WO2015022455A1

WO2015022455A1 - Safety shroud for axial, contra-rotating, rotary-wing aircraft

Info

Publication number: WO2015022455A1
Application number: PCT/FR2014/000184
Authority: WO
Inventors: Michel Guilhot-Gaudeffroy
Original assignee: CIVIC DRONE
Current assignee: CIVIC DRONE
Priority date: 2013-08-14
Filing date: 2014-08-13
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2016-02-14
Also published as: FR3009712A1; FR3009711A1

Abstract

Safety shroud for axial, contra-rotating, rotary-wing aircraft.

Description

Enveloppe de sécurité pour aéronefs à voilures tournantes, contrarotatives , axiales. Security envelope for rotating, counter-rotating, axial wing aircraft.

La présente invention relève du domaine des aéronefs à ailes tournantes, contrarotatives type rotor à pales dont à pas variable. The present invention relates to the field of rotary-wing aircraft, counter-rotating type rotor blade with variable pitch.

Ces machines sont issues de concepts anciens. Dans cette famille, il existe maintenant dans le domaine public, celui des voilures tournantes contrarotatives coaxiales, avec en particulier celui de deux rotors couronnes tournantes en sens inverse autour d'une nacelle Dans le cas des aéronefs à voilures tournantes les protections des tiers ou des pales de l'aéronef contre le risques de contacts sont absentes ou parfois des protections plus ou moins rigides réagissant en compression sur des bras attachés au corps de la machine. These machines come from ancient concepts. In this family, there is now in the public domain, that of coaxial counter-rotating rotary wings, with in particular that of two rotating crown rotors in the opposite direction around a nacelle. In the case of rotary-wing aircraft, the protections of third parties or The blades of the aircraft against the risk of contact are absent or sometimes more or less rigid protections reacting in compression on arms attached to the body of the machine.

Il a été utilisé Un carénage cylindrique étanche contenant avec lui des rotors contrarotatifs coaxiaux et dont le bout des pales est presqu'au touché du cylindre ce permet de gagner une dizaine de pourcent de portance, mais en translation dans un air immobile, ou en translation contre le vent et dans les rafales pour tenir la position, dans les vents tourbillonnants près des obstacles le combat pour la stabilité sera plus gourmand en énergie . It has been used A cylindrical waterproof fairing containing with it coaxial counter-rotating rotors and whose blade tips is almost at the touch of the cylinder it allows to gain a dozen percent of lift, but in translation in a still air, or in translation against the wind and in gusts to hold the position, in the swirling winds near obstacles the fight for stability will be more energy hungry.

WO 2006112578 AERONEF A DECOLLAGE ET ATTERRISSAGE VERTICAUX 2006-10-26 WO 2006112578 VERTICAL TAKEOFF AND LANDING AIRCRAFT 2006-10-26

Un carénage formant un seul anneau avec en coupe une forme circulaire sensiblement triangulaire en coupe pour que ce carénage contribue à la portance voir en translation d'en être l'élément porteur principal pose le problème d'avoir nécessité d'une solution en plus pour s'opposer au cabrage de l'aéronef vérifier par l'expérience de ce type de voilure. A fairing forming a single ring with a substantially triangular circular section in cross-section for this fairing contributes to the lift or translation in being the main carrier element poses the problem of requiring a solution in addition to oppose the aircraft pitching verify by the experience of this type of sails.

USP 5150857 29 SEPT 2012 SHROUD GEOMETRY FOR UNMANED AERIAL VEHICULES USP 5150857 29 SEPTEMBER 2012 SHROUD GEOMETRY FOR UNMANED AERIAL VEHICLES

Le principe de l'enveloppe ici conçue correspond à une des revendications du brevet français du 18 juin 2003 0307364. Il y est mentionné l'usage du principe de la roue de vélo où la jante est associé aux cerclages et ou contre une force appliquée au cerclage rigide c'est l'ensemble des rayons opposés qui maintient la masse principale centrale de l'aéronef et donc le calcul de la tenue en traction des rayons porte principalement sur ce point. The principle of the envelope designed here corresponds to one of the claims of the French patent of June 18, 2003 0307364. It is mentioned the use of the principle of the bicycle wheel where the rim is associated with strapping and against a force applied to the rigid strapping it is the set of opposing rays that maintains the main mass of the aircraft and therefore the calculation of the tensile strength of the spokes is mainly on this point.

