WO2020225305A1 - Dispositif d'application d'effort pour manche de pilotage - Google Patents

Dispositif d'application d'effort pour manche de pilotage Download PDF

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WO2020225305A1
WO2020225305A1 PCT/EP2020/062586 EP2020062586W WO2020225305A1 WO 2020225305 A1 WO2020225305 A1 WO 2020225305A1 EP 2020062586 W EP2020062586 W EP 2020062586W WO 2020225305 A1 WO2020225305 A1 WO 2020225305A1
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WO
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magnetic
axis
application device
shaft
force
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PCT/EP2020/062586
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Rémi-Louis LAWNICZAK
Yannick ATTRAZIC
Original Assignee
Safran Electronics & Defense
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Definitions

  • TITLE Device for applying force for the control stick
  • the present invention relates to piloting devices used by the pilot in an aircraft cockpit. It relates in particular to an active piloting stick comprising an integrated force feedback to assist the pilot.
  • a piloting device in an aircraft cockpit comprises, in the usual way, a piloting stick with in particular a control lever mounted to rotate about a so-called roll axis and a so-called pitch axis, these two axes being orthogonal to each other. the other. Most often, devices of the “broomstick” type are encountered.
  • the piloting device transmits movement commands to the piloting members of the aircraft.
  • the control of the movements of the aircraft is electronic and the piloting device integrated into the cockpit can be of the "side stick" type.
  • the position of the lever along the two roll and pitch axes is measured by sensors and translated into movement commands.
  • the lever is not directly mechanically linked to the moving parts of the aircraft. There is no direct mechanical feedback on the lever for the pilot.
  • Document FR 3 01 1 815 describes an active force feedback device with an electric motor.
  • the aircraft flight control device comprises a control lever mounted on a plate and connected to a roll axis motor and a pitch axis motor by means of transmission shafts.
  • the two motors are controlled according to a law of force, so that during the operation of the mini-stick, they generate a resistive force opposing the force exerted on the lever (force feedback), for example when a force threshold is exceeded by the pilot.
  • force feedback for example when a force threshold is exceeded by the pilot.
  • Such a device proves to be effective in restoring piloting sensations and increasing flight safety.
  • the force feedback can be suppressed.
  • the active force feedback systems of the state of the art often include a large number of components, in particular roll and pitch motors but also clutches, torque limiters, gears, etc. systems can be expensive, bulky and difficult to integrate into an aircraft cockpit.
  • the introduction of gears implies a reduction in the dynamic performance of the control stick, whose inertia increases, and causes a loss of ergonomics because the pilot feels the variations in torque due to the presence of the gears.
  • the state of the art does not provide a suitable solution for the conservation of the force feedback at the level of the lever in the event of failure of a force feedback motor, having a limited size and good durability.
  • pilot stick with a lower mass, bulk and electrical consumption compared to existing pilot sticks.
  • a first object of the invention is a force application device for a pilot stick of an aircraft, in which the pilot stick comprises a control lever driving a shaft in rotation around a first axis, the device comprising a magnetic brake which comprises:
  • a magnetic emitter opposite to the magnetizable element while being free to rotate around the first axis relative to the magnetizable element, said magnetic emitter having an activated state, in which the magnetic emitter is supplied with current and generates a magnetic field at a volume occupied by the magnetizable element, and a deactivated state in which the magnetic emitter is not supplied with current and does not generate a magnetic field, so as to prevent rotation of the magnetizable element by compared to the magnetic transmitter around the shaft.
  • the magnetic brake of the inventive force applying device performs a force feedback on the shaft. Once the magnetizable element is magnetized, under the action of a magnetic field which is applied to it, the rotation of the magnetizable element around the shaft relative to the magnetic emitter is slowed down or blocked, by interaction magnetostatic. If the shaft moves relative to the magnetic emitter, a resistive force is in fact exerted on the magnet element.
  • the magnetic brake of the invention has low mechanical complexity.
  • the braking of the shaft can be achieved without contact between the magnetic transmitter and the magnet element. There is no friction between the moving parts of the brake.
  • the force application device of the invention therefore has an increased service life compared to mechanical interlocking braking systems.
  • Another advantage of the invention is that the force exerted on the shaft is very insensitive to the temperature of the environment of the brake, which improves the reliability of the brake.
  • the brake is used in addition to a force feedback motor configured to exert a resistive force on the shaft during flight.
  • a force feedback motor or its processing chain for example a loss of power to the motor or a computer malfunction
  • the magnetic transmitter of the force application device is controlled in such a way. to magnetize the magnetizable element.
  • complete blocking of the lever is provided in the event of an electrical failure affecting the motor, the resistive force exerted on the shaft by magnetostatic interaction after the occurrence of the failure event being sufficiently large to block the shaft.
  • the magnetic brake is configured to exert a feedback according to a law of force and / or damping, in addition to or as a replacement for possible force feedback motors.
  • the magnetic brake is then integrated into the force feedback expected in normal operation of the control stick.
  • the stress application device of the invention may further have the following characteristics, taken alone or in any of the technically possible combinations:
  • the tree extends along the first axis.
  • the shaft is rotated by the control lever around its own axis of extension.
  • the magnetizable element comprises at least one of the following materials: iron, cobalt, stainless steel, silicon, boron.
  • the magnetic emitter is placed opposite the magnet element, along the first axis.
  • the magnetic transmitter is a solenoid.
  • the magnetic emitter is able to produce at the level of the volume occupied by the magnetizable element an induction magnetic field greater than a threshold between 0.1 Tesla and 10 Tesla, the threshold preferably being greater than 1 Tesla.
  • the magnet element is configured to magnetize when the magnetic emitter is in the activated state and to demagnetize when the magnetic emitter is in the deactivated state.
  • the force application device further comprises a permanent magnetic device, configured to produce a permanent magnetic field at the level of the volume occupied by the magnetizable element which compensates for the magnetic field of the magnetic emitter when the magnetic emitter is in the activated state.
  • the force application device further comprises a mechanical seal integral in rotation with the lever about a second axis, and a force sensor configured to measure a torque exerted on the lever which causes rotation of the mechanical seal around of the second axis.
  • the force application device further comprises a mechanical seal integral in rotation with the lever around a roll axis and around a pitch axis, the piloting stick comprising the shaft, connected to the mechanical seal and whose rotation around the first axis is linked to the rotation of the mechanical seal around the roll axis, and comprising an additional shaft, connected to the mechanical seal and whose rotation around an additional axis is related to the rotation of the seal mechanical around the pitch axis, the force application device further comprises an additional magnetic brake comprising:
  • an additional magnetic emitter opposed to the additional magnetizable element while being free to rotate about the additional axis with respect to the additional magnetizable element said additional magnetic emitter having an activated state, in which the additional magnetic emitter is supplied with power current and generates a magnetic field at the volume occupied by the additional magnetizable element, and a deactivated state in which the additional magnetic emitter is not supplied with current and does not generate a magnetic field, so as to prevent rotation of the additional magnet element compared to the additional magnetic emitter around the additional shaft.
  • the additional magnet element is mounted on the additional shaft, and / or the additional shaft extends along the additional axis.
  • the invention relates to an active piloting stick for an aircraft, which comprises a force application device as defined above and which further comprises a lever movable in rotation about a second axis , the rotation of the shaft of the force application device around the first axis being linked to the rotation of the lever around the second axis.
  • This piloting stick may also have, in an optional and non-limiting manner, the following characteristics, taken alone or in any of the technically possible combinations: - the control stick also includes:
  • a force feedback motor the shaft corresponding to a drive shaft of said motor, said motor being configured to exert force feedback on the second axis.
  • a torque exerted by the force feedback motor is a function of a control signal transmitted by the computer.
  • control stick further comprises an angular position sensor, the control signal being calculated as a function of an angular position of the shaft around the first axis measured by said sensor.
  • the force application device further comprises a standby power supply unit configured to provide power to the magnetic emitter when the magnetic emitter is in the activated state, said power supply being separate from a computer power supply.
  • the magnetic transmitter of the stress application device is configured to receive a common power supply with a power supply of the computer when the magnetic transmitter is in the activated state.
  • the force application device further comprises a permanent magnetic device, configured to produce a permanent magnetic field at the level of the volume occupied by the magnetizable element of the force application device which compensates for the magnetic field of the Magnetic transmitter when the magnetic transmitter is in the activated state.
  • An additional object of the invention is a method of mechanical emergency control of a force application device for an aircraft piloting stick, the method being implemented using a piloting stick. as defined above, said stick comprising a force feedback motor, the method comprising the steps of:
  • Another object of the invention is a method for controlling a damping law of a force application device for an aircraft piloting stick, the method being implemented using a stick. piloting as defined above and comprising the steps of:
  • an activation signal for the magnetic emitter of the force application device comprising a magnetic field setpoint determined as a function of the position and / or of the speed of the lever according to a predetermined law, the signal of activation being transmitted to the magnetic transmitter.
  • Figure 1 functionally shows the overall architecture of a piloting system comprising a pilot stick according to one embodiment of the invention.
  • Figure 2 is a perspective view of the lever and mechanical seal of the pilot system of Figure 1.
  • Figure 3 is a schematic view of a pilot stick incorporating a force application device according to one embodiment of the invention, the force application device comprising magnetic brakes.
  • Figure 4a schematically shows a magnetic brake of the force applying device of Figure 3, in which the magnetic transmitter is in the activated state and the magnet element has a first position.
  • Figure 4b schematically shows the same magnetic brake of the force applying device of Figure 3, in which the magnetic transmitter is in the activated state and the magnet element has a second position.
  • Figure 5 is a flowchart of the steps of a method of controlling a force application device of the invention, in mechanical backup.
  • Figure 6 is a flowchart of the steps of a method of controlling a force application device of the invention, in damping law.
  • the force law is also understood to mean the relationship between the position of the lever and the total force returned on the lever, which can be resistive or motor (this total force taking into account the action of the mechanical brake (s) and possibly the action of one or more force feedback motors or other elements).
  • FIG. 1 a functional architecture of an aircraft piloting system, the aircraft being notably piloted along roll and pitch axes.
  • the piloting system shown comprises in particular a mini piloting stick, examples of which will be described in detail below.
  • the sidestick is typically found in the cockpit of the aircraft.
  • the system comprises a control lever 1, mounted on a mechanical seal 2, for example on a plate of the mechanical seal.
  • the lever is rotatably mounted about a roll X axis and a lever pitch Y axis, the two axes being orthogonal.
  • the mechanical seal 2 can be mounted on a casing of the aircraft, the casing being integral with the floor of the aircraft. The pilot acts on the lever to control moving parts of the aircraft.
  • electronic lever position signals acquired by an angular position sensor 4a of the lever associated with the roll axis X and an angular position sensor 4b of the lever associated with the pitch axis Y are communicated to a 8 flight control unit, or FCS for Flight Control System.
  • the sensors 4a and 4b also communicate information on the speed of rotation of the lever 1 along these axes.
  • the lever position / speed information is translated into control signals for piloting moving parts of the aircraft by the control unit 8.
  • the pilot stick of FIG. 1 further comprises a device for applying a force to the roll and pitch axes of the lever.
  • One function of the force application device is to ensure the force feedback on the stick, in response to the handling of the lever 1 by the pilot, in addition to force motors or by replacing the force motors. effort.
  • the force application device comprises an electric motor 3a associated with an axis A drive shaft linked to the lever roll axis X.
  • linked to the axis is meant that a motion transmission exists between the shaft of axis A and an element of the joint 2.
