FR3133371A1 - Propulsion aéronautique électrique multi-rotors pliable à poussée régulée - Google Patents

Abstract

Cette invention concerne un nouveau type de propulsion aérodynamique à destination des appareils volants légers de loisir, professionnels ou militaires et notamment de type ULM (Ultra Léger Motorisé dans la législation Française). L’invention concerne particulièrement les ULM de type paramoteurs. Un paramoteur est un ULM de loisir. Un paramoteur, représenté schématiquement sur la figure 1, est un parapente motorisé qui peut décoller en plaine, se maintenir et évoluer en l’air grâce à une poussée moteur et ceci avec ou sans aide des courants ascendants météorologiques. Quand la poussée moteur est plus grande que la traînée, la force qui s’oppose à l’avancement de tout objet dans l’air, l’appareil monte, quand elle est plus petite il descend. Quand traînée et poussée sont égales, l’appareil vole à altitude constante. Figure pour l’abrégé : Fig 1

Description

Propulsion aéronautique électrique multi-rotors pliable à poussée régulée

Cette invention concerne un nouveau type de propulsion aérodynamique à destination des appareils volants légers de loisir, professionnels ou militaires et notamment de type ULM (Ultra Léger Motorisé dans la législation Française). L’invention concerne particulièrement les ULM de type paramoteurs.

Un paramoteur est un ULM de loisir. Un paramoteur, représenté schématiquement sur la , est un parapente motorisé qui peut décoller en plaine, se maintenir et évoluer en l’air grâce à une poussée moteur et ceci avec ou sans aide des courants ascendants météorologiques. Quand la poussée moteur est plus grande que la traînée, la force qui s’oppose à l’avancement de tout objet dans l’air, l’appareil monte, quand elle est plus petite il descend. Quand traînée et poussée sont égales, l’appareil vole à altitude constante.

La représente une vue de haut d’un paramoteur en vol. Un paramoteur est constitué d’un châssis moteur (2) et d’une aile de parapente (8). Plus précisément, un paramoteur comprend un groupe propulseur formé par un moteur (4) et une hélice propulsive (6), une sellette de pilotage (3), c’est le poste de pilotage du pilote (1), un châssis (2) et une aile souple de type parapente (8) qui crée la portance à partir d’une certaine vitesse d’avancement dans l’air. Le rôle du châssis (2) est de relier mécaniquement la seulette (3), le groupe propulseur (4 et 6) et l’aile porteuse (8). Le châssis a également pour rôle de protéger l’hélice en rotation avec une cage circulaire de protection (5). Un paramoteur est la combinaison d’une aile souple de type parapente (8), d’un groupe propulseur (4 et 6) et d’au moins une sellette (3) et d’un châssis (2 et 5) qui les assemblent mécaniquement et protège l’hélice propulsive (6).

L’aile est reliée au châssis par deux élévateurs (9) et des suspentes (10) représentés sur la . La liaison finale avec le châssis sur fait par deux mousquetons (11) qui permettent de facilement retirer l’aile du châssis de paramoteur pour faciliter son transport. Le pilotage se fait grâce à 2 poignées de frein (12) reliées à gauche et à droite du bord de fuite de l’aile de parapente (8). Une tension sur les freins vont déformer le bord de fuite l’aile et la freiner. Cela augmente la traînée de l’aile (8) asymétriquement. Ceci provoque une dégradation de la portance asymétriquement et crée un mouvement de lacet suivi rapidement d’un mouvement de roulis. Un paramoteur est dit à 2 axes car roulis et lacet sont liés et ne peuvent pas être contrôlés indépendamment. On parle de roulis induit par le lacet.

La poussée moteur, c’est à dire la puissance du moteur, est contrôlée par une poignée de gaz, généralement filaire, qui actionne le papillon du carburateur ou du système d’injection du moteur thermique (4). Le pilote peut tenir la poignée des gaz dans la main droite ou la main gauche.

Il existe actuellement 4 types de configurations de châssis différents pour les paramoteurs: monoplace décollage à pieds (le train d’atterrissage sont les jambes du pilote) présenté sur les et , monoplace chariot (de type tricycle généralement), biplace décollage à pieds et biplace chariot. Cette invention concerne ces 4 types de paramoteurs mais se concentre particulièrement sur le type le plus répandu qui est le monoplace décollage à pieds.

La propulsion des appareils de type ULM a été historiquement réalisée grâce à un seul moteur (4) et une seule hélice (6) de type tractive ou propulsive pour des raisons de limitation de masse, de simplicité de conception et de coûts. Une hélice situé à l’arrière de la machine est une configuration propulsive. Elle crée une poussée grâce à un groupe moto propulseur situé à l’arrière de la machine comme illustré sur la . Cela concerne les ULM de type pendulaires, paramoteur ou autogires. Une hélice situé à l’avant de la machine est une configuration tractive. Elle crée une poussée de type tractive. Cette configuration est généralement utilisé dans les ULM de type 3 axes, qui ressemblent à des avions légers monomoteurs. Néanmoins, il existe aussi des configurations propulsives sur les ULM 3 axes.

La poussée propulsive avec un plan d’hélice proche de la cellule du pilote présente des inconvénients aérodynamiques importants qui limitent de ce fait les performances des machines ULM surtout de types paramoteur et pendulaire. La position de l’hélice dans le flux de la sellette de pilotage, dans la cas d’un paramoteur, ou de la nacelle de pilotage, dans le cas d’un ULM de type pendulaire. Cette position limite l’efficacité propulsive et le rendement propulsif de l’hélice.