L'auteur de ce brevet moi-même étant l'inventeur et déposant, a créé une entreprise en 2004 pour le développement d'un système drone principalement à usages civiles The author of this patent myself being the inventor and depositor, created a company in 2004 for the development of a drone system mainly for civil uses

Les missions données aux aéronefs à usage civil peuvent être classées en deux catégories, soit le survol loin de tous obstacles sauf au retour au sol parfois d'urgence, soit de vol très près des obstacles des zones accidentées ou entre les immeubles des villes. Tout l'art est de concevoir ces aéronefs avec des capacités à pouvoir évoluer avec un usage efficace, rentable avec la sécurité des tiers optimum, près des obstacles, généralement entre les façades, les falaises, les cheminées, les coques de navire, en montagne, partout où il y a des vents cisaillant voire retournant ou pas. The missions given to civil aircraft can be classified in two categories, flying over all obstacles except for sometimes emergency return, or flying very close to obstacles in hilly areas or between buildings in cities. All the art is to design these aircraft with capacities to be able to evolve with an efficient use, profitable with the security of the optimum thirds, near the obstacles, generally between the facades, the cliffs, the chimneys, the hulls of ship, in mountain Wherever there are winds shearing or even returning or not.

Ceci est encore plus vrai pour des. drones évoluant sous les 50 mètres et où les obstacles sont nombreux, variés, pas toujours détectables en évitement d'obstacles par les capteurs sonar, radar, laser, image aucun d'eux couvrant le spectre de sécurité nécessaire à lui tout seul. This is even more true for. drones moving under 50 meters and where obstacles are many, varied, not always detectable obstacle avoidance by sonar sensors, radar, laser, image none of them covering the necessary security spectrum all by itself.

D'où l'importante nécessité d'une enveloppe protectrice. Hence the important need for a protective envelope.

Les recherches et développement ont portés sur de nombreux points dont cette enveloppe, en 2005 a été créée une des représentations de ce principe. The research and development have covered many points, of which this envelope, in 2005 was created one of the representations of this principle.

La solution apportée par deux anneaux rigides autour des rotors et perpendiculaires à l'axe des rotors, anneaux tenus par rapport à l'axe des rotors par des fils tendus à élasticité minimum reprend l'idée du rayonnage de roue de cycle par exemple, où c'est l'ensemble des rayons opposés qui reprennent par tension l'effort subit par le cercle devant un choc. Les deux cercles concentriques à peu près en face de chaque bout de pales sont comme les deux bords d'une jante de roue de cycle. Les recherches ont conduit à des revendications complémentaires objet du présent brevet. The solution provided by two rigid rings around the rotors and perpendicular to the axis of the rotors, rings held with respect to the axis of the rotors by stretched son minimum elasticity takes the idea of the wheel rack cycle for example, where it is the set of opposite rays which take up by tension the force undergone by the circle in front of a shock. The two concentric circles roughly opposite each end of the blades are like the two edges of a cycle wheel rim. The investigations led to complementary claims object of this patent.

Les missions données aux aéronefs à usage civil peuvent être classées en deux catégories ceux qui n'assurent raisonnablement que le survol et ceux capables aussi de vols plus difficiles fonction des capacités de ces aéronefs à pouvoir évoluer avec un usage rentable et efficace près des obstacles, généralement entre les façades, les falaises, les cheminées, les coques de navire, en montagne, partout où il y a des vents cisaillant voire retournant ou pas. The missions given to civil aircraft can be classified in two categories, those which provide reasonable overflight and those capable of more difficult flights, depending on the capabilities of these aircraft to be able to evolve with a profitable and effective use near obstacles, usually between facades, cliffs, chimneys, ship's hulls, in the mountains, wherever there are winds shearing or even returning or not.

Ceci est encore plus vrai pour des drones évoluant sous les 50 mètres et où les obstacles sont nombreux, variés, pas toujours détectables en évitement d'obstacles par les capteurs sonar, radar, laser, image aucun d'eux couvrant le spectre de sécurité nécessaire à lui tout seul. En infrarouge on peut détecter du sang chaud et éviter sauf en certains lieux très chaud ou avec trop d'humidité que le public ou animaux soient sous le cône de chute, c'est pourquoi la législation en France impose en avril 2012 que l'aéronef soit au global de moins de 4 kg et qu'il possède un système comme parachute limitant l'impact à moins de 69 joules. De plus cette réponse doit intégrer les impératifs de limite de poids vu les réglementations comme en France près du public (là où il a le plus de missions d'intérêt public à réaliser) . This is even more true for drones moving under 50 meters and where obstacles are numerous, varied, not always detectable in obstacle avoidance by the sonar, radar, laser, image sensors none of them covering the necessary safety spectrum by himself. In the infrared, warm blood can be detected and avoided except in some very hot places or with too much humidity that the public or animals are under the cone of fall, which is why the legislation in France imposes in April 2012 that the aircraft overall less than 4 kg and has a system like parachute limiting the impact to less than 69 joules. Moreover this answer must integrate the requirements of limit of weight considering the regulations as in France near the public (where it has the most missions of public interest to realize).