  • the drive shaft of the motor 3a is therefore driven in rotation.
  • the device comprises an electric motor 3b associated with a drive shaft of axis B linked to the Y axis for pitching the lever.
  • Motors 3a and 3b are force feedback motors.
  • the motor 3a could be arranged to act directly on the roll axis X via a rotating shaft linked to the joint 2 and the motor 3b could be arranged to act directly on the pitch Y axis via a rotating shaft linked to the shaft. seal 2.
  • the control stick comprises a computer 70 configured to generate and transmit to the motors a control signal comprising a force setpoint, for example a torque setpoint exerted by engines.
  • the control unit 8 is configured to determine, according to the position / speed information of the lever and / or according to other data, the force setpoint.
  • the force setpoint is for example calculated according to a predetermined force law.
  • the computer 70 includes an electronic interface for receiving signals comprising said position information and transmitting this information to the control unit 8.
  • the computer 70 can be configured to independently determine the force reference from the position / speed signals of the lever and / or from other data, and to generate the engine control signals from of the force instruction.
  • the force application device further comprises a first magnetic brake 5a linked to the axis A and a second magnetic brake 5b linked to the axis B.
  • these brakes are positioned directly respectively on the shaft.
  • Each magnetic brake comprises a magnetizable element and a magnetic emitter opposite to the magnetizable element, a detailed example of which is described below.
  • the magnetic emitter has an activated state, in which it emits a magnetic field at the level of the volume occupied by the magnetizable element, and a deactivated state, in which it does not emit said magnetic field.
  • the magnetostatic interactions between the magnetic emitter and the magnetizable element are such as to slow down or block the rotation of the shaft associated with the magnetic brake.
  • element magnetizable means an element made wholly or partly in a material capable of being magnetized in response to a magnetic field which is applied to it.
  • the magnetization acquired by the material of the magnetizable element disappears if the total magnetic field is canceled out at the level of the volume occupied by said element.
  • the magnetic transmitters of the magnetic brakes 5a and 5b are controlled to selectively switch to the activated state or to the deactivated state.
  • the magnetic transmitters of the brakes 5a and 5b each have respective emergency power supply units 71a and 71b, separate from a power supply for the computer 70.
  • the selective control of the activated or deactivated state of the magnetic transmitters is carried out by the emergency power supply units.
  • An advantage is that in the event of a failure affecting the computer 70, for example an interruption of the power supply to the computer preventing reliable operation of the force feedback motors, the magnetic brakes remain under control.
  • control of the emergency power supply units to control the supply of electric current to the magnetic transmitters of the brakes 5a and 5b, is carried out by the control unit 8 of the control system.
  • the magnetic transmitter of a magnetic brake is configured to receive a common power supply with a power supply from the computer 70 when the magnetic transmitter is in the activated state.
  • the magnetic transmitter is powered directly through the computer 70.
  • the activated or deactivated state of the magnetic emitters may not be selectively controllable.
  • the activated state then results from a normal power supply to the computer 70, and the deactivated state results from a break or a failure of the power supply to the computer 70.
  • the computer 70 selectively controls the shift. of the magnetic transmitter in the activated or deactivated state.
  • the motors 3a and 3b could be omitted from the control system, if the brakes 5a and 5b configured to act on the roll and pitch axes are kept.
  • the brakes 5a and 5b can then be controlled to exert a resistive force determined as a function of the position and / or the speed of the lever 1, according to a damping law.
  • control system also comprises force sensors 6a and 6b measuring respectively the torque exerted on the lever in pivoting along the X axis and along the Y axis.
  • force sensors 6a and 6b may be all types of known force sensors, for example capacitive, piezoelectric or resistive sensors.
  • control system includes a force control mode.
  • the lever 1 is immobilized and the control unit 8 determines control signals for the moving parts of the aircraft as a function of the forces applied to the lever 1 by the pilot.
  • Figure 2 shows a control stick according to an exemplary embodiment according to the architecture of Figure 2.
  • the lever 1 is arranged on a mechanical seal 2 fixed to a casing 9 secured to a frame of the aircraft.
  • the seal is movable in rotation with respect to the casing along the X and Y axes.
  • the motors 3a and 3b (not visible in the figure) are offset from the lever.
  • the brakes 5a and 5b are also offset from the lever.
  • the lever 1 is free at one end and fixed to a first plate 1 1 of the seal 2 at the other end.
  • the first plate 11 is movable in rotation along the X axis and along the Y axis and is linked to a second plate 10 of the joint 2.
  • the X axis is linked to the first plate 11, so that a pivoting of the first plate 11 around the Y axis rotates the X axis around the Y axis.
  • Two transmissions each comprising a Cardan joint, translate a rotational movement of the lever along the X axis, respectively along the Y axis, into a rotational movement of a shaft A1 (not visible in the figure) extending along axis A, respectively of a shaft A2 (not visible in the figure) extending axis B.
  • the motor 3a and the magnetic brake 5a are associated with the shaft A1 which is a drive shaft of the engine 3a.
  • the motor 3b and the magnetic brake 5b are associated with the shaft A2 which is a drive shaft of the motor 3b.
  • the motors 3a and 3b are thus in direct engagement with the mechanical seal 2 and can transmit a resistive or motor force in response to the pivoting movements of the lever 1 by the pilot, according to a force law or a predetermined damping law.
  • Figure 3 schematically illustrates an example of a pilot stick according to the overall architecture of Figure 1.
  • the piloting stick comprises a force application device intended to exert a force on the shafts A1 and A2 driven in rotation by the lever 1 of the stick, when the lever is rotated respectively around its roll axis X and around its pitch axis Y.
  • the force application device complements and / or mechanically backs up the roll motor 3a and the pitch motor 3b.
  • the brake 5a is located opposite the mechanical seal 2 from the roll motor 3a and the brake 5b is located opposite the mechanical seal 2 from the pitch motor 3b.
  • the brakes could be positioned directly in the vicinity of the seal 2, for example between the motors and the seal. Provision could be made for the brake 5a to act directly on a shaft which extends along the roll axis X, instead of acting on the shaft A1, the rotation of which around the axis A1 is linked to the rotation of the joint. around the axis A. We could also provide that the brake 5b acts directly on the pitch axis Y.
  • the following description relates to the structure of the magnetic brake 5a of the force application device, associated with the roll axis X of the lever and the motor 3a; a magnetic brake 5b of similar structure and operation can be used for the Y pitch axis of the lever.
  • the force application device here comprises a magnetic brake 5a associated with the roll axis X.
  • the rotation of the lever around the axis X is linked to the rotation of the shaft A1 around the axis A. In other words, the lever rotates the shaft A1 when the lever is rotated around the X axis.
  • the lever 1 is mounted on a mechanical joint 2 integral with the lever rotating about the axis X.
  • the mechanical joint conforms to that shown in Figure 2 and a Cardan joint of the joint 2 transmits the movements. of rotation between axis X and axis A.
  • lever could directly drive shaft A1 without going through a mechanical seal.
  • the shaft A1 and the motor 3a which comprises said shaft as a drive shaft are integrated into the force application device.
  • the magnetic brake 5a includes:
  • a magnetizable element 50a connected to the shaft A1, so that a rotation of the shaft around the axis A causes a rotation of the magnetizable element around this same axis, a magnetic emitter 51a opposite to the magnetizable element 50a, free to rotate about the axis A with respect to the magnetizable element 50a.
  • the magnetic emitter 51a has an activated state, in which it is supplied with current and generates a magnetic field (for example a stable magnetic field of predetermined induction) at the level of the volume occupied by the magnetizable element, and a deactivated state in which it is not supplied with current and does not generate this field.
  • a magnetic field for example a stable magnetic field of predetermined induction
  • the activated state may correspond to the flow of an electric current to the terminals of the solenoid and the deactivated state may correspond to an absence of electrical current at its terminals.
  • the magnetizable element 50a comprises a material capable of magnetizing in response to a magnetic field applied to it, here in response to an activation or deactivation of the magnetic emitter 51a.
  • the magnetizable element consists entirely or in part of a paramagnetic material; the particles of the magnetizable element then acquire a magnetic moment oriented in the same direction as that of the total magnetic field undergone by the volume occupied by the magnetizable element, the magnetizable element thus acquiring a magnetization which disappears if the total magnetic field s 'canceled.
  • the magnetizable element can alternatively be made of a diamagnetic material.
  • the magnetizable element consists, for example, for all or part of iron, cobalt, stainless steel, silicon or boron, taken alone or in combination.
  • the magnetizable element is, for example, a metal part fixed to one end of the shaft A1, typically a metal disc centered on the axis A of the shaft A1.
  • the shaft A1 extends along the axis A.
  • the axis A thus constitutes an axis of extension of the shaft A1.
  • the magnet element 50a is here mounted on the shaft A, along the axis A.
  • the magnetic transmitter 51a is here placed along the axis A, facing the magnet element 50a.
  • the magnetic emitter 51a is opposed to the magnet element 50a. Due to this arrangement, the activation or deactivation of the magnetic emitter causes a variation of the total magnetic field at the level of the volume occupied by the magnetizable element.
  • the magnetic emitter 51a and the magnet element 50a are here separated from each other by an air gap distance E, along the axis A of the shaft A1.
  • the magnetic emitter 51a is preferably connected to the housing 9; in the example of FIG. 3, the emitter 51a is arranged between the magnetizable element 50a and the housing 9.
  • the movement of the shaft A1 relative to the housing 9 is braked or blocked.
  • the pilot feels a force feedback when he tries to rotate the lever along the X roll axis relative to the fixed parts of the aircraft.
  • the magnetic brake defined above has many advantages. It is of low mechanical complexity. In addition, the braking of the shaft can be achieved without contact between the magnetic transmitter and the magnet element, unlike braking systems which would operate by mechanical locking, for example with a dog clutch. Parts mechanically locking the movement of the lever would be subject to high friction and would therefore be liable to wear quickly. The wear of the magnet element 50a and of the magnetic emitter 51a is here very reduced thanks to the absence of contact.
  • the magnetostatic interaction between the magnet element and the magnetic emitter is also little variable depending on the temperature of the magnetic brake medium.
  • the magnetostatic interaction between the magnetic emitter and the magnetizable element can be controlled so that a relative displacement between these parts is possible when the pilot exerts a high force on the lever, in which case the shaft A1 can be rotated relative to the magnetic transmitter.
  • the magnetic brake as defined above does not require the addition of a torque limiter to withstand a high force exerted by the pilot.
  • the magnetic brake acts here as a natural torque limiter.
  • the force application device advantageously comprises a second magnetic brake 5b which comprises a magnetizable element 50b connected to the second shaft A2, as well as a magnetic emitter 51b preferably connected to the housing 9.
  • a second magnetic brake 5b which comprises a magnetizable element 50b connected to the second shaft A2, as well as a magnetic emitter 51b preferably connected to the housing 9.
  • the magnetizable element 50a is not magnetized (or negligibly magnetized) in the deactivated state of the magnetic emitter, i.e. in the absence of a magnetic field emitted by the magnetic emitter.
  • the magnetizable element 50a is then configured to magnetize when the magnetic emitter 51a is in the activated state, and to demagnetize when the magnetic emitter 51a is in the deactivated state.
  • This mode is compatible both with use of the brake 5a as a mechanical backup for a force feedback motor and to simulate a damping law.
  • This mode corresponds in particular to the case where all the other sources of magnetic field located near the magnetizable element exhibit a negligible magnetic field compared to the field produced by the magnetizable element 50a in the activated state.
