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WO2025114468A1 - Vertical take-off and landing aircraft - Google Patents

Vertical take-off and landing aircraft Download PDF

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Publication number
WO2025114468A1
WO2025114468A1 PCT/EP2024/083971 EP2024083971W WO2025114468A1 WO 2025114468 A1 WO2025114468 A1 WO 2025114468A1 EP 2024083971 W EP2024083971 W EP 2024083971W WO 2025114468 A1 WO2025114468 A1 WO 2025114468A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
propellers
engine
propeller
aircraft
power units
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/083971
Other languages
French (fr)
Inventor
Armin TAGHIZAD
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Original Assignee
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA filed Critical Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Publication of WO2025114468A1 publication Critical patent/WO2025114468A1/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64DEQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/30Aircraft characterised by electric power plants
    • B64D27/34All-electric aircraft
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/006Safety devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/04Helicopters
    • B64C27/08Helicopters with two or more rotors
    • B64C27/10Helicopters with two or more rotors arranged coaxially
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/22Compound rotorcraft, i.e. aircraft using in flight the features of both aeroplane and rotorcraft
    • B64C27/30Compound rotorcraft, i.e. aircraft using in flight the features of both aeroplane and rotorcraft with provision for reducing drag of inoperative rotor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64UUNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U10/00Type of UAV
    • B64U10/10Rotorcrafts
    • B64U10/13Flying platforms
    • B64U10/14Flying platforms with four distinct rotor axes, e.g. quadcopters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64UUNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U10/00Type of UAV
    • B64U10/10Rotorcrafts
    • B64U10/13Flying platforms
    • B64U10/16Flying platforms with five or more distinct rotor axes, e.g. octocopters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64UUNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U30/00Means for producing lift; Empennages; Arrangements thereof
    • B64U30/20Rotors; Rotor supports
    • B64U30/24Coaxial rotors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64UUNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00Propulsion; Power supply
    • B64U50/10Propulsion
    • B64U50/19Propulsion using electrically powered motors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64UUNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00Propulsion; Power supply
    • B64U50/20Transmission of mechanical power to rotors or propellers
    • B64U50/23Transmission of mechanical power to rotors or propellers with each propulsion means having an individual motor

Definitions

  • the invention relates to a vertical take-off and landing aircraft or “VTOL” aircraft (acronym for “Vertical Take-off and Landing”).
  • the aircraft comprises: four pairs of counter-rotating propellers to provide lift for the aircraft; power units to drive the propellers in rotation, each power unit comprising an electric motor and its electronic control system; and a flight control unit to control the power units so as to obtain, for each propeller, a target thrust.
  • the eight-rotor coaxial contra-rotating configuration has advantages in terms of compactness.
  • propulsive efficiency is improved.
  • Such a configuration therefore provides a maneuverable, stable aircraft that is well-suited for operating in confined areas.
  • a vertical take-off and landing aircraft comprises: at least four pairs of counter-rotating propellers for ensuring, at least in part, the lift of the aircraft; power units for driving the propellers in rotation, each power unit comprising an electric motor and its electronic control system; a flight control unit for controlling the power units so as to obtain, for each propeller, a target thrust; and a detection system to detect failure of the power units.
  • Each of the pairs of propellers comprises an upper propeller and a lower propeller rotating in opposite directions around a propeller axis substantially parallel to the yaw axis of the aircraft.
  • the pairs of propellers are distributed symmetrically with respect to the roll and pitch axes of the aircraft.
  • Each of the pairs of propellers is equipped with three separately controllable power units, namely a primary power unit for driving one of the propellers, called a single-engine propeller, and secondary and tertiary power units for driving the other propeller, called a twin-engine propeller, the secondary and tertiary power units being arranged so that their engine torques are added together.
  • the flight control unit controls the secondary and tertiary power units of at least two propellers, called compensating propellers, chosen from among the dual-engine propellers, to drive each of the compensating propellers by means of its secondary and tertiary power units, so as to increase the thrust of each of the compensating propellers and compensate for the loss of thrust linked to the failure of the two power units.