A plus de 30 mètres de visibilité la perspective directe n'est plus garantie pour les êtres humains, c'est pourquoi les commandes de pilotage sont celles d'un déplacement en 3D et sur une distance choisie contrôlable sur carte tant que le GPS haute précision est actif, 80% des missions nécessitent cette option. Cette enveloppe doit être résistante à des chocs certes à environ 5 m/s puisqu'il parait immobile vis-à-vis des objets dont il doit prendre l'information, même si l'aéronef pour tenir en place vole à 20m/s dans le vent entre des immeubles par exemple. Il est important, alors que l'aéronef soit certes bousculé, que les parties tournantes soient protégées et qu' il reste en vol en reprenant de suite sa stabilisation. De nombreux objets sont plus difficiles à détecter par capteur dont les câbles, les poteaux, les végétations, les volatiles et là encore cette enveloppe doit protéger l'aéronef mais aussi le public contre les éclats suite à destruction. At more than 30 meters of visibility the direct perspective is no longer guaranteed for human beings, that's why the piloting commands are those of a displacement in 3D and on a selected distance controllable on map as the GPS high precision is active, 80% of missions require this option. This envelope must be resistant to shocks certainly at about 5 m / s since it seems motionless vis-à-vis the objects it must take information, even if the aircraft to hold in place flies at 20m / s in the wind between buildings for example. It is important, while the aircraft is indeed jostled, that the rotating parts are protected and that it stays in flight by resuming immediately its stabilization. Many objects are more difficult to detect by sensor whose cables, poles, vegetation, and volatile and again this envelope must protect the aircraft but also the public against shards after destruction.

Il a été conçu au centre de recherche des enveloppes souples et rigides. Des démonstrations ont été faites avec des modèles avec des bras vers les cerclages qui contrent en compression sur la nacelle centrale les forces externes sur l'enveloppe en attendant la suite des validations d'une solution optimale de l'enveloppe. Le système drone étudié constitue un système très complexe nécessitant de nombreuses validations pour l'équilibre le plus judicieux à partir de paramètres qui s'opposent et des technologies de pointe non dédiées aux drones puisque le marché n'existe pas encore vraiment au civil. It was designed at the research center of flexible and rigid envelopes. Demonstrations were made with models with arms towards the hoops which compress the external forces on the shell in compression on the nacelle, waiting for the validation of an optimal solution of the envelope. The drone system studied is a very complex system requiring many validations for the most judicious balance from opposing parameters and advanced technologies not dedicated to drones since the market does not really exist yet in civil.

Les recherches ont portées également sur la nature des matériaux de cette enveloppe robuste, de préférence en matériau non conducteur ou avec des cerclages joncs carbone en un ou plusieurs morceaux raccordés par des pièces de jonction en matériaux type nylon par exemple.. La jonction peut tenir les fils tendus de maintien à la nacelle. Research has also been carried out on the nature of the materials of this robust envelope, preferably in non-conductive material or with carbon strapping rims in one or more pieces connected by joining pieces of nylon-type materials for example. The junction can hold stretched wire holding the basket.

