DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un aéronef à décollage et à atterrissage vertical muni d’un dispositif lui permettant de décoller et d’atterrir verticalement (VTOL - acronyme anglo-saxon pour « Vertical Take-Off and Landing »), y compris dans des conditions de vent fort.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Les aéronefs, connus sous l’expression anglo-saxonne « tailsitters », c’est-à-dire les aéronefs susceptibles d’atterrir sur la partie arrière de leur fuselage, et dont la globalité de la structure bascule pour voler en croisière, et les aéronefs à voilure basculante, connus sous l’expression anglo-saxonne « tilt wings » ont le plan de leurs ailes qui est à la verticale dans les phases de vol de décollage, montée, descente et atterrissage.

En cas de vent significatif, si celui-ci est pris de face par l’aéronef (c’est-à-dire si la direction du vent est perpendiculaire au plan des ailes), les ailes constituent alors une surface de prise au vent significative qui compliquent voire rendent impossible le contrôle et les manœuvres en cas de vent fort ou de rafales de vent. Avec des niveaux de vent significatifs, pour que l’aéronef maintienne une position fixe par rapport au sol, l’inclinaison en tangage des ailes est susceptible d’atteindre un angle d’attaque correspondant au décrochage (ou au « raccrochage » lorsque l’on vient d’une situation où les ailes sont en régime décroché pour atteindre une situation où elles génèrent de la portance comme en croisière). Cela génère des instabilités et des comportements non linéaires dans cette zone d’inclinaison de décrochage / raccrochage et le maintien d’une position fixe par rapport au sol s’avère par conséquent périlleux.

Par ailleurs, dans des conditions d’atterrissage par fort vent de face, au moment de l’atterrissage, un aéronef « tailsitter » doit passer d’une inclinaison en tangage forte vers l’avant par rapport à la verticale à une inclinaison nulle par rapport à la verticale au moment où il est au sol en un très court laps de temps. Il s’agit là aussi d’une manœuvre d’autant plus périlleuse qu’elle doit se faire très vite et à proximité du sol. Une alternative pour éviter ces manœuvres périlleuses consiste à envisager les phases de décollage, montée et descente et atterrissage par « vent de travers », c’est-à-dire que la direction du vent est parallèle à l’axe longitudinal des ailes. La difficulté qui se pose alors est que la position de stabilité de l’aéronef en rotation par rapport à l’axe vertical est la position ailes face au vent (c’est-à-dire lorsque l’axe du vent est perpendiculaire au plan des ailes). Du fait des efforts aérodynamiques qui s’exercent sur les ailes et du couple résultant lorsque l’aéronef maintient une position fixe par rapport au sol par vent fort en position « vent de travers », l’aéronef a une tendance naturelle à tourner d’une position « vent de travers » vers une position « vent de face », de sorte que les difficultés évoquées précédemment viennent à nouveau se poser.

Afin de contrer cette tendance naturelle, différents dispositifs peuvent permettre d’augmenter l’autorité en lacet de l’aéronef dans les phases de décollage, montée, descente et atterrissage à la verticale. Ces dispositifs peuvent par exemple consister dans le soufflage des ailerons par le flux des hélices, ou encore dans l’inclinaison permanente par conception de l’axe de rotation des hélices par rapport à la verticale. Néanmoins ces dispositifs ont une limite d’efficacité en lacet qui ne permet pas à l’aéronef de maintenir une position « vent de travers » par vent fort.

L’invention présentée par la suite permet de remédier à ces limites.

EXPOSE DE L’INVENTION

L’aéronef de l’invention est muni d’un dispositif lui permettant de le maintenir en vol dans une position où la direction du vent est proche de la parallèle à l’axe longitudinal des ailes c’est-à-dire en position « vent de travers ».

Ce dispositif se compose de deux plans ou surfaces à fonction aérodynamique situés à chaque extrémité des ailes. chacun des plans ou surfaces est lié à l’aile par une liaison de type pivot dont l’axe se situe au voisinage de l’extrémité de l’aile et est inclus dans le plan de l’aile. dans la position « neutre », ces deux plans sont dans le même plan que celui de l’aile. lorsque, suite à une perturbation, l’axe du vent n’est plus parallèle à l’axe longitudinal de l’aile, on incline les plans ou surfaces à fonction aérodynamique d’un certain angle, par rapport au plan de l’aile, cette inclinaison pouvant intervenir en direction de l’intrados ou de l’extrados de ladite aile, grâce aux liaisons pivot et, par exemple, des servomoteurs ou actuateurs, de manière à ce que les deux extrémités de ces plans ou surfaces soient orientées du côté d’où vient le vent. L’action aérodynamique générée par l’inclinaison de ces deux plans ou surfaces va permettre de ramener l’aéronef en position « vent de travers ».

