FR 3143553 A1 20240621 FR 2213407 A 20221214 AVION A TROIS SURFACES PORTANTES A FORTE STABILITE ET FORTE AGILITE L’avion à trois surfaces portantes (1), (2) et (3) est équipé de volets mobiles (6), (7) et (8) sur chacune des surfaces portantes. Les volets de la surface portante amont (6) sont reliés aux volets de l’aile principale (7) par une liaison rigide selon un rapport d’angle de braquage égal à 50 %. Les efforts sur la surface portante aval (empennage horizontal) (3) s’inversent entre le décollage (portance négative) et la croisière (portance positive). Des ailettes de stabilisation (5) sont positionnées à l’arrière du fuselage en partie inférieure selon un angle de 30° par rapport à l’axe médian de l’avion. Un dispositif de stabilisation de l’avion en présence de forte turbulence est assuré par une tige de commande lestée (22) placée dans l’empennage vertical (4). La propulsion est placée à l’’arrière du fuselage et est composée soit d’un moteur à piston entrainant une hélice multipale, soit d’un ou deux turbomoteurs entrainant une hélice multipale ou deux hélices contra rotatives, soit d’un turboréacteur, soit d’un ou deux moteurs électriques entrainant une hélice multipale ou deux hélices contra rotatives. Cet avion peut être piloté soit par un humain placé dans l’avion soit par un calculateur électronique commandé depuis le sol ou autonome. Avion à trois surfaces portantes à forte stabilité et forte agilité Domaine Le domaine de l’invention concerne un avion léger comportant trois surfaces portantes et un système de propulsion situé à l’arrière du fuselage. Etat de l’art Sur les avions, le bénéfice aérodynamique apporté par trois surfaces portantes est reconnu depuis de nombreuses années cependant peu de réalisations concrètes ont été mises en vol en raison de la difficulté à maîtriser les interactions entre les différentes surfaces de sustentation. L’avion comportant trois surfaces portantes le plus connu est le Piaggio Avanti P 180 qui fait l’objet du brevet EP 0 084 686 B2. D’autres constructeurs (Airbus) s’intéressent à de telles architectures comme indiqué dans le brevet FR 1257269. L’avion expérimental Catbird de Burt Rutan est également un bon exemple d’avion à trois surfaces portantes. Caractéristiques techniques de l’invention Cette invention est relative à un avion comportant trois surfaces portantes actives fixées sur un fuselage (Figures 1, 2, 3). Les surfaces portantes sont disposées comme tel : - Une surface portante placée à l’avant du fuselage en partie haute (plan canard). - Une surface portante principale disposée entre le premier quart et dernier quart du fuselage (aile principale). - Une surface portante disposée à l’extrémité arrière du fuselage en partie supérieure, au sommet de la dérive (empennage horizontal). La surface avant appelée couramment plan canard est positionnée en partie supérieure du fuselage. La position en partie supérieure du fuselage permet de canaliser l’écoulement à l’amont de l’aile principale. Aux grands angles d’incidence, la présence de la surface portante amont permet de réduire l’angle d’incidence sur la voilure principale et augmente la marge au décrochage. En effet, la première surface portante qui décroche est le plan canard, ce qui rend le décrochage souple et aisément contrôlable. L’aile principale en flèche à dièdre négatif est positionnée en partie basse du fuselage. Elle est calée et vrillée de façon à assurer une répartition de pression identique sur toute la surface de la voilure, sa forme et sa position sont définies afin de bénéficier de la déflexion de l’écoulement amont par le plan canard. La flèche permet de maintenir une faible trainée à forte vitesse. Sur le bord d’attaque de chaque aile principale, un décrochement génère un écoulement perturbé aux grands angles dans le but de prévenir un décrochage partiel et local. L’empennage horizontal est positionné au sommet de l’empennage vertical, son profil est inversé. En croisière, les efforts aérodynamiques sont répartis de la façon suivante ( ) : F1= 0,1 g, F2=0,75 g, F3=0,15 g, toutes les surfaces sont portantes. L’empennage horizontal est positionné au sommet de la dérive de sorte que l’écoulement à l’amont de cette surface ne soit pas perturbé par les sillages issus des plans canard et des ailes principales. L’empennage horizontal a un profil inversé dissymétrique par rapport au plan canard et à l’aile principale. Lors du décollage ou lors de la prise d’incidence les efforts aérodynamiques sur la surface arrière s’inversent. Ceci permet d’améliorer la rotation de l’avion et de réduire la distance de décollage. Au décollage, les efforts aérodynamiques se répartissent de la façon suivante : F1=0,15 g, F2=0,95 g, F3=-0,1 g ( ). Cette inversion de portance lors des prises d’incidence permet un taux de virage important et rend l’avion très agile. Deux ailettes profilées de stabilisation sont positionnées à l’arrière du