  • An advantage of this embodiment is that the field produced by the magnetic emitter does not interact with another permanent magnetic field.
  • the total magnetic field at the magnet element can be precisely known.
  • the magnetic emitter 51a is a solenoid attached to the housing 9 (which is not shown) and which admits an axis D as the axis of symmetry.
  • the D axis is preferably aligned with the A axis of the shaft A1 to which the magnet element 50a is attached.
  • the magnet element here is a metal disc centered on the A axis of the A1 shaft.
  • Shaft A1 is an output shaft of the magnetic brake 5a.
  • the shaft A1 is a drive shaft for the force motor (or is linked to said drive shaft).
  • the disc is placed at the end of the shaft A1 and is located opposite the solenoid 51 a, at an air gap distance E from the solenoid 51 a.
  • the material of the metal disc 50a is not magnetized.
  • the disc 50a and the shaft A1 are free to rotate about the axis A relative to the solenoid.
  • an electric current flows across the solenoid.
  • This electric current is for example supplied by an emergency power supply unit 71a, on command of the control unit 8 of the aircraft.
  • the solenoid is preferably in the deactivated state in nominal stick operation.
  • Figure 4a illustrates a first position of disc 50a, immediately after an activation instant when the solenoid goes into the activated state. An electric current I flows between the terminals of the solenoid.
  • the solenoid in the activated state has a North magnetic pole to the left of the figure and a South magnetic pole to the right of the figure.
  • the solenoid then produces a stable magnetic field.
  • the magnetic field at the volume of the disk is represented by the L field lines in Figure 4a.
  • FIG. 4a shows an interface 52 between a zone of South polarity and a zone of North polarity of the disk after magnetization.
  • the interface 52 is substantially perpendicular to the axis of the shaft.
  • the magnetization acquired by the disk after the activation instant remains as long as the solenoid is in the activated state.
  • the interface 52 between the areas of North and South polarity also rotates following the movement of the disc.
  • Figure 4b illustrates a second position of the disc 50a, offset from the neutral point.
  • the disc 50a has reached this position by pivoting to the right about the axis of the shaft relative to the first position in Figure 4a.
  • the interface 52 is thus offset so that its front part is offset to the right in Figure 4b.
  • the south and north magnetic polarities of the disc 50a are angularly offset with respect to the north and south magnetic poles of the solenoid 51a.
  • the magnetization of the particles in disk 50a is preferably lost.
  • the magnetization of the disk is thus preferably temporary.
  • the resistive torque exerted on the disc 50a is not sufficient to completely prevent the disc from rotating relative to the solenoid.
  • the disc is braked in its pivoting movement relative to the neutral point in Figure 4a and is not blocked at the neutral point.
  • the solenoid 51a can be configured to completely lock the disc 50a on the neutral point after magnetization of the disc.
  • the latter case is advantageous for piloting by force of the control stick, during which the lever 1 is blocked and the control of the moving parts of the aircraft is carried out according to the torque exerted by the pilot on the lever in pivoting according to the 'X axis and along the Y axis.
  • the induction of the magnetic field generated by a solenoid increases with the intensity of the electric current flowing through the solenoid.
  • the solenoid can for example be used to generate a resistive force calculated according to a damping law.
  • the solenoid therefore also constitutes a satisfactory solution for exerting a controlled resistant force on the lever via the shaft.
  • the magnetizable element 50a is magnetized in the deactivated state of the magnetic emitter 51a, that is to say in the absence of a magnetic field emitted by the magnetic emitter.
  • another source of magnetic field, adding to the magnetic emitter is present near the magnetizable element 50a.
  • a permanent magnet configured to produce a permanent magnetic field at the level of the volume occupied by the magnetizable element which compensates for the magnetic field of the magnetic emitter when the magnetic emitter is in the activated state, is advantageously used as an additional source of magnetic field.
  • the permanent magnet made of ferromagnetic material, emits a permanent magnetic field even in the absence of any electric current.
  • the geometry of the permanent magnet is chosen so that the magnetic field it generates is in the same direction as the field generated by the solenoid in the activated state at the D axis.
  • This second embodiment which is not shown in the accompanying drawings, is particularly advantageous in the case where the magnetic brake 5a is used as a magnetic backup for the roll motor 3a.
  • the magnetic emitter 51a for example a solenoid similar to that described above in relation to Figures 4a and 4b
  • the magnetic transmitter 51a is automatically and instantly deactivated in the event of a power failure causing failure of the roll motor.
  • control system therefore does not include an emergency power supply unit.
  • the magnetic emitter is thus affected by a power failure on the roll motor processing line.
  • the operation of a magnetic brake according to this second mode can take place as follows, in the case where the magnetic transmitter is a solenoid and the magnet element is a disk.
  • the solenoid is in the activated state.
  • the magnetic field produced by the solenoid compensates for the field of the permanent magnet.
  • the disc is not magnetized or has very little magnetism.
  • the current to the solenoid terminals is cut.
  • the total magnetic field at the level of the volume occupied by the disc thus becomes substantially equal to the magnetic field produced by the permanent magnet.
  • the disc is therefore magnetized immediately after a moment of deactivation of the solenoid.
  • a neutral point is thus created, corresponding to the position of the disc at the moment of deactivation.
  • the interaction between the magnetic field generated by the permanent magnet and the magnetization of the disc creates, at the level of the disc, a resistive torque opposing a distance of the disc from the neutral point, in a manner similar to the operation described in relation to Figures 4a and 4b.
  • This resistive torque generated by the magnetic brake is reflected on the roll motor drive shaft, so as to slow down or even block the movement of the control stick imposed by the pilot around the roll axis.
  • a force application device associated with a control stick is used to take over from a force feedback motor, preferably an electric motor, in the event of a failure affecting operation. of said motor.
  • the force application device comprises one or more magnetic brakes, preferably a brake associated with the roll axis of the lever and a brake associated with the pitch axis of the lever.
  • FIG. 5 shows the steps of a method for controlling a force application device as a mechanical back-up of a force feedback motor.
  • This method is for example implemented by a piloting stick in accordance with the description above in relation to FIG. 3.
  • a failure on a force feedback motor processing chain is detected.
  • the failure is for example a mechanical failure or a loss of electrical power to the motor which is no longer able to provide sufficient force feedback on the pivot axis of the lever associated with it, or a failure in the processing or communication of control signals comprising the force setpoint, or a loss of power to the computer 70.
  • an activation or deactivation signal of the magnetic brake transmitter is transmitted to the magnetic transmitter.
  • the magnetic transmitter is controlled so that the magnet element of the brake magnetizes.
  • the signal transmitted in step 200 following the failure detection is a solenoid activation signal acting as a magnetic transmitter.
  • An electric current of non-zero intensity then flows across the terminals of the solenoid.
  • the magnet element of the magnetic brake magnetizes in step 250.
  • the lever and the brake are sized so that in step 250, the lever is locked. in pivoting along the axis associated with the force feedback motor for which the failure was detected (for example, the roll or pitch axis), under the effect of the interaction between the magnetic field of the magnetic disk with the magnetic field of the magnetic emitter, or with the field of a permanent magnet.
  • the piloting system enters at a step 300 in a control mode in force of the stick.
  • the resistive force exerted on the shaft of the magnetic brake by magnetostatic interaction, after the occurrence of the failure event, is then large enough to lock the shaft in rotation.
  • the roll force sensor 6a and the pitch force sensor 6b take over from the position and / or speed sensors 4a and 4b on the roll and pitch axes of the lever , for piloting the moving parts of the aircraft.
  • the piloting control signals generated by the control unit 8 depend on the forces detected on the lever. The lever remains locked for the duration of the force piloting mode.
  • the force control mode can then be deactivated as soon as the failure in the processing chain of the motor associated with the brake is resolved.
  • the magnetizable element of the magnetic brake is preferably demagnetized.
  • the transmission of an activation or deactivation command to the magnetic transmitter is not necessary in certain cases, in particular if the magnetic transmitter is directly connected to the power supply of the force feedback motor. , in the embodiment where the power failure of the magnetic emitter causes the magnetization of the magnetizable element.
  • An advantage of the mechanical emergency control described above is that the sidestick cannot switch to a mode where the pilot can freely pivot the lever.
  • FIG. 6 represents the steps of a method for controlling a force application device to simulate a damping law. This method is for example implemented by a pilot stick in accordance with the description above in relation to FIG. 3.
  • the magnetic emitter of the magnetic brake of the force application device is here capable of emitting a field. magnetic variable as a function of a magnetic field setpoint.
  • the magnetic brake is not necessarily associated with a force feedback motor whose failure we would like to remedy, in order to provide haptic feedback at the lever.
  • the magnetic brake participates, during nominal operation of the control stick, in the force feedback on the lever.
  • a position and / or a speed of the lever around the X axis is detected, for example via the position and / or speed sensor 4a.
  • an activation signal from the magnetic transmitter of the magnetic brake associated with the X axis is generated by the computer 70.
  • the activation signal corresponds to a magnetic field setpoint determined as a function of the position and / or the speed of the lever according to a predetermined law.
  • the activation signal may correspond to an electric current transmitted by the computer 70 to the terminals of the solenoid, the electric intensity of which depends on the desired induction of the magnetic field generated by the solenoid.
  • the activation signal is transmitted to the magnetic transmitter.
  • the interaction between the magnetic field of the magnetic emitter and the field of the magnetizable element has the effect of producing, at a step 550, a resistive force which opposes rotational movements of the shaft of the magnetic brake around its axis.
  • An advantage of the damping law control described above is that the magnetic brake participates in force feedback, in addition to or as a replacement for possible force feedback motors (especially electric). It is possible to reduce the dimensions of the force motors and the size and total mass of the control stick.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'application d'effort pour un manche de pilotage d'un aéronef, dans lequel le manche de pilotage comprend un levier (1) de commande entraînant en rotation un arbre (A1) autour d'un premier axe (A), le dispositif comprenant un frein magnétique (5a) qui comprend un élément aimantable (50a) monté sur l'arbre et un émetteur magnétique (51a) opposé à l'élément aimantable en étant libre en rotation autour du premier axe par rapport à l'élément aimantable, ledit émetteur magnétique présentant un état activé, dans lequel l'émetteur magnétique est alimenté en courant et génère un champ magnétique au niveau d'un volume occupé par l'élément aimantable, et un état désactivé dans lequel l'émetteur magnétique n'est pas alimenté en courant et ne génère pas de champ magnétique, de sorte à empêcher une rotation de l'élément aimantable par rapport à l'émetteur magnétique autour de l'arbre.

Description

TITRE : Dispositif d’application d’effort pour manche de pilotage
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne les dispositifs de pilotage utilisés par le pilote dans un cockpit d’aéronef. Elle concerne notamment un manche actif de pilotage comprenant un retour d’effort intégré pour assister le pilote.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Un dispositif de pilotage dans un cockpit d’aéronef comprend, de manière habituelle, un manche de pilotage avec notamment un levier de commande monté rotatif selon un axe dit de roulis et un axe dit de tangage, ces deux axes étant orthogonaux l’un à l’autre. On rencontre le plus souvent des dispositifs de type « manche à balai ».
En fonction de la position du levier selon ces deux axes, le dispositif de pilotage transmet des commandes de déplacement à des organes de pilotage de l’aéronef.
Sur les modèles les plus récents d’aéronef, la commande des mouvements de l’aéronef est électronique et le dispositif de pilotage intégré dans le cockpit peut être de type « mini manche » (« side stick » en anglais). La position du levier selon les deux axes de roulis et de tangage est mesurée par des capteurs et traduite en commandes de déplacement. Le levier n’est pas directement lié mécaniquement aux parties mobiles de l’aéronef. Il n’y a pas de retour mécanique direct sur le levier pour le pilote.