En effet ; le flux d’air qui alimente le plan de l’hélice propulsive est sous le vent d’obstacles (nacelle, pilote, sellette, châssis et groupe moteur…). Il est alors soumis à des perturbations aérodynamiques de types vortex ou rouleaux. De ce fait, une partie de l’air arrive sur l’hélice de manière perturbée et désordonnée et forment une zone de turbulences (7). Ceci augmente les phénomènes de type décollement de couche limite et diminue les performances propulsives de l’hélice. Ces perturbations augmentent avec la vitesse air donc avec la vitesse d’évolution dans l’air de l’aéronef.

La montre que globalement 40 à 50 % de la surface balayée par l’hélice propulsive d’un paramoteur peut être située dans le flux d’air perturbé de la sellette et du pilote. De ce fait, l’efficacité d’une hélice propulsive située en aval de l’obstacle que constitue le poste de pilotage est dégradée par les perturbations aérologiques. Ces perturbations sont d’autant plus grandes quand le plan de l’hélice est proche de l’obstacle et que la vitesse air est importante.

Les efficacités propulsives et rendements propulsifs d’une hélice situé en aval de la sellette ou nacelle de pilotage ne sont par conséquents pas optimums.

Un autre inconvénient important d’une configuration mono hélice est celui du contre couple moteur, nommé ci-dessous couple moteur. Le couple moteur est ressentit de manière permanente lorsque l’hélice tourne et augmente avec le régime de rotation de l’hélice. Il est ressentit de façon plus ou moins importante suivant les phases de vol et du besoin en poussée. Plus la poussée est importante, plus le régime de rotation de l’hélice est important et plus le couple est important. Ce couple est présent dans toutes les phases du vol sauf en phase de descente pour les paramoteurs (moteur coupé ou au ralenti). Le couple moteur est particulièrement présent au décollage, la phase où le besoin en poussée est maximum. C’est aussi la plus dangereuse d’un vol puisque qu’il n’y qu’une très faible hauteur de sécurité par rapport au sol. Des accidents liés à un trop fort couple moteur ne sont malheureusement pas rares en paramoteur, particulièrement lors d’un changement de machine (moteur ou aile).

En phase de vol, ce couple moteur crée une tension asymétrique au niveau des 2 élévateurs (9) et des suspentes (10). La tension n’est pas la même sur le coté gauche de l’air ou droite. De ce fait, le couple moteur nécessite des corrections aérodynamiques permanentes par le pilote ou par un système d’équilibrage ou « trim » qui ajuste la trajectoire de l’appareil. Dans les 2 cas, cela dégrade la finesse globale de l’aéronef, c’est à dire ses capacité à planer et sa capacité à voler avec une puissance réduite.

Une autre conséquence du couple moteur est qu’un ULM à 2 axes, notamment de type paramoteur, présente une maniabilité asymétrique. Il tourne en vol plus facilement à gauche si son hélice propulsive tourne dans le sens horaire (ce qui crée un couple de sens trigonométrique l’aéronef) et, inversement, il tourne mieux à droite si son hélice propulsive tourne dans le sens trigonométrique. Le couple moteur crée une asymétrie au roulis et au lacet d’une machine 2 axes puisque les 2 sont liés. Le couple moteur crée une asymétrie importante dans la maniabilité d’une machine 2 axes.

En effet ; le couple moteur est particulièrement sensible sur les appareils de vol à 2 axes où roulis et lacet sont indissociables. C’est, par exemple, le cas des paramoteur et des pendulaires. De plus, les paramoteurs utilisent une aile de parapente pliable et souple. Cette souplesse présente des avantages d’encombrement au sol (transport et stockage faciles) mais présente un risque de déformation de l’aile en vol. Ce risque de déformation est principalement lié aux conditions météorologiques et aérologiques, par exemple, des zones de cisaillement de l’air ascendant, de vortex ou du rouleaux météorologiques. Ce risque de déformation est accentué par l’effet du couple moteur sur un paramoteur du fait de tensions asymétriques sur les élévateurs (9) et par conséquent sur les 2 moitiés gauche et droite de l’aile. Une déformation de l’aile crée un déséquilibre des forces aérodynamique. Plus l’aile est déformée, plus le déséquilibre est important. Cette déformation va dégrader la portance, généralement de manière asymétrique, et de ce fait la trajectoire de l’aéronef. Ceci peut aboutir au crash du paramoteur lors de la phase de décollage si le pilote ne maîtrise ou ne connaît pas bien sa machine ou que les conditions météorologiques sont mauvaises. Un crash qui peut avoir des conséquences humaines et matérielles importantes, jusqu’au décès du pilote.

D’une manière générale le couple moteur sur un aéronef mono-hélice est contraignant voir dangereux à partir d’une certaine demande de poussée. Le couple moteur a été à l’origine de nombreux crashs aériens dans l’aviation militaire de la 2ieme guerre mondiale. Certains modèles de chasseurs monomoteurs de l’époque avaient un couple moteur si important que des pilotes en formation ou débutants se sont crashés au décollage à cause d’un retournement de la machine lors d’une mise plein gaz trop brutale et pas assez corrigée.

Une configuration mono-hélice forme également un gyroscope. L’effet gyroscopique et la précession gyroscopique vont également dégrader la maniabilité en vol. Les effets du couple et gyroscopiques se cumulent en vol, l’effet de précession gyroscopique est moins important et moins sensible que celui du couple moteur. Néanmoins ces phénomène gyroscopiques existent et dégradent la maniabilité aéronautique des aéronefs mono-hélice.

Un autre inconvénient lié à l’utilisation d’une seule hélice est la possibilité très limitée d’ajustement du vecteur poussée autant sur le point d’application que sur la direction sur le châssis. Ces 2 paramètres sont fixés lors de la conception de la machine.

