FR3110545A1 - Procédé d’optimisation d’une consommation d’énergie d’un hélicoptère hybride en vol en palier - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé d’optimisation d’une consommation d’énergie d’un hélicoptère hybride (10) en vol en palier. Un hélicoptère hybride (10) comporte un fuselage (11), un rotor principal (12) muni de premières pales (121), deux demi-ailes (15) muni d’un organe mobile (151) orientable, deux hélices (13) munies de deuxièmes pales (131), une installation motrice et au moins un élément (171) d’empennage (20). Ledit procédé comporte six boucles de régulation réalisées simultanément pour réguler une assiette longitudinale dudit hélicoptère hybride (10) en pilotant un pas cyclique longitudinal desdites premières pales (121), un angle de braquage de chaque élément (171) d’empennage (20), une altitude dudit hélicoptère hybride (10) en pilotant un pas collectif desdites premières pales (121), une vitesse d’avancement dudit hélicoptère hybride (10) en pilotant un pas collectif desdites deuxièmes pales, une vitesse de rotation dudit rotor principal (12) et un angle de braquage d’au moins un organe mobile (151) desdites demi-ailes (15). Figure abrégé : figure 1
Description
La présente invention est du domaine des aides au pilotage des aéronefs et en particulier des aéronefs à voilure tournante.
La présente invention concerne un procédé d’optimisation d’une consommation d’énergie d’un hélicoptère hybride en vol en palier ainsi qu’un hélicoptère hybride mettant en œuvre un tel procédé.
Un giravion, désigné également « aéronef à voilure tournante », comporte traditionnellement un fuselage et au moins un rotor principal entraîné en rotation par une installation motrice. Ce rotor principal assure au moins partiellement la sustentation voire la propulsion du giravion. Le giravion peut aussi comporter un dispositif anticouple permettant d’une part de s’opposer au couple généré par le rotor principal sur le fuselage de cet aéronef et d’autre part de contrôler les mouvements en lacet de cet aéronef.
Un giravion peut également comporter une ou plusieurs hélices d’avancement assurant au moins partiellement l’avancement du giravion. La ou les hélices d’avancement sont susceptibles d’assurer également les fonctions anticouple et de contrôle du mouvement en lacet de cet aéronef.
En particulier, un giravion, désigné « hélicoptère hybride » comporte un fuselage, au moins un rotor principal, au moins une aile, composée par exemple de deux demi-ailes agencées de part et d’autre du fuselage, une ou plusieurs hélices d’avancement placées également sur le côté du fuselage, par exemple sur les demi-ailes, et un empennage. Un tel hélicoptère hybride permet de réaliser des vols de croisière avec des vitesses d’avancement et sur des distances importantes.
Chaque rotor principal peut assurer la totalité de la portance de l’hélicoptère hybride pendant les phases de décollage, d’atterrissage et de vol vertical, puis en général partiellement pendant le vol de croisière. Chaque demi-aile peut contribuer alors pour partie à la portance de l’hélicoptère hybride. Ainsi, chaque rotor principal génère une partie de la sustentation de l’hélicoptère hybride en vol de croisière avec éventuellement une faible contribution à l’avancement du giravion.
Par ailleurs, en modifiant collectivement, et d’une même valeur, le pas des pales des hélices d’avancement, il est possible de contrôler la poussée générée par ces hélices d’avancement et, par suite, la vitesse d’avancement de l’hélicoptère hybride. Dans un souci de simplification, on utilisera par la suite le terme « hélice » pour désigner une hélice d’avancement.
En outre, chaque demi-aile peut comporter au moins un ou plusieurs organes mobiles et orientables, désignés également « volets », afin de modifier la force de portance générée par la demi-aile. De même, l’empennage peut aussi comporter un ou plusieurs éléments mobiles et orientables. Alternativement ou complémentairement, chaque demi-aile peut également être mobile et orientable dans son intégralité par rapport au fuselage de l’hélicoptère hybride.
Le respect et la préservation de l’environnement sont aujourd’hui pris en compte dans la conception et l’utilisation des giravions. La limitation de la consommation d’énergie d’un giravion, et de carburant en particulier, est un des critères importants relatifs au respect et à la préservation de l’environnement. Cependant, cette limitation de la consommation de carburant d’un giravion est essentiellement prise en compte dans la conception des moteurs utilisés afin de tenter d’obtenir un rendement optimal. La présente invention vise quant à elle un procédé d’optimisation de la consommation d’énergie d’un hélicoptère hybride lors de vols en palier ainsi qu’un hélicoptère hybride mettant en œuvre un tel procédé.
Par ailleurs, un giravion peut comprendre un système appliquant des lois de pilotage optimisées afin d’assister un pilote et d’assurer une stabilisation en vol du giravion, par exemple par un maintien d’une assiette du giravion ou bien un maintien des mouvements du giravion, tels que notamment sa vitesse par rapport à l’air ou par rapport au sol, son cap, son altitude…
En particulier, concernant les hélicoptères hybrides, l’art antérieur comporte plusieurs documents décrivant l’utilisation de telles lois de pilotage mais ne répondant à la problématique soulevée.
Par exemple, le document FR 2916420 décrit un procédé de contrôle de l’assiette longitudinale d'un hélicoptère hybride en vol de croisière stabilisé. Le pas cyclique des pales du rotor principal et l'angle de braquage d’au moins un volet d’empennage horizontal ou d’une gouverne de profondeur sont commandés en fonction du moment de flexion exercé sur le mât rotor du rotor principal. Une telle assistance au pilotage permet alors de modifier l'assiette longitudinale de l'hélicoptère hybride en fonction des conditions du vol. Ce procédé permet de la sorte de limiter le moment de flexion exercé sur le mât rotor, voire de l’annuler. La vitesse de rotation du rotor principal peut également être réduite à partir d’une certaine vitesse d’avancement. Un tel hélicoptère hybride permet d’optimiser le compromis entre sa vitesse d’avancement, sa distance franchissable et sa masse.
En outre, les documents FR 2990684 et FR 2990685 décrivent des procédés de commande des volets d'ailes et des éléments mobiles horizontaux d'un empennage d'un hélicoptère hybride lors de phases de vol stabilisées à vitesses d’avancement élevées visant à limiter la charge de travail du pilote de l’hélicoptère hybride. Le document FR 2990684 décrit un procédé permettant d’ajuster la portance des ailes pour que le rotor principal converge vers un point de fonctionnement optimisé en termes de finesse aérodynamique par exemple. Ce procédé permet également d'ajuster la portance générée par l’empennage de sorte à équilibrer l’hélicoptère hybride.
Le document FR 2990685 décrit un procédé permettant d'ajuster la portance des ailes pour que la portance des ailes représente un pourcentage prédéterminé de la portance totale de l’hélicoptère hybride afin d’optimiser notamment la finesse aérodynamique du rotor principal. Ce procédé permet également d'ajuster la portance générée par un empennage de sorte que la puissance du rotor principal de l’hélicoptère hybride soit égale à une puissance de consigne ou bien de sorte à minimiser le moment de flexion longitudinale du mât rotor d’un rotor principal.
Le document FR 2959205 décrit quant à lui un procédé de commande et de régulation de l'angle de braquage d'un élément mobile d’un empennage d'un hélicoptère hybride afin de minimiser la puissance totale consommée par le rotor principal et les hélices en vol de croisière stabilisé. Ce procédé se compose de trois boucles de régulation. La première boucle régule l’assiette longitudinale ou en tangage de l’aéronef, par l’intermédiaire d’une commande de pas cyclique longitudinal et la seconde boucle régule la vitesse d’avancement de l’aéronef, par l’intermédiaire d’une commande de pas collectif des hélices propulsives. Enfin, la troisième boucle régule l'angle de braquage d'un élément mobile horizontal de l’empennage afin d’optimiser la puissance consommée en maintenant constantes l’assiette longitudinale et la vitesse d’avancement de l'hélicoptère hybride.
