Brevet FR3140446A1 — publié le 20240405

Dispositif de mesure de la vitesse de rotation d’une hélice d’aéronef Dispositif (210) de mesure d’une vitesse de rotation d’une hélice (211) d’aéronef comprenant : un capteur de vitesse optique (220) ; une fibre optique (230) reliée au capteur de vitesse optique et destinée à être reliée à une unité de contrôle de l’aéronef ; et au moins une cible (251, 252) configurée pour suivre la rotation de l’hélice, le capteur de vitesse optique étant configuré pour détecter la cible. Figure pour l’abrégé : Fig. 2A Dispositif de mesure de la vitesse de rotation d’une hélice d’aéronef La présente invention se rapporte au domaine général de la synchronisation de phase entre les hélices d’un aéronef, et plus particulièrement à la mesure de la vitesse de rotation de ces hélices pour permettre une telle synchronisation. Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’avions mais aussi à ceux actuellement en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique. Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des impacts environnementaux modérés dans un but d’amélioration de l’efficacité énergétique des avions. Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son impact climatique par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire l’empreinte environnementale de son activité. Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’avions, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques. Afin d’améliorer l’acceptabilité d’entrée sur le marché des nouveaux aéronefs, notamment des aéronefs à turbopropulseurs électriques, on prévoit une synchronisation de phase (« synchrophasing ») des hélices de l’aéronef pour réduire le bruit ressenti à l’intérieur de l’aéronef. Il s’agit de faire en sorte que la signature sonore de ces nouveaux aéronefs à turbopropulseurs électriques ne dépasse pas celle des aéronefs déjà présents sur le marché. En pratique, cela implique typiquement d’arriver par synchronisation de phase entre les hélices à une réduction du bruit par rapport aux turbopropulseurs thermiques actuels d’environ 25 dB pour un niveau sonore habituel ressenti à l’intérieur de l’aéronef pouvant aller de 85 dB à 100 dB. De manière connue, la synchronisation de phase entre les hélices comprend une mesure de la vitesse de rotation des hélices de l’aéronef, permettant ensuite de synchroniser la vitesse et l’angle de rotation de ces hélices. Cette mesure est habituellement réalisée au moyen de capteurs inductifs ou à effet Hall. Or, et s’agissant d’hélices mues par des propulseurs électriques de moyenne à forte puissance, à l’environnement déjà contraignant des capteurs au plan vibratoire et thermique notamment, s’ajoutent des perturbations électromagnétiques associées à la puissance électrique des propulseurs. Les capteurs habituellement utilisés présentent une susceptibilité électromagnétique trop faible, ce qui dégrade la précision de leurs mesures. Il est donc souhaitable de disposer d’un dispositif de mesure réactif et précis de la vitesse de rotation des hélices, et peu sensible aux perturbations électromagnétiques. A cet effet, l’invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des avions, et en ce sens, contribue à la réduction de l’impact environnemental des avions. Pour cela, l’invention concerne un dispositif de mesure d’une vitesse de rotation d’une hélice d’aéronef comprenant : un capteur de vitesse optique ; une fibre optique reliée au capteur de vitesse optique et destinée à être reliée à une unité de contrôle de l’aéronef ; et au moins une cible configurée pour suivre la rotation de l’hélice, le capteur de vitesse optique étant configuré pour détecter la cible. La fibre optique est complètement immune aux perturbations électromagnétiques, de même que le capteur de vitesse optique. Cela permet d’avoir un dispositif de mesure de la vitesse de rotation d’une hélice complètement insensible à son environnement électromagnétique, notamment aux perturbations liées aux câbles électriques ou aux convertisseurs utilisant des électroniques de puissance. Grâce à cette mesure de vitesse de l’hélice, le système de contrôle de l’aéronef pourra vérifier avec précision et constance si l’hélice a la même vitesse que les autres hélices. Selon une caractéristique particulière de l’invention, le capteur de vitesse optique est fixé sur une partie fixe d’un moteur actionnant ladite hélice. Il est par exemple fixé sur la structure fixe supportant le moteur. Cela permet au capteur de vitesse optique d’être moins soumis aux vibrations de l’hélice et du moteur. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la fibre optique est placée le long d’une aile de l’aéronef comprenant ladite hélice. Elle peut par exemple passer le long du bord d’attaque de l’aile. Cela permet avantageusement de réduire la longueur de fibre optique nécessaire, car elle permet de relier le capteur de vitesse optique et l’unité de contrôle de l’aéronef sur le chemin le plus court. De plus, cela permet également de bénéficier des installations de passage déjà présentes pour les câbles ou torons électriques, reliant les alimentations de puissance (convertisseurs) aux moteurs propulseurs électriques, pour acheminer la fibre optique jusqu’à l’unité de contrôle de l’aéronef. Une gaine de protection thermique de la fibre sera alors avantageusement prévue. Cela permet de protéger la fibre optique des hautes températures, notamment celles générées par les câbles d’alimentation haute tension lorsque la fibre passe le long du bord d’attaque de l’aile. Cette protection thermique est par exemple en polymère, par exemple en polytétrafluoroéthylène (PTFE). La fibre optique peut également passer le long du bord de fuite de l’aile. Cela permet de faire passer la fibre optique dans un endroit peu encombré de l’aile. De plus, en passant par le bord de fuite, la fibre optique étant alors suffisamment éloignée des câbles d’alimentation en puissance qui peuvent subir des autoéchauffements importants, il est alors possible de s’affranchir de la couche de protection thermique. Selon un mode de réalisation de l’invention, la cible est placée sur un arbre du moteur actionnant ladite hélice ou sur un arbre portant ladite hélice, et le capteur de vitesse optique est placé sur un axe radial, perpendiculaire à l’axe de rotation de l’arbre du moteur ou de l’arbre portant ladite hélice. En plaçant la cible sur l’arbre moteur ou l’arbre porte hélice, on peut réaliser des mesures radiales pour déterminer la vitesse de rotation de l’hélice. Cet agencement permet d’intégrer le capteur optique au plus près de l’organe mobile portant les cibles de mesure. Cette proximité garantit un jeu mécanique minimal entre la partie fixe portant le capteur et l’organe mobile portant les cibles. Autrement dit, on garantit ainsi des déplacements relatifs minimum du fait des phénomènes vibratoires, entre l’organe mobile et le capteur faisant la mesure. La précision de la mesure et son invariance relativement aux conditions vibratoires s’en trouvent améliorées. Selon un autre mode de réalisation de l’invention, la cible est placée sur un flasque fixé à l’arbre du moteur actionnant ladite hélice ou à l’arbre portant ladite hélice, et le capteur de vitesse optique est en regard du flasque selon une direction parallèle à l’axe de rotation de l’arbre du moteur ou de l’arbre portant ladite hélice. En plaçant la cible sur une pièce en rotation avec l’hélice, on réalise des mesures axiales de la vitesse de rotation de l’hélice. Selon une caractéristique particulière de l’invention, la cible est une forme et/ou un contraste de couleurs et/ou un trou. La cible peut par exemple être une forme particulière apparaissant sur l’arbre moteur, l’arbre portant l’hélice ou le flasque fixé à l’un de ces deux arbres. Par exemple, l’arbre ou le flasque peut être dentelé et la cible peut être formée par une dent ou un creux entre deux dents ou encore par un trou présent sur l’arbre ou le flasque. Par ailleurs, la cible peut aussi être une tâche de couleur ou contrastante avec la couleur de fond présente sur un arbre ou le flasque, la tâche de couleur pouvant, par exemple, être formée par une peinture blanche et/ou une peinture réfléchissante. La cible peut encore être formée par une marque ou forme colorée, ce qui permettra d’améliorer sa détection par le capteur optique. Elle peut par exemple être formée par une dent peinte en blanc présente sur l’arbre du moteur, ou l’arbre portant l’hélice ou encore le flasque, les arbres et le flasque étant dans ce cas de couleur sombre. Selon une caractéristique particulière de l’invention, le dispositif comprend une pluralité de cibles et le capteur de vitesse optique est configuré pour détecter la pluralité de cibles. En ayant plusieurs cibles, on peut améliorer la précision de la mesure de vitesse. De plus, les cibles peuvent être toutes identiques ou on peut choisir d’avoir des cibles différentes. Selon un autre aspect, les cibles peuvent être équidistantes entre elles ou non. Le fait d’avoir des cibles différentes et/ou non équidistantes peut permettre de détecter le sens de rotation de l’hélice, en plus de la mesure de la vitesse de rotation. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la distance entre la cible ou les cibles et le capteur de vitesse optique est comprise entre 1 mm et 10 mm. Un autre objet de l’invention est un aéronef comprenant une pluralité d’hélices, dans lequel chaque hélice comprend un dispositif de mesure selon l’invention. Ainsi, dans cet aéronef, chaque hélice de l’aéronef comprend un dispositif de mesure selon l’invention. De plus, tous les dispositifs peuvent être identiques ou différents. Par exemple, on peut choisir de faire passer les fibres optiques le long du bord d’attaque pour les hélices présentes sur une aile et le long du bord de fuite pour les hélices présentes sur l’autre aile. On peut également placer, pour certaines hélices, les capteurs de vitesse optiques axialement en regard d’un flasque fixé sur les arbres du moteur ou les arbres portant ces hélices et pour les autres hélices, les capteurs de vitesse optiques sont placés sur un axe radial à l’axe de rotation des arbres du moteur et des arbres portant ces autres hélices. On peut encore faire varier le nombre de cibles entre les différentes hélices, et/ou le type de cibles et/ou les distances entre les cibles d’une même hélice, etc … . D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. La représente, de manière schématique et partielle, une aile d’aéronef comprenant trois hélices dont la vitesse de rotation est mesurée par un dispositif de mesure selon un mode de réalisation de l’invention. La représente, de manière schématique et partielle, un zoom sur l’aile d’aéronef, en particulier sur l’un des turbopropulseurs associé à l’une des hélices de la . La représente, de manière schématique et partielle, un dispositif de mesure de la vitesse de rotation d’une hélice selon un autre mode de réalisation de l’invention. La représente, de manière schématique et partielle, les cibles du dispositif de mesure de la . La représente, de manière schématique et partielle, un dispositif de mesure de la vitesse de rotation d’une hélice selon un autre mode de réalisation de l’invention. L’invention est décrite ci-dessous dans le contexte particulier d’aéronefs comportant des propulseurs électriques. Un propulseur électrique désigne l’ensemble composé d’une hélice et d’un moteur électrique actionnant cette hélice. Les figures 1A et 1B représentent, de manière schématique et partielle, une aile 140 d’aéronef comprenant trois hélices 110, 112, 114 chacune associée à un moteur électrique respectif 111, 113, 115, et la vitesse de rotation de chacune peut être avantageusement mesurée par un dispositif de mesure tel qu’il va être décrit ci-après. Le dispositif de mesure de la vitesse de rotation d’une hélice, telle que l’hélice 110, 112 ou 114, comprend un capteur de vitesse optique, une fibre optique 130 reliée au capteur de vitesse optique et à une unité de contrôle 160 de l’aéronef et au moins une cible configurée pour suivre la rotation de l’hélice considérée. Le capteur de vitesse optique est configuré pour détecter la ou les cibles. L’unité de contrôle 160 peut comprendre un convertisseur de signal optique en signal logique numérique pour interpréter les mesures du capteur de vitesse optique. La fibre optique étant immune aux perturbations électromagnétiques, le signal optique est transporté sans perturbation depuis le capteur de vitesse optique vers l’unité de contrôle 160. Cela participe à la précision de la mesure de vitesse de rotation de l’hélice considérée. En référence à la , la fibre optique 130 est, dans cet exemple de réalisation, placée le long du bord d’attaque BA de l’aile 140 qui comprend l’hélice considérée, l’hélice 110 par exemple. Cela permet de réduire la longueur de fibre optique 130, car elle est placée au plus près du capteur de vitesse et passe par le trajet le plus court entre le capteur de vitesse et l’unité de contrôle 160. Une couche de protection thermique peut entourer cette fibre optique 130 pour notamment la protéger de la chaleur générée par les câbles de puissance haute tension passant généralement le long du bord d’attaque BA de l’aile 140, et qui alimentent le moteur électrique de l’hélice 110. La protection thermique peut être réalisée en matériau polymère, par exemple en PTFE. En alternative, on peut choisir de faire passer la fibre optique 130 le long du bord de fuite BF de l’aile 140 si l’on souhaite réduire l’encombrement des servitudes (comme par exemple les câbles d’alimentation haute puissance, les actionneurs de mise en drapeau de l’hélice, les servomoteurs, …) passant le long du bord d’attaque BA ou si l’on souhaite éviter de mettre une protection thermique sur la fibre optique 130. Le dispositif de mesure de la vitesse de rotation des hélices 110, 112 et 