Or, il est souhaitable pour la sécurité du vol que le pilote perçoive un retour mécanique au niveau du levier. Les systèmes de signalisation du cockpit peuvent ne pas être suffisants pour provoquer une réaction suffisamment rapide du pilote face à des événements imprévus au cours du vol. Les sensations de pilotage sont bien meilleures si le mini-manche de pilotage intègre un retour d’effort, aussi appelé « retour haptique ».
Il a été proposé à ce titre d’équiper le mini-manche de systèmes mécaniques passifs de retour d’effort, comme des systèmes à ressort, ou de systèmes électromécaniques actifs.
Le document FR 3 01 1 815 décrit un dispositif de retour d’effort actif à moteur électrique. Dans ce document, le dispositif de commande de vol d’aéronef comporte un levier de commande monté sur une platine et relié à un moteur d’axe de roulis et un moteur d’axe de tangage par l’intermédiaire d’arbres de transmission. Les deux moteurs sont commandés selon une loi d’effort, de sorte qu’au cours du fonctionnement du mini-manche, ils génèrent un effort résistif s’opposant à l’effort exercé sur le levier (retour d’effort), par exemple lorsqu’un seuil d’effort est dépassé par le pilote. Un tel dispositif s’avère efficace pour restituer les sensations de pilotage et accroître la sécurité du vol. Toutefois, en cas de défaillance électrique ou mécanique au niveau d’un des moteurs ou en cas de panne sur la chaîne de traitement des signaux de commande des moteurs, le retour d’effort peut être supprimé.
Dans le domaine de l’aéronautique, les exigences en matière de disponibilité des dispositifs de pilotage sont élevées. Il n’est donc pas acceptable que le pilote passe brutalement à un mode de pilotage sans retour d’effort, en cas de défaillance d’un moteur ou de sa chaîne de traitement.
En outre, les systèmes actifs de retour d’effort de l’état de la technique comprennent souvent un nombre important de composants, notamment des moteurs de roulis et de tangage mais aussi des embrayages, des limiteurs de couple, des engrenages... Ces systèmes peuvent s’avérer coûteux, encombrants et difficiles à intégrer dans un cockpit d’aéronef. De plus, l’introduction d’engrenages implique une réduction des performances dynamiques du manche de pilotage, dont l’inertie augmente, et cause une perte d’ergonomie car le pilote ressent les variations de couple dues à la présence des engrenages.
L’état de la technique ne donne pas de solution adaptée pour la conservation du retour d’effort au niveau du levier en cas de défaillance d’un moteur de retour d’effort, ayant un encombrement limité et une bonne durabilité.
EXPOSE DE L'INVENTION
Au regard de ce qui précède, il existe un besoin pour un manche de pilotage intégrant une voie de secours mécanique, pour empêcher que la rotation du levier ne soit libre et que le pilote ne perde tout retour d’effort en cas de défaillance électrique affectant un moteur de retour d’effort du manche. Une perte totale d’alimentation électrique dudit moteur de retour d’effort constitue un exemple d’une telle défaillance électrique.
On recherche également un manche de pilotage avec une masse, un encombrement et une consommation électrique moindres par rapport aux manches de pilotage existants.
Il existe également un besoin pour un manche de pilotage intégrant un mode de fonctionnement dans lequel le levier n’est pas complètement immobilisé en cas de panne affectant un moteur de retour d’effort, avec un effort résistif variable exercé sur le levier en fonction de l’action du pilote sur le levier.
Il existe un besoin additionnel pour un manche de pilotage dans lequel les éléments réalisant le retour d’effort présentent une fiabilité accrue et une durée de vie satisfaisante. A ce titre, un premier objet de l’invention est un dispositif d’application d’effort pour un manche de pilotage d’un aéronef, dans lequel le manche de pilotage comprend un levier de commande entraînant en rotation un arbre autour d’un premier axe, le dispositif comprenant un frein magnétique qui comprend :
- un élément aimantable relié à l’arbre,
- un émetteur magnétique opposé à l’élément aimantable en étant libre en rotation autour du premier axe par rapport à l’élément aimantable, ledit émetteur magnétique présentant un état activé, dans lequel l’émetteur magnétique est alimenté en courant et génère un champ magnétique au niveau d’un volume occupé par l’élément aimantable, et un état désactivé dans lequel l’émetteur magnétique n’est pas alimenté en courant et ne génère pas de champ magnétique, de sorte à empêcher une rotation de l’élément aimantable par rapport à l’émetteur magnétique autour de l’arbre.
Le frein magnétique du dispositif d’application d’effort de l’invention réalise un retour d’effort sur l’arbre. Une fois que l’élément aimantable est aimanté, sous l’action d’un champ magnétique qui lui est appliqué, la rotation de l’élément aimantable autour de l’arbre par rapport à l’émetteur magnétique est freinée ou bloquée, par interaction magnétostatique. En cas de déplacement relatif de l’arbre par rapport à l’émetteur magnétique, un effort résistif est en effet exercé sur l’élément aimantable.
Le frein magnétique de l’invention présente une faible complexité mécanique. De plus, le freinage de l’arbre peut être réalisé sans contact entre l’émetteur magnétique et l’élément aimantable. Il n’existe pas de friction entre les parties mobiles du frein. Le dispositif d’application d’effort de l’invention présente donc une durée de vie accrue par rapport à des systèmes de freinage par verrouillage mécanique.
De plus, en l’absence de friction entre les pièces mobiles du frein, il n’existe pas de couple résistif à vide, dans l’état où l’élément aimantable n’est pas aimanté.
Un autre avantage de l’invention est que l’effort exercé sur l’arbre est très peu sensible à la température de l’environnement du frein, ce qui améliore la fiabilité du frein.
Selon un mode de fonctionnement possible, le frein est utilisé en complément d’un moteur de retour d’effort configuré pour exercer un effort résistif sur l’arbre durant un vol. En cas de défaillance électrique affectant un moteur de retour d’effort ou sa chaîne de traitement, par exemple une perte d’alimentation du moteur ou un dysfonctionnement de calculateur, l’émetteur magnétique du dispositif d’application d’effort est contrôlé de sorte à aimanter l’élément aimantable. On prévoit par exemple un blocage complet du levier en cas de défaillance électrique affectant le moteur, l’effort résistif exercé sur l’arbre par interaction magnétostatique après la survenance de l’événement de défaillance étant suffisamment important pour bloquer l’arbre.
Selon un autre mode de fonctionnement possible, le frein magnétique est configuré pour exercer un retour selon une loi d’effort et/ou d’amortissement, en complément ou en remplacement d’éventuels moteurs de retour d’effort. Le frein magnétique est alors intégré au retour d’effort prévu en fonctionnement normal du manche de pilotage.
Dans ce dernier mode de fonctionnement, il n’est pas nécessaire d’équiper le manche de pilotage de moteurs électriques de retour d’effort qui seraient dimensionnés pour exercer à eux seuls les efforts résistifs maximaux prévus sur la gamme d’utilisation du manche de pilotage. Le dispositif d’application d’effort de l’invention permet ainsi de réduire la masse et l’encombrement du manche.
Le dispositif d’application d’effort de l’invention peut présenter en outre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en l’une quelconque des combinaisons techniquement possibles :
- l’arbre s’étend le long du premier axe.
Ainsi, l’arbre est entraîné en rotation par le levier de commande autour de son propre axe d’extension.
- l’élément aimantable relié à l’arbre est monté sur l’arbre.
- l’élément aimantable comprend l’un au moins des matériaux suivants : fer, cobalt, acier inoxydable, silicium, bore.
- l’émetteur magnétique est placé face à l’élément aimantable, le long du premier axe.
- l’émetteur magnétique est un solénoïde.
- l’émetteur magnétique est apte à produire au niveau du volume occupé par l’élément aimantable un champ magnétique d’induction supérieure à un seuil compris entre 0,1 Tesla et 10 Tesla, le seuil étant de préférence supérieur à 1 Tesla.
- l’élément aimantable est configuré pour s’aimanter lorsque l’émetteur magnétique est à l’état activé et pour se désaimanter lorsque l’émetteur magnétique est à l’état désactivé.
- le dispositif d’application d’effort comprend en outre un dispositif magnétique permanent, configuré pour produire un champ magnétique permanent au niveau du volume occupé par l’élément aimantable qui compense le champ magnétique de l’émetteur magnétique lorsque l’émetteur magnétique est à l’état activé.
- le dispositif d’application d’effort comprend en outre un joint mécanique solidaire en rotation du levier autour d’un deuxième axe, et un capteur d’effort configuré pour mesurer un couple exercé sur le levier qui cause une rotation du joint mécanique autour du deuxième axe.
- le dispositif d’application d’effort comprend en outre un joint mécanique solidaire en rotation du levier autour d’un axe de roulis et autour d’un axe de tangage, le manche de pilotage comprenant l’arbre, connecté au joint mécanique et dont la rotation autour du premier axe est liée à la rotation du joint mécanique autour de l’axe de roulis, et comprenant un arbre supplémentaire, connecté au joint mécanique et dont la rotation autour d’un axe supplémentaire est liée à la rotation du joint mécanique autour de l’axe de tangage, le dispositif d’application d’effort comprend en outre un frein magnétique supplémentaire comprenant :
un élément aimantable supplémentaire relié à l’arbre supplémentaire,
un émetteur magnétique supplémentaire opposé à l’élément aimantable supplémentaire en étant libre en rotation autour de l’axe supplémentaire par rapport à l’élément aimantable supplémentaire, ledit émetteur magnétique supplémentaire présentant un état activé, dans lequel l’émetteur magnétique supplémentaire est alimenté en courant et génère un champ magnétique au niveau du volume occupé par l’élément aimantable supplémentaire, et un état désactivé dans lequel l’émetteur magnétique supplémentaire n’est pas alimenté en courant et ne génère pas de champ magnétique, de sorte à empêcher une rotation de l’élément aimantable supplémentaire par rapport à l’émetteur magnétique supplémentaire autour de l’arbre supplémentaire.
- dans ce dernier cas, l’élément aimantable supplémentaire est monté sur l’arbre supplémentaire, et/ou l’arbre supplémentaire s’étend le long de l’axe supplémentaire.
Selon un deuxième objet, l’invention concerne un manche actif de pilotage pour un aéronef, qui comprend un dispositif d’application d’effort tel que défini ci-avant et qui comprend en outre un levier mobile en rotation autour d’un deuxième axe, la rotation de l’arbre du dispositif d’application d’effort autour du premier axe étant liée à la rotation du levier autour du deuxième axe.
Ce manche de pilotage peut présenter en outre, de façon optionnelle et non limitative, les caractéristiques suivantes, prises seules ou en l’une quelconque des combinaisons techniquement possibles : - le manche de pilotage comprend en outre :
un calculateur de retour d’effort,
un moteur de retour d’effort, l’arbre correspondant à un arbre d’entraînement dudit moteur, ledit moteur étant configuré pour exercer un retour d’effort sur le deuxième axe.
- au cours du fonctionnement du manche, un couple exercé par le moteur de retour d’effort est fonction d’un signal de commande transmis par le calculateur.
- le manche de pilotage comprend en outre un capteur de position angulaire, le signal de commande étant calculé en fonction d’une position angulaire de l’arbre autour du premier axe mesurée par ledit capteur.
