Brevet FR3128208A1 — publié le 20230421

L’invention concerne l’utilisation - d’un dispositif d’aide au décollage et à la montée d’un aéroplane, le dispositif comprenant un câble de traction dont une première extrémité est munie de moyens de fixation pour la fixer de façon détachable à un aéroplane, et qui peut être entraîné par un dispositif d’entraînement, - pour faire décoller et monter un avion tracté, l’avion tracté étant un avion de transport et/ou un avion-cargo, les moyens de fixation étant détachés de l’avion tracté lorsque l’avion tracté a atteint une altitude supérieure à 1 000 m. AIDE AU DÉCOLLAGE ET A LA MONTÉE DES AVIONS DE TRANSPORT PAR TRACTION A L’AIDE D’UN CÂBLE La présente invention concerne l’utilisation d’un dispositif d’aide au décollage et à la montée d’un aéroplane, le dispositif comprenant un câble de traction dont une première extrémité est munie de moyens de fixation pour la fixer de façon détachable à un aéroplane et qui peut être entraîné par un dispositif d’entraînement. Tous les avions, au moment du décollage puis lors de la montée, ont besoin de beaucoup de puissance dont ils n’ont plus besoin par la suite au cours du vol horizontal. Cet énorme besoin de puissance génère deux problèmes très différents : - utilisation de gros groupes motopropulseurs (GMP) lourds, volumineux et bruyants qui augmentent la masse à vide des avions et surtout qui traînent et par là réduisent leur finesse, ce qui conduit à une consommation élevée de carburant lors du vol horizontal en croisière ; - très forte nuisance sonore et pollution lors du décollage et de la montée subies par les riverains des aéroports. Quand l’avion a atteint une certaine altitude, la suite du vol peut continuer avec beaucoup moins de puissance. Quand la piste de décollage est très courte, comme sur un porte-avions, il est connu de faire appel à une catapulte munie d’une courte élingue qui relie l’avion tracté au sabot de lancement. Une telle catapulte a pour objectif de donner à l’avion une vitesse suffisante pour son décollage. Elle n’intervient donc pas lors de la montée de l’avion. Le document DE 25 53 064 A1 décrit l’utilisation d’une bande sans fin entraînée par un moteur électrique puissant et disposée sous la piste de décollage. Un sabot relié à la bande sans fin saille au-dessus de la piste et vient en butée contre un organe correspondant de l’avion tracté. En fin de course, l’avion ainsi accéléré par la bande sans fin atteint une vitesse de décollage qu’il n’aurait pas pu atteindre avec ses propres moteurs. Ainsi, la distance nécessaire pour le décollage est réduite, et l’avion consomme moins de sa propre énergie. Dans ce cas aussi, le dispositif d’accélération ne sert qu’à accélérer l’avion sur la piste de décollage. Le dispositif est désaccouplé de l’avion au plus tard au moment du décollage et ne sert en aucun cas à la montée. Le document DE 299 01 958 U1 envisage l’utilisation d’un tracteur d’avion muni d’un treuil. Après que l’avion a été amené sur la piste de décollage par le tracteur d’avion, la tige de traction serait décrochée et remplacée par le câble du treuil. Le tracteur d’avion se rendrait en bout de piste en déroulant le câble et s’installerait dans un ancrage. Lors de l’accélération, le treuil serait mis en marche et assisterait l’avion dans son accélération. L’inventeur indique que l’avion pourrait être ainsi élevé de quelques mètres. L’invention permettrait de diminuer la longueur de la piste de décollage ainsi que la consommation d’énergie de l’avion au moment du décollage. Ce dispositif ne sert donc pas à la montée de l’avion. Le document EP 1 261 517 B1 décrit un système pour accélérer une charge, notamment pour lancer un avion. Le système comprend une poulie commandée par une source d'alimentation, la poulie ayant une surface profilée en spirale pour recevoir un câble dont l'extrémité éloignée peut être reliée à l'avion. La surface profilée garantit que le lancement de l'avion est effectué en douceur, tout d'abord à une vitesse lente puis à une vitesse augmentant progressivement jusqu'à ce que l'avion atteigne la vitesse de décollage. Ce dispositif ne sert pas à la montée de l’avion. Concernant les