La masse périphérique doit être la plus légère possible car l'aéronef soumis à une rafale ou un vent retournant doit avoir les masses le plus concentrées sur l'axe et qu'un poids à distance du centre de gravité constitue un moment à combattre en tangage roulis pour garder la stabilité requise de l'aéronef. Cette masse périphérique produit au système plus de stabilité au lacet ce qui est un atout pour mieux maîtriser les commandes tangage roulis mais II doit être aussi recherché la plus grande pénétration dans l'air aussi le filet périphérique doit être très solide et très fin, il ne doit pas s'ouvrir suite à une blessure comme dans le tissé, il ne doit pas être du type tricoter car moins libre aux vents, de plus de préférence il doit être avec un minimum d'élasticité, les recherches conduisent à l'usage de filet du type noué comme pour les filet de pêche par exemple et en fibres composites. Une des créations idéales serait en fibre plus solide que le kevlar, montées en cordes ensimées qu'une machine à faire des filets de pêche pourrait monter en filet noué, le diamètre mini est en 0.5 mn, il a été expérimenté -des cordes de 0.7 mm de diamètre. The peripheral mass must be as light as possible because the aircraft subjected to a gust or a return wind must have the masses most concentrated on the axis and a weight at a distance from the center of gravity constitutes a moment to fight in pitch. roll to maintain the required stability of the aircraft. This peripheral mass produces the system more stability to the lace which is an asset to better control roll pitching commands but II must also be sought the greatest penetration in the air also the peripheral mesh must be very solid and very fine, it should not open after an injury as in the woven, it should not be of the knitting type because less free to wind, more preferably it must be with a minimum of elasticity, research lead to the use net type knotted as for fishing nets for example and composite fiber. One of the ideal creations would be fiber stronger than kevlar, mounted string ropes that a machine to make fishing nets could climb in knotted net, the mini diameter is in 0.5 minutes, it was experimented with strings of 0.7 mm diameter.

Les recherches ont conduit à ce que les anneaux de l'enveloppe soient suffisamment distant de l'extrémité des pâles en rotation pour que ne soient pas perturbées les vortex de bout de pâles surtout en translation, ce qui viendrait à diminuer et déséquilibrer la portance de l'aéronef, ils seront éloignés d'au moins une corde de pale du bout des pales et de préférence non alignés au plan du rotor. Les pales en rotation . ont un angle de liberté de déplacement verticale, aussi le positionnement des cerclages ne doit pas permettre aux pales de toucher les rayons lors de brusques réactions de retour à la stabilisation ou lors d'atterrissages par effet d' inertie ( ici deux effets peuvent solutionner la question, un le déplacement de la pale peut être limité par la dureté de l'amortisseur, deux on garde l'effet gyroscopique en gardant les pales en rotation et pour contrer l'effet de sol et de toute rafale inopinée le pas des pales serait légèrement négatif. Le phénomène dû aux vibrations des réactions de sol très destructrices sont de moindre importance du fait de la compensation gyroscopique des rotors. Researches have led to the rings of the envelope being sufficiently distant from the end of the rotating blades so that the vortices of tips of blades are not disturbed especially in translation, which would come to decrease and unbalance the lift of the aircraft, they will be removed from at least one blade rope from the tip of the blades and preferably not aligned with the plane of the rotor. The blades in rotation. have an angle of freedom of vertical displacement, also the positioning of the hoops must not allow the blades to touch the spokes during abrupt reactions of return to the stabilization or during landings by effect of inertia (here two effects can solve the question, a displacement of the blade can be limited by the hardness of the damper, two one keeps the gyroscopic effect while keeping the blades in rotation and to counter the effect of ground and any sudden gust the pitch of the blades would be The phenomenon due to vibrations of very destructive soil reactions is of less importance because of the gyroscopic compensation of the rotors.

Une représentation de cette enveloppe peut être constituée de deux anneaux rigides perpendiculaires à l'axe des rotors, chacun à l'extérieur du plan des rotors. Ces anneaux sont tenus par des rayons par rapport à: l'axe des rotors ou par des pièces déportant de cet axe la fixation des rayons. Ces rayons tendus forment un angle avec le plan de l'anneau correspondant. Les deux anneaux sont tenus entre eux par également des fils tendus. L'ensemble constituant une structure rigide dont les limites sont celle dues aux matériaux employés pour garder une légère souplesse, et que l'enveloppe résiste aux chocs en absorbant une partie de l'énergie. ^: Il est préférable pour la solidité de l'ensemble que les anneaux ne pivotent pas l'un par rapport à l'autre et que donc les fils qui les maintiennent entre eux soient croisés. A representation of this envelope may consist of two rigid rings perpendicular to the axis of the rotors, each outside the plane of the rotors. These rings are held by rays with respect to: the axis of the rotors or parts deporting from this axis the attachment of the rays. These tense rays form an angle with the plane of the corresponding ring. The two rings are held together by also stretched son. The assembly constituting a rigid structure whose limits are those due to the materials used to keep a slight flexibility, and that the envelope resists shocks by absorbing a portion of the energy. ^: It is preferable for the solidity of the assembly that the rings do not pivot relative to each other and therefore the threads that hold them together are crossed.

