Domaine technique

La présente invention concerne un aéronef ayant une voilure évolutive pouvant passer d’une configuration de voilure fixe à une configuration de voilure tournante et inversement.

Technique antérieure

Le brevet US 8 070090 décrit un aéronef adapté à passer d'un mode hélicoptère avec une voilure tournante à un mode avion avec une voilure fixe. La commande de l’orientation de l’aéronef durant le vol s’effectue grâce à des servo-moteurs disposés dans les ailes et adaptés à en modifier l'incidence.

La demande WO 2014/089604 divulgue un aéronef du même type. En configuration de vol à voilure tournante, l'aéronef peut être piloté au moyen d'un dispositif à plateau cyclique. La voilure présente des pales à profil symétrique, c’est-à-dire que le bord d’attaque à la même forme que le bord de fuite. La performance aérodynamique n’est pas entièrement satisfaisante en configuration de vol à voilure fixe.

Il existe un besoin pour perfectionner encore les aéronefs pouvant évoluer entre des configurations à voilure fixe et tournante, afin notamment d’améliorer les performances aérodynamiques .

Exposé de l’invention

L’invention vise à y répondre.

Résumé de l’invention

L’invention y parvient grâce à un aéronef comportant au moins une voilure à deux ailes solidaires d’un rotor équipé d’un dispositif de commande à plateau cyclique, la voilure pouvant passer d’une configuration de voilure fixe où le rotor est immobilisé par rapport au fuselage de l’aéronef et les ailes orientées avec leur bord d’attaque tourné dans la direction d’avancement de l’aéronef, à une configuration de voilure tournante où le rotor est entraîné en rotation par rapport au fuselage, voire inversement, au moins l’une des ailes subissant lors du passage de la configuration de voilure fixe à la configuration de voilure tournante une rotation sur elle-même relativement au rotor de manière à ce que les deux ailes de la voilure forment des pales ayant leur bord d’attaque orienté dans le sens de rotation du rotor.

Grâce au changement d’orientation de l’une des ailes au moins, il est possible d’utiliser des ailes à profil non symétrique, conduisant à une performance aérodynamique supérieure en vol avec la configuration de voilure fixe. Ainsi, les ailes peuvent présenter un profil optimisé pour le vol dans cette configuration, réduisant la traînée et améliorant l’autonomie. La commande à plateau cyclique permet un pilotage précis en configuration de voilure tournante.

Le passage de la voilure de la configuration de voilure fixe à la configuration de voilure tournante, et inversement, peut s’effectuer alors que l’aéronef est en vol. Ce passage peut s’effectuer de manière automatique, sans qu’un opérateur intervienne manuellement sur les ailes.

La configuration de voilure tournante peut être utilisée lors du décollage et/ou de l'atterrissage de l'aéronef.

L'aéronef peut permettre le transport de passagers ou en variante constituer un drone.

L’une des deux ailes seulement peut comporter un mécanisme qui transforme le mouvement d’un actuateur intégré à l’aile en une rotation de l’aile sur elle-même de manière à modifier l’orientation de son bord d’attaque entre les configurations de voilure fixe et de voilure tournante.

Grâce à ce mécanisme, les bords d'attaque des ailes sont du même côté en configuration voilure fixe, et sont tournés dans des directions opposées en configuration voilure tournante.

De préférence, une seule aile est équipée du mécanisme de rotation. Ainsi, l'aéronef est plus économique à concevoir puisqu'il ne nécessite pas que toutes les ailes soient équipées d'un tel mécanisme. En variante, les deux ailes de la voilure tournante en sont équipées.

L'angle de rotation de l'aile sur elle-même pour passer d'une configuration à l'autre est sensiblement égal à 180°.

Au moins l’une des ailes peut comporter un actuateur commandant la rotation de l'aile sur elle-même relativement à un mat la reliant au rotor lors du passage de la configuration de voilure fixe à la configuration de voilure tournante, et le dispositif de commande à plateau cyclique peut commander la rotation du mat sur lui-même au cours de la rotation du rotor en configuration de voilure tournante.