Avantageusement, un automate équipé d’une centrale inertielle et / ou d’un compas et/ou d’un GPS, pourra par exemple permettre d’évaluer l’écart par rapport à la position « vent de travers » visée et contrôler les mouvements des deux plans pour assurer le maintien au plus près de la position « vent de travers ».

Selon des modes particuliers de réalisation : les deux surfaces ou plans peuvent être inclinés avec un angle non nul par rapport à celui des ailes en croisière et les surfaces et les ailes ne sont donc plus coplanaires, soit :

■ cas d’un angle faible par rapport à l’aile : génère du dièdre facteur de stabilité en roulis.

■ cas d’un angle fort par rapport à l’aile pouvant aller jusqu’à 90°: diminue les effets de tourbillons de bout d’aile ce qui permet d’améliorer l’efficacité de l’aile. si les ailes sont, par conception, situées à l’arrière de l’aéronef, relativement loin du centre de gravité de ce dernier, les deux surfaces ou plans peuvent être inclinés avec un angle important par rapport à celui des ailes en croisière pour constituer des plans verticaux arrière aussi appelé « dérives » ; si l’aéronef comporte, par conception, deux voilures (biplan) selon l’axe longitudinal de l’aéronef , les deux surfaces ou plans de la voilure inférieure peuvent comporter une flèche et se relever vers le haut, et les deux surfaces ou plans de la voilure supérieure peuvent comporter une flèche et s’incliner vers le bas de telle sorte que l’arête externe des surfaces ou plans de la voilure inférieure vient en contact sur toute sa longueur avec l’arête externe des surfaces ou plans respectifs de la voilure supérieure. L'ensemble constitué par les voilures et les surfaces ou plans forme alors une aile annulaire ou aile en anneau rectangulaire, qui a pour effet bénéfique connu de réduire la traînée aérodynamique et les turbulences de sillage en réduisant les tourbillons marginaux ; la liaison pivot peut être située à l’intérieur du dispositif aérodynamique de l’invention ; dans cette configuration, lesdits plans ou surfaces sont reliés à l’aile par un ou plusieurs bras intégrés en leur sein, l’une des extrémités desdits bras étant elle-même solidarisée à une liaison pivot également intégrée au sein desdits plans ou surfaces , de sorte que lorsqu’un angle est imposé entre l’aile et le dispositif aérodynamique, l’aile et ledit dispositif n’ont plus d’arête commune et ne sont liés l’un à l’autre que par lesdits bras.

BREVE PRESENTATION DES FIGURES

La figure 1 représente une perspective isométrique d’un aéronef « tailsitter » en phase de décollage, montée, descente ou atterrissage par vent de face, (axe Z = axe vertical). La flèche droite représente la direction du vent.

La figure 2 représente une perspective isométrique d’un aéronef « tailsitter » en phase de décollage, montée, descente ou atterrissage par vent de travers, (axe Z = axe vertical). La flèche droite représente la direction du vent.

La figure 3 représente une vue du fonctionnement des surfaces ou plans à fonction aérodynamique en vue de dessus, (axe Z = axe vertical). La flèche droite représente la direction du vent. La flèche courbe représente le couple et la rotation induits par l’effet du vent sur les dispositifs.

La figure 4 représente une vue schématique du fonctionnement des surfaces ou plans à fonction aérodynamique, en vue de dessus. La flèche droite représente la direction du vent. La flèche courbe représente le couple et la rotation induits par l’effet du vent sur les dispositifs.

La figure 5 représente une vue du fonctionnement des surfaces ou plans à fonction aérodynamique en perspective isométrique. La flèche droite représente la direction du vent. L’axe Z représente l’axe vertical.

La figure 6 représente une faible inclinaison des surfaces ou plans à fonction aérodynamique en mode croisière en perspective isométrique pour illustrer le fait de générer du dièdre en bout d’aile, (axe Z = axe vertical). La flèche droite représente la direction du vol.

La figure 7 représente une forte inclinaison des surfaces ou plans à fonction aérodynamique en mode croisière en perspective isométrique pour illustrer le fait de diminuer les effets de tourbillons de bout d’aile et améliorer ainsi la portance, (axe Z = axe vertical). La flèche droite représente la direction du vol.

