Domaine technique

La présente invention concerne un drone ayant une voilure évolutive, et un lanceur correspondant.

Technique antérieure

La demande WO 2018/024567 divulgue un drone à voilure évolutive, comportant deux ailes reliées à un rotor, la voilure pouvant évoluer entre une configuration de vol rapide où le rotor est immobile relativement au fuselage et une configuration de vol avec voilure tournante, où le rotor est entraîné en rotation relativement au fuselage.

Il existe un besoin pour perfectionner encore ce type de drone, notamment améliorer sa manœuvrabilité en configuration de vol avec voilure tournante.

Exposé de l’invention

L’invention vise à répondre à ce besoin, selon un premier de ses aspects.

Résumé de l’invention

L’invention a ainsi pour objet un drone comportant une partie avant, une voilure portée par un rotor situé en arrière de la partie avant, et une hélice de propulsion à l’arrière, la voilure comportant deux ailes tournant avec le rotor, la voilure pouvant évoluer entre une configuration de vol où le rotor est immobile relativement à la partie avant et la propulsion est assurée par l’hélice, et une configuration de vol avec voilure tournante, où le rotor est entraîné en rotation relativement à la partie avant, le rotor étant relié à la partie avant avec une possibilité d’orientation de son axe de rotation relativement à celle-ci afin de pouvoir diriger le drone en configuration de voilure tournante, enjouant sur ladite orientation

Grâce à la possibilité d’orienter le rotor en vol d’avancement en configuration de voilure tournante, le drone peut être dirigé horizontalement, sans avoir à prévoir une commande complexe de pas cyclique au niveau de la liaison entre les ailes et le rotor.

Le drone comportant un stator portant le rotor, le stator peut être relié par au moins un actuateur à la partie avant, l’ actuateur étant agencé pour modifier l’orientation du stator relativement à la partie avant lorsqu’il est actionné. De préférence, le drone comporte plusieurs actuateurs reliant la partie avant au stator et permettant lorsqu’actionnés de modifier l’orientation du stator relativement à la partie avant autour d’au moins deux axes géométriques. De façon plus préférée, le drone comporte trois actionneurs reliant la partie avant au stator, disposés à 120° les uns des autres autour de l’axe longitudinal du stator. Ces actionneurs sont de préférence des actionneurs linéaires, et sont de préférence reliés chacun par une liaison rotule au stator.

A l’instar d’un hélicoptère, le drone selon l’invention peut disposer d’une commande de pas collectif et d’une commande de pas cyclique. La commande de pas collectif peut être assurée par des actionneurs situés dans les ailes. La commande de pas cyclique est réalisée par l’inclinaison du stator. Ainsi, de préférence, les ailes peuvent pivoter relativement au rotor pour changer leur incidence, ce qui permet de changer le pas collectif en configuration de voilure tournante.

De préférence, le drone comporte une liaison rotule entre la partie avant et le stator. Une telle liaison permet avantageusement de reprendre une partie des efforts mécaniques entre la partie avant et le stator. Un déflecteur recouvre avantageusement cette liaison, pour permettre de conserver une continuité du fuselage à la transition entre la partie avant et le stator, malgré les changements d’orientation de celui-ci.

Le drone comporte un moteur pour entraîner en rotation l’hélice de propulsion. Ce moteur est de préférence logé dans la partie avant, une ligne de transmission reliant le moteur à l’hélice de propulsion, cette ligne de transmission comportant un joint de transmission permettant de transmettre l’entraînement du moteur à l’hélice de propulsion malgré les changements d’orientation de l’axe de rotation du rotor relativement à la partie avant. De préférence, le drone est agencé de telle sorte que les mouvements d’orientation de l’axe de rotation du rotor ont lieu autour d’un centre de rotation sur lequel le joint de transmission est centré.

De préférence, l’hélice de propulsion et le rotor sont mus par un même moteur. Le rotor peut être entraîné via un réducteur à train épicycloïdal.

Le drone peut comporter une partie arrière portant l’hélice de propulsion, le rotor tournant entre les parties avant et arrière.