De plus, le document FR 2916421 décrit un procédé de régulation de la puissance motrice d’un giravion équipé d’un rotor principal et d’hélices en vol de croisière stabilisé. Ce procédé permet de réguler les vitesses de rotation du rotor principal et des hélices du giravion en fonction de sa vitesse d’avancement par rapport à l’air.
Par ailleurs, le document US 4488236 décrit un dispositif de commande de moteur pour un hélicoptère conventionnel, ne comportant ni aile, ni hélice, qui modifie la vitesse de rotation de chaque moteur, et par suite, du rotor principal du giravion afin d’optimiser la consommation de carburant.
Dans le même registre, le document FR 3033316 décrit un procédé et un dispositif de détermination et d'optimisation de paramètres caractéristiques du fonctionnement d'un giravion. Ce procédé permet notamment de déterminer un ou plusieurs paramètres caractéristiques optimisés pour la réalisation d’une manœuvre prédéterminée avec par exemple une vitesse de croisière minimisant la consommation de carburant ou bien la distance franchissable par le giravion.
La présente invention a alors pour but de proposer un procédé d’optimisation d’une consommation d’énergie d’un hélicoptère hybride en vol en palier visant plus précisément à optimiser sa distance franchissable ou sa consommation instantanée d’énergie. La présente invention vise également un hélicoptère hybride mettant en œuvre un tel procédé.
La présente invention a alors pour objet un procédé d’optimisation d’une consommation d’énergie d’un hélicoptère hybride en vol en palier. Un hélicoptère hybride comporte :
- un fuselage,
- au moins un rotor principal muni de premières pales,
- au moins deux demi-ailes, chaque demi-aile étant munie d’au moins un organe mobile orientable afin de modifier une force de portance générée par chaque demi-aile,
- au moins une hélice munie de deuxièmes pales,
- une installation motrice muni d’au moins un moteur et entraînant en rotation ledit au moins un rotor principal et ladite au moins une hélice,
- au moins un élément d’empennage mobile et orientable permettant de contrôler l'équilibre longitudinal de l’hélicoptère hybride,
- un dispositif de pilotage automatique, et
- au moins un calculateur.
Les demi-ailes sont agencées de part et d’autre du fuselage. Une hélice peut être agencée sur une demi-aile. Par exemple, un hélicoptère hybride peut comporter deux hélices agencées de part et d’autre du fuselage, éventuellement à l’extrémité d’une demi-aile.
L’hélicoptère hybride peut également comporter des dispositifs de commande, par exemple des servocommandes, permettant de modifier le pas cyclique et le pas collectif des premières pales de chaque rotor principal ainsi que le pas collectif des deuxièmes pales de chaque hélice. Le pas collectif d’une pale est identique pour toutes les pales quelles que soient leurs positions en azimut autour de l’axe de rotation du rotor ou de l’hélice. Le pas cyclique d’une pale est quant à lui différent en fonction de la position en azimut de la pale autour de cet axe de rotation. Le pas cyclique longitudinal d’une pale est le pas cyclique de la pale positionnée parallèlement à la direction longitudinale de l’hélicoptère hybride et orientée vers l’avant de l’hélicoptère hybride. La direction longitudinale de l’hélicoptère hybride s’étend de l’arrière vers l’avant de l’hélicoptère hybride.
L’hélicoptère hybride peut aussi comporter des dispositifs de commande, par exemple des servocommandes, permettant de modifier un angle de braquage d’au moins un organe mobile de chaque demi-aile ainsi qu’un angle de braquage d’au moins un élément d’empennage.
Le dispositif de pilotage automatique peut alors piloter ces dispositifs de commande afin d’agir sur les pas des premières et des deuxièmes pales ainsi que sur les angles de braquage de chaque organe mobile de chaque demi-aile et de chaque élément d’empennage et, par suite, peut agir pour le maintien ou la modification de la trajectoire suivie par l’hélicoptère hybride.
Le calculateur peut être un calculateur dédié à la réalisation du procédé selon l’invention ou être un calculateur partagé ayant de multiples fonctions au sein de l’hélicoptère hybride. A ce titre, le calculateur peut être par exemple intégré à un dispositif avionique de l’hélicoptère hybride.
Le procédé d’aide au pilotage d’un hélicoptère hybride en vol en palier selon l’invention est remarquable en ce qu’il comporte les boucles de régulation suivantes :
- une première boucle de régulation pour réguler une assiette longitudinale de l’hélicoptère hybride par l’intermédiaire d’un pilotage du pas cyclique longitudinal des premières pales du rotor principal,
- une deuxième boucle de régulation pour réguler un angle de braquage d’au moins un élément d’empennage,
- une troisième boucle de régulation pour réguler une altitude de l’hélicoptère hybride par l’intermédiaire d’un pilotage du pas collectif des premières pales du rotor principal,
- une quatrième boucle de régulation pour réguler une vitesse longitudinale d’avancement de l’hélicoptère hybride par l’intermédiaire d’un pilotage du pas collectif des deuxièmes pales de ladite au moins une hélice,
- une cinquième boucle de régulation pour réguler une vitesse de rotation du rotor principal par l’intermédiaire d’un pilotage de l’installation motrice, et
- une sixième boucle de régulation pour réguler un angle de braquage d’au moins un organe mobile de chaque demi-aile.
Ces boucles de régulation permettent de réguler différents paramètres de pilotage de l’hélicoptère hybride afin de piloter les différents organes de vol de l’hélicoptère hybride, à savoir chaque rotor principal et chaque hélice ainsi que les tronçons mobiles de chaque demi-aile et chaque élément d’empennage. En particulier, les pas collectif et cyclique des premières pales de chaque rotor principal ainsi que la vitesse de rotation de chaque rotor principal peuvent être pilotés. De même, le pas collectif des deuxièmes pales de chaque hélice peut être piloté. Les angles de braquage d’au moins un organe mobile de chaque demi-aile et d’au moins un élément d’empennage peuvent être pilotés. Les boucles de régulation peuvent commander le dispositif de pilotage automatique afin de piloter les différents organes de vol et de fait de réguler les différents paramètres de pilotage.
Les différents paramètres de pilotage de l’hélicoptère hybride sur lesquels agissent les boucles de régulation du procédé selon l’invention sont ainsi les pas collectif et cyclique des premières pales de chaque rotor principal, la vitesse de rotation de chaque rotor principal, le pas collectif des deuxièmes pales de chaque hélice, les angles de braquage d’au moins un organe mobile de chaque demi-aile et les angles de braquage d’au moins un élément d’empennage.
En conséquence, le vol en palier de l’hélicoptère hybride peut être effectué avec une consommation optimisée d’énergie de l’hélicoptère hybride grâce à la mise en œuvre de ces boucles de régulation. En particulier, le vol en palier peut être réalisé en minimisant la consommation instantanée d’énergie de l’hélicoptère hybride. Cette consommation instantanée d’énergie peut être caractérisée par exemple par le débit instantané de carburant alimentant l’installation motrice. Avantageusement, le vol en palier peut aussi être réalisé en maximisant la distance franchissable par l’hélicoptère hybride. Cette maximisation de la distance franchissable peut être caractérisée par exemple par une minimisation du rapport de la consommation instantanée d’énergie de l’hélicoptère hybride par la vitesse par rapport au sol de l’hélicoptère hybride, notamment par une minimisation du rapport du débit instantané de carburant alimentant l’installation motrice par la vitesse par rapport au sol de l’hélicoptère hybride.
Le procédé d’optimisation d’une consommation d’énergie d’un hélicoptère hybride en vol en palier selon l’invention est destiné en particulier au vol en palier selon une phase de vol stabilisée.
Lors d’une phase de vol stabilisée, les conditions de vol sont sensiblement constantes, c'est-à-dire que les principaux paramètres de vol sont sensiblement constants. Il s’agit notamment de la vitesse verticale et de la trajectoire de l’hélicoptère hybride. Lors de cette phase de vol stabilisée, la vitesse d’avancement est également de préférence sensiblement constante. Une vitesse verticale constante peut être obtenue notamment en maintenant l’assiette et/ou l’incidence de l’hélicoptère hybride constante. Une trajectoire constante correspond à une trajectoire sans changement de direction de l’hélicoptère hybride.
