Domaine technique et état de l'art

L'invention concerne un véhicule aérien comprenant un fuselage s'étendant selon un axe principal longitudinal, deux ailes positionnées de part et d'autre du fuselage, deux unités de propulsion chacune fixée respectivement à une aile, chaque unité de propulsion étant configurée pour produire une poussée dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal, et une unité d'équilibrage statique fixée au voisinage d'une extrémité du fuselage et configurée pour produire une poussée selon une direction sensiblement orthogonale à l'axe longitudinal. Le véhicule aérien développé dans le cadre de l'invention est un drone, c'est-à-dire un avion sans pilote.

Le document WO 2010/137016 décrit un tel véhicule aérien. Les deux unités de propulsion fixées sur les ailes sont orientables pour produire soit une poussée verticale, pour un décollage / atterrissage vertical de l'avion, soit une poussée horizontale pour un vol horizontal. Les avantages d'un avion à décollage / atterrissage vertical et vol horizontal sont bien connus, parmi lesquels les avantages suivants. Le vol horizontal permet à l'avion de voler loin et à grande vitesse. Le décollage / atterrissage vertical ne nécessite pas d'infrastructure de grande dimension (piste d'envol) spécifique au sol. La stabilité droite / gauche du véhicule est assurée par le positionnement de part et d'autre des deux unités de propulsion par rapport à l'axe longitudinal du fuselage. La stabilité avant / arrière est assurée par la portance des ailes en vol horizontal, et par l'unité de stabilisation positionnée à l'arrière du fuselage en vol vertical.

L'inconvénient d'un avion selon le document WO 2010 / 137 016 est sa voilure de dimension importante. Une telle voilure est intéressante pour la portance de l'appareil en vol aérodynamique (vol horizontal ici), mais elle pénalise fortement l'appareil en phase de vol stationnaire et de décollage / atterrissage (vol vertical).

Description de l'invention

L'invention propose un nouveau véhicule aérien ne présentant pas les inconvénients des véhicules aériens existants. Plus précisément, l'invention propose un nouveau véhicule aérien, par ailleurs conforme à un véhicule aérien tel que décrit ci-dessus, et caractérisé en ce que :

· chaque aile est montée rotative selon un axe transversal entre une position de vol aérodynamique où l'aile s'étend dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal et une position de vol statique où l'aile s'étend dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal,

• chaque aile a une forme triangulaire et présente un bord longitudinal s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du fuselage, et un bord d'attaque, un angle entre le bord d'attaque et le bord longitudinal étant inférieur ou égal à 90°, une longueur du bord longitudinal étant comprise entre 1,25 et 3 fois une longueur du bord d'attaque,

• lorsque les ailes sont en position de vol aérodynamique, une extrémité commune du bord d'attaque et du bord longitudinale est positionnée entre une tête du fuselage et l'axe transversal et une extrémité du bord longitudinal opposée au bord d'attaque est positionnée entre l'axe transversal et la queue du fuselage. Les ailes montées rotatives permettent d'avoir une surface de voilure importante en vol horizontal, et une voilure minimale en vol vertical, ce qui facilite grandement les phases de décollage / atterrissage : la poussée des moteurs peut être réduite et le volume et le poids des moteurs peut être réduits en conséquence, l'équilibre de l'avion est meilleur, etc.

La forme triangulaire des ailes permet d'avoir des ailes de grande surface, ce qui permet d'une part d'avoir un véhicule doté d'une grande capacité de chargement (en termes de poids) et d'autre part d'avoir un véhicule à faible consommation d'énergie lors de vols sans charge. Les ailes aérodynamiques permettent des vols avec peu d'efforts de propulsion (énergie limitée), et des extrémités d'ailes proches de la queue du véhicule lui permettent d'être très réactif en terme de trajectoire (en terme de direction et en terme de profondeur).

De préférence, l'angle entre le bord d'attaque et le bord longitudinal des ailes est compris entre 75 et 90°. Le choix d'un tel angle permet d'obtenir un bon compromis entre une surface maximale des ailes et un bon coefficient de pénétration dans l'air.