Une configuration propulsive sur base de 2 hélices déportées latéralement sur le châssis et tournant en sens opposés, de manière dite contrarotative, réduit largement les perturbations aérodynamiques sur le plan des hélices et annule complètement l’effet du couple moteur et les effets gyroscopiques. Cette solution est présentée sur les et

Une configuration multi rotors comportant au moins 2 hélices déportée permet également une poussée asymétrique si la vitesse de rotation des 2 hélices sont différente. L’hélice de gauche peut créer plus de poussé que l’hélice de droite et inversement. Il se crée alors un couple de lacet qui va améliorer la maniabilité en virage ou, au contraire, stabiliser l’appareil dans une trajectoire rectiligne lorsque les conditions météorologiques sont agitées par régulation électronique et poussée asymétrique contrôlée. Ainsi une configuration multi-rotors permet de créer une assistance dans les trajectoires d’un aéronef, notamment 2 axes. Le stade le plus évolué de cette assistance est la possibilité de faire un autopilote de trajectoire. La trajectoire de la machine ne serait plus contrôlé par une action sur les commandes qui dégradent la finesse de la machine mais par asymétrie de la poussée. Dans le cas des paramoteurs, on aboutirait à un autopilote similaire aérodynamiquement au pilotage à la sellette. Le pilotage à la sellette se fait sans aucune action sur les gouvernes et uniquement par déport du poids du pilote sur le coté gauche ou droite de l’aile. Ceci provoque une mise en virage du coté de l’aile la plus chargée par déport du centre de gravité. C’est de cette manière que tournent exclusivement les ULM pendulaires et les deltaplanes qui n’ont aucune gouvernes de direction.

Une configuration bimoteur sur base de 2 moteurs thermiques était délicate à mettre en œuvre sur des ULM pour des raison de masse embarqué et de régulation. Elle est aujourd’hui tout à fait envisageable avec une motorisation électrique pour un poids limité et des performances comparables aux modèles thermiques. Ceci est possible grâce aux avancées récentes, tant techniques qu’économiques, des matériaux, de la régulation électronique embarquée, des moteurs électriques et des batteries.

Une autre grandeur physique aéronautique importante dans les performances aéronautiques est la finesse. La finesse est la capacité d’un aéronef à planer. Plus la finesse est grande, plus la pente de chute de l’aéronef est réduite et plus cet aéronef peut voler loin avant de toucher le sol à partir d’une hauteur donnée. De fait, la finesse définit la poussée nécessaire pour maintenir un aéronef en vol palier. Plus la finesse aéronautique est élevée, plus la poussée nécessaire pour faire voler un aéronef est faible. La finesse nécessaire pour maintenir l’altitude de tout aéronef à aile porteuse est donnée par la formule

Le PTV (Poids Total Volant) est donné en N ou kg, la finesse est sans dimension et la poussée ou traînée sont en N ou kgF (kilogramme Force). Ainsi pour maintenir en vol palier un paramoteur de, par exemple, 6 de finesse et de 120 kg de poids total volant, il faut lui fournir une poussée de 20 kgF. Un autre paramoteur de 8 de finesse aura besoin d’une poussée de 15 kgF pour le même PTV de 120 kg. Ainsi pour gagner en performances aéronautiques, il faut obtenir une finesse optimale.

En vol non palier, la tangente de l’angle d’assiette de l’aéronef, soit l’angle de la trajectoire de l’aéronef par rapport à l’horizontale, est donné par la formule

α est l’angle d’assiette. La poussée effective est la force réellement appliquée à l’aéronef, c’est à dire la poussée moteur retranchée de la traînée aéronautique. Poussée, traînée et PTV sont exprimés en N ou en kg et kgF. Le calcul de l’angle α permet, pour une vitesse sol donnée, de déterminer la vitesse sol verticale Vz, c’est à dire la vitesse ascensionnelle. Elle est généralement donnée m/min ou en m/s. La vitesse ascensionnelle définit la capacité à gagner de l’altitude. La vitesse ascensionnelle est un critère fondamental de caractérisation de tout aéronef.

La montre l’évolution de la vitesse ascensionnelle théorique suivant la poussée effective et le PTV d’après l’équation [Math 2]. La zone d’utilisation en confort et sécurité d’un paramoteur est situé entre 2 et 3 m/s de vitesse ascensionnelle. Il faut, en ordre de grandeur, 25 à 30 kgF de poussée effective pour obtenir une telle vitesse entre 90 et 130 kg de PTV.

Si on suppose que la traînée aéronautique est constante en palier ou en trajectoire ascensionnelle, ce qui est sensiblement vrai pour les aéronef à angle d’incidence faible comme les paramoteurs , alors la formule [Math 2] peut s’écrire de manière approximative et majorée de la manière suivante :

Dans le cas d’un paramoteur de 50 kgF de poussée maximale, PTV de 120 kg et finesse de 6, on obtient un angle α maximal de 14°. Si ce paramoteur vol à 40 km/h vitesse air, soit 11 m/s, alors il aura une vitesse ascensionnelle maximale de 2,67 m/s/ Si la finesse passe à 8 alors la vitesse ascensionnelle maximale, toujours à 40 km/h air et 120 kg de PTV, sera de 3,08 m/s. Ce sont des valeurs majorées car la finesse réelle est dégradée en phase ascensionnelle.

La montre l’évolution de la vitesse ascensionnelle théorique suivant la finesse et le PTV pour une poussée moteur de 50 kgF d’après l’équation [Math 3]. A partir d’un certain PTV et pour certaines finesses, la vitesse ascensionnelle est largement sous les 2 m/s : la poussée moteur est insuffisante. La vitesse ascensionnelle devient même négative à partir d’un certain poids : l’appareil ne peut pas décoller. Une finesse d’au moins 5 est nécessaire pour faire évoluer en sécurité un paramoteur de PTV compris entre 90 et 130 kg de PTV avec une poussée moteur de 50 kgF.