planeurs, aéroplanes sans moteur, on connaît des systèmes de câbles entraînés. Ces câbles sont soit reliés à un treuil placé sur la piste de décollage, soit tirés par un avion-remorqueur. Ils permettent d’une part d’accélérer le planeur jusqu’à la vitesse de décollage et d’autre part de continuer à le tracter jusqu’à ce qu’il ait atteint une altitude suffisante pour poursuivre son vol grâce aux courants d’air ascendants. Quand le planeur a atteint cette altitude, qui est généralement d’environ 500 m, le câble est largué. Le câble relié à un avion est généralement d’environ 50 m, celui relié à un treuil est généralement d’environ 1 000 m. L’objectif de la présente invention destiné aux avions de transport et/ou des avions-cargos est multiple : - réduire considérablement les nuisances sonores et la pollution chimique pendant le décollage et la montée ; - réduire la masse à vide des avions ; - augmenter leur finesse ; - diminuer la quantité de carburant embarqué ; - réduire fortement la consommation de carburant aussi bien lors du décollage et de la montée que pendant le vol. Cet objectif est atteint du fait que le dispositif d’aide au décollage et à la montée est utilisé pour faire décoller et monter un avion tracté, l’avion tracté étant un avion de transport et/ou un avion-cargo, les moyens de fixation du câble de traction étant détachés de l’avion tracté lorsque l’avion tracté a atteint une altitude supérieure à 1 000 m. En fonction des besoins, il est préférable de détacher les moyens de fixation de l’avion tracté lorsque celui-ci a atteint une altitude supérieure à 1 500 m, de préférence supérieure à 2 000 m. De façon alternative ou complémentaire, l’avion tracté doit atteindre son altitude opérationnelle avant de détacher les moyens de fixation. Quand l’avion tracté a atteint l’altitude souhaitée, le câble de traction est détaché de l’avion tracté qui poursuit son vol par ses propres moyens. Le dispositif d’aide au décollage et à la montée permet de diminuer la puissance des moteurs de l’avion tracté et ainsi de réduire sa consommation de carburant au décollage. Il est donc possible de prévoir des avions ayant des moteurs moins puissants, moins lourds et moins chers. Les réserves de carburant de l’avion peuvent également être réduites ce qui réduit la masse de l’avion au décollage. Dans une première variante de l’invention, le câble de traction est entraîné par un treuil de traction situé au même niveau que la piste de décollage, de préférence sur la piste de décollage, en particulier au bout ou à proximité du bout de la piste de décollage. Il peut également se trouver au-delà du bout de piste, de préférence sensiblement dans le même plan que la piste de décollage. Ce treuil de traction tire l’avion tracté au moyen du câble de traction tout d’abord jusqu’à ce qu’il atteigne sa vitesse de décollage, puis jusqu’à ce qu’il atteigne une altitude supérieure à 1 000 m, de préférence supérieure à 1 500 m, et de façon privilégiée supérieure à 2 000 m, et/ou son altitude opérationnelle. La longueur d’une piste de décollage pour les avions de transport et les avions-cargos est de manière générale supérieure à 3 000 m, et peut atteindre 5 500 m. Avec un câble de traction d’une longueur de 4 000 m, il est possible de tirer un avion tracté à une altitude de 2 000 m. Quand l’altitude désirée est atteinte, le câble de traction est détaché de l’avion tracté de la même manière que pour les planeurs. La partie du câble qui n’est pas enroulée, qui constitue le câble de traction à proprement parler, et les moyens de fixation tombent au sol. Le câble de traction peut être soit enroulé sur le treuil de traction pour être rangé, soit redéroulé du treuil de traction pour amener les moyens de fixation à un nouveau point de départ pour le prochain décollage. On peut prévoir un petit parachute pour éviter que la chute du câble de traction et des moyens de fixation ne soit trop forte. Ce treuil de traction est de préférence un treuil de traction électrique. Les treuils électriques sont nettement moins bruyants que les treuils à moteur thermique. La nuisance sonore lors de décollage est ainsi diminuée de façon significative. Pour ne pas