Selon un mode de réalisation, l'angle entre le bord d'attaque et le bord longitudinal des ailes est égal à 90° de sorte qu'une voilure du véhicule a ainsi, lorsque les ailes sont en position de vol aérodynamique, une forme triangulaire dont un bord est constitué par les bords d'attaque des deux ailes formant ensemble un côté du triangle. Cette forme de voilure sensiblement triangulaire, similaire à la forme d'un corps de raie aigle, présente une grande surface et un grand coefficient de pénétration dans l'air.

Selon un mode particulier de réalisation, le véhicule est un véhicule sans pilote comprenant des moyens de communication pour communiquer avec une base distante. Un pilote distant peut ainsi piloter complètement le véhicule, sa trajectoire, sa vitesse, la position de ses ailes, etc.

Des moyens tels qu'un ou des moteurs électriques sont prévus pour entraîner en rotation les ailes autour de leur axe de rotation respectif. De préférence, les moyens sont aptes à entraîner les ailes indépendamment l'une de l'autre, ce qui permet un guidage de l'appareil avec une meilleure stabilité. Lorsque les ailes du véhicule sont en position de vol stationnaire, l'extrémité libre du bord longitudinal de chaque aile peut former un pied sur lequel le véhicule aérien peut reposer. Ainsi, l'avion selon l'invention peut à l'arrêt reposer sur l'extrémité de ses ailes et n'a pas besoin de pied additionnel au moins à l'avant. L'appareil est ainsi simplifié et son poids est limité.

En complément, le véhicule peut comprendre un pied arrière, positionné au voisinage de l'extrémité du fuselage ; le pied s'étend sous le fuselage, par exemple sous une dérive du véhicule, dans une direction parallèle aux ailes en position de vol stationnaire.

Un moyen de verrouillage peut être prévu pour solidariser les ailes sur le fuselage lorsque les ailes sont en position de vol aérodynamique. Le moyen de verrouillage est de préférence positionné au voisinage de l'extrémité libre des ailes de l'appareil. Le moyen de verrouillage limite les efforts mécaniques sur les moyens d'entraînement en rotation des ailes et évite la nécessité d'utiliser un asservissement mécanique des ailes pour les maintenir en position de vol aérodynamique.

Un accumulateur électrique est prévu pour fournir une énergie électrique aux unités de propulsion, à l'unité d'équilibrage et / ou aux moyens d'entraînement des ailes en rotation. Pour recharger l'accumulateur, le véhicule peut encore comprendre au moins une prise de rechargement fixée à une extrémité d'une aile ; la prise est configurée pour coopérer avec un socle de prise associé d'un chargeur d'accumulateur électrique au sol lorsque les ailes sont en position de vol stationnaire. Ainsi, l'accumulateur électrique peut être rechargé très simplement, en posant l'extrémité libre d'au moins une aile sur le socle de prise associé posé au sol. Mieux, dans le cas particulier d'un véhicule sans pilote, le véhicule selon l'invention peut se poser seul avec l'extrémité libre d'une aile posée directement sur le socle de prise associé ; ceci sans qu'un personne manipule physiquement le véhicule.

Le véhicule peut être complété par un volet d'occultation mobile entre une position fermée où le volet masque une ouverture de l'unité d'équilibrage et une position ouverte où le volet est effacé devant l'ouverture de l'unité d'équilibrage. La position ouverte du volet est utilisée pour les phases de décollage ou d'atterrissage du véhicule, lorsque les ailes sont en position de vol stationnaire. Là, l'unité d'équilibrage joue son rôle d'équilibrage du corps du véhicule, en exerçant une poussée parallèle à la poussée exercée par les unités de propulsion. La position fermée du volet est utilisée au contraire pour les phases de vol aérodynamique du véhicule pour améliorer l'aérodynamisme du véhicule. Le volet peut être commandé par un petit moteur électrique additionnel, ou bien directement par le moyen de commande de rotation des ailes.