En paramoteur tout comme en parapente, la finesse est définie d’une part par la finesse de l’aile utilisée et d’autre part par la finesse de la sellette et du châssis qui porte le pilote et le moteur. La finesse réelle d’un paramoteur est toujours inférieure à celle de l’aile utilisée en mode parapente. C’est une finesse dégradée à cause de la présence du châssis de paramoteur qui augmente la traînée aérodynamique. Ainsi la finesse réelle effective en paramoteur conventionnel est de l’ordre de 50 % la finesse maximale de l’aile. Une perte de 50 % de finesse est une dégradation très importante pour les performances de l’aéronef. La permet de faire quelques comparaison rapides de besoin en poussées suivant le PTV et la finesse.

D’autre part, la finesse dépend de la vitesse air et est maximale pour une vitesse air donnée, et elle dépend des caractéristiques aérodynamiques de l’aéronef.

La montre, à titre d’exemple, l’évolution de la finesse suivant la vitesse et pour 4 configurations de sellettes de parapente. On voit d’une part l’influence importante sur la finesse suivant le type de sellette et qu’il existe un gain potentiel de 27 % entre la plus basse et la meilleure finesse. On voit d’autre part que les vitesses de finesse maximale, donc de performances maximales, d’un parapente sont située entre 38 et 43 km/h. Ce sont les vitesses où un paramoteur électrique optimisé doit évoluer pour obtenir les meilleures performances en terme de poussée et donc d’autonomie.

La configuration d’hélices déportés permet d’améliorer la finesse du châssis à l’arrière du pilote et par conséquent de diminuer les besoins en poussée moteur et améliorer l’autonomie.

Un autre avantage de la configuration d’hélices déportées, en dehors des considérations de traînée, de couple ou de perturbation aérodynamiques, est d’augmenter la surface balayée par les hélices pour une même garde au sol lors du décollage. La science et l’état de l’art des hélices aéronautiques montrent que pour une même poussée, une surface de balayage d’hélice doublée, augmente le rendement propulsif de l’ordre de 20 à 40 %. Deux hélices consomment moins de puissance, donc d’énergie, qu’une hélice unique pour fournir la même poussée. Pratiquement, 2 configurations « hélices moteurs » (c’est à dire 2 hélices et 2 moteurs identiques) qui consommeraient 500W chacune, soit 1000W au total, fourniront 20 à 40 % de poussée supplémentaire qu’une unique configuration « hélice moteur » identique qui consommerait 1000W. La donne l’efficacité propulsive en N/kW, d’après des mesures expérimentales comparatives, entre des configurations mono ou bi hélices, tout autres grandeurs constantes.

Les et détaillent cette configuration bimoteur et ses avantages aérodynamiques. Le pilote (1) est installé dans une sellette (3) montée sur un châssis (2). La zone de turbulences (7) est diminuée par la présence d’un carénage aérodynamique (8) réalisé dans un matériau léger souple ou rigide. Ce carénage aérodynamique (8) aura une forme de fuseau afin d’améliorer les écoulements d’air et diminuer la traînée aérodynamique. Ce carénage peut être par exemple réalisé dans un tissu technique léger, étanche à l’air et l’eau à base d’élasthanne. La deuxième fonction de ce carénage est de protéger les batteries et l’électronique embarquée. Ce carénage améliore aussi l’aspect visuel général de la machine. La zone de turbulences (7) est d’une part réduite par amélioration de l’écoulement d’air grâce au carénage (8) et perturbe moins le plan des hélices (10 et 12) du fait du déport latéral de ces dernières.

Les hélices (10 et 12) sont actionnées directement grâce à 2 moteurs électriques identiques (9 et 11) mais tournant dans des sens opposés pour annuler le couple et réduire les effets gyroscopiques. Ces 2 moteurs sont maintenus au châssis (2) par un raccord central (17) et 2 bras pliants (13 et 14) montés sur 2 pivots verrouillables symétriques (15 et 16). Les bras pliables (13 et 14) ont une forme aérodynamique de fuseau ou cylindrique qui favorise l’écoulement de l’air afin de ne pas dégrader la finesse.

Des bras de force (18 et 19) peuvent être utilisés de manière optionnelle suivant la résistance mécanique des bras pliants (13 et 14) et le besoin en poussée. Le dimensionnement se fait en respectant les coefficients de sécurité ULM. Ces bras de force (18 et 19) sont démontables rapidement à au moins à l’une de leur extrémité lors du pliage de la machine. Si seule une extrémité est démontable rapidement, ils sont montés sur rotule ou pivot sur l’autre extrémité. Le démontage de l’une ou des 2 extrémité se fait par un système de démontage rapide sans outil, de type goupille ou autre moyen d’assemblage rapide sans outil.