  • the proposed solution therefore consists, for each pair of counter-rotating propellers, of providing a single-engine propeller and a twin-engine propeller and, in the event of a double failure, of using at least two twin-engine propellers as compensating propellers. Thanks to the action of the compensating propellers, it is possible to control the behavior of the aircraft in the event of a double failure, whatever the configuration of the double failure.
  • Figure 1 shows an example of a VTOL aircraft seen from the side.
  • Figure 2 shows the example VTOL aircraft in figure 1 seen from above.
  • Figure 3 schematically represents another example of a VTOL aircraft.
  • FIG. 4 shows in detail an example of counter-rotating propellers with their drive units.
  • Figure 6 shows the aircraft of Figure 3 during a second example of double failure.
  • Figure 7 shows the aircraft of Figure 3 during a third example of double failure.
  • Figure 8 shows the aircraft of Figure 3 during a fourth example of double failure.
  • the multi-rotor VTOL aircraft comprises at least four pairs of counter-rotating propellers to provide, at least in part, the lift of the aircraft; power units to drive the propellers in rotation, each power unit comprising an electric motor and its electronic control system; a flight control unit to control the power units so as to obtain, for each propeller, a target thrust; and a detection system to detect a failure of the power units.
  • Figures 1 and 2 schematically represent an example of an aircraft 1 with four pairs of counter-rotating propellers 10.
  • Figure 3 schematically represents another example of an aircraft 1 with eight pairs of counter-rotating propellers 10.
  • the number of pairs of propellers is however not limited to these examples and the aircraft may comprise 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, etc. pairs of propellers.
  • the aircraft 1 comprises an odd number of pairs of propellers 10
  • at least one of the pairs of propellers 10 is arranged on the roll axis X of the aircraft.
  • the aircraft's roll X, pitch Y, and yaw Z axes are imaginary axes around which the aircraft rotates. These axes are oriented as follows:
  • the roll axis X is parallel to the line extending from the front part (e.g., the nose) to the rear part (e.g., the tail) of the aircraft, through the central body (e.g., the fuselage) of the aircraft, and passes through the center of mass of the aircraft;
  • the pitch axis Y is the axis perpendicular to the roll axis passing through the center of mass of the aircraft.
  • the pitch axis Y extends from one end of the main fixed wing plane to the other end of this plane;
  • the yaw axis Z passes through the center of mass G of the aircraft, from top to bottom, and is perpendicular to the other two axes X, Y.
  • X, Y, Z axes are identified in the examples in figures 1 to 3.
  • Front and rear, like upstream or downstream, are defined in relation to the normal direction of travel of the aircraft, identified by the arrow on the X axis.
  • Figure 4 schematically represents, in detail, an example of a pair of counter-rotating propellers 10.
  • the pair of propellers 10 comprises a high propeller 11 and a low propeller 12 rotating in opposite directions around a propeller axis A.
  • the propeller axis A is substantially parallel to the yaw axis Z of the aircraft 1.
  • the expression “substantially parallel” means that the propeller axis A may not be strictly parallel to the yaw axis Z and form a slight angle (e.g., of less than 10°) with the Z axis, as long as this angle does not prevent the effect that the pair of propellers 10 is intended to produce.
  • each propeller is represented by a double arrow in the figures.
  • the pairs of propellers 10 are distributed symmetrically with respect to the roll axes X and pitch Y of the aircraft, and surround the central body (e.g., the fuselage) of the aircraft 1.
  • Each pair of propellers can be connected, for example by means of a fixing arm 15 or any other connecting element, to the central body of the aircraft or to an intermediate element connected to the fuselage such as a fixed wing plan.
  • the aircraft 1 comprises a fuselage 2 forming the central body of the aircraft, a propulsion system 5 at the front of the fuselage 2 and four pairs of counter-rotating propellers 10.
  • the aircraft 1 also comprises three wing plans: a canard-type front wing plan 20 located at the front of the aircraft 1; a main wing plan 30 located in the middle part of the aircraft 1; and a tailplane-type rear wing plan 40 located at the rear of the aircraft 1.
  • the main wing plan 30 is formed of a pair of wings 32 (i.e. a right wing and a left wing) joined together above the fuselage 2.