Avantageusement, le véhicule selon l'invention comprend également une nacelle agencée pour porter une charge utile du véhicule ; la nacelle est fixée sous le fuselage par un dispositif de connexion / déconnexion rapide pour faciliter le changement de nacelle. Le véhicule peut ainsi être envisagé pour de nombreuses applications : largage de matériel de secours, prise de mesure par du matériel de mesure embarqué dans une nacelle spécifique, etc. Avantageusement encore, la nacelle comprend des moyens de communication avec le véhicule, ce qui permet une commande à distance de la nacelle en général, et notamment du dispositif de connexion / déconnexion. Ceci est notamment intéressant dans le cas particulier d'un véhicule sans pilote ; en effet, grâce à ses moyens de communication, la nacelle peut transmettre des informations au pilote distant par l'intermédiaire du véhicule et recevoir du dit pilote (et par l'intermédiaire du véhicule) des informations telles que des données ou des instructions. Le pilote peut ainsi commander à distance tous les équipements électroniques, électriques ou électromécaniques installés dans la nacelle. Ainsi, un même véhicule peut être utilisé avec des nacelles ayant des équipements électroniques, électriques ou électromécaniques différents, sans qu'il soit nécessaire d'adapter le véhicule à chaque changement de nacelle.

Avantageusement encore, le véhicule selon l'invention comprend un moyen de prise d'images ou de films, en deux ou trois dimensions, et des moyens de traitement d'images associés pour produire un signal d'alerte lorsqu'un obstacle est détecté à une distance inférieure à une distance minimale du véhicule. Le véhicule peut encore comprendre d'autres dispositifs de détection d'obstacle tel qu'un sonar pour produire un signal d'alerte lorsqu'un obstacle est détecté à une distance inférieure à une distance minimale du véhicule. De tels signaux d'alerte peuvent ensuite être utilisés par exemple pour modifier la commande des unités de propulsion, pour modifier la trajectoire du véhicule. Ainsi équipé, le véhicule peut être envisagé pour des utilisations en milieu confiné, à l'intérieur d'un bâtiment par exemple.

Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'un exemple de véhicule aérien selon l'invention. Cet exemple est donné à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés présentant différentes vues du prototype réalisé :

• les figures 1 et 3 sont respectivement une vue de dessus, et une vue de face du véhicule en position de vol aérodynamique, et

« les figures 2 et 4 sont respectivement une vue de côté et une vue de face du véhicule en position de repos et de vol stationnaire.

Description d'un mode de réalisation de l'invention

Le prototype développé est un aéronef à décollage et atterrissage verticaux (ADAV) ou Vertical Take-off and Landing Aircraft (VTOL), sans pilote.

Le prototype comprend un fuselage s'étendant selon un axe principal longitudinal AA, deux ailes 10, 20 positionnées de part et d'autre du fuselage 30, deux unités de propulsion 11, 21 chacune fixée respectivement à une aile et une unité d'équilibrage 31. Selon l'invention, les ailes sont rotatives pour un changement de voilure.

Chaque unité de propulsion 11, 21 est par exemple du type moteur à hélice (ex. représenté) ou turbine ; dans l'exemple représenté, chaque unité de propulsion est fixée sur une aile 10, 20, à proximité d'un bord d'attaque 12, 22 de l'aile, et est configurée pour produire une poussée (ou force de poussée) selon une direction qui est dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal AA du fuselage et qui est également sensiblement parallèle à un plan principal de l'aile concernée.