De préférence, chaque aile est reliée au rotor par un mat comportant une articulation permettant de rabattre l’aile sur le fuselage durant une phase de lancement du drone, lorsque ce dernier est contenu dans un lanceur.

De préférence encore, le drone comporte un mécanisme qui permet de bloquer la charnière une fois l’aile déployée. Ce mécanisme de blocage peut comporter une bague de verrouillage qui vient dans la position de verrouillage recouvrir la charnière et ainsi immobiliser le mat dans une configuration où il est coaxial avec la bague. Un actionneur logé dans l’aile peut générer un mouvement relatif entre le mat et la bague de verrouillage permettant d’amener celle-ci dans sa configuration de blocage. La variation de l’incidence de l’aile relativement au rotor peut être obtenue par un mécanisme qui transforme un mouvement de rotation d’un actuateur en un déplacement axial du mat. Ce dernier peut comporter un premier ergot proche de l’actuateur et un deuxième ergot proche du rotor. Les deux ergots se déplacent ensemble sous l’action de l’actuateur. Ce dernier entraîne en rotation une bague d’entraînement qui présente une fente axiale dans laquelle le premier ergot est engagé. Le premier ergot est également engagé dans une fente hélicoïdale d’une partie tubulaire fixe avec l’aile, solidaire de la bague de verrouillage. Ainsi, une rotation de la bague d’entrainement s’accompagne d’un déplacement axial du mat relativement à la bague de verrouillage et à la partie tubulaire fixe. Le deuxième ergot est engagé dans une fente ménagée sur une partie tubulaire qui est fixée sur le rotor, et qui tourne avec lui. Cette fente comporte une première portion, qui est linéaire et s’étend radialement, et une deuxième portion qui est hélicoïdale. Lorsque le mat se déplace axialement, sous l’effet de la rotation de l’actuateur, le deuxième ergot se déplace dans la première portion linéaire, puis dans la deuxième portion. La première portion sert à verrouiller l’aile en configuration d’avancement en voilure fixe. La deuxième portion permet de modifier l’incidence de l’aile en configuration de voilure tournante, pour faire varier le pas collectif.

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un lanceur pouvant être utilisé pour lancer un drone tel que défini ci-dessus, comportant une coiffe pouvant loger le drone, et quatre boosters à poussée vectorielle, pour orienter le lanceur.

De préférence, le drone comporte des ailes repliables, qui peuvent se rabattre contre le fuselage lorsque le drone est contenu dans le lanceur.

De préférence, la coiffe comporte deux parties articulées qui sont maintenues fermées par la poussée aérodynamique lors de l’évolution du lanceur à haute vitesse.

De préférence, le drone comporte des ailes repliables, qui peuvent se rabattre contre le fuselage lorsque le drone est contenu dans la coiffe.

De préférence, chaque booster comporte un déflecteur comportant un corps pouvant pivoter autour d’un premier axe de rotation, ce corps enserrant un élément pouvant pivoter autour d’un deuxième axe perpendiculaire au premier. Le corps peut notamment être formé de deux blocs qui sont assemblés autour d’une section torique constituant ledit élément.

De préférence, un système d’actionneurs redondants assure la commande du pivotement du déflecteur selon ces deux axes de rotation. Brève description des dessins

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

[Fig 1] la figure 1 représente un exemple de drone en configuration de vol rapide avec voilure fixe,

[Fig 2] la figure 2 représente le drone de la figure 1 en configuration de voilure tournante,

[Fig 3] la figure 3 est une coupe longitudinale partielle et schématique du drone des figures 1 et

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[Fig 4] la figure 4 représente un détail de la liaison entre le stator et la partie avant du drone, pour une orientation donnée de l’axe de rotation du rotor,

[Fig 5] la figure 5 est une vue analogue à la figure 4 pour une orientation différente de l’axe de rotation du rotor,

[Fig 6] la figure 6 est une vue schématique en perspective éclatée de la liaison entre le stator et la partie avant,