- le dispositif d’application d’effort comprend en outre une unité d’alimentation électrique de secours configurée pour fournir une alimentation électrique à l’émetteur magnétique quand l’émetteur magnétique est à l’état activé, ladite alimentation électrique étant distincte d’une alimentation électrique du calculateur.
- l’émetteur magnétique du dispositif d’application d’effort est configuré pour recevoir une alimentation électrique commune avec une alimentation électrique du calculateur quand l’émetteur magnétique est à l’état activé.
- le dispositif d’application d’effort comprend en outre un dispositif magnétique permanent, configuré pour produire un champ magnétique permanent au niveau du volume occupé par l’élément aimantable du dispositif d’application d’effort qui compense le champ magnétique de l’émetteur magnétique lorsque l’émetteur magnétique est à l’état activé.
Un objet additionnel de l’invention est un procédé de contrôle en secours mécanique d’un dispositif d’application d’effort pour un manche de pilotage d’aéronef, le procédé étant mis en œuvre à l’aide d’un manche de pilotage tel que défini ci-avant, ledit manche comprenant un moteur de retour d’effort, le procédé comprenant les étapes de :
détection d’une défaillance sur une chaîne de traitement du moteur de retour d’effort, transmission à l’émetteur magnétique du dispositif d’application d’effort d’un signal d’activation ou de désactivation de l’émetteur magnétique,
de façon optionnelle, activation d’un mode de pilotage en effort du manche.
Un autre objet de l’invention est un procédé de contrôle en loi d’amortissement d’un dispositif d’application d’effort pour un manche de pilotage d’aéronef, le procédé étant mis en œuvre à l’aide d’un manche de pilotage tel que défini ci -avant et comprenant les étapes de :
détection d’une position et/ou d’une vitesse du levier, génération d’un signal d’activation de l’émetteur magnétique du dispositif d’application d’effort comprenant une consigne de champ magnétique déterminée en fonction de la position et/ou de la vitesse du levier selon une loi prédéterminée, le signal d’activation étant transmis à l’émetteur magnétique.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des figures annexées parmi lesquelles :
La Figure 1 représente de façon fonctionnelle l’architecture d’ensemble d’un système de pilotage comprenant un manche de pilotage selon un mode de réalisation de l’invention.
La Figure 2 est une vue en perspective du levier et du joint mécanique du système de pilotage de la Figure 1 .
La Figure 3 est une vue schématique d’un manche de pilotage intégrant un dispositif d’application d’effort selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif d’application d’effort comprenant des freins magnétiques.
La Figure 4a représente schématiquement un frein magnétique du dispositif d’application d’effort de la Figure 3, dans lequel l’émetteur magnétique est à l’état activé et l’élément aimantable présente une première position.
La Figure 4b représente schématiquement le même frein magnétique du dispositif d’application d’effort de la Figure 3, dans lequel l’émetteur magnétique est à l’état activé et l’élément aimantable présente une deuxième position.
La Figure 5 est un organigramme des étapes d’un procédé de contrôle d’un dispositif d’application d’effort de l’invention, en secours mécanique.
La Figure 6 est un organigramme des étapes d’un procédé de contrôle d’un dispositif d’application d’effort de l’invention, en loi d’amortissement.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
Dans toute la suite, on décrira des exemples relatifs à un manche de pilotage d’aéronef mobile en rotation selon un axe de roulis et selon un axe de tangage. Le dispositif d’application d’effort de l’invention s’utilise toutefois, avec les mêmes avantages, en association avec un manche de pilotage mobile selon un ou plusieurs axes de déplacement différents d’un axe de rotation de roulis ou de tangage. On entend dans la suite par loi d’amortissement du frein magnétique la relation entre la position rotative du levier selon un axe de rotation et l’effort résistif produit par le biais du frein à l’encontre d’un déplacement en rotation autour dudit axe. On entend en outre par loi d’effort la relation entre la position du levier et l’effort total restitué sur le levier, qui peut être résistif ou moteur (cet effort total prenant en compte l’action du ou des freins mécaniques et éventuellement l’action d’un ou de plusieurs moteurs de retour d’effort ou d’autres éléments).
Sur l’ensemble des figures et dans la description ci-après, les éléments similaires portent des références alphanumériques identiques.
On a représenté en Figure 1 une architecture fonctionnelle de système de pilotage d’un aéronef, l’aéronef étant notamment piloté selon des axes de roulis et de tangage. Le système de pilotage représenté comprend notamment un mini-manche de pilotage dont des exemples seront décrits dans le détail ci-après. Le mini-manche se trouve typiquement dans le cockpit de l’aéronef.
Sur cette figure, les traits plus épais entre deux unités fonctionnelles correspondent à des liaisons mécaniques. Les liaisons fléchées sont des liaisons électroniques par lesquelles peuvent être transmises des données.
Le système comprend un levier 1 de commande, monté sur un joint mécanique 2, par exemple sur une platine du joint mécanique. Le levier est monté rotatif selon un axe X de roulis et un axe Y de tangage du levier, les deux axes étant orthogonaux. Le joint mécanique 2 peut être monté sur un carter de l’aéronef, le carter étant solidaire du plancher de l’aéronef. Le pilote agit sur le levier pour commander des parties mobiles de l’aéronef.
De manière usuelle, des signaux électroniques de position du levier acquis par un capteur 4a de position angulaire du levier associé à l’axe de roulis X et un capteur 4b de position angulaire du levier associé à l’axe de tangage Y sont communiqués à une unité 8 de commande de vol, ou FCS pour Flight Control System . De façon optionnelle, les capteurs 4a et 4b communiquent également des informations de vitesse de rotation du levier 1 selon ces axes. Les informations de position/vitesse du levier sont traduites en signaux de commande de pilotage de parties mobiles de l’aéronef par l’unité de commande 8.
Le manche de pilotage de la Figure 1 comprend en outre un dispositif d’application d’effort sur les axes de roulis et de tangage du levier. Une fonction du dispositif d’application d’effort est d’assurer le retour d’effort sur le manche, en réponse au maniement du levier 1 par le pilote, en complément de moteurs d’effort ou en se substituant à des moteurs d’effort. Dans le présent exemple, le dispositif d’application d’effort comprend un moteur électrique 3a associé à un arbre d’entraînement d’axe A lié à l’axe X de roulis du levier. Par « lié à l’axe » on entend qu’une transmission de mouvement existe entre l’arbre d’axe A et un élément du joint 2. Lorsque le levier pivote selon l’axe X, l’arbre d’entraînement du moteur 3a est donc entraîné en rotation. De même, le dispositif comprend un moteur électrique 3b associé à un arbre d’entraînement d’axe B lié à l’axe Y de tangage du levier. Les moteurs 3a et 3b sont des moteurs de retour d’effort.
En alternative, le moteur 3a pourrait être agencé pour agir directement sur l’axe X de roulis via un arbre tournant lié au joint 2 et le moteur 3b pourrait être agencé pour agir directement sur l’axe Y de tangage via un arbre tournant lié au joint 2.
Pour assurer la commande de l’effort fourni par les moteurs 3a et 3b, le manche de pilotage comprend un calculateur 70 configuré pour générer et transmettre aux moteurs un signal de commande comportant une consigne d’effort, par exemple une consigne de couple exercé par les moteurs. L’unité 8 de commande est configurée pour déterminer, en fonction des informations de position/vitesse du levier et/ou en fonction d’autres données, la consigne d’effort. La consigne d’effort est par exemple calculée selon une loi d’effort prédéterminée. Le calculateur 70 comprend une interface électronique pour recevoir des signaux comportant lesdites informations de position et transmettre ces informations à l’unité de commande 8.
En alternative, le calculateur 70 peut être configuré pour déterminer de façon autonome la consigne d’effort à partir des signaux de position/vitesse du levier et/ou à partir d’autres données, et pour générer les signaux de commande des moteurs à partir de la consigne d’effort.
Le dispositif d’application d’effort comprend en outre un premier frein magnétique 5a lié à l’axe A et un deuxième frein magnétique 5b lié à l’axe B. Dans le présent exemple, ces freins sont positionnés directement respectivement sur l’arbre du moteur 3a d’axe A et sur l’arbre du moteur 3b d’axe B.
Chaque frein magnétique comprend un élément aimantable et un émetteur magnétique opposé à l’élément aimantable, dont un exemple détaillé de structure est décrit ci-après. L’émetteur magnétique présente un état activé, dans lequel il émet un champ magnétique au niveau du volume occupé par l’élément aimantable, et un état désactivé, dans lequel il n’émet pas ledit champ magnétique. Comme il sera vu ci-après, les interactions magnétostatiques entre l’émetteur magnétique et l’élément aimantable sont de nature à freiner ou à bloquer la rotation de l’arbre associé au frein magnétique. Par « élément aimantable » on entend un élément fabriqué pour tout ou partie en un matériau propre à s’aimanter en réponse à un champ magnétique qui lui est appliqué. De préférence, l’aimantation acquise par le matériau de l’élément aimantable disparaît si le champ magnétique total s’annule au niveau du volume occupé par ledit élément.
Selon une première variante qui correspond à l’exemple de la Figure 1 , les émetteurs magnétiques des freins magnétiques 5a et 5b sont commandés pour passer sélectivement à l’état activé ou à l’état désactivé.
Ici, les émetteurs magnétiques des freins 5a et 5b disposent chacun d’unités d’alimentation électrique de secours respectives 71a et 71 b, distinctes d’une alimentation électrique du calculateur 70. La commande sélective de l’état activé ou désactivé des émetteurs magnétiques est réalisée par les unités d’alimentation de secours.
Un avantage est qu’en cas de défaillance affectant le calculateur 70, par exemple une rupture d’alimentation électrique du calculateur empêchant un fonctionnement fiable des moteurs de retour d’effort, les freins magnétiques restent sous contrôle.
Dans cet exemple, la commande des unités d’alimentation électrique de secours, pour commander la fourniture de courant électrique aux émetteurs magnétiques des freins 5a et 5b, est assurée par l’unité de commande 8 du système de pilotage.
Selon une deuxième variante non illustrée sur les dessins annexés, l’émetteur magnétique d’un frein magnétique est configuré pour recevoir une alimentation électrique commune avec une alimentation électrique du calculateur 70 quand l’émetteur magnétique est à l’état activé. Par exemple, l’émetteur magnétique est alimenté directement par l’intermédiaire du calculateur 70.
Dans cette dernière variante, l’état activé ou désactivé des émetteurs magnétiques peut ne pas être commandable sélectivement. L’état activé résulte alors d’une alimentation électrique normale du calculateur 70, et l’état désactivé résulte d’une rupture ou d’une défaillance de l’alimentation électrique du calculateur 70. En alternative, le calculateur 70 commande sélectivement le passage de l’émetteur magnétique à l’état activé ou désactivé.
On notera que les moteurs 3a et 3b pourraient être omis du système de pilotage, si les freins 5a et 5b configurés pour agir sur les axes de roulis et de tangage sont conservés. Les freins 5a et 5b peuvent alors être commandés pour exercer un effort résistif déterminé en fonction de la position et/ou de la vitesse du levier 1 , selon une loi d’amortissement.
De façon optionnelle, le système de pilotage comprend également des capteurs d’effort 6a et 6b mesurant respectivement le couple exercé sur le levier en pivotement selon l’axe X et selon l’axe Y. Il peut s’agir de tous types de capteurs d’effort connus, par exemple de capteurs capacitifs, piézoélectriques ou résistifs.