Dans le cas particulier d’un vol en palier, donc se déroulant à une altitude constante, la vitesse verticale est nulle.
La première boucle de régulation permet de réguler l’assiette longitudinale de l’hélicoptère hybride. Cette première boucle de régulation est mise en œuvre par l’intermédiaire du pilotage du pas cyclique longitudinal des premières pales du rotor principal afin d’optimiser, voire de maximiser la finesse aérodynamique de l’hélicoptère hybride en vol. Le vol étant en palier, l’assiette longitudinale de l’hélicoptère peut par exemple être sensiblement nulle, à savoir avec un angle d’incidence de l’hélicoptère hybride égal à zéro degré dans ce cas particulier d’un vol en palier.
La deuxième boucle de régulation permet de réguler l’équilibre longitudinal de l’hélicoptère hybride en adaptant un angle de braquage d’au moins un élément d’empennage. Cette deuxième boucle de régulation peut être réalisée afin que la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride diminue jusqu’à être inférieure ou égale à une valeur de consigne, ou bien reste inférieure ou égale à cette valeur de consigne. De la sorte, la deuxième boucle de régulation peut permettre de minimiser directement la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride. Cette consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride peut être caractérisée par exemple par le débit de carburant alimentant l’installation motrice de l’hélicoptère hybride ou par un rapport entre le débit de carburant alimentant l’installation motrice et la vitesse par rapport au sol de l’hélicoptère hybride.
La deuxième boucle de régulation peut également être réalisée de sorte qu’une inclinaison d’un disque rotor formé par les extrémités libres des premières pales d’un rotor principal lors de la rotation de ce rotor principal diminue jusqu’à être inférieure ou égale à une valeur de consigne ou bien reste inférieure ou égale à cette valeur de consigne. En particulier, si cette valeur de consigne de cette inclinaison du disque rotor par rapport à une direction horizontale est égale à zéro, le disque rotor est alors sensiblement horizontal, dans un repère terrestre, et la force aérodynamique générée par ce rotor principal est une force de portance pure utilisée uniquement pour la sustentation de l’hélicoptère hybride. Le rotor principal n’exerce alors aucune force d’avancement contribuant à l’avancement de l’hélicoptère hybride.
Chaque valeur de consigne peut être déterminée suite à des essais en vol et/ou des simulations afin par exemple d’établir des valeurs d’interpolation en fonction de la vitesse d’avancement de l’hélicoptère hybride. Chaque valeur de consigne peut également être déterminée en fonction des valeurs de masse et centrage de l’hélicoptère hybride par exemple. Chaque valeur de consigne est de préférence calculée en temps réels lors du vol de l’hélicoptère hybride et est variable en fonction de l’équilibre longitudinal et vertical de l’hélicoptère hybride.
De plus, lorsque l’angle d’incidence de l’hélicoptère hybride est sensiblement nul grâce à la première boucle de régulation, la force aérodynamique générée par chaque hélice contribue uniquement à l’avancement de l’hélicoptère hybride sans participer à sa sustentation. Dans ces conditions, l’hélicoptère hybride fonctionne comme un girodyne comportant des demi-ailes. Ce fonctionnement de l’hélicoptère hybride en mode girodyne maintenue avec finesse et de manière prolongée afin d’optimiser la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride est un fonctionnement singulier et non prévisible de l’hélicoptère hybride.
La deuxième boucle de régulation peut aussi être réalisée de sorte que le pas cyclique des premières pales de chaque rotor principal tende vers une valeur de consigne. La deuxième boucle de régulation peut encore être réalisée de sorte que le moment en flexion longitudinale d’un mât d’un rotor principal diminue jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne ou bien reste inférieur ou égal à cette valeur de consigne, de façon à limiter les contraintes subies par ce mât de ce rotor principal.
Un moment de flexion faible est caractéristique d’un rotor exerçant un effort perpendiculaire au plan transversal de l’hélicoptère hybride sur l’axe rotor. Avec une incidence nulle souhaitée en vol d’avancement par palier, cela révèle d’une utilisation optimum du rotor pour une utilisation sustentatrice pure. De la sorte, en mode girodyne, le mât du rotor principal est sensiblement vertical, l’assiette de l’hélicoptère hybride étant horizontale. Les efforts résistants induits au sein des divers composants mécaniques de la transmission mécanique entraînant en rotation le rotor principal se voient également s’amoindrir.
La troisième boucle de régulation permet de réguler l’altitude de l’hélicoptère hybride. Cette troisième boucle de régulation est mise en œuvre par l’intermédiaire d’un pilotage du pas collectif des premières pales du rotor principal. La troisième boucle de régulation permet ainsi de maintenir sensiblement constante cette altitude et permet donc la tenue du vol en palier de l’hélicoptère hybride.
La quatrième boucle de régulation permet de réguler la vitesse longitudinale d’avancement de l’hélicoptère hybride. Cette quatrième boucle de régulation est mise en œuvre par l’intermédiaire du pilotage du pas collectif des deuxièmes pales d’au moins une hélice. La quatrième boucle de régulation peut être réalisée de sorte que la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride diminue jusqu’à être inférieure ou égale à une valeur de consigne, ou bien reste inférieure ou égale à cette valeur de consigne. De la sorte, la quatrième boucle de régulation peut permettre de minimiser directement la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride. Cette consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride peut être caractérisée par exemple par le débit de carburant alimentant l’installation motrice de l’hélicoptère hybride ou par un rapport entre le débit de carburant alimentant l’installation motrice et la vitesse par rapport au sol de l’hélicoptère hybride.
La quatrième boucle peut aussi être réalisée de façon qu’une vitesse longitudinale d’avancement de l’hélicoptère hybride tend vers une valeur de consigne de vitesse déterminée notamment en fonction d’une masse courante de l’hélicoptère hybride, de la masse volumique de l’air, d’un cap de l’hélicoptère hybride et d’une valeur d’une composante longitudinale du vent subi par l’hélicoptère hybride. Cette vitesse longitudinale d’avancement déterminée de l’hélicoptère hybride peut être une vitesse par rapport à l’air ou bien une vitesse par rapport au sol.
La cinquième boucle de régulation permet de réguler la vitesse de rotation du rotor principal. Cette cinquième boucle de régulation est mise en œuvre par l’intermédiaire d’un pilotage de l’installation motrice et de sa vitesse de rotation en particulier. La cinquième boucle de régulation peut être réalisée afin qu’un nombre de mach à l’extrémité libre des premières pales, en particulier les premières pales avançantes, tende vers un nombre de mach limite prédéterminé, de sorte à ne pas dégrader ces premières pales.
La cinquième boucle de régulation contribue alors à l’optimisation de la consommation notamment par une répartition adaptée entre la force aérodynamique de portance générée par le rotor principal et la force aérodynamique de portance générée par chaque demi-aile et éventuellement par une modification de la finesse de l’hélicoptère hybride.
De plus, l’efficacité des turbomoteurs équipant généralement un hélicoptère hybride trouve son fonctionnement optimum, et donc optimisant sa consommation d’énergie, à des vitesses de rotation élevées. Dès lors, la valeur de consigne relative à la vitesse de rotation du rotor principal correspond à une vitesse de rotation du rotor principal maximale, sans atteindre les vitesses de Mach de divergence au niveau des extrémités libres des pales.
Cette valeur de consigne est déterminée en fonction de la vitesse air d’avancement longitudinal de l’hélicoptère et de la vitesse tangentielle de rotation du rotor principal en bout de pale, pour une pale avançante quand cette pale avançante est perpendiculaire à l’axe d’avancement, soit l’axe longitudinal de l’hélicoptère hybride.
La cinquième boucle de régulation peut aussi être réalisée de sorte que la vitesse d’avancement de l’hélicoptère hybride tende vers une valeur de consigne, cette vitesse d’avancement pouvant être la vitesse par rapport à l’air ou bien la vitesse par rapport au sol.