La commande à plateau cyclique peut commander l'incidence de l'aile et modifier ainsi la poussée de sustentation afin de piloter l'aéronef.

En outre, l’aile peut comporter un deuxième actuateur permettant de déplacer un verrou mobile relativement à l’aile entre une première position permettant à l’aile de tourner sous l’action du premier actuateur relativement au mat et une deuxième position de verrouillage de l’aile s’opposant à une rotation de l’aile relativement au mat.

Ce verrou permet de bloquer l'aile en configuration de voilure tournante après qu'elle ait effectuée une rotation sur elle-même pour passer de la configuration de voilure fixe à la configuration de voilure tournante. Un tel verrouillage aide à bloquer l'aile en rotation relativement au mat lorsqu'elle est en configuration de voilure tournante.

De préférence, une seule des deux ailes de la voilure est équipée d'un tel verrou. En variante, les deux ailes en sont équipées.

De préférence, le verrou vient en prise, en position de verrouillage, sur un bras rigidement lié au mat et tournant avec celui-ci. Ce bras rigidement lié au mat est par exemple sensiblement parallèle à l'emplanture de l'aile.

Avantageusement, le verrou est mobile axialement, mais d’autres mouvements de verrouillage sont possibles.

Le dispositif de commande à plateau cyclique peut comporter un bras de commande de l’incidence dont l’extrémité se situe sensiblement à la même distance de l’axe de rotation du mat sur lui-même que le verrou.

La rotation d'au moins une aile sur elle-même peut être obtenue par un mécanisme qui transforme un mouvement d’un actuateur en un déplacement axial de deux pièces l’une relativement à l’autre, ces deux pièces étant munies de reliefs coopérants configurés pour transformer le déplacement axial de l’une relativement à l’autre en une rotation de l’une relativement à l’autre, l’une des pièces étant solidaire du rotor et l’autre de l’aile.

La rotation de l'aile sur elle-même peut ainsi être contrôlée de manière précise par l'actuateur.

L’une des pièces peut comporter au moins une fente hélicoïdale et l’autre au moins un ergot se déplaçant dans cette fente, de telle sorte qu’un déplacement axial de l’une des pièces dans la fente s’accompagne d’une rotation de l’une des pièces relativement à l’autre.

Le dispositif de commande à plateau cyclique peut comporter un plateau monté sur une rotule lui permettant de s’incliner relativement à l’axe de rotation du rotor, le plateau étant relié à des biellettes commandant l’incidence des ailes au cours de la rotation du rotor, le dispositif comportant deux biellettes de commande de l’inclinaison du plateau selon les axes de tangage et de roulis respectivement, disposées à sensiblement 90° l'une de l'autre autour de l'axe de rotation du rotor. Le dispositif de commande à plateau cyclique peut alors comporter un unique actuateur commandant le pas collectif.

En variante, le dispositif de commande à plateau cyclique comporte un plateau monté sur une rotule lui permettant de s’incliner relativement à l’axe de rotation du rotor, le plateau étant relié à des biellettes commandant l’incidence des ailes au cours de la rotation du rotor, le dispositif comportant au moins trois biellettes de commande de l’orientation du plateau. Dans ce cas, le dispositif de commande à plateau cyclique peut avantageusement comporter quatre biellettes de commande de l’orientation du plateau disposées à sensiblement 90° les unes des autres autour de l'axe de rotation du rotor. La présence de ces quatre biellettes permet une bonne tenue mécanique du dispositif de commande à plateau cyclique.

De préférence, l'aéronef comporte un propulseur à l’arrière, de préférence un propulseur à deux hélices contrarotatives, ce qui permet de gagner en efficacité.

Le rotor peut être entraîné en rotation par un moteur en configuration de voilure tournante.