L'unité d'équilibrage 31 est également du type moteur à hélice ou turbine (ex. représenté) ; l'unité d'équilibrage est positionnée dans l'extrémité arrière du fuselage ; elle est fixe et produit une poussée selon une direction (verticale) sensiblement orthogonale à l'axe longitudinal AA. Un volet d'occultation 37 est prévu pour masquer l'unité d'équilibrage en position de vol aérodynamique. Le volet 37 est mobile entre une position fermée où le volet 37 masque une ouverture de l'unité d'équilibrage et une position ouverte où le volet 37 est effacé devant l'ouverture de l'unité d'équilibrage. Le volet est constitué d'une pluralité de lames rotatives. Chaque aile 10, 20 est montée rotative selon un axe transversal BB entre une position de vol aérodynamique et une position de vol statique (et de repos). En position de vol aérodynamique (figs 1-3), chaque aile s'étend dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal pour une voilure de taille maximale facilitant le vol aérodynamique. En position de vol statique (et également de repos, fig. 4) chaque aile s'étend dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal AA, pour une voilure de taille minimale facilitant le vol stationnaire. Des verrous 17, 27 sont prévus pour solidariser les ailes sur le fuselage lorsque les ailes sont en position de vol aérodynamique.

Dans l'exemple représenté, les ailes 10, 20 sont montées rotatives sur un même axe de rotation BB, et sont entraînées en rotation par un unique moteur électrique entraînant simultanément en rotation les deux ailes entre les deux positions de vol. Le moteur est positionné dans le fuselage, au plus proche de l'axe de rotation BB et de l'axe longitudinal AA. Dans une variante, les ailes sont non couplées et sont entraînées en rotation chacune par un moteur électrique, les deux moteurs étant logés dans le fuselage du véhicule. Les deux ailes peuvent ainsi basculer indépendamment l'une de l'autre, pour effectuer des manoeuvres en vol stationnaire par exemple.

Dans l'exemple représenté également, les ailes 10, 20 ont une forme générale sensiblement triangulaire, avec un bord d'attaque 12, 22 sensiblement orthogonal à l'axe longitudinal AA du fuselage et parallèle à l'axe de rotation BB des ailes, avec un bord longitudinal 13, 23 qui vient au contact du fuselage en position de vol aérodynamique du véhicule, et une extrémité libre 14, 24 du bord longitudinal positionnée au voisinage de la queue 32 du fuselage. L'angle al entre le bord d'attaque 12, 22 et le bord longitudinal 13, 23 d'une aile est ici de 90°. Le bord longitudinal a une dimension de préférence comprise entre 1,25 et 3 fois une longueur du bord d'attaque (2 fois dans l'exemple représenté). Ainsi, en position de vol aérodynamique, la voilure du véhicule a une forme triangulaire. La surface des ailes et la surface du fuselage sont dessinées pour être affleurantes en position de vol aérodynamique. Les ailes sont complétées de manière connue par des volets 15, 25 de commande de roulis. Le fuselage comprend quant à lui également un nez 33, et la queue 32 du fuselage est dotée d'un empennage connu par ailleurs et comprenant des volets de commande de profondeur (tangage) 34, et une dérive 35 (commande de lacet). Dans un autre exemple, le bord d'attaque 12, 22 (en pointillés sur la figure 1) et le bord longitudinal 13, 23 d'une aile forme un angle oc2 d'environ 75°.

La forme des ailes 10, 20 et du fuselage 30, le choix et la position des unités de propulsion 11, 21 et de l'unité d'équilibrage 31 sont déterminés pour obtenir un véhicule aussi équilibré que possible, tant en vol stationnaire qu'en vol aérodynamique. Ainsi par exemple, les unités de propulsion 10, 20 sont positionnées symétriques par rapport à l'axe longitudinal AA du véhicule, l'unité d'équilibrage 30 est positionnées pour que le centre de gravité CG des trois unités 10, 20, 30 soit sur l'axe longitudinal, etc.

En position de repos ou de vol stationnaire, l'extrémité 14, 24 du bord longitudinal 13, 23 de chaque aile 10, 20 forme un pied sur lequel le véhicule repose (figure 4). A l'arrière du fuselage est également prévu un pied arrière 36 s'étendant sous le fuselage dans une direction parallèle aux ailes en position de vol stationnaire. La hauteur du pied est de préférence dimensionnée en fonction de la dimension du bord longitudinal des ailes de sorte que, au repos, le véhicule repose avec un fuselage sensiblement horizontal.