  • the four pairs of propellers 10 are distributed symmetrically on either side of the main wing plan 30 and on either side of the fuselage 2.
  • two pairs of propellers 10 are located to the right of the fuselage 2, on either side (i.e., in front and behind) the right wing 32
  • two pairs of propellers 10 are located to the left of the fuselage, on either side (i.e., in front and behind) the left wing 32.
  • each pair of propellers 10 is structurally connected, i.e., is fixedly attached, to the main wing plan 30. Together, the four pairs of propellers 10 and the wing plans 10, 20, 30 provide lift for the aircraft.
  • the aircraft 1 comprises a central body 3 around which the pairs of propellers 10 are distributed.
  • the pairs of propellers 10 are distributed symmetrically with respect to the roll axes X and pitch Y of the aircraft 1.
  • the upper propellers 11 symmetrical with respect to the roll axis X rotate in opposite directions
  • the upper propellers 11 symmetrical with respect to the pitch axis Y rotate in opposite directions
  • the lower propellers 12 symmetrical with respect to the roll axis X rotate in opposite directions
  • the lower propellers 12 symmetrical with respect to the pitch axis Y rotate in opposite directions.
  • the upper propellers 11 of the front right and rear left sectors rotate in the same direction.
  • each pair of propellers 10 is equipped with three separately controllable power units, namely a primary power unit 21 for driving one of the propellers, called the single-engine propeller, and secondary 22 and tertiary 23 power units for driving the other propeller, called the double-engine propeller.
  • the secondary 22 and tertiary 23 power units are arranged so that their engine torques add up. In other words, if in a flight configuration the propeller 11 must provide thrust requiring a significant torque that only one of the power units 22, 23 cannot provide, starting the second power unit makes it possible to increase the total engine torque to obtain the required thrust.
  • the upper propeller 11 is the dual-engine propeller and the lower propeller 12 is the single-engine propeller, but the reverse configuration is possible.
  • the use of the ordinal adjectives "primary”, “secondary” and “tertiary” is not intended to imply or create an order of operation of motor units. The use of these adjectives simply serves to distinguish between motor units.
  • Each drive unit 21, 22, 23 comprises an electric motor and its electronic control system.
  • Each drive unit 21, 22, 23 may also comprise an electronic power supply system and, in particular, an inverter.
  • the drive units 21, 22, 23 may be powered by different types of electrical energy sources, such as an energy storage system (batteries, hydrogen), an energy generation system (thermal, hydrogen) or a mixed system (hybrid). When there are several electrical energy sources on board, the outputs of the electrical energy sources may be added together before being distributed to the drive units.
  • the drive units 21, 22, 23 may be powered separately.
  • the aircraft 1 comprises a detection system for detecting a failure of each of the power units 21, 22, 23. Failure is understood to mean a fault or breakdown of the power unit, whether this fault or breakdown comes from the electric motor, its electronic control system or its electronic power supply system. In the present application, a propeller having a faulty power unit is referred to as a “faulty propeller”.
  • the detection system may include one or more sensors such as temperature probes, sensors for measuring the rotation speed of the motor, torque measurement, measurement of the various currents of the motor and/or its electronic circuit, measurement of leakage currents, partial discharge, or any other measurement allowing a health diagnosis (i.e., a condition diagnosis) of the power unit.
  • the detection system may also use measurements and/or the estimation of one or more parameters of the aircraft and/or the flight condition.
  • the flight control unit controls the secondary and tertiary power units of at least two propellers, called compensating propellers, chosen from among the twin-engine propellers, to drive each of the compensating propellers by means of its secondary and tertiary power units, so as to increase the thrust of each of the compensating propellers and compensate for the loss of thrust linked to the shutdown of the two faulty power units.
  • compensating propellers chosen from among the twin-engine propellers
  • the thrust of each of the trim propellers is increased beyond the maximum thrust that would be available if the trim propeller were driven solely by its secondary power unit 22 or its tertiary power unit 23.
  • the secondary and tertiary power units tertiary when they are actuated together, make it possible to obtain a thrust, called “compensation thrust", greater than the thrust that can be obtained with only one of the two power units 22, 23.