L’envergure en mode déplié entre les extrémités des 2 hélices peut dépasser les 250 cm suivant la taille des hélices. Les bras (13 et 14) sont pliants pour faciliter le transport et stockage de la machine. Pour limiter encore l’encombrement lors du stockage et du transport, les hélices (10 et 12) sont aussi pliables suivant leur axe de rotation comme montré dans la . Les hélices pliables occupent en mode replié la longueur d’une seule pâle et la largeur de 2 pales

Le paramoteur en mode plié est montré sur la . Lorsqu’il ne sont pas verrouillés, les pivots verrouillables (15 et 16) forment un angle avec le plan du vecteur poussée, de telle sorte que les 2 bras (13 et 14) se plient sur une composante verticale négative et positive. De ce fait, en mode plié, les demi hélices pliées (10 et 12) se retrouvent au dessus et en dessous du plan du vecteur poussée lorsque les pivots (15 et 16) sont déverrouillés. Les 2 bras (13 et 14), les hélices (10 et 12) et les moteurs (9 et 11) se retrouvent au dessus et en dessous du plan du vecteur poussée. Le carénage souple (8) peut être facilement déformé par la présence de ces demi hélices pliées. La largeur globale du paramoteur en mode plié est de l’ordre de grandeur de la largeur du châssis (2) et de la sellette de pilotage (3). Par exemple, le paramoteur avec ses bras pliés peut passer une porte de largeur standard de 80 cm lorsqu’il est sur le dos. Ceci est tout à fait impossible avec un paramoteur mono-hélice. Il faut passer de travers pour la plupart des modèles thermiques existants, tous ne le permettent pas suivant la corpulence du pilote ou des dimensions du paramoteur.

Le pliage permet un stockage et un transport plus faciles: la machine peut entrer dans la plupart des coffres des voitures break et peut être stockée et couchée ou sur le coté sans restriction particulière. La machine peut entrer dans certains coffres de voitures de type « sedan ». Un volume de coffre suffisant permet même de transporter plusieurs machines. Ceci est très difficile, voir impossible avec un paramoteur thermique à moins de vidanger intégralement le réservoir et les circuits d’essence et démonter la cage de protection (5) quand elle est démontable, ce n’est pas le cas de tous les modèles. En effet, comme tout moteur utilisant un carburant liquide, celui risque de fuir à partir d’un certain angle d’inclinaison. Sans vidange intégrale, un paramoteur thermique doit être transporté et stocké en mode vertical proche de l’inclinaison d’utilisation. Ceci limite les possibilités de transport.

Bien évidement l’utilisation de l’électricité comme énergie supprime toutes les odeurs et risques de fuite lors du stockage, du transport et de l’utilisation sur le terrain, que cela soit au niveau de la machine et du transport de carburant dans des jerricans. Le risque de pollution des sols par un carburant d’origine pétrolier est supprimé. La pollution et l’odeur en vol ou au sol, moteur tournant, lié à l’utilisation de moteurs à explosion, essentiellement 2 temps brûlant de l’huile, sont supprimés. Le bilan CO2 à l’utilisation est tout à fait à l’avantage de l’électricité. La [Table 1] de la fait une analyse comparative entre un paramoteur thermique, un électrique mono-rotor et un paramoteur multi-rotors.

La cage de protection (5) des paramoteurs permet d’éviter aux suspentes et commandes de frein d’être dans la trajectoire de l’hélice, surtout lors des phases au sol de gonflage et course d’envol lorsque l’aile n’est pas encore sous tension. Tout contact entre une hélice tournante et des suspentes détruit ces dernières et casse le profil de l’aile. La cage évite le contact lors de la phase de gonflage, notamment lors d’un gonflage dit « dos voile » utilisé par la majorité des pilotes de paramoteur. L’aile est affalée au sol derrière le pilote et le moteur et elle est gonflé par le pilote qui tire sur certaines suspentes avec ou sans déplacement du pilote suivant la vitesse du vent. Ces suspentes sous tension mécanique vont frotter et longer la cage circulaire lors de cette phase de gonflage. Une fois l’aile au dessus du pilote, celui ci commence la course d’envol en courant et en mettant les gaz pour obtenir la poussée propulsive maximale. La distance de décollage dépend de la poussée moteur, du PTV et de l’aile utilisée mais aussi fortement des conditions météorologiques. Avec un vent de face laminaire d’au moins 25 km/h, un paramoteur peut décoller en quelques pas. En l’absence de vent, par contre, il faut parfois courir plus de 100 m pour obtenir la portance suffisante au décollage. Durant cette course d’envol, en cas de conditions météorologiques peu stables, par exemple une rafale latérale, l’aile peut se déformer et les suspentes peuvent partir en arrière de la machine. Il y a là aussi un risque de collision avec l’hélice en rotation. La cage de protection (5) permet d’éviter des dégâts importants allant jusqu’à la destruction de l’aile, de l’hélice, voir du moteur.

La 2ieme technique de gonflage de l’aile est dite « face voile » annule les risques de collision suspentes hélice durant la phase de gonflage puisque l’aile est gonflée face au pilote qui doit se retourner lorsque l’aile est gonflée pour commencer sa course d’envol. Les risques de collision perdurent durant cette phase de course d’envol. De plus les frottements des suspentes sur la cage lors de la phase de gonflage « dos voile » d’un paramoteur provoquent une usure prématuré de ces dernières.

En vol, lors de perturbations météorologiques importantes, l’aile peut fortement se déformer jusqu’à la fermeture totale, les suspentes et élévateurs et commandes ne sont plus sous tension. Le profil de l’aile n’existe plus, il n’y a plus de portance et la machine commence à tomber pour ou moins rapidement. Dans la plupart des cas, l’aile finit par se regonfler d’elle même et retrouver un domaine de vol normal. Si ce n’est pas le cas, la seule solution est de lancer le parachute de secours. Mais avant de se regonfler et de remettre les suspentes et élévateurs sous tension, il y a un risque de collision entre l’hélice et ces organes vitaux de la machine. Une collision en vol avec les suspentes ou les suspentes de commande avec une hélice tournante ont pour conséquences des coupure ou un enroulage des ces dernières sur l’hélice. Dans les 2 cas c’est synonyme de destruction totale, ou dans le meilleur des cas partielle, du profil de l’aile. Ceci même si la puissance moteur est nulle ou réduite puisque l’hélice tourne toute seule avec le vent relatif ou le régime de ralentit du moteur thermique si il n’y a pas d’embrayage automatique. Le risque de rupture des suspentes est alors limité car la vitesse de rotation de l’hélice est réduite mais elles peuvent s’emmêler dans l’hélice ou des partie du moteur ce qui empercherait une réouverture de l’aile et un retour dans le domaine de vol normal.