La figure 8 représente en perspective isométrique schématique le cas d’un aéronef biplan pour lequel la géométrie des surfaces ou plans à fonction aérodynamique permet lors de leur inclinaison en mode croisière de générer un circuit fermé ou aile annulaire ou aile en anneau rectangulaire favorable à une amélioration de l’efficacité aérodynamique. L’aile basse est, dans cet exemple, par conception, située à l’arrière de l’aéronef pour illustrer le fait de générer des plans verticaux arrière aussi appelée dérives.

La figure 9 représente en vue de face le mode de liaison entre le dispositif aérodynamique de l’invention (2) et l’aile (1) au moyens de deux bras (6), respectivement en position opérationnelle, c’est-à-dire déployée, et en position non opérationnelle, c’est-à-dire lorsque ledit dispositif est coplanaire avec l’aile considérée.

La figure 10A représente pour la stratégie angle fixe une vue schématique de dessus de l’aile pour un angle de 5° entre la direction du vent et les ailes. La grande flèche représente la direction du vent. La flèche courbe représente l’effet induit de couple et de rotation par l’effet du vent sur les plans ou surfaces à fonction aérodynamique. Le dispositif avant (côté de la provenance du vent) forme un angle de 75° avec l’aile.

Le dispositif arrière (côté opposé à la provenance du vent) forme un angle de 30° avec l’aile.

La figure 10B représente pour la stratégie angle fixe une vue schématique de dessus de l’aile pour un angle de 30° entre la direction du vent et les ailes. La grande flèche représente la direction du vent. La flèche courbe représente l’effet induit de couple et de rotation par l’effet du vent sur les plans ou surfaces à fonction aérodynamique. Le dispositif avant (côté de la provenance du vent) forme un angle de 75° avec l’aile.

Le dispositif arrière (côté opposé à la provenance du vent) forme un angle de 30° avec l’aile.

La figure 10C représente pour la stratégie angle fixe une vue schématique de dessus de l’aile pour un angle de 60° entre la direction du vent et les ailes.

Cet angle de 60° est l’angle critique où l’effet du vent sur l’aile pour l’éloigner de la position « vent de travers » est le plus important et c’est donc la position où on recherche l’effet maximum des plans ou surfaces à fonction aérodynamique.

La grande flèche représente la direction du vent. La flèche courbe représente l’effet induit de couple et de rotation par l’effet du vent sur les dispositifs. Le dispositif avant (côté de la provenance du vent) forme un angle de 75° avec l’aile.

Le dispositif arrière (côté opposé à la provenance du vent) forme un angle de 30° avec l’aile.

Avec cet angle de 75° par rapport à l’aile et -15° par rapport au vent, l’effet de déportance par rapport au vent (flèche pointillée partant du dispositif avant) du dispositif avant est proche de son maximum

Le dispositif arrière forme un angle de 90° avec le vent et l’effet de trainée (flèche pointillée partant du dispositif arrière) du dispositif arrière est proche de son maximum aussi.

La figure 10D représente pour la stratégie angle fixe une vue schématique de dessus de l’aile pour un angle de 90° entre la direction du vent et les ailes. La grande flèche représente la direction du vent. La flèche courbe représente l’effet induit de couple et de rotation par l’effet du vent sur les plans ou surfaces à fonction aérodynamique. Le dispositif avant (côté de la provenance du vent en haut sur ce schéma) forme un angle de 75° avec l’aile.

Le dispositif arrière (côté opposé à la provenance du vent : en bas sur ce schéma) forme un angle de 30° avec l’aile.

La figure HAreprésente pour la stratégie angle variable une vue schématique de dessus de l’aile pour un angle de 40° entre la direction du vent et les ailes. La grande flèche représente la direction du vent. La flèche courbe représente l’effet induit de couple et de rotation par l’effet du vent sur les plans ou surfaces à fonction aérodynamique. Le dispositif avant (côté de la provenance du vent) forme un angle de 55° avec l’aile et donc de -15° par rapport au vent ce qui lui permet d’avoir une déportance (dans le plan horizontal) relative au vent proche du maximum.

Le dispositif arrière (côté opposé à la provenance du vent) forme un angle de 50° avec l’aile et donc de 90° avec le vent ce qui lui permet d’avoir une trainée relative au vent proche du maximum.