De tels capteurs sont notamment utiles si le système de pilotage comprend un mode de pilotage en effort. Dans ce mode, le levier 1 est immobilisé et l’unité de commande 8 détermine des signaux de commande des parties mobiles de l’aéronef en fonction des efforts appliqués sur le levier 1 par le pilote.
La Figure 2 représente un manche de pilotage selon un exemple de réalisation conforme à l’architecture de la Figure 2. Le levier 1 est agencé sur un joint mécanique 2 fixé à un carter 9 solidarisé à un châssis de l’aéronef. Le joint est mobile en rotation par rapport au carter selon les axes X et Y. Les moteurs 3a et 3b (non visibles sur la figure) sont déportés du levier. Les freins 5a et 5b sont eux aussi déportés du levier.
Le levier 1 est libre à une extrémité et fixé à une première platine 1 1 du joint 2 à l’autre extrémité. La première platine 11 est mobile en rotation selon l’axe X et selon l’axe Y et est liée à une deuxième platine 10 du joint 2. L’axe X est lié à la première platine 11 , de sorte qu’un pivotement de la première platine 11 autour de l’axe Y fait pivoter l’axe X autour de l’axe Y.
Deux transmissions, comprenant chacune un joint de Cardan, traduisent un mouvement de rotation du levier selon l’axe X, respectivement selon l’axe Y, en un mouvement de rotation d’un arbre A1 (non visible sur la figure) s’étendant selon l’axe A, respectivement d’un arbre A2 (non visible sur la figure) s’étendant l’axe B. Le moteur 3a et le frein magnétique 5a sont associés à l’arbre A1 qui est un arbre d’entraînement du moteur 3a. Le moteur 3b et le frein magnétique 5b sont associés à l’arbre A2 qui est un arbre d’entraînement du moteur 3b.
Les moteurs 3a et 3b sont ainsi en prise directe sur le joint mécanique 2 et peuvent transmettre un effort résistif ou moteur en réponse aux mouvements de pivotement du levier 1 par le pilote, selon une loi d’effort ou une loi d’amortissement prédéterminée.
Pour plus de détails sur la structure du joint 2 et sur la liaison mécanique entre ce joint et les moteurs 3a et 3b, on pourra se référer à la Figure 1 du document FR 3 011 815 et à la description y afférente.
Frein magnétique du dispositif d’application d’effort
La Figure 3 illustre schématiquement un exemple de manche de pilotage conforme à l’architecture d’ensemble de la Figure 1 .
Le manche de pilotage comprend un dispositif d’application d’effort destiné à exercer un effort sur les arbres A1 et A2 entraînés en rotation par le levier 1 du manche, lorsque le levier est pivoté respectivement autour de son axe de roulis X et autour de son axe de tangage Y. Le dispositif d’application d’effort vient en complément et/ou en secours mécanique du moteur de roulis 3a et du moteur de tangage 3b.
Le frein 5a se situe à l’opposé du joint mécanique 2 par rapport au moteur de roulis 3a et le frein 5b se situe à l’opposé du joint mécanique 2 par rapport au moteur de tangage 3b. Un avantage de cet agencement des freins est de pouvoir déporter les freins par rapport au joint mécanique 2 recevant le levier 1 , si bien que de la place peut être gagnée dans le cockpit, l’espace au voisinage du levier étant désencombré.
En variante, les freins pourraient être positionnés directement au voisinage du joint 2, par exemple entre les moteurs et le joint. On pourrait prévoir que le frein 5a agisse directement sur un arbre qui s’étend selon l’axe de roulis X, au lieu d’agir sur l’arbre A1 dont la rotation autour de l’axe A1 est liée à la rotation du joint autour de l’axe A. On pourrait de même prévoir que le frein 5b agisse directement sur l’axe de tangage Y.
La description ci-après concerne la structure du frein magnétique 5a du dispositif d’application d’effort, associé à l’axe de roulis X du levier et au moteur 3a ; on pourra utiliser un frein magnétique 5b de structure et de fonctionnement similaires pour l’axe de tangage Y du levier.
Le dispositif d’application d’effort comprend ici un frein magnétique 5a associé à l’axe de roulis X. La rotation du levier autour de l’axe X est liée à la rotation de l’arbre A1 autour de l’axe A. Autrement dit, le levier entraîne en rotation l’arbre A1 lorsque le levier est pivoté autour de l’axe X.
De préférence, le levier 1 est monté sur un joint mécanique 2 solidaire du levier en rotation autour de l’axe X. Par exemple, le joint mécanique est conforme à celui représenté en Figure 2 et une liaison de Cardan du joint 2 transmet les mouvements de rotation entre l’axe X et l’axe A.
En alternative, le levier pourrait entraîner directement l’arbre A1 sans passer par un joint mécanique.
On notera qu’ici, l’arbre A1 et le moteur 3a qui comprend ledit arbre comme arbre d’entraînement sont intégrés au dispositif d’application d’effort.
Le frein magnétique 5a comprend :
- un élément aimantable 50a relié à l’arbre A1 , si bien qu’une rotation de l’arbre autour de l’axe A entraîne une rotation de l’élément aimantable autour de ce même axe, - un émetteur magnétique 51a opposé à l’élément aimantable 50a, libre en rotation autour de l’axe A par rapport à l’élément aimantable 50a.
L’émetteur magnétique 51a présente un état activé, dans lequel il est alimenté en courant et génère un champ magnétique (par exemple un champ magnétique stable d’induction prédéterminée) au niveau du volume occupé par l’élément aimantable, et un état désactivé dans lequel il n’est pas alimenté en courant et ne génère pas ce champ.
Par exemple, si l’émetteur magnétique est un solénoïde, l’état activé peut correspondre au passage d’un courant électrique aux bornes du solénoïde et l’état désactivé peut correspondre à une absence de courant électrique à ses bornes.
L’élément aimantable 50a comprend un matériau propre à s’aimanter en réponse à un champ magnétique qui lui est appliqué, ici en réponse à une activation ou à une désactivation de l’émetteur magnétique 51a. Par exemple, l’élément aimantable est constitué pour tout ou partie d’un matériau paramagnétique ; les particules de l’élément aimantable acquièrent alors un moment magnétique orienté dans le même sens de celui du champ magnétique total subi par le volume occupé par l’élément aimantable, l’élément aimantable acquérant ainsi une aimantation qui disparaît si le champ magnétique total s’annule. L’élément aimantable peut en alternative être constitué d’un matériau diamagnétique.
L’élément aimantable est par exemple constitué pour tout ou partie de fer, de cobalt, d’acier inoxydable, de silicium ou de bore, pris seuls ou en combinaison. L’élément aimantable est par exemple une pièce métallique fixée à une extrémité de l’arbre A1 , typiquement un disque métallique centré sur l’axe A de l’arbre A1.
L’arbre A1 s’étend le long de l’axe A. L’axe A constitue ainsi un axe d’extension de l’arbre A1. L’élément aimantable 50a est ici monté sur l’arbre A, le long de l’axe A.
L’émetteur magnétique 51a est ici placé le long de l’axe A, face à l’élément aimantable 50a. L’émetteur magnétique 51a est opposé à l’élément aimantable 50a. Du fait de cet agencement, l’activation ou la désactivation de l’émetteur magnétique engendre une variation du champ magnétique total au niveau du volume occupé par l’élément aimantable.
L’émetteur magnétique 51a et l’élément aimantable 50a sont ici séparés entre eux par une distance d’entrefer E, le long de l’axe A de l’arbre A1.
Lorsque l’élément aimantable 50a est aimanté, du fait de l’activation ou de la désactivation de l’émetteur magnétique 51a, une rotation de l’élément aimantable 50a par rapport à l’émetteur magnétique 51a est freinée ou bloquée, par interaction entre le champ magnétique de l’élément aimantable 50a et le champ magnétique de l’émetteur magnétique 51a.
L’émetteur magnétique 51a est préférentiellement relié au carter 9 ; dans l’exemple de la Figure 3, l’émetteur 51a est agencé entre l’élément aimantable 50a et le carter 9. Ainsi, après aimantation de l’élément aimantable 50a, le mouvement de l’arbre A1 par rapport au carter 9 est freiné ou bloqué. Le pilote ressent un retour d’effort lorsqu’il essaie de faire pivoter le levier selon l’axe de roulis X par rapport aux parties fixes de l’aéronef.
Le frein magnétique défini ci-avant présente de nombreux avantages. Il est de faible complexité mécanique. De plus, le freinage de l’arbre peut être réalisé sans contact entre l’émetteur magnétique et l’élément aimantable, à l’inverse de systèmes de freinage qui fonctionneraient par verrouillage mécanique, par exemple avec un crabot. Des pièces réalisant un verrouillage mécanique du déplacement du levier seraient sujettes à une forte friction et seraient donc susceptibles de s’user rapidement. L’usure de l’élément aimantable 50a et de l’émetteur magnétique 51a est ici très réduite grâce à l’absence de contact.
De plus, en l’absence de friction entre les pièces mobiles du frein, il n’existe pas de couple résistif à vide quand l’élément aimantable n’est pas aimanté.
L’interaction magnétostatique entre l’élément aimantable et l’émetteur magnétique est en outre peu variable en fonction de la température du milieu du frein magnétique.
Enfin, l’interaction magnétostatique entre l’émetteur magnétique et l’élément aimantable peut être contrôlée de sorte qu’un déplacement relatif entre ces pièces soit possible lorsque le pilote exerce un effort élevé sur le levier, auquel cas l’arbre A1 peut être pivoté par rapport à l’émetteur magnétique. Contrairement à un frein qui fonctionnerait sur le principe d’un verrouillage mécanique, le frein magnétique tel que défini ci-avant ne nécessite pas l’ajout d’un limiteur de couple pour résister à un effort élevé exercé par le pilote. Le frein magnétique joue ici le rôle d’un limiteur de couple naturel.
Le dispositif d’application d’effort comprend avantageusement un deuxième frein magnétique 5b qui comprend un élément aimantable 50b relié au deuxième arbre A2, ainsi qu’un émetteur magnétique 51 b préférentiellement relié au carter 9. Ainsi, on peut contrôler de manière indépendante les efforts résistifs appliqués sur les axes de roulis et de tangage par les freins.
Dans un premier mode de réalisation, l’élément aimantable 50a n’est pas aimanté (ou aimanté de façon négligeable) dans l’état désactivé de l’émetteur magnétique, c’est-à-dire en l’absence de champ magnétique émis par l’émetteur magnétique. L’élément aimantable 50a est alors configuré pour s’aimanter lorsque l’émetteur magnétique 51 a est à l’état activé, et pour se désaimanter lorsque l’émetteur magnétique 51 a est à l’état désactivé.
Ce mode est compatible à la fois avec une utilisation du frein 5a en secours mécanique d’un moteur de retour d’effort et pour simuler une loi d’amortissement.
Ce mode correspond notamment au cas où toutes les autres sources de champ magnétique situées à proximité de l’élément aimantable présentent un champ magnétique négligeable par rapport au champ produit par l’élément aimantable 50a dans l’état activé.
Un avantage de ce mode de réalisation est que le champ produit par l’émetteur magnétique n’interagit pas avec un autre champ magnétique permanent. Le champ magnétique total au niveau de l’élément aimantable peut être connu de manière précise.
On a représenté sur les Figures 4a et 4b un frein magnétique 5a selon un exemple correspondant à ce premier mode de réalisation.
Dans cet exemple, l’émetteur magnétique 51a est un solénoïde fixé au carter 9 (qui n’est pas représenté) et qui admet un axe D comme axe de symétrie. L’axe D est de préférence aligné avec l’axe A de l’arbre A1 auquel est fixé l’élément aimantable 50a.