114, notamment le capteur de vitesse optique et les cibles est décrit de manière plus détaillée dans la suite de la description en référence aux figures 2A, 2B et 3. La représente, de manière schématique et partielle, un dispositif de mesure 210 de la vitesse de rotation d’une hélice, représentée par l’hélice 211 sur la , selon un mode de réalisation de l’invention, qui présente l’avantage au plan aérodynamique de ne pas avoir d’effet sur la trainée de l’aéronef. La représente les trois cibles 251, 252 et 253 du dispositif 210 de la . Comme indiqué en référence aux figures 1A et 1B, le dispositif de mesure 210 comprend un capteur de vitesse optique 220, une fibre optique 230 reliée au capteur de vitesse optique 220 et à une unité de contrôle de l’aéronef, ainsi qu’au moins une cible 251, 252, 253 configurée pour suivre la rotation de l’hélice 211. Dans cet exemple, le dispositif 210 comprend trois cibles 251, 252, 253 (la troisième cible n’est pas visible sur la , mais est visible sur la ) qui sont placées à équidistance les unes par rapport aux autres. Le capteur de vitesse optique 220 est donc configuré pour détecter ces trois cibles 251, 252, 253. Les cibles 251, 252, 253 sont placées sur un flasque 250 fixé à l’arbre 270 portant l’hélice 211. Dans cet exemple, elles sont formées par un contraste de couleurs sur le flasque 250. Si le flasque 250 est de couleur sombre, par exemple noir ou gris foncé, les cibles 251, 252, 253 sont de couleur claire, par exemple blanche. Ou au contraire, si le flasque 250 est de couleur claire, les cibles 251, 252, 253 peuvent être de couleur sombre. Le contraste entre les cibles à détecter et le fond peut être augmenté par l’utilisation d’une peinture réfléchissante ou au contraire absorbante pour les cibles. Le capteur de vitesse optique 220 est fixé sur une partie fixe du moteur actionnant l’hélice 211, et plus particulièrement, il est placé en regard du flasque 250 selon une direction X’ parallèle à l’axe de rotation X de l’arbre 270 portant l’hélice 211. L’installation axiale du capteur de vitesse 220 relativement à l’axe longitudinal du moteur (axe X), de manière intégrée et profilée dans le carter du moteur propulseur de l’hélice 211, permet de ne pas perturber la traînée de la machine sur le plan aérodynamique. Dans cet exemple, les cibles 251, 252, 253 sont présentes sur un flasque 250 fixé à l’arbre 270 portant l’hélice 211, mais elles peuvent, à la place, être présentes sur un autre flasque ou une autre pièce fixés à l’arbre du moteur actionnant l’hélice 211, comme par exemple une bride possédant un grand diamètre. Si c’est le cas, le capteur de vitesse optique 220 sera en regard de ce nouveau flasque ou de cette nouvelle pièce selon une direction parallèle à l’axe de rotation de l’arbre du moteur. La représente, de manière schématique et partielle, un dispositif de mesure 310 de la vitesse de rotation d’une hélice selon un autre mode de réalisation de l’invention. Comme dans le premier mode de réalisation qui vient d’être décrit, le dispositif de mesure 310 comprend un capteur de vitesse optique 320, une fibre optique (non représentée sur la ) reliée au capteur de vitesse optique 320 et à une unité de contrôle de l’aéronef ainsi qu’au moins une cible 351, 352, 361, 362, 371, 372 configurée pour suivre la rotation de l’hélice. Dans ce deuxième mode de réalisation et comme il va être décrit, le capteur et les cibles associées sont plus intégrés à la partie interne du moteur, ce qui est plus favorable à garantir un jeu mécanique minimal, ce qui en environnement vibratoire permet de minimiser le déplacement relatif entre le capteur fixe et l’organe mobile en rotation avec l’hélice, portant les cibles. La précision de la mesure et son invariance relativement aux conditions vibratoires s’en trouvent améliorées. De manière plus détaillée, le capteur de vitesse optique 320 est fixé sur une partie fixe du moteur actionnant l’hélice. Plus particulièrement, il est fixé dans cet exemple, à une structure fixe supportant ou environnante au moteur, et il est placé sur un axe radial XR à l’axe de rotation X de l’arbre et de sa bride 370. Afin de mesurer la vitesse de rotation de l’hélice, le capteur de vitesse optique 320 est également configuré pour détecter au moins un des groupes de cibles (351, 352), (361, 362), et (371, 372). Les cibles sont placées sur un organe du moteur actionnant l’hélice, qui est mobile en rotation avec l’hélice, dans l’exemple illustré, une bride avant 370 de l’arbre moteur et plus précisément sur la tranche de cet organe mobile. Ces cibles peuvent être de plusieurs types : les cibles 351, 352 et 371, 372 sont