  • the secondary power unit 22 is not sized to obtain, on its own, said compensation thrust.
  • the tertiary power unit 23 This makes it possible to reduce the dimensions and mass of these power units 22, 23 which, typically, are only designed (or selected off the shelf) to ensure the nominal flight thrust.
  • the drive units 21, 22 and/or 23 are controlled so that the resistive torques of each of the propellers 11, 12 cancel each other out.
  • the pair of propellers 11, 12 is thus torque balanced so as not to create a yaw torque.
  • the secondary 22 and tertiary 23 drive units are identical in terms of engine torque. This choice makes it possible to provide symmetrical processing in the management of failures of each of these drive units 22, 23.
  • the upper propellers 11 symmetrical with respect to the roll X and pitch Y axes rotate in opposite directions
  • the lower propellers 12 symmetrical with respect to the roll X and pitch Y axes rotate in opposite directions. This makes it possible to cancel the yaw moments produced by all of the upper propellers and the yaw moments produced by all of the lower propellers. Control of the aircraft via the central flight control unit is then facilitated.
  • the flight control unit may be centralized.
  • the flight control unit is part of the aircraft's flight control system, or "FCS" (acronym for "Flight Control System”), this system being based on the control of one or more control members of one or more state parameters of the aircraft and/or measurements and/or estimation of one or more parameters of the aircraft and/or the flight condition.
  • This flight control system is, in addition, provided with a control reconfiguration function.
  • the flight control system also has a pilot alert function indicating the detection of one or more failures (faults or breakdowns) and the reconfiguration of the controls and the impact on the mission.
  • the flight control system includes a pilot assistance function offering the pilot an optimal trajectory and assistance in managing the trajectory following failure and reconfiguration of the controls.
  • the flight control unit defines a compensation strategy, or compensation logic, based on the simultaneous number of failures to be considered.
  • This compensation strategy can be defined from a table dealing with all possible failure cases and proposing for each case a compensation strategy (optimized or not).
  • the compensation strategy can also be obtained by an onboard optimization algorithm operating in real time.
  • the compensation strategy can be used by the flight control system's control reconfiguration function. The reconfiguration function will adapt the piloting laws and the servo gains according to the selected compensation strategy, the piloting mode and the flight configuration (speed, altitude, etc.).
  • Figures 5 to 8 illustrate different possible double failure cases. These figures schematically represent the aircraft example of Figure 3.
  • the direction of rotation of the propellers 11, 12 is the same as in Figure 3.
  • the single-engine propellers are the low propellers 12 and the twin-engine propellers are the high propellers 11, as in the example of Figure 4.
  • the single-engine propellers could be the high propellers and the twin-engine propellers could be the low propellers, without this affecting the explanations which follow.
  • the letters “D”, “C” and “E” are used in these figures following the propeller number (e.g.
  • 11 C, 11 D, 12D, 12E to designate, respectively, failed propellers (“D”), compensating propellers (“C”) and non-failed propellers voluntarily shut down (“E”).
  • the aircraft’s roll X and pitch Y axes define between them four sectors: a right front FR sector, a left front FL sector, a right rear RR sector and a left rear RL sector.
  • the compensating propellers comprise the two dual-engine propellers belonging, respectively, to the two pairs of propellers of which the two single-engine propellers are part.
  • the faulty single-engine propellers and the compensating dual-engine propellers belong to the same pairs of propellers.
  • This first compensation strategy is illustrated by the example in Figure 5.
  • the failed single-engine propellers are denoted 12D and marked with a cross.
  • the failed 12D propellers are located, respectively, in the front right FR and front left FL sectors, but they could be located in other sectors or both be located in the same sector.
  • the failed 12D single-engine propellers rotate in opposite directions.
  • the proposed compensation strategy consists of stopping the power units 21 of the failed propellers 12D and to use as compensating propellers the twin-engine propellers denoted 11C. In normal operation, these compensating propellers 11C can be driven by a single power unit, for example the secondary power unit 22.
  • each compensating propeller 11C is driven not only by its secondary power unit 22 but also by its tertiary power unit 23.
  • the thrust of each compensating propeller 11C can be increased so as to compensate for the loss of thrust linked to the failure of the propellers 12D.
