Brevet FR3130255A1 — publié le 20230616

Unité de sustentation pour un aéronef et aéronef doté d’une telle unité de sustentation L’invention propose une unité de sustentation destinée à un aéronef et présentant les caractéristiques suivantes : une hélice (11), un palier de moteur (12) déporté axialement par rapport à l’hélice (11) et un moteur électrique (13) cylindrique dont la surface d’enveloppe est captive du palier de moteur (12). L’invention propose en outre un aéronef. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 5 Unité de sustentation pour un aéronef et aéronef doté d’une telle unité de sustentation La présente invention concerne une unité de sustentation destinée à un aéronef. La présente invention concerne en outre un aéronef doté d’une telle unité. L’acronyme ADAV (en anglais VTOL) regroupe, dans le domaine de l’aéronautique, tout type d’avion, drone ou fusée doté de la faculté de décoller et d’atterrir de manière sensiblement verticale et sans avoir besoin de piste de décollage et d’atterrissage. On emploie ci-après ce terme générique au sens large, en y incluant non seulement les aéronefs à voilure fixe à surface portante, mais aussi ceux à voilure tournante, tels que les hélicoptères, autogires et girodynes et les hybrides tels que les hélicoptères à ailettes et gyroplanes composés, ainsi que les convertiplanes. Sont également inclus les aéronefs dotés de la capacité de décoller et d’atterrir sur des pistes particulièrement courtes (ADAC, en anglais STOL pour « short take-off and landing » ), de décoller sur des pistes courtes mais d’atterrir à la verticale (ADCAV, en anglais STOVL pour « short take-off and vertical landing » ) ou de décoller à la verticale mais d’atterrir à l’horizontale (en anglais VTHL pour « vertical take-off and horizontal landing » ). Le document CN210284604U divulgue un moteur fixé au moyen d’un boulon sur l’aile d’un aéronef sans équipage. Le document CN211033019U propose de relier le socle du moteur à un aéronef sans équipage au moyen d’une vis. Le document CN211167430U décrit un carter de moteur relié à un aéronef sans équipage par le biais de plots radiaux. Le document CN211996121U aborde la fixation radiale d’un bloc solidaire du moteur, sur la barre de support, au moyen d’une vis. L’invention propose une unité de sustentation pour un aéronef caractérisée par les caractéristiques suivantes : une hélice, un palier de moteur déporté axialement par rapport à l’hélice, et un moteur électrique cylindrique dont la surface d’enveloppe est entourée ou bordée par le palier de moteur. L’invention concerne aussi un aéronef caractérisé par les caractéristiques suivantes : une unité de sustentation telle que mentionnée ci-dessus et une structure de véhicule comprenant le palier de moteur. Cette approche conforme à l’invention repose sur le constat qu’un aéronef de type ADAV employé dans des environnements urbains a besoin d’unités motrices aptes à gérer toutes les phases de vol (décollage, montée, croisière, atterrissage) mais satisfaisant aussi aux principes rigoureux de la construction des structures et systèmes légers. À cet effet, on emploie conventionnellement un moteur électrique monté sur un palier. Cette solution présente certes des avantages aérodynamiques mais donne lieu à une unité de sustentation de hauteur considérable (voir les figures 1 à 3), inconvénient inacceptable en cas d’espace utile limité. Pour réaliser une unité de sustentation particulièrement peu élevée, sans toutefois restreindre la hauteur du moteur qu’elle emploie, l’invention prévoit de déplacer le support du moteur, du dessous du moteur vers sa circonférence. Cette solution a encore pour avantage de réduire la charge exercée sur les points d’appui du fait de la dynamique de l’hélice, car elle raccourcit le bras de levier menant à l’hélice. D’autres modes de réalisation avantageux de l’invention sont décrits ci-après. A titre de possibles caractéristiques additionnelles de l’unité de sustentation, l’invention peut présenter une ou plusieurs des dispositions ou particularités suivantes : l’unité de sustentation comprend un carénage d’hélice et des blocs à volets, et au moins un des blocs à volets est agencé frontalement sur le carénage d’hélice ; l’unité de sustentation comprend une casserole, et l’hélice porte la casserole sur un côté opposé au moteur électrique ; le moteur électrique présente un carter de moteur cylindrique creux, et la surface d’enveloppe du moteur électrique est définie par le carter de moteur ; l’unité de sustentation présente des boulons de cisaillement orientés radialement par rapport au moteur électrique, et les boulons de cisaillement relient le carter de moteur de manière solidaire en rotation au palier de moteur. On peut ainsi prévoir, à la place d’un rotor sans carénage, des hélices carénées (« ducted fans » en anglais) par exemple intégrées dans la surface portante et susceptibles d’être recouvertes par des volets, telles qu’on les connaît dans des domaines autres que la