Cette cinquième boucle de régulation peut également être réalisée afin que la puissance délivrée par l’installation motrice de l’hélicoptère hybride tende vers une valeur de consigne de puissance de sorte que la puissance délivrée soit par exemple inférieure à des valeurs limites prédéterminées.
La sixième boucle de régulation permet de réguler l’angle de braquage d’au moins un organe mobile de chaque demi-aile afin de maintenir l’altitude de l’hélicoptère hybride en fonction des variations du pas collectif des première pales obtenues suite à la réalisation de la troisième boucle de régulation. La sixième boucle de régulation peut être réalisée de sorte que la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride diminue jusqu’à être inférieure ou égale à une valeur de consigne, ou bien reste inférieure ou égale à cette valeur de consigne. De la sorte, la sixième boucle de régulation peut permettre de minimiser directement la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride. Cette consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride peut être caractérisée par exemple par le débit de carburant alimentant l’installation motrice de l’hélicoptère hybride ou par un rapport entre le débit de carburant alimentant l’installation motrice et la vitesse par rapport au sol de l’hélicoptère hybride.
La sixième boucle de régulation peut aussi être réalisée de sorte qu’un pas collectif des premières pales du rotor principal tende vers une valeur de consigne. En effet, la régulation de l’angle de braquage d’au moins un organe mobile de chaque demi-aile permet d’augmenter la sustentation des demi-ailes et, par suite, de soulager chaque rotor principal de sa fonction de sustentation. En conséquence, une baisse de consigne de pas collectif avec un objectif de maintien d’altitude peut être réalisée par la troisième boucle de régulation.
Cette valeur de consigne peut être déterminée suite à des essais en vol et/ou des simulations, notamment en fonction de la masse et du centrage de l’hélicoptère hybride par exemple
Les valeurs de consigne sont déterminées de préférence en temps réel par le calculateur au cours du vol en palier.
Les boucles de régularisation des paramètres de pilotage de l’hélicoptère hybride sont de préférence mises en œuvre simultanément afin de prendre en compte ces paramètres de pilotage.
Cependant, les différentes boucles de régulation peuvent être réalisées avec des constantes de temps différentes afin de permettre de converger vers un point de fonctionnement prédéterminé de l’hélicoptère hybride correspondant à l’optimisation de sa consommation d’énergie.
Par exemple, la première boucle de régulation est réalisée avec une constante de temps inférieure à la constante de temps de la deuxième boucle de régulation. La première boucle de régulation peut être considérée comme rapide alors que la deuxième boucle de régulation peut être considérée comme lente. La constante de temps de la première boucle de régulation est par exemple inférieure à une seconde alors que la constante de temps de la deuxième boucle de régulation est supérieure à une seconde.
De la sorte, la première boucle de régulation permet de réguler rapidement l’assiette longitudinale de l’hélicoptère hybride alors que la deuxième boucle de régulation permet de réguler plus lentement l’angle de braquage d’au moins un élément d’empennage afin d’obtenir un équilibre longitudinal de l’hélicoptère hybride tout en optimisant la traînée aérodynamique de l’hélicoptère hybride pour ce vol en palier et en prenant en compte les autres paramètres de pilotage de l’hélicoptère hybride.
De même, la troisième boucle de régulation peut être réalisée avec une constante de temps inférieure à la constante de temps de la sixième boucle de régulation. La troisième boucle de régulation peut être considérée comme rapide alors que la sixième boucle de régulation peut être considérée comme lente. La constante de temps de la troisième boucle de régulation est par exemple inférieure à une seconde alors que la constante de temps de la sixième boucle de régulation est supérieure à une seconde.
De la sorte, la troisième boucle de régulation permet de réguler rapidement l’altitude de l’hélicoptère hybride alors que la sixième boucle de régulation permet de réguler plus lentement l’angle de braquage d’au moins un organe mobile de chaque demi-aile afin d’obtenir le maintien de l’altitude de l’hélicoptère hybride en prenant en compte les autres paramètres de pilotage de l’hélicoptère hybride.
Le procédé d’aide au pilotage d’un hélicoptère hybride en vol en palier selon l’invention peut de plus comprendre une ou plusieurs des caractéristiques qui suivent, prises seules ou en combinaison.
Selon un aspect, chaque boucle de régulation peut être réalisée afin que chaque paramètre de pilotage atteigne une valeur de consigne correspondant à un point de fonctionnement prédéterminé de l’hélicoptère hybride représentatif d’une consommation d’énergie optimisée pour le vol en palier. Chaque valeur de consigne d’un paramètre de pilotage est déterminée par exemple en temps réel par le calculateur afin que l’hélicoptère hybride converge vers ce point de fonctionnement prédéterminé.
Selon un aspect, chaque boucle de régulation peut être réalisée par l’application d’un algorithme itératif afin d’adapter chaque paramètre de pilotage, éventuellement via l’adaptation d’une valeur de consigne relative à chaque paramètre de pilotage, de sorte que l’hélicoptère hybride converge vers un point de fonctionnement prédéterminé correspondant à une consommation d’énergie optimisée pour le vol en palier. L’algorithme itératif peut être mis en œuvre en temps réel par le calculateur.
Selon un aspect, chaque boucle de régulation peut être réalisée initialement sur la base d’une valeur de consigne correspondant à un point de fonctionnement prédéterminé représentatif de la consommation d’énergie optimisée pour le vol en palier, puis un algorithme itératif est appliqué afin d’adapter au cours du vol, directement chaque paramètre ou chaque valeur de consigne relative aux différents paramètres de pilotage de sorte que l’hélicoptère se maintienne au point de fonctionnement prédéterminé. Le calculateur permet de déterminer initialement chaque valeur de consigne et de mettre en œuvre l’algorithme itératif.
La présente invention vise également un hélicoptère hybride configuré pour la mise en œuvre du procédé précédemment décrit.
Cette hélicoptère hybride comporte notamment :
- un fuselage,
- au moins un rotor principal muni d’une pluralité de premières pales et assurant au moins partiellement la sustentation et/ou l’avancement de l’hélicoptère hybride,
- au moins deux demi-ailes, chaque demi-aile comportant au moins un organe mobile orientable afin de modifier la force de portance générée par chaque demi-aile,
- au moins une hélice munie d’une pluralité de deuxièmes pales et assurant au moins partiellement l’avancement de l’hélicoptère hybride,
- au moins un élément d’empennage mobile et orientable permettant de contrôler l'équilibre longitudinal de l’hélicoptère hybride,
- un dispositif de pilotage automatique, et
- au moins un calculateur.
L’invention et ses avantages apparaîtront avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit avec des exemples donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées qui représentent :
- les figures 1 et 2, un hélicoptère hybride,
- la figure 3, un schéma synoptique d’un procédé d’optimisation du bruit généré par un giravion au sol, et
- la figure 4, une courbe de variation de la vitesse de rotation du rotor principal.
Les éléments présents dans plusieurs figures distinctes sont affectés d’une seule et même référence.
L’exemple d’hélicoptère hybride 10 représenté sur la figure 1 comporte plus précisément un fuselage 11, un rotor principal 12, deux hélices 13, une poutre de queue 16 ainsi que deux demi-ailes 15 assurant au moins partiellement la sustentation de l’hélicoptère hybride 10 en vol d’avancement et trois empennages 17,18 portés par la poutre de queue 16, à savoir un empennage horizontal 17 et deux empennages verticaux 18. Chaque hélice 13 est agencée à proximité d’une extrémité d’une demi-aile 15.
De plus, chaque demi-aile 15 peut comporter au moins un organe mobile 151 orientable afin de modifier la force de portance générée par chaque demi-aile 15. L’empennage 20 peut comporter au moins un élément fixe horizontal 17, au moins un élément vertical fixe 18 ainsi qu’un ou plusieurs éléments 171,181 mobiles et orientables afin de modifier la force aérodynamique générée par l’empennage 20. Deux éléments 171 sont horizontaux et deux éléments 181 sont verticaux.