Dans une variante de réalisation, le rotor est disposé à l’arrière du fuselage en configuration de voilure fixe et l'axe de rotation du rotor est sensiblement coaxial à l'axe longitudinal du fuselage. L’aéronef peut comporter au moins une hélice de propulsion entraînée en rotation par le même moteur que le rotor en configuration de voilure fixe. L’aéronef peut également comporter une transmission à train épicycloïdal permettant au moteur d’entraîner sélectivement le rotor ou l’hélice de propulsion.

En variante, l’axe de rotation du rotor est sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal du fuselage.

Dans une variante de réalisation, l'aéronef comporte une deuxième voilure à deux ailes solidaires d'un deuxième rotor, cette deuxième voilure pouvant passer d’une configuration à voilure fixe où le deuxième rotor est immobilisé par rapport au fuselage de l’aéronef et les ailes orientées avec leur bord d’attaque tourné dans la direction d’avancement de l’aéronef, à une configuration à voilure tournante où le deuxième rotor est entraîné en rotation par rapport au fuselage, et inversement, au moins l’une des ailes subissant lors du passage de la configuration à voilure fixe à la configuration à voilure tournante une rotation sur elle-même relativement au deuxième rotor de manière à ce que les ailes forment des pales ayant chacune son bord d’attaque orienté dans le sens de rotation du deuxième rotor. Ce deuxième rotor permet notamment de stabiliser l'appareil en configuration de voilure tournante. Les deux rotors peuvent être entraînés par des transmissions distinctes. Ainsi, les deux rotors peuvent être désynchronisés, ce qui peut être utile notamment pour disposer d’une possibilité supplémentaire de contrôler les portances relatives de chaque rotor.

De préférence, l'aéronef comporte au moins deux ailes basses fixes. De telles ailes basses facilitent la transition entre les deux configurations de vol. De plus, elles permettent d'optimiser la portance de l'aéronef dès lors qu'il a atteint une vitesse suffisante de vol en configuration de voilure tournante ou fixe. Ces ailes fixes complémentaires permettent également de limiter le diamètre des disques des rotors.

Les deux ailes basses fixes peuvent être munies chacune d'un propulseur, le contrôle de l’aéronef autour de l’axe de lacet étant alors facilement obtenu en jouant sur une poussée différentielle exercée par les deux propulseurs. Ces propulseurs sont de préférence des propulseurs à hélices, lesquelles peuvent être de plus petite dimension que celles du propulseur arrière précité.

Brève description des dessins

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :

[Fig 1] la figure 1 représente de manière schématique en perspective un exemple d'aéronef selon l'invention, en configuration de voilure fixe,

[Fig 2] la figure 2 est une vue de dessus de l'aéronef de la figure 1,

[Fig 3] la figure 3 représente l'aéronef de la figure 1 en configuration de voilure tournante, [Fig 4] la figure 4 est une vue de dessus de l'aéronef de la figure 3,

[Fig 5] la figure 5 est une vue en perspective, schématique et partielle, d'un exemple de dispositif de commande à plateau cyclique d'un aéronef selon l'invention,

[Fig 6] la figure 6 représente le dispositif de la figure 5 sous un autre angle de vue,

[Fig 7] la figure 7 représente un exemple de mécanisme permettant de modifier l’orientation du bord d’attaque d’une aile relativement au rotor,

[Fig 8] la figure 8 représente en vue de dessus le mécanisme de la figure 7,

[Fig 9] la figure 9 représente de manière partielle et schématique en vue de côté, une variante d’aéronef, en configuration de voilure tournante,

[Fig 10] la figure 10 est une vue analogue à la figure 9 lors du passage en configuration de voilure fixe,

[Fig 11] la figure 11 est une vue analogue à la figure 9 avec les ailes en configuration de voilure fixe, ,

[Fig 12] la figure 12 représente de manière schématique l’aéronef de la figure 11 en vue de dessus, et

[Fig 13] la figure 13 est une vue partielle et schématique du mécanisme d’entraînement du rotor.