Ces fils en périphérie seraient avantageusement matérialisés par un filet type filet de pêche montés par exemple en maille d'environ 3 cm par 3 cm et dont les fils ne sont pas parallèles à l'axe des rotors mais inclinés de même façon par rapport à cet axe . These yarns at the periphery would advantageously be materialized by a fishing net type net mounted for example in mesh of approximately 3 cm by 3 cm and whose threads are not parallel to the axis of the rotors but inclined in the same way with respect to this axis.

Pour que l'ensemble ne fasse pas un cylindre autour des rotors, au prix d'un peu plus de poids un troisième anneau d'un diamètre supérieur dans un plan sensiblement équidistant du plan de chaque anneau permettrait à l'aéronef à glisser sur un câble prendre moins d'énergie, sans prendre le risque d'être renversé. Les rayonnages haut et bas peuvent être renforcé ou remplacés par. les filets haut et bas _ So that the assembly does not make a cylinder around the rotors, at the cost of a little more weight a third ring of greater diameter in a plane substantially equidistant from the plane of each ring would allow the aircraft to slide on a cable take less energy, without taking the risk of being knocked over. High and low shelving can be reinforced or replaced by. the top and bottom nets _

Les cerclages au lieu d'être constitué d'un jonc de 5 mm de diamètre peuvent par exemple être constitués de trois joncs de diamètre plus petit en ayant au centre le blocage des nœuds du filet en ayant concentriquement les brins libre, le tout noyé dans une résine appropriée ce qui simplifie la fabrication, ceci est plus esthétique, et moins cassant qu'un seul jonc. The strapping instead of being constituted by a rod of 5 mm in diameter may for example consist of three rods of smaller diameter having in the center the blocking of the knots of the net by concentrically having the strands free, all embedded in a suitable resin which simplifies the manufacture, this is more aesthetic, and less brittle than a single ring.

Claims

1 - Rotary-wing aircraft, more particularly rotary-wing rotary-pitch aircraft with variable pitch blades, characterized in that the entire aircraft is covered with an envelope whose composite peripheral structures are held in all directions relative to the central nacelle (axis 6 of Figure 1/2 and 6 of Figure 2/2) or is the main mass of the aircraft by a system made of spokes (2 of Fig 1/2 and 2 of Fig 2 / 2) arranged to control the main mass in the center of the envelope, these spokes working mainly in traction on external shocks coming on the opposite side of the envelope,

2 - characterized in that according to claim 1 this envelope is constituted for example of two rings (8 of Fig 1/2 and 8 of Fig 2/2) concentric equidistant rotating blades, that these circles are kept centered with respect to the axis of the aircraft by the racking device and held together by a voltage system (3 of Fig 1/2 and 3 of Fig 2/2).

3 - characterized in according to claim 2 in that the tension system between the two circles is a net (3 of fig 2/2) of very little expandable mesh preferably knots and that this thread contributes to the strength of the together _^

4 - characterized according to claim 3 in that this net is mounted with meshes diagonally (3 of fig 2/2) and

securely held to the straps (8 and 9 fig ½).

5 - characterized according to claim 2 in that the net is sufficiently small mesh to control any intrusion into the central space and sufficiently large for a better Cx facilitating for example at most the penetrations of air during flights on the move 6 - characterized according to claim 3 in that this net is made of composite aramid fiber mounted rope or not springs.

7 - characterized according to claim two for a third strapping 9 of fig 1/2) of larger diameter, between and

parallel to the plane of the other two hoops, spreads the net enough to create the effect of dodging frontal impact in case of meeting an obstacle.

8 - characterized according to claim two with for example a strapping made of several rushes (4 and 5 of figl / 2) of smaller diameter blocking the nodes of the hooked ends of net.

9 - claim according to claim eight with the nodes blocked in the center of three rods are aesthetically hidden.

10 - claim according to claim 9 where the strands

outer nodes are embedded in the assembly resin in the center of the rushes

Characterized in that the assembly constitutes a peripheral protection hooked on the circle (1 of fig 1/2 and 1 of fig 2/2) held by arms (7 of fig 1/2 and 7 of FIG. fig 2/2) sufficiently far from the blades or propeller to avoid contact by global rigidity

sufficient and blunt enough to absorb some of the energy from any impact and decreased its impact effect to cm ²

Characterized in according to claim 2 in that the

straps are positioned outside the plane of the rotors and at a distance of at least one rope from the tips of the blades.

Characterized in according to claim 2 in that the spokes which fix each strapping have an angle with respect to the plane of the straps in connection with the possible vertical movement of the blades limited by the dampers combined with the

limitation due to the speed of the rotors on the ground, with negative pitch and on a time not allowing the appearance of the vibrations of reaction of ground.