[Fig 7] la figure 7 est une vue partielle et schématique du mécanisme d’entraînement du rotor, [Fig 8] la figure 8 est une vue partielle et schématique, avec coupe longitudinale, du mécanisme de la figure 7,

[Fig 9] la figure 9 représente de manière partielle et schématique la liaison entre les ailes et le rotor,

[Fig 10] la figure 10 représente un détail de réalisation de la liaison entre une aile et le rotor,

[Fig 11] la figure 11 est une vue analogue à la figure 10 d’un autre détail de réalisation,

[Fig 12] la figure 12 illustre le repliement des ailes le long du fuselage, pour le lancement,

[Fig 13] la figure 13 représente un exemple de lanceur en vue de face,

[Fig 14] la figure 14 représente le lanceur de la figure 13 en vue de côté,

[Fig 15] la figure 15 représente le lanceur de la figure 13 en vue de dessous,

[Fig 16] la figure 16 représente le lanceur de la figure 13 en vue de dessus,

[Fig 17] la figure 17 représente un détail du montage d’un déflecteur,

[Fig 18] la figure 18 illustre de manière partielle et schématique le mécanisme d’orientation du déflecteur, [Fig 19] la figure 19 illustre l’ouverture du lanceur,

[Fig 20] la figure 20 représente un connecteur permettant au drone d’échanger des informations avec le lanceur, lorsque présent au sein de celui-ci,

[Fig 21 ] la figure 21 est une coupe longitudinale, schématique et partielle, du mécanisme intégré à l’emplanture d’une aile,

[Fig 22] représente l’aile au niveau de son emplanture,

[Fig 23] représente le mécanisme de la figure 21 , sous un autre angle de vue,

[Fig 24] est une vue analogue à la figure 23, sous un autre angle de vue, et

[Fig 25] représente le mécanisme des figures 23 et 24, avec la bague d’entrainement enlevée.

Description détaillée

Le drone 1 selon l’invention représenté aux figures 1 et 2 comporte deux ailes 10 mobiles relativement au fuselage 2 entre une configuration avec voilure fixe, correspondant à la figure 1, et une configuration avec voilure tournante, illustrée sur la figure 2.

Le drone 1 comporte, à l’arrière, une hélice de propulsion 3 représentée schématiquement à la figure 2 et, à l’avant, de ailerons 3 de plan canard. La partie arrière 5 du drone 1 peut porter des ailerons et/ou gouvernes 6.

En configuration de voilure fixe, les ailes 10 sont fixes relativement au fuselage, avec une configuration en flèche inversée, ce qui permet au drone d’évoluer comme un avion, en vol rapide. La configuration en flèche inversée offre une combinaison d’avantages, dont une efficacité énergétique liée à sa faible trainée, une optimisation de la portance et de la charge utile, une meilleure manœuvrabilité et une plus grande tolérance au décrochage à très bas régime.

Dans l’exemple illustré, le fuselage du drone comporte une baie centrale, de section prismique, qui concourt à sa portance.

Dans la configuration de voilure tournante, les ailes 10 tournent avec un rotor relativement à la partie avant 4 du drone, avec des incidences inverses. Dans cette configuration, les ailes 10 agissent comme des pales d’hélicoptère. L’hélice de propulsion 3 peut alors tourner en sens inverse des ailes 10, pour servir d’anti- couple. Lorsque le drone évolue en vol d’avancement en configuration de voilure tournante, l’arête dorsale de la section prismique de la baie centrale est de préférence placée face au vent relatif.

Conformément à un premier aspect de l’invention, l’axe de rotation du rotor est orientable relativement à la partie avant 4, ce qui permet de contrôler l’avancement du drone en configuration de voilure tournante.

Si l’on se reporte plus particulièrement aux figures 3 à 8, on voit que le drone 1 comporte un moteur électrique principal 20, de préférence du type sans balais, logé dans la partie avant 4, et relié à l’hélice de propulsion 3 par une ligne de transmission 30 comportant un arbre 31.