Selon l’exemple d’hélicoptère hybride 10 représenté sur la figure 1, chaque demi-aile 15 comporte deux organes mobiles 151 orientables. L’empennage 20 comporte un élément fixe horizontal 17, deux éléments verticaux fixes 18 ainsi que deux éléments 171 horizontaux et deux éléments 181 verticaux mobiles et orientables.
Les éléments 171 horizontaux de l’empennage 20 peuvent ainsi agir sur l’équilibre longitudinal de l’hélicoptère hybride 10 autour de son axe de tangage et son équilibre transversal autour de son axe de roulis alors que les éléments 181 verticaux de l’empennage 20 peuvent agir sur l’équilibre et les mouvements de l’hélicoptère hybride 10 autour de son axe de lacet. Les éléments 17,171 horizontaux de l’empennage 20 peuvent être remplacés par des éléments inclinés contribuant simultanément à l’équilibre longitudinal et à l’équilibre transversal de l’hélicoptère hybride 10. D’autres configurations sont bien sur possibles sans sortir du cadre de l’invention.
Le rotor principal 12, les deux hélices 13, les organes mobiles 151 des deux demi-ailes et les éléments 171,181 mobiles de l’empennage 20 constituent des organes de vol permettant de modifier notamment la trajectoire, la vitesse d’avancement et l’équilibre de l’hélicoptère hybride 10.
L’hélicoptère hybride 10 comporte aussi des dispositifs de commande (non représentés) permettant de modifier cycliquement et collectivement le pas des premières pales 121 de chaque rotor principal 12, collectivement le pas des deuxièmes pales 131 de chaque hélice 13 ainsi que l’angle de braquage d’au moins un organe mobile 151 de chaque demi-aile 15, et l’angle de braquage d’au moins un élément 171,181 de l’empennage 20.
Le dispositif de pilotage automatique 21 peut agir sur les différents organes de vol et modifier des paramètres de pilotage liés à ces organes de vol. Le dispositif de pilotage automatique 21 peut notamment agir sur le pas des premières pales 121 du rotor principal 12 et le pas des secondes pales 131 de chaque hélice 13 ainsi que sur les angles de braquage des organes mobiles 151 de chaque demi-aile 15 et des éléments 171,181 mobiles de l’empennage 20. De la sorte, le dispositif de pilotage automatique 21 peut maintenir ou modifier la trajectoire suivie par l’hélicoptère hybride 10.
Le calculateur 22 peut être intégré à un dispositif avionique de l’hélicoptère hybride 10 ou bien être un calculateur indépendant. Dans tous les cas, le calculateur 22 met en œuvre un procédé selon l’invention d’ d’optimisation d’une consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride 10 en vol en palier.
Le calculateur 22 peut comporter au moins un processeur et au moins une mémoire, au moins un circuit intégré, au moins un système programmable ou bien au moins un circuit logique, ces exemples ne limitant pas la portée donnée à l’expression « calculateur ». Le calculateur 22 peut aussi être relié à une mémoire externe au calculateur 22.
Les capteurs 25 sont destinés à la mesure ou à la détermination de conditions de vol de l’hélicoptère hybride 10. Les capteurs 25 comportent par exemple un dispositif 26 muni d’un tube de Pitot permettant de mesurer la vitesse par rapport à l’air de l’hélicoptère hybride 10. Les capteurs 25 comportent par exemple une centrale inertielle 28 permettant de déterminer la pente aérodynamique de la trajectoire suivie par l’hélicoptère hybride 10 ainsi que l’assiette de l’hélicoptère hybride 10 et notamment son angle d’incidence. Les capteurs 25 comportent par exemple au moins un dispositif 27 dédié à des mesures des conditions atmosphériques, à savoir d’une température extérieure et d’une pression atmosphérique extérieure à l’hélicoptère hybride 10.
L’hélicoptère hybride 10 comporte par exemple également un récepteur par satellites 24 fournissant la position de l’hélicoptère hybride 10 dans un repère terrestre ainsi que sa vitesse par rapport au sol.
Le procédé selon l’invention peut ainsi être exécuté par l’application d’un algorithme itératif permettant d’adapter chaque paramètre de pilotage pour atteindre un point de fonctionnement prédéterminé de l’hélicoptère hybride 10 optimisant sa consommation d’énergie lors du vol en palier et rester sensiblement à ce point de fonctionnement prédéterminé.
Le calculateur 22 peut aussi déterminer en temps réel des valeurs de consigne, pour chaque paramètre de pilotage de l’hélicoptère hybride 10 respectifs, correspondant à un point de fonctionnement prédéterminé de l’hélicoptère hybride 10 optimisant sa consommation d’énergie. Chaque boucle de régulation 1-6 peut alors être réalisée pour que chaque paramètre de pilotage tende vers la valeur de consigne correspondante.
Lors de cette exécution du procédé selon l’invention, le calculateur 22 transmet des ordres de commande au dispositif de pilotage automatique 21 afin de modifier ou d’adapter les paramètres de pilotage et d’agir ainsi sur les organes de pilotage de sorte à maintenir un vol en palier selon une phase de vol stabilisée.
Cette optimisation de la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride 10 en vol en palier peut être obtenue en minimisant la consommation instantanée d’énergie de l’hélicoptère hybride 10, par exemple en minimisant le débit instantané de carburant alimentant l’installation motrice 19. Cette optimisation de la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride 10 en vol en palier peut être obtenue en maximisant la distance franchissable par l’hélicoptère hybride 10, par exemple en minimisant le rapport du débit instantané de carburant alimentant l’installation motrice 19 par la vitesse par rapport au sol de l’hélicoptère hybride 10.
La première boucle de régulation 1 permet de réguler l’assiette longitudinale de l’hélicoptère hybride 10, à savoir son angle d’incidence, en agissant sur le rotor principal 12, et plus précisément en pilotant le pas cyclique longitudinal des premières pales 121. Cette première boucle de régulation 1 a pour but d’optimiser la finesse aérodynamique de l’hélicoptère hybride 10 pour le vol en palier, et donc de réduire la traînée aérodynamique de l’hélicoptère hybride 10 et, en conséquence, de contribuer fortement à l’optimisation de la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride 10. Le vol étant en palier, l’angle d’incidence de l’hélicoptère hybride 10 peut notamment être sensiblement nul, à savoir égal à zéro degré.
La deuxième boucle de régulation 2 permet de réguler l’équilibre longitudinal de l’hélicoptère hybride 10 en adaptant un angle de braquage d’au moins un élément 171 horizontal de l’empennage 20. La deuxième boucle de régulation 2 permet en particulier d’adapter la force aérodynamique F générée par l’empennage horizontal 17 en fonction de l’assiette longitudinale de l’hélicoptère hybride 10 et des autres forces aérodynamiques générées par les organes de pilotage de l’hélicoptère hybride 10 pour obtenir l’équilibre longitudinal de l’hélicoptère hybride 10 voulu.
La première et la deuxième boucles de régulation 1,2 sont fortement liées, la deuxième boucle de régulation 2 adaptant l’équilibre longitudinal de l’hélicoptère hybride 10 suite à la réalisation de la première boucle de régulation 1. De la sorte, et afin de permettre à l’hélicoptère hybride 10 d’atteindre un point de fonctionnement prédéterminé correspondant à l’optimisation de sa consommation d’énergie sans osciller en permanence autour de ce point de fonctionnement, les première et deuxième boucles de régulation 1,2 sont réalisées avec des constantes de temps différentes.
La première boucle de régulation 1 est réalisée avec une constante de temps inférieure à la constante de temps de la deuxième boucle de régulation 2. La constante de temps de la première boucle de régulation 1 est par exemple inférieure à une seconde, et typiquement comprise entre 50 et 300 millisecondes, alors que la constante de temps de la deuxième boucle de régulation 2 est supérieure à une seconde.