Ces conditions de vol sont extrêmes et heureusement rares mais elles sont possibles : il faut donc protéger les organes vitaux de l’aile d’une collision avec une hélice. Un organe de protection est donc indispensable pour protéger l’aile durant toutes les phases de vol : le gonflage, la course d’envol et la phase de vol, mais également l’atterrissage dans une moindre mesure.

Sur les paramoteur mono-rotor, thermiques ou électrique, cette cage est annulaire et englobe l’intégralité de l’hélice. Ceci est obligatoire pour permettre le gonflage « dos voile ». Cette cage crée une masse supplémentaire et surtout de la traînée.

Dans le cas d’une propulsion multi-rotors, la cage n’a pas besoin de couvrir intégralement les hélices car le risque de collision avec les hélices est géométriquement très fortement réduit comme constatable sur la [Fig 11 A]. En cas de conception multi-rotors, seulement la partie supérieure et centrale des hélices doit être protégée. Une protection partielle de chaque hélice environ 120° d’angle est suffisante pour assurer une protection suffisante durant toutes les phases du vol (décollage, vol en conditions normales et atterrissage). Durant les incidents de vol, c’est à dire une fermeture totale ou partielle de l’aile, le risque de collision avec les hélices est limité par 2 aspect géométriques. Premièrement, le plan des hélices d’un appareil multi-rotor est plus éloigné des élévateurs et des suspentes par conception : les hélices sont plus reculées du point d’accroche à l’aile. Deuxièmement la surface balayée par les hélices est déportées de part et d’autres du châssis, ceci diminue fortement le risque de collision entre suspentes et les hélices. Une cage partielle est détaillée sur la [Fig 11 A] où sont indiquée en pointillés la position d’un élévateur (9) et un cône de suspentage (10) lors d’un vol en condition normale. La 2ieme cage est symétriquement identique donc n’est pas représentée.

Une cage est constituée de 2 éléments longs, plats et fins nommés profilés ci dessous (20 et 21). Ces profilés sont légers et flexibles en matériau de qualité aéronautique, par exemple de type métallique aluminium, magnésium, inox, titane, de type polymères ou de type matériaux composites, par exemple fibres de verre ou fibre de carbone.La section des profilés (20 et 21) est de type profilé plat. La section est fine pour avoir une flexion suffisante selon sa plus grande longueur et pour limiter la traînée. La section est large pour avoir une inertie mécanique suffisante pour contrer la force des suspentes lors d’un incident de vol ou au décollage. La [Fig 11 C] montre un exemple de profil utilisable. Les profilés (20 et 21) sont maintenus entre eux par une pièce intermédiaire (23) comprenant 2 fentes identiques à leur profil [Fig 11 C] avec un jeu fonctionnel dans laquelle les plats viennent s’insérer. La pièce de raccord (23) forme un angle de l’ordre de 60° entre ses 2 fentes. Elle est collée sur un des 2 profilé (21). Pour faciliter le transport et stockage, la pièce de raccord (23) est fixée avec un moyen de démontage rapide, comme une goupille (22) sur l’autre profilé (20). Le démontage partielle et total sont représentés sur la [Fig 11 B].

Deux pièces fendues d’accroche au châssis (24 et 25) maintiennent en position la cage lors de l’utilisation. Ces pièces sont constituée de fentes à environ 60° par rapport à l’horizontale dans lesquelles les profilés entrent avec une profondeur suffisante pour être auto maintenus par frottements internes. La tension liée à la déformation par flexion du plus long plat et les frottements entre la cage et les pièces de fixation permettent un équilibre mécanique de la cage. Ces cages sont montables et démontables par goupillage sans outil grâce à des goupilles (22). La structure montée est auto porteuse même sans goupillage. Le goupillage a uniquement un rôle de sécurité lié aux accélérations et vibrations lors de l’utilisation. Lorsqu’elle est démontée, la cage occupe la place des 2 profils plats (20 et 21) : les éléments de la cage reprennent une forme rectiligne ce qui facilite grandement leur transport et stockage [Fig 11 B].

Les goupilles (22) ainsi que les pièces d’accroche (24 et 25) ainsi que la pièce intermédiaire (23) sont dimensionnées et fabriquées d’après les normes aéronautique en vigueur et dans un matériaux de qualité aéronautique. Ils peuvent être en plastique résistant aux UV ou dans un métal de qualité aéronautique, ferreux ou non ferreux par exemple en aluminium 7075.

La configuration à 2 rotors présentée ci-dessus ne permet pas directement de procéder à un gonflage « dos voile » avec les suspentes posées au sol et la voile affalée derrière la machine. En effet ; les suspentes coinceraient soit dans les hélices (10 et 12), soit sous les bras (13 et 14) soit dans les moteurs (9 et 11) soit dans certains éléments de la cage (21, 23 et 24).