Description détaillée

Les figures 1 à 4 représentent un aéronef 1 adapté au transport de passagers ou de marchandises.

Il comporte deux ailes 10a et 10b adaptées à passer d'une configuration de voilure fixe, illustrée aux figures 1 et 2, à une configuration de voilure tournante, illustrée aux figures 3 et 4. Ces ailes 10a, 10b sont portées par un rotor.

Dans l’exemple illustré, l’axe de rotation du rotor est sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal du fuselage 2.

L'aéronef 1 comporte une deuxième voilure similaire à la première, ayant deux ailes 10' portées par un deuxième rotor. Cette deuxième voilure peut également passer d'une configuration de voilure fixe à une configuration de voilure tournante. L'axe de rotation du deuxième rotor est sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal du fuselage 2. Les deux rotors peuvent tourner dans des sens inverses.

L'aéronef 1 comporte deux ailes basses 11 qui sont fixes. Ces dernières peuvent avoir une configuration en flèche inversée, comme illustré.

Les ailes 11 facilitent la transition d'une configuration de vol à l'autre. Elles assurent également une meilleur portance en configuration de vol en voilure fixe.

Les ailes 11 peuvent chacune être équipée d’un propulseur, par exemple à hélice 7. Ces hélices 7 peuvent tourner à des vitesses différentes, et le différentiel de poussée qui en résulte permet de contrôler l'aéronef 1 autour de l'axe de lacet.

L'aéronef 1 comporte un propulseur à l'arrière. Dans l'exemple représenté, ce propulseur comporte deux hélices 13 contrarotatives ayant chacune trois pales.

En configuration de voilure fixe, représentée aux figure 1 et 2, les ailes 10a, 10b sont fixes relativement au fuselage, ce qui permet à l'aéronef d’évoluer comme un avion, en vol rapide. Dans cette configuration, les bords d'attaque 12 des ailes 10a, 10b sont tournés dans la direction d'avancement de l'aéronef 1.

Dans la configuration de voilure tournante, représentée aux figures 3 et 4, les ailes 10a, 10b forment des pales ayant chacune son bord d’attaque 12 orienté dans le sens de rotation R du rotor. Les bords d'attaque 12 des deux ailes sont tournés dans des directions opposées.

L'aéronef 1 comporte un dispositif de commande à plateau cyclique 20, permettant de contrôler son évolution en configuration de voilure tournante. Un exemple de ce dispositif est représenté aux figures 5 et 6, sachant que tout dispositif connu de commande à plateau cyclique peut être utilisé.

Le dispositif 20 comporte dans l’exemple illustré aux figures 5 et 6 un plateau 21, monté par l’intermédiaire de roulements 28 sur une rotule 29, lui permettant de s’incliner relativement à l’axe de rotation de l’arbre 23 du rotor. Un levier 323 solidaire de l’arbre 23 du rotor entraîne en rotation le plateau 21 tout en lui permettant de pivoter autour d’un axe perpendiculaire à l’axe de rotation de l’arbre 23 du rotor.

Le plateau 21 est relié par des biellettes 24, visibles sur la figure 5, aux ailes 10a et 10b, de façon à pouvoir commander l’incidence de celles-ci au cours de la rotation du rotor en fonction de l’inclinaison donnée au plateau 21, de façon conventionnelle comme ce qui se fait pour les hélicoptères. En fonction de l’inclinaison du plateau 21, et de sa rotation autour de l’axe de pivotement défini par le levier 323, les biellettes 24 montent ou descendent le long de l’axe de rotation de l’arbre 23.

Le dispositif 20 comporte également deux biellettes 25 de commande de l’inclinaison du plateau 21, selon les axes de tangage et de roulis respectivement. Ces deux biellettes 25 sont disposées à sensiblement 90° l'une de l'autre autour de l'axe de rotation 23 du rotor, et sont reliées à des actuateurs respectifs, non représentés.