La deuxième boucle de régulation 2 peut être réalisée afin de contribuer directement à l’optimisation de la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride 10, la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride pouvant être réduite et tendre vers une valeur de consigne consommation d’énergie, ou bien rester inférieure ou égale à cette valeur de consigne consommation d’énergie. L’angle de braquage d’au moins un élément 171 horizontal de l’empennage 20 peut par exemple être choisi afin que le débit de carburant alimentant l’installation motrice de l’hélicoptère hybride 10 soit réduit jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne de débit ou bien reste inférieur ou égal à cette valeur de consigne de débit ou bien afin qu’un rapport entre le débit de carburant alimentant l’installation motrice et la vitesse par rapport au sol de l’hélicoptère hybride 10 soit réduit jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne relative à ce rapport ou bien reste inférieur ou égal à cette valeur de consigne relative à ce rapport.
La deuxième boucle de régulation 2 peut également agir sur d’autres paramètres de l’hélicoptère hybride 10 et être réalisée afin que l’inclinaison d’un disque rotor soit réduite et tende vers une valeur de consigne d’inclinaison, ou bien reste inférieure ou égale à cette valeur de consigne d’inclinaison. Cette inclinaison du disque rotor, formé par les extrémités libres des premières pales 121 du rotor principal 12, peut être déterminée de façon indirecte en fonction de la valeur de la commande de pas des premières pales 121 par exemple ou de façon directe par exemple par un gyromètre agencé au niveau d’une première pale 121. Lorsque cette inclinaison du disque rotor par rapport à une direction horizontale est nulle, le disque rotor est alors sensiblement horizontal et la force aérodynamique générée par le rotor principal 12 est une force de portance pure, sans contribution à l’avancement de l’hélicoptère hybride 12.
Dans ces conditions et lorsque suite à la première boucle de régulation 1, l’angle d’incidence de l’hélicoptère hybride 10 est sensiblement nul, l’hélicoptère hybride 10 se comporte comme un girodyne, les hélices 13 contribuant uniquement à l’avancement de l’hélicoptère hybride 10 et le rotor principal 12 contribue uniquement à la sustentation de l’hélicoptère hybride 12.
La deuxième boucle de régulation 2 peut aussi être réalisée afin que les premières pales 121 du rotor principal 12 respectent une valeur consigne de pas cyclique déterminée par le calculateur 21. La deuxième boucle de régulation 2 peut encore être réalisée de façon à limiter ou annuler le moment en flexion longitudinale d’un mât du rotor principal 12, ce moment en flexion longitudinale tendant par exemple vers une valeur de consigne de moment ou bien restant inférieur ou égal à cette valeur de consigne de moment.
La troisième boucle de régulation 3 permet de réguler l’altitude de l’hélicoptère hybride en pilotant le pas collectif des premières pales 121 du rotor principal 12 afin de maintenir sensiblement constante l’altitude de l’hélicoptère hybride 10 et de permettre ainsi le respect du vol en palier. La troisième boucle de régulation 3 permet en particulier d’adapter la force aérodynamique PRgénérée par le rotor principal 12 en fonction de l’inclinaison du disque rotor, de l’assiette longitudinale de l’hélicoptère hybride 10 et éventuellement des autres forces aérodynamiques générées par les organes de pilotage de l’hélicoptère hybride 10 pour maintenir l’altitude de l’hélicoptère hybride 10.
La quatrième boucle de régulation 4 permet de réguler la vitesse longitudinale d’avancement de l’hélicoptère hybride 10 en pilotant le pas collectif des deuxièmes pales 131 des hélices 13. La quatrième boucle de régulation 4 permet en particulier d’adapter la force aérodynamique TPgénérée par chaque hélice 13 en fonction de l’assiette longitudinale de l’hélicoptère hybride 10, de la contribution du rotor principal 12 à l’avancement de l’hélicoptère hybride et éventuellement des autres forces aérodynamiques générées par les organes de pilotage de l’hélicoptère hybride 10. La vitesse longitudinale d’avancement de l’hélicoptère hybride 10 peut être une vitesse par rapport à l’air ou bien par rapport au sol.
La quatrième boucle de régulation 4 peut être réalisée afin de contribuer directement à l’optimisation de la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride 10, la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride pouvant être réduite et tendre vers une valeur de consigne de consommation d’énergie, ou bien rester inférieure ou égale à cette valeur de consigne de consommation d’énergie. La pas collectif des deuxièmes pales 131 des hélices 13 peut par exemple être choisi afin que le débit de carburant alimentant l’installation motrice de l’hélicoptère hybride 10 soit réduit jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne de débit ou bien reste inférieur ou égal à cette valeur de consigne de débit ou bien afin qu’un rapport entre le débit de carburant alimentant l’installation motrice et la vitesse par rapport au sol de l’hélicoptère hybride 10 soit réduit jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne relative à ce rapport ou bien reste inférieur ou égal à cette valeur de consigne relative à ce rapport.
La quatrième boucle de régulation 4 peut également agir en fonction d’autres paramètres de l’hélicoptère hybride 10 et être réalisée de façon par exemple à respecter une valeur de consigne de la vitesse longitudinale d’avancement, cette valeur de consigne de la vitesse longitudinale d’avancement étant déterminée par le calculateur 22 notamment en fonction d’une masse courante de l’hélicoptère hybride 10, de la masse volumique de l’air, d’un cap de l’hélicoptère hybride 10 et d’une valeur d’une composante longitudinale du vent subi par l’hélicoptère hybride 10.
La cinquième boucle de régulation 5 permet de réguler la vitesse de rotation du rotor principal 12 en pilotant l’installation motrice 19 et plus précisément la vitesse de rotation des moteurs de cette installation motrice 19. De fait, cette cinquième boucle de régulation 5 modifie également la vitesse de rotation des hélices 13, le rapport des vitesses de rotation du rotor principal 12 et des hélices 13 étant par exemple constant.
Suite à cette cinquième boucle de régulation 5, la force aérodynamique PRgénérée par le rotor principal 12 et la force aérodynamique TPgénérée par chaque hélice 13 peuvent être impactées. Ainsi, le pas des premières pales 121 du rotor principal 12 et le pas des deuxièmes pales 131 des hélices peuvent être adaptés par les premières, troisièmes et quatrième boucles de régulation 1,3,4. Par suite, l’équilibre longitudinal de l’hélicoptère hybride 10 peut aussi être adapté par la deuxième boucle de régulation 2.
La cinquième boucle de régulation 5 peut être réalisée afin de contribuer directement à l’optimisation de la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride 10, la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride pouvant être réduite et tendre vers une valeur de consigne de consommation d’énergie, ou bien rester inférieure ou égale à cette valeur de consigne de consommation d’énergie. La vitesse de rotation du rotor principal 12 peut par exemple être choisie afin que le débit de carburant alimentant l’installation motrice de l’hélicoptère hybride 10 soit réduit jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne de débit ou bien reste inférieur ou égal à cette valeur de consigne de débit ou bien afin qu’un rapport entre le débit de carburant alimentant l’installation motrice et la vitesse par rapport au sol de l’hélicoptère hybride 10 soit réduit jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne relative à ce rapport ou bien reste inférieur ou égal à cette valeur de consigne relative à ce rapport.
La cinquième boucle de régulation 5 peut également agir sur d’autres paramètres de l’hélicoptère hybride 10 et être réalisée afin qu’un nombre de mach à l’extrémité libre des premières pales 121, en particulier les premières pales 121 avançantes tende vers un nombre de mach limite prédéterminé.
Trois lois sont représentées sur la figure 4, une loi nominale, entourée d’une loi minimale et d’une loi maximale. Le point de fonctionnement du rotor principal 12 doit se situer entre les lois minimale et maximale.
Cette cinquième boucle de régulation 5 peut également être réalisée afin de respecter une valeur de consigne de puissance pour la puissance délivrée par l’installation motrice 19. Cette puissance délivrée par l’installation motrice 19 peut notamment être caractérisée par un couple, par exemple un couple fourni par chaque moteur de l’installation motrice 19, ou bien un couple mesuré au niveau du mât du rotor principal 12 ou encore un couple mesuré au niveau d’un arbre entraînant les hélices 13. Afin de mesurer ces couples, un couplemètre peut être agencé sur un arbre de transmission sortant d’un moteur, sur le mât du rotor principal 12 et/ou sur un arbre de chaque hélice 13 par exemple.