L’élément aimantable est ici un disque métallique centré sur l’axe A de l’arbre A1 . L’arbre A1 est un arbre de sortie du frein magnétique 5a. Dans le cas où le frein magnétique est utilisé en complément ou en secours d’un moteur d’effort, l’arbre A1 est un arbre d’entraînement du moteur d’effort (ou est lié audit arbre d’entraînement). Le disque est placé à l’extrémité de l’arbre A1 et est situé en regard du solénoïde 51 a, à une distance d’entrefer E du solénoïde 51 a.
En l’absence de courant électrique circulant aux bornes du solénoïde, le matériau du disque métallique 50a n’est pas aimanté. Le disque 50a et l’arbre A1 sont libres en rotation autour de l’axe A par rapport au solénoïde.
A l’état activé du solénoïde, un courant électrique circule aux bornes du solénoïde. Ce courant électrique est par exemple fourni par une unité d’alimentation électrique de secours 71 a, sur commande de l’unité de commande 8 de l’aéronef.
Un exemple de fonctionnement du frein selon cet exemple est décrit ci-après.
Si le frein magnétique est utilisé en secours mécanique du moteur de roulis 3a, le solénoïde est de préférence à l’état désactivé dans un fonctionnement nominal du manche. La Figure 4a illustre une première position du disque 50a, immédiatement après un instant d’activation où le solénoïde passe à l’état activé. Un courant électrique I circule entre les bornes du solénoïde.
Le solénoïde à l’état activé présente un pôle magnétique Nord à gauche de la figure et un pôle magnétique Sud à droite de la figure. Le solénoïde produit alors un champ magnétique stable. Le champ magnétique au niveau du volume du disque est représenté par les lignes de champ L sur la Figure 4a.
Les particules de l’élément aimantable acquièrent une aimantation résiduelle. Du fait de cette aimantation, le disque génère un champ magnétique qui interagit avec le champ magnétique du solénoïde. On a représenté sur la Figure 4a une interface 52 entre une zone de polarité Sud et une zone de polarité Nord du disque après aimantation. L’interface 52 est sensiblement perpendiculaire à l’axe de l’arbre.
L’aimantation acquise par le disque après l’instant d’activation demeure tant que le solénoïde est à l’état activé. Ainsi, au cours d’un mouvement de pivotement du disque 50a autour de l’axe de l’arbre, l’interface 52 entre les zones de polarité Nord et Sud pivote également en suivant le mouvement du disque.
La position du disque 50a sur la Figure 4a, immédiatement après l’instant d’activation, correspond à un point neutre du levier 1 dans son mouvement autour de l’axe de roulis X. L’interaction entre le champ magnétique du solénoïde et le champ magnétique du disque aimanté tend à résister à tout mouvement d’éloignement du disque, et donc du levier, par rapport à ce point neutre.
A ce titre, la Figure 4b illustre une deuxième position du disque 50a, décalée par rapport au point neutre. Le disque 50a a atteint cette position en pivotant vers la droite autour de l’axe de l’arbre par rapport à la première position de la Figure 4a.
L’interface 52 est ainsi décalée de sorte que sa partie avant est décalée vers la droite sur la Figure 4b. Les polarités magnétiques Sud et Nord du disque 50a sont décalées angulairement par rapport aux pôles magnétiques Nord et Sud du solénoïde 51 a.
L’interaction entre le champ magnétique généré par le solénoïde 51 a et l’aimantation du disque 50a s’oppose à ce décalage des polarités du disque aimanté par rapport aux pôles magnétiques du solénoïde. Un couple résistif est exercé au niveau du disque, s’opposant au mouvement du disque vers la droite. L’interaction entre le champ magnétique généré par le solénoïde 51a et l’aimantation du disque 50a continue de s’opposer à un éloignement du disque par rapport au point neutre tant que le solénoïde demeure à l’état activé.
Si le courant électrique aux bornes du solénoïde est par la suite coupé, l’aimantation des particules du disque 50a est de préférence perdue. L’aimantation du disque est ainsi préférentiellement temporaire. Un avantage est qu’après désactivation du solénoïde 51a, par exemple par l’unité d’alimentation de secours 71a si le moteur de roulis 3a retrouve sa fonctionnalité, le levier retrouve son fonctionnement standard sans sollicitation vers le point neutre. En cas de nouvel événement de défaillance du moteur de roulis, le disque 50a peut à nouveau être aimanté par activation du solénoïde 51a avec éventuellement un point neutre différent du point neutre représenté en Figure 4a.
Dans l’exemple de la Figure 4b, le couple résistif exercé sur le disque 50a n’est pas suffisant pour empêcher totalement le disque de pivoter par rapport au solénoïde. Ainsi, le disque est freiné dans son mouvement de pivotement par rapport au point neutre de la Figure 4a et n’est pas bloqué au point neutre.
En alternative, le solénoïde 51a peut être configuré pour bloquer complètement le disque 50a sur le point neutre après aimantation du disque. Ce dernier cas est avantageux pour un pilotage en effort du manche de pilotage, au cours duquel le levier 1 est bloqué et le contrôle des parties mobiles de l’aéronef est réalisé en fonction du couple exercé par le pilote sur le levier en pivotement selon l’axe X et selon l’axe Y.
Dans le présent exemple, pour une distance d’entrefer E entre 0,05 et 0,5 centimètres, par exemple d’un millimètre, entre le disque et le solénoïde, un blocage complet du disque sur le point neutre peut être obtenu à l’aide d’un solénoïde adapté pour produire un champ magnétique dont l’induction est supérieure à un seuil compris entre 0,1 et 10 Tesla, par exemple un seuil égal à 1 Tesla, sur le disque au point neutre.
On notera que de manière connue, l’induction du champ magnétique généré par un solénoïde augmente avec l’intensité du courant électrique qui traverse le solénoïde. Ainsi, il est possible de commander le solénoïde de manière à obtenir un champ magnétique variable en fonction d’une consigne de champ magnétique. Le solénoïde peut par exemple être utilisé pour générer un effort résistif calculé selon une loi d’amortissement.
Le solénoïde constitue donc également une solution satisfaisante pour exercer un effort résistant contrôlé sur le levier par l’intermédiaire de l’arbre. Dans un deuxième mode de réalisation du frein magnétique, l’élément aimantable 50a est aimanté dans l’état désactivé de l’émetteur magnétique 51a, c’est-à-dire en l’absence de champ magnétique émis par l’émetteur magnétique. Par exemple, une autre source de champ magnétique, s’additionnant à l’émetteur magnétique, est présente à proximité de l’élément aimantable 50a.
Un aimant permanent, configuré pour produire un champ magnétique permanent au niveau du volume occupé par l’élément aimantable qui compense le champ magnétique de l’émetteur magnétique lorsque l’émetteur magnétique est à l’état activé, est avantageusement utilisé comme source additionnelle de champ magnétique.
L’aimant permanent, fabriqué en matériau ferromagnétique, émet un champ magnétique permanent même en l’absence de tout courant électrique. De préférence, la géométrie de l’aimant permanent est choisie de sorte que le champ magnétique qu’il génère soit dans la même direction que le champ généré par le solénoïde à l’état activé au niveau de l’axe D.
Ce deuxième mode de réalisation, qui n’est pas représenté dans les dessins annexés, est notamment avantageux dans le cas où le frein magnétique 5a est utilisé en secours magnétique du moteur de roulis 3a. En effet, si l’émetteur magnétique 51a (par exemple un solénoïde semblable à celui décrit ci-avant en relation aux Figures 4a et 4b) est configuré pour recevoir une alimentation électrique commune avec une alimentation électrique du calculateur 70, et/ou commune avec une alimentation électrique du moteur de roulis 3a, alors l’émetteur magnétique 51a est automatiquement et instantanément désactivé en cas de rupture d’alimentation électrique causant une défaillance du moteur de roulis.
De préférence, le système de pilotage selon ce deuxième mode ne comprend donc pas d’unité d’alimentation électrique de secours. L’émetteur magnétique est ainsi affecté par une rupture d’alimentation électrique sur la chaîne de traitement du moteur de roulis.
Le fonctionnement d’un frein magnétique selon ce deuxième mode peut se dérouler comme suit, dans le cas où l’émetteur magnétique est un solénoïde et l’élément aimantable est un disque.
Au cours du fonctionnement nominal du manche de pilotage, le solénoïde est à l’état activé. Le champ magnétique produit par le solénoïde compense le champ de l’aimant permanent. Le disque n’est pas aimanté ou est très peu aimanté.
En cas de rupture d’alimentation électrique affectant la chaîne de traitement du moteur de roulis, le courant aux bornes du solénoïde est coupé. Le champ magnétique total au niveau du volume occupé par le disque devient ainsi sensiblement égal au champ magnétique produit par l’aimant permanent. Le disque est donc aimanté immédiatement après un instant de désactivation du solénoïde.
Un point neutre est ainsi créé, correspondant à la position du disque à l’instant de désactivation. L’interaction entre le champ magnétique généré par l’aimant permanent et l’aimantation du disque crée, au niveau du disque, un couple résistif s’opposant à un éloignement du disque par rapport au point neutre, de manière similaire au fonctionnement décrit en relation aux Figures 4a et 4b.
Ce couple résistif généré par le frein magnétique est répercuté sur l’arbre d’entraînement du moteur de roulis, de sorte à freiner, voire à bloquer, le mouvement du manche de pilotage imposé par le pilote autour de l’axe de roulis.
Procédé de contrôle du dispositif d’application d’effort en secours mécanique
Selon un mode de fonctionnement possible, un dispositif d’application d’effort associé à un manche de pilotage est utilisé pour prendre le relais d’un moteur de retour d’effort, de préférence un moteur électrique, en cas de défaillance affectant le fonctionnement dudit moteur. Le dispositif d’application d’effort comprend un ou plusieurs freins magnétiques, de préférence un frein associé à l’axe de roulis du levier et un frein associé à l’axe de tangage du levier.
On a représenté en Figure 5 les étapes d’un procédé de contrôle d’un dispositif d’application d’effort en secours mécanique d’un moteur de retour d’effort.
Ce procédé est par exemple mis en œuvre par un manche de pilotage conforme à la description ci-avant en relation à la Figure 3.
A une étape 100, une défaillance sur une chaîne de traitement du moteur de retour d’effort est détectée. La défaillance est par exemple une panne mécanique ou une perte d’alimentation électrique du moteur qui n’est plus en mesure de fournir un retour d’effort suffisant sur l’axe de pivotement du levier qui lui est associé, ou une défaillance dans le traitement ou la communication des signaux de commande comportant la consigne d’effort, ou une perte d’alimentation du calculateur 70.
A une étape 200, un signal d’activation ou de désactivation de l’émetteur magnétique du frein est transmis à l’émetteur magnétique. L’émetteur magnétique est contrôlé de sorte que l’élément aimantable du frein s’aimante.
Notamment, si le frein magnétique est conforme au mode de réalisation illustré sur les Figures 4a et 4b, le signal transmis à l’étape 200 suite à la détection de défaillance est un signal d’activation du solénoïde jouant le rôle d’émetteur magnétique. Un courant électrique d’intensité non nulle circule alors aux bornes du solénoïde.