technique aéronautique tels que dans les véhicules sur coussin d’air ou hydroglisseurs. Le carter cylindrique entourant chaque rotor de sustentation, dit virole, permet de réduire les pertes de poussée survenant par suite de turbulences au niveau des extrémités des pales d’hélices conventionnelles. On peut en outre prévoir un habillage caréné du moyeu de l’hélice sous une forme désignée par l’appellation de casserole. Dans une forme de réalisation correspondante, une unité de sustentation composée du moteur, de l’hélice, de la casserole, du palier de moteur ainsi que de dispositifs supérieurs et inférieurs à volets peut être construite de façon compacte, permettant de l’installer dans une surface portante de faible hauteur utile. On peut en outre prévoir que le nez de l’aéronef présente une cavité de laquelle on pourra, au besoin, extraire l’unité de sustentation. Cette variante est simple à mettre en œuvre grâce à la forme utile de faible élévation de l’unité de sustentation conforme à l’invention. On peut en outre prévoir que l’unité de sustentation présente des boulons de cisaillement orientés radialement par rapport au moteur électrique et qui relient le carter de moteur de manière solidaire en rotation du palier de moteur et portent ainsi les charges causées par le couple moteur, la poussée aérodynamique et les vibrations. Le nombre et l’emplacement de ces boulons sont facilement modulables en fonction des charges, trois boulons étant suffisants pour assurer l’isostatisme du moteur. Enfin, le support du moteur peut être intégré dans la structure aérodynamique de l’aéronef afin d’éviter les tourbillons d’air qui réduisent la poussée. A titre de possibles caractéristiques additionnelles de l’aéronef, l’invention peut présenter l’une ou plusieurs des particularités suivantes : l’unité de sustentation est agencée au niveau d’un nez de l’aéronef ; le nez présente une cavité logeant l’unité de sustentation, et l’unité de sustentation est extractible de la cavité ; l’unité de sustentation est agencée dans une surface portante de l’aéronef ; le palier de moteur est annulaire, ou le palier de moteur est formé par une grille de guidage encadrant le moteur électrique. Des exemples de réalisation non limitatifs de l’invention sont représentés dans les figures annexées et seront décrits ci-après de manière plus détaillée. , et représentent des aéronefs à décollage vertical selon l’état de la technique. représente une vue de dessous d’une unité de sustentation d’ailes selon une forme de réalisation. représente une coupe longitudinale de l’unité de sustentation d’ailes selon l’axe de l’hélice. représente un détail de l’unité de sustentation d’ailes illustré dans la . représente une vue de dessous d’une unité de sustentation de nez selon une forme de réalisation. ] représente une vue de côté de l’unité de sustentation de nez dans une cavité de l’aéronef. ] représente un détail de l’unité de sustentation de nez selon une vue en coupe. Un aéronef est équipé de deux rotors de sustentation non carénés et repliables installés des deux côtés du nez (ci-après « unités de sustentation de nez »), d’un total de six rotors de sustentation carénés et pourvus de volets installés dans les ailes situées des deux côtés (ci-après « unités de sustentation d’ailes ») ainsi que de deux hélices arrière à carénage allongé (ci-après « unités de poussée de croisière »). (Dans le présent contexte, on emploie le terme « hélice » au sens large, en englobant à égale mesure d’une part les unités de poussée de croisière servant principalement à la propulsion et d’autre part les unités de sustentation de nez et d’ailes servant principalement à la poussée verticale, et on désigne par conséquent les unités de poussée et de sustentation carénées par le terme « hélices carénées ».) Dans la configuration de vol de croisière et au sol, les volets des unités de sustentation d’ailes sont fermés et les unités de poussée de nez sont repliées sous ou dans le fuselage ; en revanche, lors du vol stationnaire, les volets des unités de sustentation d’ailes sont ouverts et les deux unités de poussée de nez sont dépliées vers les côtés. La illustre le montage du moteur électrique d’une des unités de sustentation d’ailes (10). Dans ce mode de réalisation, le palier de moteur (12) est constitué par une grille de guidage (12) en plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC) servant d’appui au moteur électrique (13) sur des côtés opposés selon un agencement de symétrie axiale et de rotation. Deux étais de la grille de guidage (12) sont orientés en parallèle dans le sens de la circulation de l’air sur l’aile (non représentée dans sa totalité) et encadrent le moteur électrique (13) respectif de manière tangentielle. Deux poutres respectives jointes à ces flasques sont complétées par les poutres, diamétralement opposées au moteur, de l’autre flasque respectif pour former une croix de Saint-André ou en forme d’X et étançonnent le moteur électrique (13) de telle façon que la