Les moteurs du véhicule sont de moteurs électriques, alimentés par un accumulateur électrique. L'ensemble des éléments mécaniques, électriques et électroniques de commande des moteurs, des volets, etc. du véhicule sont positionnés à l'intérieur du fuselage. Pour recharger l'accumulateur, une prise 16 de rechargement est fixée à une extrémité 14, 24 de l'une au moins des ailes 10, 20. La prise 16 est adaptée à coopérer avec un socle de prise associé d'un chargeur d'accumulateur (non représenté) lorsque le véhicule repose sur ses ailes. Dans le nez du véhicule, sont positionnées deux caméras de prise d'image en deux dimensions. Dans le fuselage du véhicule est positionné un moyen de traitement d'images permettant de construire, à partir des images prises en deux dimensions, une image en trois dimensions. Le moyen de traitement d'image est également configuré pour détecter, identifier un ou des obstacles (arbres, murs, etc.) fixes ou mobiles dans l'espace à proximité du véhicule, et produire un signal d'alerte fonction du danger représenté par les obstacles pour le véhicule. Sont également installés dans le fuselage un moyen des moyens de commande pour l'ensemble des moyens mécaniques et électriques du véhicule (unités de propulsion, unité d'équilibrage, volets d'orientation dans l'espace, volet d'occultation, moyens de rotation des ailes, etc.). Le véhicule peut encore embarquer des outils de navigation traditionnels tels qu'un altimètre, un dispositif de détection d'une position dans l'espace (Global Positioning System), etc. Un émetteur / récepteur est également positionné dans le nez ou le fuselage du véhicule, pour communiquer avec une base distante au sol. Ainsi, le véhicule peut transmettre à la base au sol les images obtenues par les caméras ou par le moyen de traitement d'images, les signaux d'alerte émis par le moyen de traitement d'images ou par d'autres dispositifs de détection d'obstacles, les paramètres mesurés par les outils de navigation, etc. Et le véhicule peut recevoir en retour des instructions de pilotage par exemple, des instructions pour le paramétrage des moyens de commande, des instructions pour le paramétrage des outils de navigation, etc.

Dans une version perfectionnée, un moyen d'autopilotage est embarqué dans le fuselage, moyen adapté à recevoir les images des caméras, du moyen de traitement d'image, les signaux d'alerte des moyens de détection d'obstacle, les paramètres mesurés par les outils de navigation, etc., et à produire en retour des signaux de commande pour l'ensemble des moyens mécaniques et électriques du véhicule, en fonction d'une destination finale indiquée par un utilisateur.

Enfin, une nacelle 38 de transport de charge est fixée sous le fuselage par un dispositif de connexion rapide. La nacelle peut embarquer tout type de matériel ou de matériau, comme par exemple des dispositifs de mesures de paramètres, par exemple pour mesurer des paramètres (température, radioactivité, etc.) dans des lieux distants éventuellement dangereux. Un moyen de commande peut être prévu, soit dans le fuselage du véhicule, soit dans la nacelle elle-même, pour commander une ouverture du dispositif de connexion rapide en vol, à un instant prédéfini ou à une position de vol prédéfini, etc. Ceci permet de larguer la nacelle à volonté, en vol, et d'envisager des applications telles que la délivrance à distance de matériel de survie dans des zones non accessibles ou dangereuses par exemple.

NOMENCLATURE ailes

11, 21 unités de propulsion

12, 22 bord d'attaque

13, 23 bord longitudinal

14, 24 extrémité libre du bord longitudinal

15, 25 volets de contrôle du roulis

16 prise de rechargement d'un accumulateur électrique

17, 27 verrous

fuselage

31 unité d'équilibrage

32 queue

33 nez

34 volet de commande de profondeur (tangage)

35 dérive

36 pied arrière

37 volet d'occultation

38 nacelle