La figure 11B représente pour la stratégie angle variable une vue schématique de dessus de l’aile pour un angle de 60° entre la direction du vent et les ailes. La grande flèche représente la direction du vent. La flèche courbe représente l’effet induit de couple et de rotation par l’effet du vent sur les plans ou surfaces à fonction aérodynamique. Le dispositif avant (côté de la provenance du vent) forme un angle de 75° avec l’aile et donc de -15° avec le vent ce qui lui permet d’avoir une déportance (dans le plan horizontal) relative au vent proche du maximum.

Le dispositif arrière (côté opposé à la provenance du vent) forme un angle de 30° avec l’aile et donc de 90° avec le vent ce qui lui permet d’avoir une trainée relative au vent proche du maximum.

La figure 11C représente pour la stratégie angle variable une vue schématique de dessus de l’aile pour un angle de 70° entre la direction du vent et les ailes. La grande flèche représente la direction du vent. La flèche courbe représente l’effet induit de couple et de rotation par le vent sur les plans ou surfaces à fonction aérodynamique. Le dispositif avant (côté de la provenance du vent) forme un angle de 85° avec rapport à l’aile et donc de -15° avec le vent ce qui lui permet d’avoir une déportance (dans le plan horizontal) relative au vent proche du maximum.

Le dispositif arrière (côté opposé à la provenance du vent) forme un angle de 20° avec l’aile et donc de 90° avec le vent ce qui lui permet d’avoir une trainée relative au vent proche du maximum. EXPOSE DÉTAILLÉ

En référence à ces figures, le dispositif comporte : une ou plusieurs (avions monoplan, biplan ou multiplan) paires d’ailes réparties de part et d’autre du plan de symétrie de l’aéronef, et assimilables à des plans de manière simplifiée (1) ; deux plans ou surfaces éventuellement profilés avec une forme de profil aérodynamique (2), situés à chaque extrémité des ailes, constituant la partie aérodynamiquement active du dispositif de l’invention et sont mobiles en rotation autour d’un axe de pivot (3) par rapport aux ailes (1) ; au voisinage de chaque extrémité d’aile : un axe de pivot (3) lie l’aile (1) au plan ou à la surface (2), cet axe de pivot étant situé dans le plan de l’aile à l’extrémité de l’aile ou à l’intérieur du dispositif de l’invention (figure 9) en étant dans ce cas lié au dispositif par au moins un bras (6) de sorte qu’en position neutre le plan ou surface (2) est situé dans le plan de l’aile (1) ; un servomoteur (4) ou tout autre dispositif permet de modifier l’angle entre l’aile (1) et le plan ou la surface (2) par rotation dudit plan ou de ladite surface (2) autour de l’axe du pivot (3) ; un automate (5) équipé d’une centrale inertielle, d’un compas ou de tout autre dispositif permet d’estimer la position de l’aéronef dans l’espace et la provenance du vent par calcul. Cet automate évalue l’écart angulaire entre la position « vent de travers » recherchée et la position actuelle de l’aéronef et contrôle les mouvements des deux plans ou surfaces (2) pour assurer le maintien de l’aéronef au plus près de la position « vent de travers ».

Lorsque, à la suite d’une perturbation, l’axe du vent n’est plus parallèle à l’axe longitudinal des ailes (1), on incline les plans ou surfaces d’extrémité (2) d’un certain angle par rapport au plan de l’aile grâce aux liaisons pivot (3) et au servomoteur (4) de manière à ce que les deux plans ou surfaces (2) soient orientées du côté d’où vient le vent. L’action aérodynamique générée par l’inclinaison de ces deux plans ou surfaces (2) par rapport à l’aile (1) permet de générer un couple qui ramène l’aéronef vers la position « vent de travers ». Exemples de choix numériques pour la mise en œuvre du dispositif :

La surface de chaque dispositif (largeur ou « corde » du dispositif (2) multipliée par la longueur du dispositif (2) dans le sens de l’envergure de l’aile) est de 10% minimum de la surface de l’aile auquel il est lié pour être un minimum efficace. L’efficacité à tous les angles entre les ailes et la provenance du vent est correcte à partir de 25% entre la surface du dispositif de l’invention et celle de l’aile. Il n’y a pas de limite haute de cette surface car plus le dispositif a une surface importante, plus il est efficace. Néanmoins pour l’optimisation globale de l’aéronef (contraintes de masse, de structure, d’aérodynamisme), il est préférable que la surface ne dépasse pas 40% de la surface de l’aile considérée.