La partie avant 4 loge trois actuateurs 40 disposés à 120° les uns des autres autour de l’axe de rotation du moteur 20. Ces actuateurs 40 sont des actuateurs linéaires dans l’exemple considéré, et comportent chacun une tige 41 mobile axialement relativement au corps 42 de l’actuateur. Les tiges 41 sont reliées à leur extrémité par une liaison rotule 43 à un stator 50, et permettent de commander l’orientation de ce dernier relativement à la partie avant 4.

Le stator 50 comporte une jupe périphérique 51 en forme de portion de sphère, qui forme une liaison rotule avec une jupe interne 60 de forme correspondante de la partie avant 4.

Un déflecteur 61 monté sur le fuselage de la partie avant 4 recouvre partiellement la jupe périphérique 51 et assure une certaine continuité de la surface extérieure du drone 1, pour de meilleures performances aérodynamiques.

Les ailes 10 sont portées par un rotor 70 qui peut tourner relativement au stator 50.

Le moteur 20 intègre de préférence un frein électromagnétique à courants de Foucault et un capteur de positionnement du rotor tel qu’un codeur optique.

Le frein électromagnétique permet d’immobiliser rapidement le rotor 70 lancé à pleine puissance. Sa position est continuellement déterminée par le codeur optique, qui permet au contrôleur du moteur de repositionner le rotor si nécessaire.

Un mécanisme de transmission 80 permet d’entraîner le rotor 70 avec le moteur 20.

Dans l’exemple illustré, ce mécanisme 80 est du type réducteur à train épicycloïdal, et comporte comme visible plus particulièrement sur la figure 7 un planétaire intérieur 32 constitué par un pignon monté sur l’arbre 31 , une grande couronne 81 faisant partie intégrante du rotor 70, et un porte satellites 82.

Le rotor 70 est guidé par des roulements 84 et 85 portés par le stator 50. Lorsque celle-ci est bloquée, la rotation de l’arbre 31 entraîne celle du rotor 70, avec un facteur de réduction. Dans ce cas, l’hélice de propulsion 3 tourne en sens inverse du rotor 70.

Quand le porte satellites 82 est libre de tourner, le rotor 70 peut être bloqué en rotation.

Lorsque la grande couronne 81 est bloquée, seule l’hélice de propulsion 3 est entraînée en rotation. Lorsque la grande couronne 81 est débloquée, le train épicycloïdal agit comme un réducteur et entraine les ailes 10. Cette séquence est réversible.

Des actuateurs non représentés permettent de bloquer sélectivement la rotation du porte satellites 82 ou du rotor 70.

La ligne de transmission 30 comporte un joint de transmission 33 entre l’arbre 31 et le moteur 20, qui permet de transmettre le couple de rotation du moteur 20 à l’arbre 31, tout en permettant une liberté d’orientation de l’arbre 31 relativement au moteur 20.

Ce joint de transmission 33 peut être du type homocinétique, et comporter, comme illustré sur la figure 6, une cage 34 pourvue sur sa surface intérieure de rainures 35 qui logent des billes 36 assurant la transmission du couple avec une rotule interne 37. La cage 34 du joint homocinétique 33 et la liaison rotule formée entre les jupes 51 et 60 sont sensiblement concentriques.

Si l’on se reporte aux figures 9 à 11, on voit que les emplantures des ailes 10 comportent des mats 11 reliés au rotor 70 et comportant chacun une articulation 12, visible sur la figure 10, qui permettent de rabattre les ailes sur le fuselage, comme illustré sur la figure 12.

Un actuateur rotatif 13 est logé dans chaque aile pour modifier leur incidence en configuration de voilure tournante ou bloquer leur incidence en configuration de voilure fixe.