Le dispositif 20 comporte également une biellette 27 permettant d’agir sur un levier 26 de commande du pas collectif. Ce levier 26 est porté par une pièce de support 30 fixée au fuselage 2 et traversée par l’arbre 23 du rotor. La rotation du levier 26 permet de faire monter ou descendre le plateau 21 sur l’arbre 23 du rotor, et ce faisant d’agir sur le pas collectif. Le levier 323 peut pivoter relativement à l’arbre 23 du rotor lors de ce mouvement axial du plateau 21.

La tête 400 du rotor porte deux mats 210 diamétralement opposés, pouvant chacun tourner autour de son axe longitudinal, sensiblement perpendiculairement à l’axe de rotation du rotor.

Chaque aile 10a, 10b peut tourner avec ce mat 210 lorsque le rotor est en configuration de voilure tournante, au cours de la rotation du rotor, en fonction de l’inclinaison du plateau 21, du fait de l’action des biellettes 24.

Chaque biellette 24 est reliée d’une part au plateau 21 à une extrémité 24a et à l’autre extrémité 24b à un premier bras de commande 324 de la rotation du mat 210, proche de la tête 400 du rotor.

Pour l’une des ailes, à savoir l’aile 10a située à gauche sur la figure 7, un deuxième bras 206 s’étend en regard du premier 324, les extrémités des bras opposées au mat 210 étant reliées par une tringle de liaison 204.

Cette aile 10a est équipée d’un premier actuateur 201 lui permettant de tourner relativement au mat 210 porté par le rotor, lors du changement de configuration voilure tournante/ voilure fixe.

L’ actuateur 201 permet de générer un mouvement axial relatif au sein de l’aile entre un arbre interne 207 et un fourreau externe 203, rigidement fixé à l’aile et dans lequel l’arbre interne 207 est engagé. L’arbre interne 207 est solidaire en rotation du mat 210. Le fourreau 203 est pourvu d’au moins une fente hélicoïdale 209 et l’arbre interne 207 d’au moins un ergot 208 engagé dans cette fente 209, de telle sorte que le déplacement axial de l’arbre interne 203 relativement au fourreau 207 s’accompagne d’une rotation de l’aile 10a relativement à l’arbre interne 207. Ce dernier peut tourner au sein de l’actuateur 201, sans se déplacer axialement relativement à celui-ci. Lorsque l’actionneur 201 est actionné, il se déplace axialement avec le mat 207 le long de guides 410 solidaires de l’aile 10a.

L'aile 10a est équipée d'un système de verrouillage en configuration de voilure tournante, qui comprend un deuxième actuateur 202 permettant de déplacer axialement un verrou 205 entre une première position, rétractée, permettant à l’aile 10a de tourner sous l’action du premier actuateur 201 relativement au mat 210 du rotor, et une deuxième position, sortie, dans laquelle il s’engage sur un relief correspondant du bras 206 pour immobiliser l’aile 10a en rotation relativement à celui-ci.

Dans la position déverrouillée, le verrou mobile 205 n'est pas en prise avec le bras rigide 206. L'aile 10a peut ainsi tourner librement autour du mat 210 sous l’action du premier actuateur 201.

Les actuateurs 201, 202 peuvent être alimentés électriquement depuis le rotor par des collecteurs tournants. Leur contrôle peut s’effectuer par courants porteurs, par exemple.