Dans tous les cas, les angles des dispositifs par rapport à l’aile considérée sont décrits pour que lesdits dispositifs soient orientés vers la direction dont vient le vent (de façon plus ou moins prononcée en fonction de l’angle) pour que les dispositifs soient efficaces pour ramener l’aéronef en position parallèle au vent par le chemin le plus court (angle à couvrir le plus faible entre la position courante des ailes et la provenance du vent).

A. Stratégie angle fixe : pour cette stratégie, on choisit d’avoir un angle fixe entre le plan du dispositif et l’aile pour le plan avant (plan qui est du côté de la provenance du vent) et pour le plan arrière (plan qui est à l’opposé de la provenance du vent) quel que soit l’angle entre l’aile et la provenance du vent compris entre 0 et 90° (la provenance du vent étant considéré venant toujours du même côté par rapport à l’aile. Bien entendu, si le vent vient par l’autre côté, les angles seront inversés pour que les dispositifs soient orientés vers la direction dont vient le vent) :

Si la surface des dispositifs est d’au moins 25% par rapport à celle de l’aile, une solution efficace consiste à avoir un angle fixe entre le plan du dispositif et l’aile de 75° pour le plan avant (plan qui est du côté de la provenance du vent) et 30° pour le plan arrière (plan qui est à l’opposé de la provenance du vent). Plus la surface du dispositif est grande, plus les tolérances sur les angles applicables le seront aussi. Par exemple, pour une surface des dispositifs de 40% de celle de l’aile au lieu des 25% évoqués précédemment, la tolérance concernant les angles entre le plan du dispositif et l’aile peut être de +/- 20° pour le dispositif avant et +/- 40° pour le dispositif arrière. Cela correspond à la stratégie efficace la plus simple et elle est illustrée par les figures lOA à 10D.

B. Stratégie angle variable : On choisit d’avoir un angle variable entre le plan du dispositif de l’invention et l’aile pour le plan avant (plan qui est du côté de la provenance du vent) et pour le plan arrière (plan qui est à l’opposé de la provenance du vent). angles des ailes par rapport à la provenance du vent compris entre 0 à 30° : l’angle entre le plan du dispositif de l’invention et l’aile peut avoir des valeurs comprises entre -130° et +130° pour le plan avant (plan qui est du côté de la provenance du vent) et le plan arrière (plan qui est à l’opposé de la provenance du vent) et rester efficace sur certaines plages d’angles des ailes par rapport à la provenance du vent. Les bornes dépendent notamment de la taille relative des dispositifs par rapport aux ailes et de la valeur de l’angle entre les ailes et la provenance du vent, la valeur des angles à donner aux dispositifs pouvant être variable et calculée par l’automate (5) et transmises aux servos ou actionneurs (4) à intervalles réguliers et rapprochés. angles des ailes par rapport à la provenance du vent compris entre 30 et 90° :

■ la valeur de l’angle entre l’aile et le dispositif avant est égale à l’angle entre les ailes et la provenance du vent +15° (+5°/- 15°), sans dépasser 110° : cela permet de maintenir le dispositif avant avec un angle de -15° par rapport à la provenance du vent, et donc d’avoir une action déportante (le fait d’être déportant s’entendant dans le plan horizontal et par rapport à la provenance du vent et non comme à l’accoutumée dans le plan vertical) maximum et par voie de conséquence une action de couple maximum pour ramener l’ensemble en position vent de travers.

■ la valeur de l’angle entre l’aile et le dispositif arrière est égale à 90° moins l’angle entre les ailes et la provenance du vent (+/-10 ⁰ ) : cela permet de maintenir le dispositif arrière avec un angle de 90° par rapport à la provenance du vent et donc d’avoir une action de trainée maximum et par voie de conséquence une action de couple maximum pour ramener l’ensemble en position vent de travers.

Ces stratégies à angle variable plus complexes que la stratégie à angle fixe présentée précédemment sont néanmoins efficaces et applicables et sont illustrées par les figures HA à 11C.

Bien entendu, on pourra panacher les stratégies à angle fixe et à angle variable décrites ci-dessus, c’est-à-dire qu’on pourra utiliser une stratégie à angle fixe pour certaines plages d’angle entre les ailes et la provenance du vent, et une stratégie à angle variable pour d’autres plages d’angle entre les ailes et la provenance du vent.