En réponse au signal transmis à l’étape 200, l’élément aimantable du frein magnétique s’aimante à une étape 250. De préférence, le levier et le frein sont dimensionnés de sorte qu’à l’étape 250, le levier soit bloqué en pivotement selon l’axe associé au moteur de retour d’effort pour lequel la défaillance a été détectée (par exemple, l’axe de roulis ou de tangage), sous l’effet de l’interaction entre le champ magnétique du disque aimanté avec le champ magnétique de l’émetteur magnétique, ou avec le champ d’un aimant permanent.
De préférence, le système de pilotage entre à une étape 300 dans un mode de pilotage en effort du manche. L’effort résistif exercé sur l’arbre du frein magnétique par interaction magnétostatique, après la survenance de l’événement de défaillance, est alors suffisamment important pour bloquer l’arbre en rotation.
Dans le mode de pilotage en effort, le capteur 6a d’effort de roulis et le capteur 6b d’effort de tangage prennent le relais des capteurs 4a et 4b de position et/ou de vitesse sur les axes de roulis et de tangage du levier, pour le pilotage des parties mobiles de l’aéronef. Les signaux de commande de pilotage générés par l’unité 8 de commande (le FCU) sont fonction des efforts détectés sur le levier. Le levier demeure bloqué pendant la durée du mode de pilotage en effort.
Le mode de pilotage en effort peut ensuite être désactivé dès lors que la défaillance sur la chaîne de traitement du moteur associé au frein est résolue. L’élément aimantable du frein magnétique est de préférence désaimanté.
On notera que la transmission d’une commande d’activation ou de désactivation à l’émetteur magnétique n’est pas nécessaire dans certains cas, notamment si l’émetteur magnétique est directement branché sur l’alimentation électrique du moteur de retour d’effort, dans le mode de réalisation où la rupture d’alimentation électrique de l’émetteur magnétique cause l’aimantation de l’élément aimantable.
Un avantage du contrôle en secours mécanique décrit ci-avant est que le mini-manche ne peut pas basculer dans un mode où le pilote peut pivoter librement le levier.
Procédé de contrôle du dispositif d’application d’effort en loi d’amortissement
La Figure 6 représente les étapes d’un procédé de contrôle d’un dispositif d’application d’effort pour simuler une loi d’amortissement. Ce procédé est par exemple mis en œuvre par un manche de pilotage conforme à la description ci-avant en relation à la Figure 3. L’émetteur magnétique du frein magnétique du dispositif d’application d’effort est ici capable d’émettre un champ magnétique variable en fonction d’une consigne de champ magnétique.
Dans ce cas de figure, le frein magnétique n’est pas obligatoirement associé à un moteur de retour d’effort dont on souhaiterait pallier une défaillance, pour assurer le retour haptique au niveau du levier. Le frein magnétique participe, au cours du fonctionnement nominal du manche de pilotage, au retour d’effort sur le levier.
L’exemple ci-après concerne les mouvements du levier selon l’axe de roulis X. On comprendra que le procédé peut être mis en œuvre pour amortir les mouvements du levier selon l’axe de tangage ou selon tout autre axe de rotation.
A une étape 400, une position et/ou une vitesse du levier autour de l’axe X est détectée, par exemple via le capteur 4a de position et/ou de vitesse.
A une étape 500, un signal d’activation de l’émetteur magnétique du frein magnétique associé à l’axe X est généré par le calculateur 70. Le signal d’activation correspond à une consigne de champ magnétique déterminée en fonction de la position et/ou de la vitesse du levier selon une loi prédéterminée.
Par exemple, si l’émetteur magnétique est un solénoïde, le signal d’activation peut correspondre à un courant électrique transmis par le calculateur 70 aux bornes du solénoïde, dont l’intensité électrique dépend de l’induction souhaitée du champ magnétique généré par le solénoïde.
Le signal d’activation est transmis à l’émetteur magnétique. L’interaction entre le champ magnétique de l’émetteur magnétique et le champ de l’élément aimantable a pour effet de produire, à une étape 550, un effort résistif qui s’oppose à des mouvements de rotation de l’arbre du frein magnétique autour de son axe.
Un avantage du contrôle en loi d’amortissement décrit ci-avant est que le frein magnétique participe au retour d’effort, en complément ou en remplacement d’éventuels moteurs (notamment électriques) de retour d’effort. Il est possible de réduire les dimensions des moteurs d’effort et l’encombrement et la masse totale du manche de pilotage.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif d’application d’effort pour un manche de pilotage d’un aéronef, dans lequel le manche de pilotage comprend un levier (1 ) de commande entraînant en rotation un arbre (A1 ) autour d’un premier axe (A), l’arbre (A1 ) s’étendant le long du premier axe (A), le dispositif étant caractérisé en ce qu’il comprend un frein magnétique (5a) comprenant :
- un élément aimantable (50a) monté sur l’arbre (A1 ),
- un émetteur magnétique (51 a) opposé à l’élément aimantable (50a) en étant libre en rotation autour du premier axe (A) par rapport à l’élément aimantable, ledit émetteur magnétique (51 a) présentant un état activé, dans lequel l’émetteur magnétique est alimenté en courant et génère un champ magnétique au niveau d’un volume occupé par l’élément aimantable, et un état désactivé dans lequel l’émetteur magnétique n’est pas alimenté en courant et ne génère pas de champ magnétique, de sorte à empêcher une rotation de l’élément aimantable (50a) par rapport à l’émetteur magnétique (51 a) autour de l’arbre.
2. Dispositif d’application d’effort selon la revendication 1 , dans lequel l’élément aimantable comprend l’un au moins des matériaux suivants : fer, cobalt, acier inoxydable, silicium, bore.
3. Dispositif d’application d’effort selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel l’émetteur magnétique (51 a) est un solénoïde.
4. Dispositif d’application d’effort selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’émetteur magnétique (51 a) est apte à produire au niveau du volume occupé par l’élément aimantable un champ magnétique d’induction supérieure à un seuil compris entre 0, 1 Tesla et 10 Tesla, le seuil étant de préférence supérieur à 1 Tesla.
5. Dispositif d’application d’effort selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’élément aimantable (50a) est configuré pour s’aimanter lorsque l’émetteur magnétique (51 a) est à l’état activé et pour se désaimanter lorsque l’émetteur magnétique (51 a) est à l’état désactivé.
6. Dispositif d’application d’effort selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre un dispositif magnétique permanent, configuré pour produire un champ magnétique permanent au niveau du volume occupé par l’élément aimantable qui compense le champ magnétique de l’émetteur magnétique lorsque l’émetteur magnétique est à l’état activé.
7. Dispositif d’application d’effort selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre un joint mécanique (2) solidaire en rotation du levier autour d’un deuxième axe, et un capteur d’effort (6a) configuré pour mesurer un couple exercé sur le levier (1 ) qui cause une rotation du joint mécanique (2) autour du deuxième axe.
8. Dispositif d’application d’effort selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre un joint mécanique (2) solidaire en rotation du levier autour d’un axe de roulis (X) et autour d’un axe de tangage (Y), le manche de pilotage comprenant :
- l’arbre (A1 ), connecté au joint mécanique (2) et dont la rotation autour du premier axe (A) est liée à la rotation du joint mécanique autour de l’axe de roulis (X),
- un arbre supplémentaire (A2), connecté au joint mécanique (2) et dont la rotation autour d’un axe supplémentaire (B) est liée à la rotation du joint mécanique autour de l’axe de tangage (Y),
dans lequel le dispositif d’application d’effort comprend en outre un frein magnétique supplémentaire (5b) comprenant :
- un élément aimantable supplémentaire (50b) monté sur l’arbre supplémentaire (A2),
- un émetteur magnétique supplémentaire (51 b) opposé à l’élément aimantable supplémentaire (50b) en étant libre en rotation autour de l’axe supplémentaire (B) par rapport à l’élément aimantable supplémentaire, ledit émetteur magnétique supplémentaire (51 b) présentant un état activé, dans lequel l’émetteur magnétique supplémentaire est alimenté en courant et génère un champ magnétique au niveau du volume occupé par l’élément aimantable supplémentaire, et un état désactivé dans lequel l’émetteur magnétique supplémentaire n’est pas alimenté en courant et ne génère pas de champ magnétique, de sorte à empêcher une rotation de l’élément aimantable supplémentaire par rapport à l’émetteur magnétique supplémentaire autour de l’arbre supplémentaire.
9. Manche actif de pilotage d’aéronef comprenant :
- un dispositif d’application d’effort selon l’une quelconque des revendications 1 à 8,
- un levier (1 ) mobile en rotation autour d’un deuxième axe, la rotation de l’arbre du dispositif d’application d’effort autour du premier axe (A) étant liée à la rotation du levier autour du deuxième axe.
10. Manche selon la revendication 9, comprenant en outre :
- un calculateur (70) de retour d’effort,
- un moteur (3a) de retour d’effort, l’arbre (A1 ) correspondant à un arbre d’entraînement dudit moteur, ledit moteur étant configuré pour exercer un retour d’effort sur le deuxième axe (X), un couple exercé au cours du fonctionnement du manche par le moteur de retour d’effort étant fonction d’un signal de commande transmis par le calculateur (70).
11. Manche selon la revendication 10, comprenant en outre un capteur de position angulaire (4a), le signal de commande étant calculé en fonction d’une position angulaire de l’arbre (A1 ) autour du premier axe (A) mesurée par ledit capteur.
12. Manche selon l’une quelconque des revendications 10 ou 11 , dans lequel le dispositif d’application d’effort comprend en outre une unité d’alimentation électrique de secours (71a) configurée pour fournir une alimentation électrique à l’émetteur magnétique quand l’émetteur magnétique est à l’état activé, ladite alimentation électrique étant distincte d’une alimentation électrique du calculateur (70).
13. Manche selon l’une quelconque des revendications 10 ou 11 , dans lequel l’émetteur magnétique du dispositif d’application d’effort est configuré pour recevoir une alimentation électrique commune avec une alimentation électrique du calculateur quand l’émetteur magnétique est à l’état activé.
14. Manche selon la revendication 13, dans lequel le dispositif d’application d’effort comprend en outre un dispositif magnétique permanent, configuré pour produire un champ magnétique permanent au niveau du volume occupé par l’élément aimantable du dispositif d’application d’effort qui compense le champ magnétique de l’émetteur magnétique lorsque l’émetteur magnétique est à l’état activé.
15. Procédé de contrôle en secours mécanique d’un dispositif d’application d’effort pour un manche de pilotage d’aéronef, le procédé étant mis en œuvre à l’aide d’un manche de pilotage selon l’une quelconque des revendications 9 à 14, le manche comprenant un moteur (3a) de retour d’effort, le procédé comprenant les étapes de :
- détection (100) d’une défaillance sur une chaîne de traitement du moteur (3a) de retour d’effort,
- transmission (200) à l’émetteur magnétique du dispositif d’application d’effort d’un signal d’activation ou de désactivation de l’émetteur magnétique (51a),
- de façon optionnelle, activation (300) d’un mode de pilotage en effort du manche.
16. Procédé de contrôle en loi d’amortissement d’un dispositif d’application d’effort pour un manche de pilotage d’aéronef, le procédé étant mis en œuvre à l’aide d’un manche de pilotage selon l’une quelconque des revendications 9 à 14 et comprenant les étapes de :
- détection (400) d’une position et/ou d’une vitesse du levier,
- génération (500) d’un signal d’activation de l’émetteur magnétique (51a) du dispositif d’application d’effort comprenant une consigne de champ magnétique déterminée en fonction de la position et/ou de la vitesse du levier selon une loi prédéterminée, le signal d’activation étant transmis à l’émetteur magnétique.
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