grille de guidage (12) reçoit toutes les forces horizontales exercées au niveau du moteur. Ainsi qu’il ressort de la , les étais de la grille de guidage (12) présentent une largeur correspondant approximativement à la hauteur du moteur électrique (13). Celui-ci porte dans le cas présent une hélice (11) déportée axialement par rapport au palier de moteur (12) et habillée d’une casserole (15) obtuse. Les faces d’entrée et de sortie du carénage d’hélice sont fermées, dans la configuration représentée, par des blocs à volets ou lamelles (14) frontaux qui sont toutefois susceptibles de s’ouvrir au besoin grâce à un dispositif d’actionnement (représenté uniquement par une esquisse sur la figure). La illustre la fixation du moteur électrique (13) sur le point d’appui d’un des étais de la grille de guidage (12 – voir ). Ainsi qu’il ressort de cette figure, le carter de moteur (16) définit, dans la forme de réalisation représentée, la surface d’enveloppe du moteur cylindrique, laquelle est captive du palier de moteur (12) conçu d’un seul tenant avec la structure du véhicule (18). Le carter de moteur (16) est relié audit palier par un boulon sécable ou boulon de cisaillement (17) orienté radialement par rapport au moteur électrique (13) et qui, en cas de dommage important de l’unité de sustentation (10) du fait de fortes vibrations, cède et permet un largage contrôlé du moteur électrique (13). La illustre le mode de réalisation correspondant d’une des unités de poussée de nez (10) à palier de moteur (12) de conception annulaire. Ainsi qu’il ressort de la , le nez de l’aéronef présente une cavité (19) logeant l’unité de sustentation (10) et permettant, au besoin, son extraction latérale. Là encore, le palier de moteur (12) et le carter de moteur (16) sont reliés par un boulon de cisaillement (17) orienté radialement par rapport au moteur électrique (13). Dans la présente forme de réalisation, le moteur électrique (13) est conçu sous la forme d’un moteur à rotor intérieur refroidi à l’air à commande intégrée. Il va de soi que, dans une variante du mode de réalisation, on pourra utiliser par exemple un moteur à rotor extérieur ou un refroidissement par liquide, sans pour autant sortir du cadre de l’invention. D’autres possibilités sont divulguées par exemple dans l’article de DUFFY, Michael, et al. « Propulsion scaling methods in the era of electric flight”, dans : 2018 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS) . IEEE, 2018. pp. 1-23. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. Unité de sustentation (10) pour un aéronef, caractérisée par les caractéristiques suivantes : une hélice (11), un palier de moteur (12) déporté axialement par rapport à l’hélice (11), et un moteur électrique (13) cylindrique dont la surface d’enveloppe est entourée ou bordée par le palier de moteur (12). Unité de sustentation (10) selon la revendication 1, caractérisée par les caractéristiques suivantes : l’unité de sustentation (10) comprend un carénage d’hélice et des blocs à volets (14), et au moins un des blocs à volets (14) est agencé frontalement sur le carénage d’hélice. Unité de sustentation (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par les caractéristiques suivantes : l’unité de sustentation (10) comprend une casserole (15), et l’hélice (11) porte la casserole (15) sur un côté opposé au moteur électrique (13). Unité de sustentation (10) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée par les caractéristiques suivantes : le moteur électrique (13) présente un carter de moteur (16) cylindrique creux, et la surface d’enveloppe du moteur électrique (13) est définie par le carter de moteur (16). Unité de sustentation (10) selon la revendication 4, caractérisée par les caractéristiques suivantes : l’unité de sustentation (10) présente des boulons de cisaillement (17) orientés radialement par rapport au moteur électrique (13), et les boulons de cisaillement (17) relient le carter de moteur (16) de manière solidaire en rotation au palier de moteur (12). Aéronef caractérisé par les caractéristiques suivantes : une unité de sustentation (10) selon l’une des revendications 1 à 5, et une structure de véhicule (18) comprenant le palier de moteur (12). Aéronef selon la revendication 6, caractérisé par la caractéristique suivante : l’unité de sustentation (10) est agencée au niveau d’un nez de l’aéronef. Aéronef selon la revendication 7, caractérisé par les caractéristiques suivantes : le nez présente une cavité (19) logeant l’unité de sustentation (10), et l’unité de sustentation (10) est extractible de la cavité (19). Aéronef selon la revendication 6, caractérisé par la caractéristique suivante : l’unité de sustentation (10) est agencée dans une surface portante de l’aéronef. Aéronef selon l’une des revendications précédentes, caractérisé par l’une des caractéristiques suivantes : le palier de moteur (12) est annulaire, ou le palier de moteur (12) est formé par une grille de guidage (12) encadrant le moteur électrique (13).