fuselage elles sont à dièdre inversé. Ces deux ailettes sont placées à 30° de part et d’autre du fuselage. Ces deux surfaces sont destinées à éviter un cabrage trop violent de l’avion, elles contribuent à la stabilité de l’avion en présence de forte turbulence. Ces deux surfaces profilées sont essentielles pour assurer la très bonne stabilité de l’avion. Lorsque l’incidence de l’écoulement est positive, ces surfaces sont portantes, lorsque l’incidence est négative, la portance s’inverse et devient négative. Le plan canard et l’aile principale disposés de chaque côté du fuselage sont munis de volets mobiles reliés mécaniquement. Une commande rigide les relie au système de mélangeur aileron/volet de courbure de l’aile principale ( ). Cette fonction combinée aileron/volet de courbure est appelée flaperon. Les ailes principales sont munies de volets à double fonction : commande de roulis et augmentation de la portance par braquage positif ou négatif. Une loi permet un braquage différentiel de chaque aileron/courbure. La fonction volet de courbure est assurée par un vérin électrique actionné par le pilote. Les différents braquages des flaperons ont une action sur les volets du plan canard via la commande rigide pré citée. Compte tenu du rapport de portance des plans canard sur celle des ailes principales (15%), le braquage des volets du plan canard est égal à 50 % du braquage des flaperons. Cette loi permet à l’avion d’être équilibré naturellement sur toute la plage de vitesse. La gouverne de profondeur placée à l’arrière de l’empennage horizontal sert au contrôle en tangage de l’avion, elle est composée de deux volets reliés mécaniquement et manœuvrés par le pilote grâce à une commande rigide. Au bord de fuite des volets se trouvent deux surfaces mobiles (tab) ces deux surfaces par leurs actions diminuent l’effort sur la commande de profondeur. La commande de la gouverne de profondeur est assurée par le manche. Celui-ci est relié à une première tige de commande horizontale. Celle-ci transmet le mouvement à une tige verticale grâce à un premier guignol. Cette seconde tige de commande installée dans l’empennage vertical est lestée d’une masse dite de compensation par G. Cette seconde tige de commande est reliée à une troisième tige par l’intermédiaire d’un guignol. Cette troisième tige est reliée aux deux volets constituant la gouverne de profondeur ( ). En présence de forte turbulence l’avion se cabre et prend de l’incidence positive, son facteur de charge augmente. La tige verticale lestée, sous l’action de l’accélération positive se déplace dans la direction opposée au facteur de charge. Ce déplacement se traduit par un effort appliqué sur le manche vers l’avant et un déplacement de la gouverne de profondeur vers le bas. Ce braquage de la gouverne de profondeur augmente la portance de l’empennage horizontal qui réduit le facteur de charge et ramène l’avion à l’horizontal. Cette tige lestée dite de compensation par G constitue un élément important pour stabiliser l’avion en présence d’écoulement fortement turbulent. La dérive est positionnée à l’arrière de l’empennage vertical et actionnée par le pilote via un système de câble relié aux palonniers. Cette commande est couplée au système du train avant directionnel et conjugué. Cet avion peut être piloté par un pilote agissant sur les commandes de vol ou piloté par un calculateur électronique commandé depuis une station au sol ou en autonomie totale. Stabilité et contrôle commande . La position des trois plans associés à la combinaison des différents réglages des volets mobiles permet une configuration de vol où les vecteurs de portances sont tous positifs. Cette combinaison est réalisée par un système de mélangeur mécanique sans action spécifique du pilote hormis le réglage de la fonction « volet de courbure » et le trim de profondeur. Les trois vecteurs de portance orientés vers le haut assurent une très grande stabilité de l’avion en particulier en présence de rafale ou de forte turbulence ( ). Description de la propulsion . Différents types de propulsion sont possibles sur cet avion : 1) L’hélice est placée à l’arrière du fuselage et absorbe la couche limite du fuselage afin de minimiser la trainée de culot. Un arbre de transmission relie le vilebrequin du moteur à piston à un palier solidaire du fuselage. L’hélice à vitesse constante est fixée sur ce palier. La captation de l’air d’alimentation et de refroidissement du moteur est assurée par deux entrées d’air positionnées de part et d’autre du fuselage en amont des ailes principales et sous la ligne du plan canard dans un zone de pression favorable. 2) La propulsion peut être assurée par un ou deux turbomoteurs entrainant une simple hélice ou deux hélices contra rotatives. 3) L’avion peut être propulsé par un turboréacteur. La tuyère d’éjection des gaz est située à l’arrière du fuselage à la place de l’hélice. 