Pour permettre le décollage par la technique dite du « dos voile » par rapport à un paramoteur mono-rotor à cage annulaire, il est nécessaire de maintenir les suspentes lors du gonflage « dos voile ». Ce maintient doit se faire à une hauteur proche de celle des élévateurs et avec un écartement optimum. Cet écartement est optimum quand il déforme le moins possible le cône de suspentage de l’aile quand elle est placée au sol derrière le pilote. Une pièce « porte suspentes » (26) a été étudiée pour permettre le gonflage « dos voile ». C’est une pièce en forme de V qui maintient l’intégralité des suspentes lors de la phase de préparation au sol et de la phase de décollage. Il y en a une sur la cage gauche et une sur la cage droite. Les 2 « porte suspentes » (26) sont réglables au sol en écartement et peuvent coulisser sur le profilé (20) de la cage pour s’adapter le plus possible à la configuration de l’aile. Une vis de pression radiale maintient leur position lorsque le bon réglage est trouvé. Un changement d’aile nécessite un nouveau réglage. La [Fig 11 A] montre 2 positions possibles du « porte suspentes » (26). Cette pièce est conçue pour ne pas dégrader la finesse de la machine de manière importante : elle est fine et allongée et réalisée ou non dans le même matériau que les autres pièces de la cage (23, 24 et 25).

L’utilisation de ces « portes suspentes » (26) permet un gonflage plus facile qu’avec une cage centrale d’un paramoteur mono rotor. En effet ; les suspentes sont déjà située à la même hauteur que les élévateurs et les suspentes seront moins déformées pendant la phase du gonflage. La déformation des cônes de suspentage lors du gonflage est moins importante qu’avec une cage centrale annulaire. De plus elles ne frottent plus sur la cage annulaire (5) lors de leur mise sous tension mécanique. Le gonflage devient plus facile et les suspentes s’usent moins à chaque décollage puisqu’elle ne frottent sur rien. On retrouve une sensation proche d’un gonflage « dos voile » d’un parapente.

Si l’utilisateur souhaite faire un décollage selon la technique du « face voile » alors il peut démonter les « portes suspentes » en les faisant coulisser le long du profilé (20) après avoir desserré la vis de pression. Les « portes suspentes » n’ont aucune utilité hors de la phase de gonflage « dos voile ».

La cage n’est pas nécessaire sur les appareils à voilure fixe de type pendulaire.

Concernant la chaîne énergétique et l’électronique embarquée : la batterie et les régulations électroniques seront protégées des poussières et projections d’eau par le carénage souple (8) qui est étanche aux poussières et à l’eau. Le volume interne d’air de ce carénage et l’absence d’isolation thermique permettent de dissiper les calories pour éviter toute surchauffe autant de l’électronique que des batteries.

La machine comprend un contrôleur de vol électronique qui va réguler la consigne de puissance de chaque moteurs indépendamment pour la même consigne de poussée par le pilote. Cette régulation différentielle se fait suivant les conditions de vol et notamment l’altitude et les angles d’évolution de l’aéronef : lacet, roulis et tangage.

Le contrôleur de vol a 4 fonctions de régulation essentielles :

• Maintenir l’asymétrie de la poussée dans les phases de vol sans changement de direction
• Créer une poussée asymétrique facilitant le virage lors des changements de direction
• Maintenir l’altitude sur demande du pilote
• Limiter l’angle de tangage
• Procurer une sécurité passive de surveillance de défaillance d’un des 2 moteurs

La première fonction du contrôleur de vol est de maintenir une poussée symétrique des 2 moteurs dans les phases de décollage, de prise d’altitude et de vol à altitude constante. Cette régulation se fait par analyse de l’angle de roulis et de lacet qui doivent être constants durant ces phases. Si un angle de roulis supérieur à un certain angle, la zone neutre, est constaté alors le moteur le plus bas augmente sa puissance pour réduire l’angle de roulis. La zone neutre est paramétrable autour de l’horizontale pour éviter des corrections trop fréquentes qui augmenteraient la consommation d’énergie et pourraient même aboutir à une résonnance. Par exemple entre -20° et +20° il n’y a pas de correction au roulis. Le paramétrage de la zone neutre se fait en réglage d’usine avec possibilité d’ajustement par l’utilisateur au sol.

A partir d’une certaine hauteur de sécurité paramétrable, par exemple, 150 m qui est la hauteur minimale de vol d’un ULM, le contrôle de poussée symétrique est désactivé automatiquement suivant un réglage de cette hauteur minimale au sol ou désactivable manuellement par le pilote en vol. La régulation passe alors dans un mode de poussée asymétrique régulée. La désactivation n’est pas systématique, c’est le pilote qui choisit de l’utiliser ou pas suivant le mode de pilotage qu’il désire. Si le mode de poussée asymétrique est enclenché, à partir d’un certain angle de roulis la poussée devient asymétrique. Un certain angle de roulis signifie une volonté du pilote de tourner. La puissance du moteur à l’intérieur du virage sera réduite pour créer un couple de lacet sur l’aéronef. Dans ces conditions, la manœuvrabilité d’un aéronef 2 axes est considérablement augmentée et permet d’économiser de l’énergie et d’améliorer l’autonomie de la machine. L’aéronef tournera mieux avec une action plus faible sur les commandes (12) et donc une dégradation moindre de la finesse en virage. La finesse globale de l’aéronef est moins dégradée. Il y a une économie d’énergie et un gain d’autonomie. La indique à titre d’exemple une courbe de réglage possible de la puissance du moteur à l’intérieur du virage d’après l’angle de roulis. Par exemple, un angle de roulis de 30° donnera une consigne de 70 % au moteur interne au virage soit une réduction de 30 % par rapport à la puissance du moteur externe au virage. Sur un ULM de type paramoteur, il ne faut pas créer une poussée asymétrique trop importante par risque de provoquer un « Twist » des élévateurs, c’est à dire un enroulement des élévateur selon l’angle de lacet. Sur un aéronef à aile rigide, par exemple, un pendulaire, il n’y a pas de limitation à l’asymétrie de la poussée. Le moteur gauche peut avoir 100 % de poussée lorsque le moteur droit est à 0 %.

