261) est située entre les deux portées des roulements (29). Un des deux demis-boîtiers, ici le demi-boîtier (28), est alors pourvu d’une fenêtre latérale (281) en regard de la portion dentée (261), de façon à ce qu’il soit traversé par le pignon (31) et que celui-ci puisse coopérer avec la portion (261). Le boitier ainsi obtenu est particulièrement compact et robuste, l’effort transmis par le pignon (31) n’étant plus en porte-à-faux par rapport aux roulements (29). L’encombrement axial ainsi que la masse de l’assemblage sont également optimisés. Dans ce mode de réalisation, le premier demi-boîtier (27) est fixé sur une platine (24) destinée à être montée sur le moyeu (23). Le deuxième demi-boîtier (28) reçoit quant à lui le moteur (30), fixé par exemple au moyen de vis. La conception de la platine (24) permet son montage et son démontage aisé du moyeu (23), cette platine (24) présentant à sa base des formes géométriques telles que des encoches guidant son montage sur le moyeu (23). Il peut également être envisagé ainsi une fixation par encliquetage de la platine (24) sur le moyeu (23). L’utilisateur obtient ainsi un ensemble platine (24), boîtier (27, 28), moteur (30) et pale (21) facilement démontable du moyeu (23), ce qui permet non seulement un transport aisé de l’aéronef avec ses pales (21) démontées, mais également un dépannage facilité sur le site d’utilisation de l’aéronef. En effet, en cas de défaillance d’un des éléments, un ensemble de rechange comprenant entre autres les pièces (21, 24, 27, 28, 30) prêt à l’emploi peut remplacer l’ensemble défectueux en attente de sa réparation ultérieure. Bien entendu un connecteur rapide est disposé à cet effet sur la connectique afin de pouvoir débrancher facilement les câbles d’alimentation et de pilotage reliant notamment l’hélice (22) et le moteur (30) à l’unité de commande ainsi qu’au stockage d’énergie placés sur le moyeu (23). Dans un but de simplification, l’hélice (22) est solidaire de la pale (21) à son extrémité libre, de sorte que lorsque le pas de la pale (21) est modifié, l’hélice (22) pivote avec la pale (21). Cette construction est bien sûr économe en pièces et est donc légère et peu onéreuse. Cependant le concepteur peut regretter que l’axe de l’hélice (22) n’est alors plus parfaitement orthogonal à l’axe du pivot entre le rotor (20) et le stator (10), ce qui fait donc perdre à l’hélice (22) de sa performance pour entraîner le rotor (20). De façon non représentée, ce gaspillage d’énergie peut être évité en rajoutant des pièces nécessaires fixées sur la platine (24) et traversant par exemple le tube (25). De cette façon l’hélice (22) serait fixe par rapport à la platine (24) et resterait en permanence orthogonale à l’axe pivot entre le rotor (20 et le stator (10), alors que la pale (21) serait, elle, orientable par l’intermédiaire du tube (25). Avantageusement, le tube (25) permet de faire passer les connectiques nécessaires à l’alimentation et au pilotage de l’hélice (22) de sorte que celles-ci soient protégées. La figure 6 illustre un mode de réalisation particulier, où l’aéronef comprend un rotor secondaire (20a) à l’instar du rotor (20). Ce rotor secondaire (20a) est monté en liaison pivot avec le rotor (20). Cette construction permet de maximiser la portance de l’aéronef sans augmenter son diamètre. Ceci peut être nécessaire lorsqu’il s’agit d’embarquer des charges lourdes ou de résister à des vents importants. De manière avantageuse ce rotor secondaire (20a) tourne en sens opposé au rotor (20), de façon à ce que les couples de frottements résiduels des rotors (20, 20a) induits au stator (10) soient opposés. Par ailleurs, l’aéronef peut être conformé différemment des figures 1 à 6 sans sortir du cadre de l’invention, qui est défini par les revendications. En outre, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent être, en totalité ou pour certaines d’entre elles, combinées entre elles. Ainsi, l’aéronef peut être adapté en termes de coût, de fonctionnalités et de performance. Aéronef à voilure tournante comprenant au moins un rotor (20) muni d’un moyeu (23) qui reçoit au moins une pale (21) entrainée en rotation par une hélice (22) motorisée positionnée à une extrémité libre de la pale (21) et mettant le rotor (20) en rotation autour d’un axe, caractérisé en ce que la pale (21) est montée en liaison pivot avec le moyeu (23) de sorte que le pas de la pale (21) est modifiable, et en ce qu’un moteur (30) électrique est assujetti, d’une part à la pale (21) et, d’autre part au moyeu (23), le moteur (30) électrique étant relié à une unité de commande apte à piloter le moteur (30) électrique pour faire pivoter la pale (21) en fonction d’une consigne de pilotage de l’aéronef. Aéronef selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moteur (30) électrique est assujetti à la pale (21) et au moyeu (23) par l’intermédiaire d’éléments de réduction cinématique, tels que des poulies ou des engrenages. Aéronef selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que l’hélice (22) et la pale (21) sont solidaires en pivotement lorsque le pas est modifié. Aéronef selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que le moteur (30) électrique est solidaire du moyeu (23) ou de la pale (21) et comprend un arbre de sortie équipé d’un pignon (31) coopérant avec un pignon secondaire (26) solidaire de la pale (21) ou du moyeu (23). Aéronef selon la revendication 4 caractérisé en ce que le pignon secondaire (26) solidaire de la pale (21) se présente sous la forme d’une bague comprenant une portion annulaire dentée (261), fixée autour d’une extrémité d’un tube (25) traversant et solidaire de la pale (21). Aéronef selon la revendication 5 caractérisé en ce que la bague (26) comprend des portées de roulement et est reçue dans un boitier de roulement (27, 28). Aéronef selon la revendication 6 caractérisé en ce que les portées de roulement sont positionnées de part et d’autre de la portion dentée (261) et le boitier de roulement (27, 28) comprend une fenêtre latérale (281) en communication avec la portion dentée (261) dans laquelle s’engage le pignon (31) de l’arbre de sortie du moteur (30). Aéronef selon la revendication 6 caractérisé en ce que le boitier (27, 28) se présente sous la forme de deux demi-boîtiers, dont un premier demi-boîtier (27) est fixé au moyeu (23) par l’intermédiaire d’une platine (24) et un deuxième demi-boîtier (28) reçoit le moteur (30). Aéronef selon la revendication 5 caractérisé en ce que des connectiques d’alimentation et de pilotage des hélices (22) traversent la pale (21) à l’intérieur du tube (25). Aéronef selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend au moins un rotor secondaire (20a) monté en liaison pivot sur le rotor (20), le rotor secondaire (20a) étant muni d’au moins une pale (21a) entrainée en rotation par une hélice (22a) positionnée à une extrémité libre de la pale (21a).