des bosses ou proéminences formées sur la tranche de l’organe mobile, en particulier, les cibles 371, 372 présentent en plus un contraste de couleurs par rapport aux cibles 351 et 352 ; et les cibles 361, 362 sont des trous, notamment des formes en creux formées sur la tranche de l’organe mobile. Si le capteur 320 est configuré pour détecter plusieurs groupes de ces cibles (351, 352), (361, 362), et (371, 372), il pourra également déterminer le sens de rotation de l’hélice si par exemple les groupes de cibles sont de contraste différent ou si les cibles ne sont pas placées à équidistance. Dans cet exemple, les cibles 351, 352, 361, 362, 371, 372 étaient présentes sur la bride avant 370 de l’arbre moteur actionnant l’hélice. Dans une variante, les cibles pourraient être présentes sur l’arbre du moteur actionnant l’hélice. Si c’est le cas, le capteur de vitesse optique 320 sera placé sur un axe radial à l’axe de rotation de l’arbre du moteur. Pour les deux modes de réalisation décrits en référence aux figures 2 et 3, la fibre optique passe le long de l’aile jusqu’à l’hélice dont on cherche à mesurer la vitesse de rotation, le long du bord d’attaque ou bien le long du bord de fuite. Si l’aile, ou plus généralement l’aéronef, comprend plusieurs hélices, au moins deux hélices, dont on cherche à mesurer les vitesses de rotation, on pourra placer autant de dispositifs selon l’invention qu’il y a d’hélices. Les fibres optiques de chacun de ces dispositifs pourront passer toutes le long des bords d’attaque ou le long des bords de fuite des ailes de l’aéronef, ou pourront encore être réparties entre les deux bords des ailes de l’aéronef afin d’optimiser l’encombrement dans les ailes. De même que pour les cibles présentes dans chacun de ces dispositifs, leur nombre pourra varier entre les dispositifs, de même que leur forme ou emplacement. Quel que soit le mode de réalisation, si plusieurs cibles sont présentes dans le dispositif de mesure, elles pourront être équidistantes entre elles ou placées à des distances variables, si on cherche en plus à déterminer le sens de rotation de l’hélice. Quel que soit le mode de réalisation, la distance entre une cible et le capteur de vitesse optique est comprise entre 1 mm et 10 mm. Quel que soit le mode de réalisation, le capteur de vitesse optique est un capteur optique présentant une précision en-dessous du degré. Par exemple, c’est un capteur à fente ou circulaire. Dispositif (210, 310) de mesure d’une vitesse de rotation d’une hélice (110, 112, 114, 211) d’aéronef comprenant : un capteur de vitesse optique (220, 320) ; une fibre optique (130, 230) reliée au capteur de vitesse optique et destinée à être reliée à une unité de contrôle (160) de l’aéronef ; et au moins une cible (251, 252, 253, 351, 352, 361, 362, 371, 372) configurée pour suivre la rotation de l’hélice (110, 211), le capteur de vitesse optique étant configuré pour détecter la cible. Dispositif de mesure selon la revendication 1, dans lequel le capteur de vitesse optique est fixé sur une partie fixe d’un moteur actionnant ladite hélice. Dispositif de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la fibre optique (130) est placée le long d’une aile (140) de l’aéronef comprenant ladite hélice (110). Dispositif de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel une couche de protection thermique entoure la fibre optique. Dispositif (310) de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la cible (351, 352, 361, 362, 371, 372) est placée sur un bride avant (370) de l’arbre du moteur actionnant ladite hélice ou sur un arbre portant ladite hélice, et le capteur de vitesse optique est placé sur un axe radial (XR) perpendiculaire à l’axe de rotation (X) de l’arbre du moteur ou de l’arbre portant ladite hélice. Dispositif (210) de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la cible (251, 252, 253) est placée sur un flasque (250) fixé à l’arbre du moteur actionnant ladite hélice ou à l’arbre (270) portant ladite hélice, et le capteur de vitesse optique (220) est en regard du flasque selon une direction parallèle (X’) à l’axe de rotation (X) de l’arbre du moteur ou de l’arbre portant ladite hélice. Dispositif de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la cible est une forme et/ou un contraste de couleurs et/ou un trou. Dispositif de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant une pluralité de cibles et le capteur de vitesse optique étant configuré pour détecter la pluralité de cibles. Aéronef comprenant une pluralité d’hélices, dans lequel chaque hélice comprend un dispositif de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.