Le contrôleur de vol permet également une régulation d’altitude constante. C’est un maintient en altitude barométrique ou GPS activable sur consigne du pilote. La régulation d’altitude n’est activable qu’à partir d’une certaine hauteur de vol minimale et maintient l’altitude désirée par régulation de la poussée globale. C’est le mode de fonctionnement « Altitude Hold » des autopilotes largement utilisés en aviation civile, de loisir ou militaire. La hauteur minimale d’activation est paramétrable par réglage d’usine ou par le pilote au sol. La régulation d’altitude se désactive dès qu’il y a une nouvelle consigne de puissance sur la poignée des gaz. Un avantage considérable du maintient en altitude sur un paramoteur est de pouvoir profiter automatiquement des ascendances thermiques de l’air donc d’un apport d’énergie gratuite et une amélioration de l’autonomie. Lorsque le maintient en altitude est activé, la poussée se régule automatique pour maintenir l’altitude actuelle d’évolution de l’aéronef. Il y a également un maintien de la direction rectiligne du vol par correction asymétrique sur le lacet. Dès que l’angle de roulis sort de la zone neutre, le maintient en altitude est désactivé.

Sur un paramoteur, prendre un angle de tangage trop important ne sert à rien : c’est une perte de puissance et d’énergie. Si la poussée au niveau du pilote est trop importante, le pilote avancera selon un mouvement de balancier devant l’aile. L’aile cabrera et augmentera sa trainée sans augmenter la vitesse ascentionnelle. Il n’y a strictement aucun intérêt aéronautique pour un paramoteur à dépasser un certain angle de tangage. La régulation électronique maintient un angle de tangage optimum et limitera la poussée moteur pour ne pas dépasser un angle trop important. Cet angle dépend fortement des caractéristiques de l’aile et est définit par un programme d’apprentissage logiciel. Cet apprentissage logiciel se fait lors des premiers vol d’une machine neuve et surveille l’angle de tangage à partir duquel la vitesse ascentionnelle commence à ne plus croître. C’est l’angle de tangage optimum. Ce réglage peut être remis à zéro par l’utilisateur en cas de changement d’aile.

En cas d’arrêt non prévu d’un des 2 moteurs, une fonction de sécurité du contrôleur de vol est d’arrêter immédiatement l’autre moteur pour éviter le « Twist » des élévateurs. Ceci se fait par analyse de l’évolution de l’angle de lacet ou par comparatif de la puissance de chacun des moteur ou par comparatif des RPM de chacun des moteur. Si l’évolution de l’angle de lacet est trop rapide, par exemple 180° en moins de 1 seconde, ou si la différence de puissance ou RPM est trop importante lorsque la machine ne tourne pas alors il y a mise en sécurité de l’autre moteur. C’est à dire un arrêt du 2ieme moteur car la probabilité d’une défaillance du 1^ermoteur est élevée. Les 2 moteurs se coupent pour éviter le « Twist ».

L’échantillonnage de toutes les fonctions du contrôleur de vol est d’au moins de 10 Hz, soit 10 analyses et 10 corrections par seconde.

Si le contrôleur de vol est couplé à un GPS et du fait du contrôle du lacet possible par asymétrie de la poussée, un pilotage automatique est possible. L’aéronef peut changer de trajectoire simplement en jouant sur l’asymétrie de la poussée sans que le pilote ait besoin de contrôler les commandes. C’est un mode autopilote d’un appareil 2 axes sans dégradation de la finesse et portance. Ce mode autopilote peut suivre un trajet prédéfini par le pilote avant le vol mais également constituer une sécurité avec un retour vers le terrain de décollage le plus rapide possible, par exemple en cas de perte de visibilité météorologique soudaine ou d’indication de batterie faible.

La poignée des gaz est de type électronique, elle envoie une consigne de poussée unique via un contrôleur de vol qui va répartir cette consigne sur les 2 moteurs suivant les phases de vol comme définit précédemment. La poignée peut être sans fil avec une transmission de consigne par onde ou filaire. Le mode sans fil augmente le confort en vol avec l’absence de fil qui peut être contraignant mais diminue la sécurité, par exemple en cas de panne de batterie de la poignée de gaz ou de perte du signal pour une raison quelconque. Il est donc préférable de réaliser la poignée des gaz en version filaire, d’autant plus que les pilotes de paramoteur ont l’habitude d’avoir une poignée filaire.

La baisse du niveau sonore d’une propulsion électrique est aussi avantageuse. Si le bruit n’est pas complètement diminué en vol du fait du bruit de cisaillement d’une hélice, l’absence du bruit d’échappement du moteur thermique permet une diminution du niveau sonore de l’ordre de 10 dB au régime maximal. Pour une poussée maximale identique, le niveau sonore à 3m en arrière à 45° de la machine passe de 112 dB avec un paramoteur thermique à 102 dB avec une configuration électrique. Le bruit est tout à fait supprimé lorsque la consigne de puissance est nulle en électrique alors qu’un moteur thermique continue de faire du bruit, et de consommer de l’énergie, au ralentit. En régime de vol stabilisé, à mi régime, le bruit est également réduit, il en résulte que le pilote n’a plus besoin de porter un dispositif anti-bruit. Une protection auditive simple comme un casque de moto ou de parapente couvrant les oreilles est suffisante.

Le niveau sonore au sol est également fortement réduit ce qui présente un avantage pour les personnes au sol. Ces dernières seront moins gênées par le niveau sonor, notamment lors des manifestations qui concentrent de nombreux pilotes sur un même lieu de décollage et d’atterrissage.

La faune locale sera également moins perturbée par le niveau sonore et la pollution de l’air.