Les deux axes de travail des emplantures permettent de rabattre les ailes 10 le long du fuselage et d’ajuster leur angle d’attaque. Les ailes 10 sont automatiquement déployées par le vent relatif et leur verrouillage est assuré par une bague de verrouillage 18 qui vient coiffer l’articulation 12 lorsque le mat 11 est déplacé axialement relativement à cette bague 18 par l’actionneur 13. Comme visible sur les figures 21 à 25 notamment, chaque bague 18 se présente sous la forme d’un segment cylindrique solidaire de son aile respective et doté d’un renfort de tirage 17 perpendiculaire à son extrémité. Le renfort 17 épouse la corde des emplantures et s’intrique dans le profil de l’aile, derrière le bord d’attaque. Un mécanisme transforme un mouvement de rotation de l’actuateur 13 en un déplacement axial du mat 11. Ce dernier peut comporter un premier ergot 311 proche de l’actuateur et un deuxième ergot 312 proche du rotor. Les deux ergots 311 et 312 se déplacent ensemble sous l’action de l’actuateur 13. Ce dernier entraîne en rotation une bague d’entraînement 320 qui présente une fente axiale 321 dans laquelle le premier ergot 311 est engagé. Le premier ergot 311 est également engagé dans une fente hélicoïdale 325 d’une partie tubulaire 330 fixe avec l’aile, solidaire de la bague de verrouillage 18. Ainsi, une rotation de la bague d’entrainement 320 s’accompagne d’un déplacement axial du mat 11 relativement à la bague de verrouillage 18 et à la partie tubulaire fixe 330. Le deuxième ergot 312 est engagé dans une fente 340 ménagée sur une partie tubulaire 341 qui est fixée sur le rotor 70, et qui tourne avec lui. Cette fente 340 comporte une première portion 343, qui est linéaire et s’étend radialement, et une deuxième portion 344 qui est hélicoïdale. Lorsque le mat 11 se déplace axial ement, sous l’effet de la rotation de l’actuateur 13, le deuxième ergot 312 se déplace dans la première portion linéaire 343, puis dans la deuxième portion hélicoïdale 344. La première portion 343 sert à verrouiller l’aile 10 en configuration d’avancement en voilure fixe. La deuxième portion 344 permet de modifier l’incidence de l’aile 10 en configuration de voilure tournante, pour faire varier le pas collectif.

Les actionneurs 13 peuvent être alimentés depuis le rotor par des collecteurs tournants. Le contrôle des actionneurs peut s’effectuer par courants porteurs par exemple.

En configuration de voilure tournante, l’asymétrie entre l’hélice de propulsion 3 et le rotor 70 est mécaniquement compensée par le train épicycloïdal qui ajuste le nombre de révolutions par minute entre les deux. Ainsi le volume d’air balayé par l’hélice de propulsion 30 est de préférence sensiblement égal au volume d’air balayé par les ailes 10 tournant avec le rotor.

Le drone 1 peut être lancé en étant contenu toutes ailes repliées, comme illustré sur la figure 12, dans un lanceur 100 tel que celui représenté sur les figures 13 à 19.

De préférence, ce lanceur est capable de manœuvrer à haute vélocité et emprunte, durant la phase de lancement, les caractéristiques de vol d’un missile sol/air.

Le lanceur comporte une coiffe 101 de section circulaire et un empennage 102 cruciforme. La manœuvrabilité et la contrôlabilité du lanceur sont assurées par quatre boosters 120 disposés symétriquement autours de la coiffe.

La coiffe 101 comporte deux coques, reliées inférieurement par une articulation 103, visible sur la figure 15.

La poussée symétrique des quatre boosters 120 concourt à maintenir la coiffe 101 fermée jusqu’à leur phase de décélération. La poussée vectorielle permet d’optimiser les temps de positionnement avec un virage très serré entre l’éjection verticale et le vol horizontal. Indépendamment de sa manœuvrabilité, l’utilisation de la poussée vectorielle permet de maintenir le contrôle du lanceur avec trois boosters en cas de de défaillance d’un des boosters.