4) L’avion peut être propulsé par un ou deux moteurs électriques entrainant une simple hélice ou deux hélices contra rotatives. Description du système de train d’atterrissage. Le train d’atterrissage est tri cycle, un train à l’extrémité avant et deux trains principaux positionnés sous les ailes. Ils sont à amortisseurs hydrauliques intégrés. La manœuvre de sortie et de rentrée des trains d’atterrissage est assurée par une pompe hydraulique actionnée par un moteur électrique. Un automate gère le cycle d’ouverture et de fermeture des trappes de train. Description de la technologie de fabrication L’avion à trois surfaces portantes est entièrement réalisé en matériau composite à base de fibres de carbone et de résine. Liste des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures, qui illustrent : : Vue de face de l’avion. : Vue de côté de l’avion. : Vue de dessus de l’avion. : Forces exercées sur l’avion en croisière. : Forces exercées sur l’avion au décollage. : Schéma de commande des volets de canard et des flaperons. : Schéma de commande des volets de la gouverne de profondeur. Les figures 1, 2 et 3 montrent le plan canard (1), l’aile principale (2), la surface portante arrière (3), l’empennage vertical (4), les ailettes de stabilisation (5). Les volets de canard sont représentés en (6), les flaperons en (7), la gouverne de profondeur en (8), la dérive en (9), le fuselage en (10). Les entrées d’air sont représentées en (11), le train avant en (12), le train principal droit en (13) et le train principal gauche en (14). L’hélice est représentée en (15). La montre le schéma de commande des volets de canard et des flaperons. La tige de liaison des flaperons et des volets de canard est représentée en (17), l’actuateur ou vérin de commande des flaperons et des volets de canard est représenté en (16), le guignol de commande de la tige de liaison est en (18). La tige de commande des flaperons est représentée en (19). Le guignol de commande des volets de canard est représenté en (20) et la tige de commande des volets de canard est en (21). L’empennage canard est représenté en (1), le volet de canard en (6). L’aile principale est représentée en (2), le flaperon en (7). La représente le schéma de commande de la gouverne de profondeur (8). L’empennage horizontal est représenté en (3) et la dérive en (4) et la dérive en (9). Sur cette figure sont également représentés : le manche ou commande de pilotage (25), la première tige de commande de la gouverne de profondeur horizontale en (24), le guignol de renvoi de direction en (23), la seconde tige de commande de la gouverne de profondeur verticale et sa masse de compensation par G en (22), le guignol de la gouverne de profondeur en (26), la troisième tige de commande de la gouverne de profondeur en (27). Avion à trois surfaces portantes caractérisé en ce qu’il comprend une surface portante amont (1) placée au-dessus de l’aile principale (2) et une surface portante aval (3) placée au-dessus des deux autres , ces trois surfaces portantes (1, 2, 3), comprenant des volets mobiles (6, 7, 8) et une commande rigide (21,17,19),entre les volets de la surface portante amont (6) et ceux de l’aile principale (7) , en ce qu’un angle de braquage des volets de la surface portante amont (6) est égal à 50% de l’angle de braquage des volets de l’aile principale (7), en ce qu’au décollage, les efforts aérodynamiques se répartissent de la façon suivante : F1=0,15g, F2=0,95g, F3=-0,1 g, en ce qu’un croisière, les efforts aérodynamiques se répartissent de la façon suivante : F1= 0,1 g, F2=0,75g, F3=0,15g. Avion à trois surfaces portantes selon la revendication 1 caractérisé par la mise en place de deux ailettes de stabilisation (5) positionnées sous l’arrière du fuselage (10) selon un angle de 30° de part et d’autre du fuselage. Avion à trois surfaces portantes selon les revendications 1 et 2 caractérisé par un empennage horizontal (3) à profil inversé dissymétrique par rapport aux deux autres surfaces portantes (1),(2). Avion à trois surfaces portantes selon les revendications 1 et 2 et 3 caractérisé par un système de propulsion composé d’une hélice multipale entrainée par un moteur à pistons logé dans la partie arrière du fuselage(10). Avion à trois surfaces portantes selon les revendications 1 et 2 et 3 caractérisé par un système de propulsion composé par une hélice multipale entrainée par un ou deux turbomoteurs. Avion à trois surfaces portantes selon les revendications 1 et 2 et 3 caractérisé par un système de propulsion composé de deux hélices contrarotative entrainée par un ou deux turbomoteurs. Avion à trois surfaces portantes selon les revendications 1 et 2 et 3 caractérisé par un système de propulsion composé d’un turboréacteur. Avion à trois surfaces portantes selon les revendications 1 et 2 et 3 caractérisé par un système de propulsion composé d’un ou deux moteurs électriques entrainant une simple hélice ou deux hélices contra rotatives.