devoir redérouler le câble de traction avant chaque décollage en vue de ramener les moyens de fixation au point de départ, il est possible de prévoir un treuil de rappel, également connu sous la dénomination treuil redrive. Ce treuil de rappel est placé sur la piste à l’opposé du treuil de traction. Un câble de rappel, dont l’extrémité libre est fixée aux moyens de fixation du câble de traction, est enroulé sur le treuil de rappel. Le treuil de rappel est conçu pour laisser se dérouler le câble de rappel lors du décollage et de la montée de l’avion tracté, et pour enrouler le câble de rappel après le détachement des moyens de fixation en vue d’une part de ramener les moyens de fixation à un nouveau point de départ, et d’autre part de dérouler le câble de traction. Ainsi, lors du décollage, le câble de rappel se déroule, entraîné par l’avion tracté roulant sur la piste puis décollant. Quand l’avion tracté a atteint l’altitude souhaitée, les moyens de fixation sont détachés et le treuil de traction est arrêté tandis que le treuil de rappel est mis en marche. Le câble de rappel s’enroule sur le treuil de rappel en ramenant les moyens de fixation au point de départ sur la piste et en déroulant en même temps le câble de traction. Une deuxième variante de l’invention consiste à utiliser un câble de traction entraîné par un avion-remorqueur. L’avion-remorqueur tire l’avion tracté jusqu’à ce qu’il atteigne sa vitesse de décollage, puis continue de le tirer jusqu’à ce qu’il ait atteint une altitude supérieure à 1 000 m, de préférence supérieure à 1 500 m, et de façon privilégiée supérieure à 2 000 m, et/ou son altitude opérationnelle. Ensuite, le câble de traction est détaché de l’avion tracté de la même manière que pour les planeurs. Cette manière de procéder est la même que celle pratiquée couramment pour des planeurs, mais le tractage de l’avion tracté se poursuit à des altitudes bien plus élevées. L’avion-remorqueur est de préférence un avion à turbopropulseur. Les avions à turbopropulseurs, notamment les avions à turbopropulseurs à grandes hélices, ont un bon rendement à ces vitesses relativement basses. L’avion-remorqueur qui entraîne le câble de traction ne parcourant pas de grandes distances, il est également possible d’utiliser un avion à moteur électrique ce qui réduit les nuisances sonores lors du décollage. Il est préférable dans le cadre de la présente invention d’utiliser un câble de traction léger, notamment un câble en fibres de carbone. Le câble de rappel, quant à lui, n’a pas besoin d’être particulièrement résistant, car il ne contribue pas à la traction de l’avion tracté. L’invention concerne également un procédé d’aide au décollage et à la montée pour un aéroplane de type avion de transport et/ou avion-cargo. L’avion est tracté au moyen d’un dispositif d’aide au décollage et à la montée comprenant un câble de traction dont une première extrémité est munie de moyens de fixation pour la fixer de façon détachable à l’avion tracté et qui peut être entraîné par un dispositif d’entraînement. Dans le procédé de l’invention, - les moyens de fixation sont fixés à l’avion tracté, - l’avion tracté est ensuite tracté par le dispositif d’entraînement jusqu’à une altitude supérieure à 1 000 m, de préférence supérieure à 1 500 m, et de façon privilégiée supérieure à 2 000 m, et/ou jusqu’à son altitude opérationnelle, - puis les moyens de fixation sont détachés de l’avion tracté. Durant le décollage et la montée, l’avion tracté a ses propres moteurs éteints, ou tout au plus au ralenti. Ainsi, il est possible de réduire considérablement la pollution sonore et chimique au niveau de la piste de décollage, et de diminuer l’emport de carburant. Les moteurs de l’avion tracté ne sont de préférence mis à la puissance nécessaire à la poursuite du vol, généralement la pleine puissance, que peu de temps avant le détachement du câble de traction. Exemples de réalisation Un exemple de réalisation de l’invention est expliqué ci-dessous. L’idée maîtresse de l’invention est de transposer à l’aviation commerciale ce qui se fait depuis des décennies dans l’aviation légère, à savoir aider au décollage et à la montée des planeurs. Or, les