Dans le cas des vols habités, il est souhaitable de ne pas brutalement stopper les rotors et leur désengagement s'effectue alors avec un système d'embrayage. Ainsi, une fois les bords d'attaque 12 engagés selon la configuration de vol désirée, les rotors tournent librement sur eux-mêmes sous l'effet du vent relatif, induit par la poussée du moteur principal, à la manière d'un autogire. Ce mode transitoire permet d'accélérer ou de ralentir les rotors, lors du passage d'une configuration à l'autre. Lors du freinage, les propulseurs à hélices 7 situés en bout d'aile basse 11 sont sollicités pour stabiliser l'aéronef qui accélère jusqu'à ce que l'aile basse, génère suffisamment de potence. Dès lors, les rotors sont freinés par tout dispositif de freinage adapté, notamment électromagnétique intégré aux rotors et l'immobilisation est faite par exemple par un freinage hydraulique qui assure également la redondance du premier freinage. Un codeur, par exemple optique, permet de déterminer la position du rotor durant le freinage et son immobilisation est réalisée en conséquence. Une boîte de vitesses et le contrôleur de chaque moteur permettent si nécessaire, de repositionner les rotors après le freinage. Le verrouillage du rotor peut être est réalisé par un servo- moteur linéaire selon un mécanisme analogue à celui décrit plus haut. Une variante de mise en œuvre de l'invention, où l’aéronef 1 est un drone, est représentée aux figures 10 à 13.

Sur la figure 10, l'aéronef 1 est représenté en configuration de voilure tournante. Sur la figure 13, l’aéronef est en configuration de vol à voilure fixe. Les bords d'attaque 12 des ailes sont du même côté, dans la direction d'avancement.

Les figures 11 et 12 illustrent le changement de configuration voilure fixe/ voilure tournante. Le rotor est disposé à l’arrière du fuselage 2 et l'axe de rotation de l’arbre 23 du rotor est sensiblement coaxial à l'axe longitudinal du fuselage 2.

Dans ce mode de réalisation, un dispositif de commande à plateau cyclique 20 est disposé à l'arrière du fuselage 2. Ce dernier comporte un plateau 21 monté sur une rotule 29 lui permettant de s’incliner relativement à l’axe de rotation du rotor. Le plateau 21 est relié à quatre biellettes 24 disposées à 90° les unes des autres, permettant de l’incliner pour commander l’évolution du drone autour des axes de roulis et de tangage en configuration de voilure tournante. Le déplacement axial d’ensemble des biellettes 27 permet de commander le pas collectif.

Dans ce mode de réalisation, au moins l’une des ailes 10 est équipée d'un mécanisme permettant de changer l’orientation de son bord attaque, par exemple similaire à celui décrit en référence aux figures 6 et 7.

Le même moteur peut entraîner sélectivement en rotation le rotor 400 ou l’hélice de propulsion 13, grâce à un engrenage à train épicycloïdal 40 représenté figure 13.

L'engrenage à train épicycloïdal 40 comporte par exemple un planétaire intérieur et une grande couronne faisant partie intégrante du rotor 400. Des satellites 401 engrènent avec le planétaire intérieur et la grande couronne.

Le rotor 400 est guidé par des roulements 4L

Quand la grande couronne est libre, la rotation de l’arbre du moteur entraîne celle du rotor 400, avec un facteur de réduction lié au train épicycloïdal.

Lorsque la grande couronne est bloquée, seule l’hélice de propulsion 13 est entraînée en rotation par le moteur.

Dans l'exemple de réalisation des figures 1 à 8, l'aéronef peut être en configuration de voilure tournante au décollage, puis passer en configuration de voilure fixe pendant le vol et enfin repasser en configuration de voilure tournante pour l'atterrissage. En variante, notamment pour le mode de réalisation des figures 9 à 12, il est possible de lancer l'aéronef différemment, par exemple à l'aide d'un propulseur à poudre, avec les ailes en configuration de voilure fixe ou bien repliées le long du fuselage. Dans ce cas-là, la configuration de voilure tournante peut être utilisée uniquement pour réaliser l'atterrissage de l'aéronef.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d’être décrits, et l’on peut encore modifier la manière dont le dispositif de commande à plateau cyclique est réalisé, ou apporter des modifications au mécanisme permettant de changer l’orientation du bord d’attaque des ailes.