Enfin, la sixième boucle de régulation 6 permet de réguler l’angle de braquage d’au moins un organe mobile 151 de chaque demi-aile 15 afin de maintenir l’altitude de l’hélicoptère hybride 10 sensiblement constante. Les demi-ailes 15 contribuent avec le rotor principal 12 à générer les forces aérodynamiques nécessaires pour assurer la sustentation de l’hélicoptère hybride 10. La sixième boucle de régulation 6 permet en particulier d’adapter la force aérodynamique PWgénérée par chaque demi-aile 15 en fonction principalement de la force aérodynamique PRgénérée par le rotor principal 12 et de l’assiette longitudinale de l’hélicoptère hybride 10.
La sixième boucle de régulation 6 peut être réalisée afin de contribuer directement à l’optimisation de la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride 10, la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride pouvant être réduite et tendre vers une valeur de consigne de consommation d’énergie, ou bien rester inférieure ou égale à cette valeur de consigne de consommation d’énergie. L’angle de braquage d’au moins un organe mobile 151 peut par exemple être choisie afin que le débit de carburant alimentant l’installation motrice de l’hélicoptère hybride 10 soit réduit jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne de débit ou bien reste inférieur ou égal à cette valeur de consigne de débit ou bien afin qu’un rapport entre le débit de carburant alimentant l’installation motrice et la vitesse par rapport au sol de l’hélicoptère hybride 10 soit réduit jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne relative à ce rapport ou bien reste inférieur ou égal à cette valeur de consigne relative à ce rapport.
Dès lors, la troisième et la sixième boucles de régulation 3,6 sont fortement liées, contribuant à la répartition des forces aérodynamiques assurant la sustentation de l’hélicoptère hybride 10 entre le rotor principal 12 et les demi-ailes 15. De la sorte, et afin de permettre à l’hélicoptère hybride 10 d’atteindre un point de fonctionnement prédéterminé correspondant une consommation d’énergie optimisée sans osciller en permanence autour de ce point de fonctionnement, les troisième et sixième boucles de régulation 3,6 sont réalisées avec des constantes de temps différentes.
La troisième boucle de régulation 3 est réalisée avec une constante de temps inférieure à la constante de temps de la sixième boucle de régulation 6. La constante de temps de la troisième boucle de régulation 3 est par exemple inférieure à une seconde, et typiquement comprise entre 50 et 300 millisecondes, alors que la constante de temps de la sixième boucle de régulation 6 est supérieure à une seconde.
En outre, lors de cette sixième boucle de régulation 6, une modification de l’angle de braquage d’au moins un organe mobile 151 de chaque demi-aile 15 provoque une variation de la force aérodynamique PWgénérée par chaque demi-aile 15 ainsi qu’un déplacement du centre de portance où est appliquée cette force aérodynamique PWsur chaque demi-aile 15. En conséquence, l’équilibre longitudinal de l’hélicoptère hybride 10 peut être modifié, l’hélicoptère hybride 10 pouvant alors avoir tendance à cabrer ou à piquer. Dès lors, les autres paramètres de pilotage de l’hélicoptère hybride 10 sont adaptés lors des différentes boucles de régulation afin de retrouver un équilibre longitudinal de l’hélicoptère hybride 10 tout en respectant le vol en palier.
Pour réaliser cette sixième boucle de régulation 6, les angles de braquage de tous les organes mobiles 151 d’une demi-aile 15 peuvent être modifiés simultanément. Toutefois, un angle de braquage d’un organe mobile 151 d’une demi-aile 15 peut être inchangé, cet organe mobile 151 étant considéré bloqué, un angle de braquage d’un seul organe mobile 151 d’une demi-aile étant alors modifié lors de la sixième boucle de régulation. De même, si l’hélicoptère hybride 10 comporte par exemple quatre demi-ailes, deux demi-ailes étant agencées de chaque côté du fuselage 11, un angle de braquage de chaque organe 151 d’une des deux demi-ailes 15 situées d’un côté du fuselage peut être inchangé alors qu‘un angle de braquage de chaque organe mobile 151 de l’autre des deux demi-ailes est modifié lors de la sixième boucle de régulation 6.
La sixième boucle de régulation 6 peut être réalisée de façon à ce que la répartition des forces aérodynamiques PW,PRpermette d’optimiser la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride 10, la consommation d’énergie de l’hélicoptère hybride pouvant être réduite et tendre vers une valeur de consigne de consommation d’énergie, ou bien rester inférieure ou égale à cette valeur de consigne de consommation d’énergie. La sixième boucle de régulation 6 peut également agir sur d’autres paramètres de l’hélicoptère hybride 10 et être réalisée de façon par exemple à permettre aux premières pales 121 de rejoindre une valeur de consigne de pas collectif.
De la sorte, le procédé d’aide au pilotage d’un hélicoptère hybride 10 en vol en palier selon l’invention permet avantageusement, par la mise en œuvre de ces six boucles de régulation 1-6, la réalisation d’un vol en palier de l’hélicoptère hybride 10 avec une consommation d’énergie optimisée grâce à la régulation des pas des pales 121,131, des mouvements des éléments mobiles 151,171 de l’hélicoptère hybride 10 ainsi qu’à la vitesse de rotation du rotor principal 12 couplée à la vitesse d’avancement de l’hélicoptère hybride 10 et/ou des données de puissance consommées par l’hélicoptère hybride 10.
Naturellement, la présente invention est sujette à de nombreuses variations quant à sa mise en œuvre. Bien que plusieurs modes de réalisation aient été décrits, on comprend bien qu’il n’est pas concevable d’identifier de manière exhaustive tous les modes possibles. Il est bien sûr envisageable de remplacer un moyen décrit par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention.
Claims (13)
- Procédé d’optimisation d’une consommation d’énergie d’un hélicoptère hybride (10) en vol en palier, ledit hélicoptère hybride (10) comportant :
- un fuselage (11),
- au moins un rotor principal (12) muni de premières pales (121),
- au moins deux demi-ailes (15), chaque demi-aile (15) étant muni d’au moins un organe mobile (151) orientable afin de modifier une force de portance générée par chaque demi-aile (15),
- au moins une hélice (13) munie de deuxièmes pales (131),
- une installation motrice (19) muni d’au moins un moteur et entraînant en rotation ledit au moins un rotor principal (12) et ladite au moins une hélice (13),
- au moins un élément (171) d’empennage (20) orientable permettant de contrôler un équilibre longitudinal dudit hélicoptère hybride (10),
- un dispositif de pilotage automatique (21), et
- au moins un calculateur (22),
- une première boucle de régulation (1) pour réguler une assiette longitudinale dudit hélicoptère hybride (10) par l’intermédiaire d’un pilotage d’un pas cyclique longitudinal desdites premières pales (121) dudit rotor principal (12),
- une deuxième boucle de régulation (2) pour réguler un angle de braquage dudit d’au moins un élément (171) d’empennage (20),
- une troisième boucle de régulation (3) pour réguler une altitude dudit hélicoptère hybride (10) par l’intermédiaire d’un pilotage d’un pas collectif desdites premières pales (121) dudit rotor principal (12),
- une quatrième boucle de régulation (4) pour réguler une vitesse longitudinale d’avancement dudit hélicoptère hybride (10) par l’intermédiaire d’un pilotage d’un pas collectif desdites deuxièmes pales (131) de ladite au moins une hélice (13),
- une cinquième boucle de régulation (5) pour réguler une vitesse de rotation dudit rotor principal (12), et
- une sixième boucle de régulation (6) pour réguler un angle de braquage d’au moins un organe mobile (151) desdites au moins deux demi-ailes (15).
- Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce que ladite première boucle de régulation (1) est réalisée avec une constante de temps inférieure à une constante de temps de ladite deuxième boucle de régulation (2). - Procédé selon la revendication 2,
caractérisé en ce que ladite constante de temps de ladite première boucle de régulation (1) est inférieure à une seconde et ladite constante de temps de ladite deuxième boucle de régulation (2) est supérieure à une seconde. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que ladite troisième boucle de régulation (3) est réalisée avec une constante de temps inférieure à une constante de temps de ladite sixième boucle de régulation (6). - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisé en ce que lors de ladite deuxième boucle de régulation (2), le dispositif de pilotage automatique (21) pilote ledit angle de braquage dudit d’au moins un élément (171) d’empennage (20) de sorte que :- un moment d’un mât (128) d’un rotor principal (12) diminue jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne de moment ou reste inférieur ou égal à ladite valeur de consigne de moment, ou
- un débit de carburant alimentant ladite installation motrice (19) diminue jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne de débit ou reste inférieur ou égal à ladite valeur de consigne de débit, ou
- un rapport entre ledit débit de carburant alimentant ladite installation motrice (19) et une vitesse par rapport au sol dudit hélicoptère hybride (10) diminue jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne relative à ce rapport ou reste inférieur ou égal à ladite valeur de consigne relative à ce rapport, ou
- une inclinaison d’un disque rotor formé par des extrémités libres desdites premières pales (121) diminue jusqu’à être inférieure ou égale à une valeur de consigne d’inclinaison ou reste inférieure ou égale à ladite valeur de consigne d’inclinaison, ou
- ledit pas cyclique desdites premières pales (121) tende vers une valeur de consigne de pas cyclique.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que lors de ladite quatrième boucle de régulation (4), le dispositif de pilotage automatique (21) pilote ledit pas collectif desdites deuxièmes pales (131) de sorte que :- un débit de carburant alimentant ladite installation motrice (19) diminue jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne de débit ou reste inférieur ou égal à ladite valeur de consigne de débit, ou
- un rapport entre ledit débit de carburant alimentant ladite installation motrice (19) et une vitesse par rapport au sol dudit hélicoptère hybride (10) diminue jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne relative à ce rapport ou reste inférieur ou égal à ladite valeur de consigne relative à ce rapport, ou
- une vitesse longitudinale d’avancement dudit hélicoptère hybride (10) tende vers une valeur de consigne de vitesse longitudinale déterminée en fonction d’une masse courante dudit hélicoptère hybride (10), de la masse volumique de l’ air, d’un cap dudit hélicoptère hybride et d’une valeur d’une composante longitudinale du vent subi par ledit hélicoptère hybride.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6,
caractérisé en ce que lors de ladite cinquième boucle de régulation (5), le dispositif de pilotage automatique (21) pilote ladite vitesse de rotation dudit rotor principal (12) de sorte que :- une puissance délivrée par ladite installation motrice (19) tende vers une valeur de consigne de puissance, ou
- un nombre de mach à l’extrémité libre de chaque première pale (121) tende vers un nombre de mach limite prédéterminé, ou
- une puissance délivrée par ladite installation motrice (19) tende vers une valeur de consigne de puissance et un nombre de mach limite à l’extrémité libre de chaque première pale (121) tende vers un nombre de mach limite prédéterminé, ou
- une vitesse d’avancement dudit hélicoptère hybride (10) tende vers une valeur de consigne de vitesse d’avancement.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7,
caractérisé en ce que lors de ladite sixième boucle de régulation (6), le dispositif de pilotage automatique (21) pilote ledit angle de braquage d’au moins un organe mobile (151) desdites au moins deux demi-ailes (15).de sorte que :- un débit de carburant alimentant ladite installation motrice (19) diminue jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne de débit ou reste inférieur ou égal à ladite valeur de consigne de débit, ou
- un rapport entre ledit débit de carburant alimentant ladite installation motrice (19) et une vitesse par rapport au sol dudit hélicoptère hybride (10) diminue jusqu’à être inférieur ou égal à une valeur de consigne relative à ce rapport ou reste inférieur ou égal à ladite valeur de consigne relative à ce rapport, ou
- ledit pas collectif desdites premières pales (121) dudit rotor principal (12) tende vers une valeur de consigne de pas collectif.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8,
caractérisé en ce que lors de ladite première boucle de régulation (1) et de ladite deuxième boucle de régulation (2), ladite assiette longitudinale dudit hélicoptère hybride (10) et une inclinaison d’un disque rotor formé par des extrémités libres desdites premières pales (121) varient jusqu’à être nulles de sorte que ledit rotor principal (12) n’ait aucune contribution à l’avancement dudit hélicoptère hybride (10) et que chaque hélice (13) contribue uniquement à l’avancement dudit hélicoptère hybride (10) sans participer à sa sustentation, ledit hélicoptère hybride (10) fonctionnant en mode girodyne. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9,
caractérisé en ce que des paramètres de pilotage dudit hélicoptère hybride (10) étant lesdits pas collectif et cyclique desdites premières pales (121), ladite vitesse de rotation dudit au moins un rotor principal (12), ledit pas collectif desdites deuxièmes pales (131), les angles de braquage d’au moins un organe mobile (151) de chaque demi-aile (14) et d’au moins un élément (171) d’empennage (20), au moins une boucle de régulation (1-6) est réalisée afin qu’au moins un paramètre de pilotage atteigne une valeur de consigne correspondant à ce paramètre de pilotage pour le vol en palier, chaque valeur de consigne d’un paramètre de pilotage étant déterminée par ledit calculateur (22) afin que ledit hélicoptère hybride (10) converge vers un point de fonctionnement prédéterminé correspondant à une optimisation de la consommation d’énergie dudit hélicoptère hybride (10) pour le vol en palier. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10,
caractérisé en ce que des paramètres de pilotage dudit hélicoptère hybride (10) étant lesdits pas collectif et cyclique desdites premières pales (121), ladite vitesse de rotation dudit au moins un rotor principal (12), ledit pas collectif desdites deuxièmes pales (131), les angles de braquage d’au moins un organe mobile (151) de chaque demi-aile (14) et d’au moins un élément (171) d’empennage (20), au moins une boucle de régulation (1-6) est réalisée par l’application d’un algorithme itératif afin d’adapter au moins un paramètre de pilotage de sorte que ledit hélicoptère hybride (10) converge vers un point de fonctionnement prédéterminé correspondant à une optimisation de la consommation d’énergie dudit hélicoptère hybride (10) pour le vol en palier, l’algorithme itératif étant mis en œuvre en temps réel par ledit calculateur (22). - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9,
caractérisé en ce que des paramètres de pilotage dudit hélicoptère hybride (10) étant lesdits pas collectif et cyclique desdites premières pales (121), ladite vitesse de rotation dudit au moins un rotor principal (12), ledit pas collectif desdites deuxièmes pales (131), les angles de braquage d’au moins un organe mobile (151) de chaque demi-aile (14) et d’au moins un élément (171) d’empennage (20), au moins une boucle de régulation (1-6) est réalisée initialement sur la base d’une valeur de consigne pour au moins un paramètre de pilotage pour le vol en palier, puis un algorithme itératif est appliqué afin d’adapter chaque paramètre de pilotage de sorte que ledit hélicoptère hybride (10) converge vers un point de fonctionnement prédéterminé correspondant à une optimisation de la consommation d’énergie pour le vol en palier, ledit calculateur (22) déterminant chaque valeur de consigne et mettant en œuvre l’algorithme itératif. - Hélicoptère hybride (10) comportant :
- un fuselage (11),
- au moins un rotor principal (12) muni de premières pales (121),
- au moins deux demi-ailes (15), chaque demi-aile (15) munies d’au moins un organe mobile (151) orientable afin de modifier la force de portance générée par chaque demi-aile (15) agencées respectivement de part et d’autre dudit fuselage (11),
- au moins une hélice (13) munie de deuxièmes pales (131),
- une installation motrice (19) muni d’au moins un moteur et entraînant en rotation ledit au moins un rotor principal (12) et ladite au moins une hélice (13),
- au moins un élément (171) d’empennage (20) orientable permettant de contrôler l'équilibre longitudinal dudit hélicoptère hybride (10),
- un dispositif de pilotage automatique (21), et
- au moins un calculateur (22),
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