turboréacteurs installés sur les avions de transport ont de faibles rendements au décollage et à la montée, car ils ont une faible section de passage de l’air, même s’ils sont à double flux, la vitesse de vol étant faible (voir théorie de Froude). Une première possibilité pour améliorer cette situation est d’aider l’avion à prendre de la vitesse, décoller puis monter à l’aide d’un treuil de traction. Avec un treuil puissant, on peut, sur les aérodromes actuels, monter à près de 2 000 m selon la longueur de piste disponible. Ce treuil de traction peut être électrique, ce qui réduit très considérablement le bruit et les émissions polluantes. Une autre solution, également utilisée avec succès depuis des décennies dans l’aviation légère, est d’utiliser un aéronef remorqueur spécialement adapté à la vitesse de montée des avions. Cet avion-remorqueur sera équipé d’un ou de deux turbopropulseurs à grande hélice, tournant lentement donc ayant un bon rendement à ces vitesses relativement basses. On peut aussi envisager l’utilisation de moteurs électriques avec récupération d’énergie à la descente et émission de bruit réduite. Par conséquent, un avion tracté est relié à un câble de traction entraîné par un dispositif d’entraînement. Dans la première variante de réalisation, le dispositif d’entraînement du câble de traction consiste essentiellement en un treuil de traction disposé sur la piste de décollage, de préférence en bout de piste ou à proximité du bout de piste. Dans la deuxième variante de réalisation, le dispositif d’entraînement est un avion-remorqueur. Dans les deux cas, il est préférable que le moteur du treuil ou celui de l’avion-remorqueur soit un moteur électrique afin de réduire les nuisances sonores lors du décollage et de la phase de montée de l’avion tracté. Dans le cas de la traction par treuil, le câble a une partie qui reste déroulée tant que le câble est fixé à l’avion tracté : cette partie du câble constitue à proprement parler le câble de traction au sens de l’invention. Le reste du câble, qui est en partie déroulé au début de la manœuvre, fait partie avec le treuil de traction des moyens d’entraînement. La partie du câble qui reste déroulée tant que le câble est fixé à l’avion tracté est donc entraînée par l’autre partie qui s’enroule sur le treuil de traction. Dans le cas de la traction par avion-remorqueur, le câble de traction est entraîné par l’avion-remorqueur. La première extrémité du câble de traction est fixée de façon détachable à l’avion tracté à l’aide de moyens de fixation. Une fois l’altitude souhaitée atteinte, supérieure à 1 000 m, de préférence supérieure à 1 500 m, et de façon privilégiée supérieure à 2 000 m, et/ou l’altitude opérationnelle, le câble de traction est détaché de l’avion tracté et retombe au sol. Afin de diminuer le poids du câble de traction, celui-ci est de préférence réalisé dans une matière légère, mais résistante telle que des fibres de carbone. Par ailleurs, l’avion de transport doit toujours pouvoir voler et même pouvoir monter légèrement si un moteur tombe en panne (N-1) comme le demandent les normes (JAR ; FAR ; ETOPS….). La puissance des moteurs devra donc être choisie en fonction des minimas imposés par les normes précitées. Une solution pour régler au mieux le vol avec (N-1) est d’utiliser trois petits réacteurs, au lieu de deux. L’invention présente les avantages suivants : - en utilisant un treuil de traction électrique ou un avion-remorqueur électrique, il est possible de réduire considérablement les nuisances sonores et les émissions polluantes au décollage et durant la montée ; - l’énergie nécessaire à l’accélération et à la première phase de montée étant apportée en grande partie par le dispositif d’entraînement, il est possible d’équiper les avions de transport ou les avions-cargos de moteurs moins puissants, donc moins lourds et moins volumineux. La masse à vide de l’avion tracté est donc plus faible et sa finesse plus élevée, ce qui permet à nouveau une réduction de la consommation de carburant. L’utilisation de turboréacteurs plus légers et surtout moins volumineux permet d’escompter un gain de finesse important. Les avions de ligne actuels