Les quatre boosters 120, symétriquement montés de part et d’autre de la coiffe, ont chacun deux degrés de liberté (vertical et horizontal), dont résulte la propulsion vectorielle. Chaque booster est directement connecté à un déflecteur 122 qui force les gaz à emprunter une section torique 123 à tuyère intégrée, visible sur la figure 17, assurant les corrections horizontales. Les corrections verticales sont réalisées par le corps du déflecteur, composé de deux blocs 124 qui encapsulent la section torique 123. Cette dernière peut pivoter autour d’un axe de rotation X relativement au corps du déflecteur formé des blocs 124. La section 123 est réalisée avec des bouts d’axes 127 diamétralement opposés, qui sont reçus dans des ouvertures correspondantes du corps du déflecteur, ces ouvertures étant formées par la réunion d’encoches 126 présentes sur chacun des blocs 124.

Chaque bloc 124 comporte des demi -bouts d’axes diamétralement opposés, qui forment lorsque les blocs 124 sont réunis des bouts d’axes 128, comme illustré sur la figure 18, permettant d’orienter le déflecteur autour d’un axe de rotation Y perpendiculaire à l’axe X.

Chaque système d’actionneurs 125 d’un déflecteur de booster 120 est de préférence doté d’une redondance symétrique concernant la commande en rotation à la fois autour de l’axe X et de l’axe Y, assurant la fiabilité du système.

En particulier, comme illustré, le corps du déflecteur peut porter deux actionneurs reliés chacun à un bout d’axe 127 respectif, afin de commander le basculement de la section torique 123 relativement au corps du déflecteur, et ce dernier peut pivoter autour de l’axe Y sous l’action de deux actionneurs reliés chacun à un bout d’axe 128 par l’intermédiaire d’un mécanisme à biellettes 150 respectif.

La fiabilité de la libération est critique au succès de la mission et les facteurs de charge exercés sur la coiffe 101 peuvent compromettre l’ouverture. Afin de s’affranchir de ce risque, la coiffe est maintenue fermée à haute vitesse durant les virages serrés que le lanceur est susceptible de réaliser et durant sa phase de décélération.

Durant toute la durée du vol, l’écoulement de l’air execrce une pression sur la surface de déflection convexe de la coiffe et la séparation s’opère à vélocité contrôlée durant la décélération. La vélocité d’ouverture du lanceur est contrôlée par des mesures concomitantes de la pression de l’air, par exemple à l’aide d’un tube Pitot, et de la pression mécanique exercée sur le fuselage, par exemple au moyen d’un capteur de pression piézoélectrique.

Arrivé à sa position programmée, la coiffe 101 s’ouvre, comme illustré à la figure 19, et éjecte le drone 1 qui peut poursuivre son vol en configuration voilure fixe ou voilure tournante. Une fois la mission terminée, le drone 1 peut être récupéré par un système terrestre autonome avec lequel il communique.

Le drone peut comporter, comme illustré à la figure 20, un connecteur 300 relié à un connecteur correspondant présent sur le lanceur (non apparent) pour l’échange de données entre les deux, et permettant notamment le contrôle des boosters et des déflecteurs par l’électronique du drone durant la phase de lancement. Lors du largage du drone, les connecteurs se séparent. Le connecteur 300 peut être présent sur la face ventrale du fuselage.

Dans une variante, le drone est gyrostabilisé par des moteurs équipés de petites hélices logées dans le fuselage. Ces moteurs ne jouent aucun rôle dans la portance du drone, et leur capacité est strictement limitée à produire une poussée anti-couple et à créer un moment qui permet maintenir une traj ectoire d’approche avec un angle donné durant l’atterrissage. Afin d’éviter des problèmes de stabilité liés aux différences de pression entre la surface extérieure de la cellule et l’intérieur, les ouvrants peuvent obturés par un mécanisme à glissière circulaire intégré au nez de la cellule. Le mécanisme peut être passif et la glissière peut rejoindre sa position par gravité. En cas de réversion de la configuration des voilures (voilure toumante/voilure fixe), l’extension générée par la glissière déplace le centre de gravité vers l’arrière de la plateforme, concourant ainsi à accroître sa stabilité à faible régime. A haut régime, la glissière se rétracte sous la pression du vent relatif.