ont une finesse maximale d’environ 17 alors qu’un avion sans les gros réacteurs actuels peut dépasser 22 comme l’avait démontré la « Caravelle » SE 210 il y a 50 ans ! La diminution de la masse des réacteurs s’ajoutant à l’amélioration aérodynamique permet une réduction de plus de 35 % de la consommation de kérosène en croisière à vol horizontal; - quand le dispositif d’entraînement est un avion-remorqueur, celui-ci peut être monoplace ou biplace, et il peut être équipé d’un ou de deux turbopropulseurs à grande hélice, tournant lentement donc ayant un bon rendement à ces vitesses relativement basses ; - l’utilisation d’un dispositif d’aide au décollage et à la montée selon l’invention est complémentaire aux recherches actuelles visant à alléger les avions de transport en remplaçant le kérosène par de l’hydrogène, en utilisant des systèmes hybrides combinant les générateurs thermiques et les moteurs électriques, voire utilisant des moteurs entièrement électriques. Autrement dit, l’invention peut s’appliquer à des avions tractés électriques. Utilisation - d’un dispositif d’aide au décollage et à la montée d’un aéroplane, le dispositif comprenant un câble de traction dont une première extrémité est munie de moyens de fixation pour la fixer de façon détachable à un aéroplane, et qui peut être entraîné par un dispositif d’entraînement, - pour faire décoller et monter un avion tracté, l’avion tracté étant un avion de transport et/ou un avion-cargo, les moyens de fixation étant détachés de l’avion tracté lorsque l’avion tracté a atteint une altitude supérieure à 1 000 m. Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de fixation sont détachés de l’avion tracté lorsque l’avion tracté a atteint une altitude supérieure à 1 500 m, de préférence supérieure à 2 000 m. Utilisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le câble de traction est entraîné par un treuil de traction situé au même niveau que la piste de décollage, de préférence sur la piste de décollage, en particulier au bout ou à proximité du bout de la piste de décollage. Utilisation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le treuil de traction est un treuil de traction électrique. Utilisation selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce qu ’ un treuil de rappel est placé sur la piste à l’opposé du treuil de traction, et sur lequel est enroulé un câble de rappel dont l’extrémité libre est fixée aux moyens de fixation, le treuil de rappel étant conçu pour laisser se dérouler le câble de rappel lors du décollage et de la montée de l’avion tracté, et pour enrouler le câble de rappel après le détachement des moyens de fixation en vue de ramener les moyens de fixation à un nouveau point de départ et de dérouler le câble de traction. Utilisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le câble de traction est entraîné par un avion-remorqueur. Utilisation selon la revendication 6, caractérisée en ce que l’avion-remorqueur est un avion-turbopropulseur. Utilisation selon la revendication 6, caractérisée en ce que l’avion-remorqueur est un avion à moteur électrique. Utilisation selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le câble de traction est un câble en fibres de carbone. Procédé de décollage d’un avion tracté, l’avion tracté étant un avion de transport et/ou un avion-cargo, au moyen d’un dispositif d’aide au décollage et à la montée comprenant un câble de traction dont une première extrémité est munie de moyens de fixation pour la fixer de façon détachable à l’avion tracté et qui peut être entraîné par un dispositif d’entraînement, procédé dans lequel les moyens de fixation sont fixés à l’avion tracté, l’avion tracté est tracté par le dispositif d’entraînement jusqu’à une altitude supérieure à 1 000 m, puis les moyens de fixation sont détachés de l’avion tracté. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moteurs de l’avion tracté sont éteints ou au ralenti durant le décollage et la montée. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moteurs de l’avion tracté sont mis à une puissance nécessaire à la poursuite du vol après une première phase de montée et avant le détachement des moyens de fixation.