  • the compensating propellers 11C can be driven by their two secondary 22 and tertiary 23 power units, these power units producing a nominal torque lower than their maximum available torque.
  • the secondary and tertiary power units 22, 23 are commanded to produce their maximum available torque (or a torque strictly greater than their nominal torque and less than or equal to their maximum available torque).
  • the thrust of each compensating propeller 11C can be increased so as to compensate for the loss of thrust linked to the failure of the propellers 12D.
  • the flight control unit commands the stopping of the two faulty power units and of the two primary power units located, respectively, in the two adjacent sectors and driving the two single-engine propellers symmetrical to the first and second single-engine propellers with respect to the roll axis X or pitch axis Y.
  • the compensating propellers comprise the four double-engine propellers belonging, respectively, to the pairs of propellers of which the stopped power units are part.
  • This second compensation strategy is illustrated by the example in Figure 6.
  • the failed single-engine propellers 12D are located in the front right FR and front left FL sectors, but they could be located in other adjacent sectors (e.g., the RL and FL sectors, the RL and RR sectors, or the RR and FR sectors).
  • the failed single-engine propellers 12D rotate in the same direction.
  • the proposed compensation strategy consists of stopping the failed propellers 12D but also stopping the single-engine propellers denoted 12E which are located in the two adjacent sectors FL and FR and which are symmetrical to the two single-engine propellers 12D with respect to the roll axis X.
  • the compensation strategy also consists of using as compensating propellers the four double propellers engine denoted 11C.
  • These 11C compensating propellers are the twin-engine propellers belonging to the same pairs of propellers as the 12D and 12E propellers.
  • the 11C compensating propellers can be driven by a single power unit, for example the secondary power unit 22.
  • the tertiary power units 23 are actuated so that each 11C compensating propeller is driven not only by its secondary power unit 22 but also by its tertiary power unit 23.
  • the thrust of each 11C compensating propeller can be increased so as to compensate for the loss of thrust linked to the shutdown of the 12D and 12E propellers.
  • the compensating propellers 11C can be driven by their two secondary 22 and tertiary 23 drive units, these drive units producing a nominal torque lower than their maximum available torque.
  • the secondary and tertiary drive units 22, 23 are controlled to produce their maximum available torque (or a torque strictly higher than their nominal torque and lower than or equal to their maximum available torque).
  • the thrust of each compensating propeller 11C can be increased so as to compensate for the loss of thrust linked to the stopping of the propellers 12D and 12E.
  • the flight control unit commands: the stopping of the failed primary power unit; the stopping of a primary power unit driving a second single-engine propeller symmetrical to the first single-engine propeller with respect to the roll axis X or pitch axis Y; and the tertiary power unit of the first dual-engine propeller to compensate for the loss of thrust linked to the failure of the secondary power unit.
  • the compensating propellers comprise the two dual-engine propellers belonging, respectively, to the two pairs of propellers of which the first and second single-engine propellers are part.
  • This third compensation strategy is illustrated by the examples in Figures 7 and 8.
  • the failed single-engine and twin-engine propellers 12D, 11 D are located in the same sector, namely the left front sector FL.
  • the proposed compensation strategy consists of stopping the failed single-engine propeller 12D and the single-engine propeller 12E symmetrical to the first single-engine propeller with respect to the roll axis X.
  • the proposed compensation strategy also consists of controlling the tertiary power unit 23 of the failed twin-engine propeller 11 D to compensate for the loss of thrust related to the failure of the unit secondary drive unit 22 of this propeller 11 D.
  • the compensating propellers 11C comprise the two twin-engine propellers belonging to the same pairs of propellers as the single-engine propellers 12D and 12E.
  • the compensating propellers 11C can be driven by a single power unit, for example the secondary power unit 22.
  • the tertiary power units 23 are actuated so that each compensating propeller 11C is driven not only by its secondary power unit 22 but also by its tertiary power unit 23.
  • the thrust of each compensating propeller 11C can be increased so as to compensate for the loss of thrust linked to the stopping of the propellers 12D and 12E.
  • the compensating propellers 11C can be driven by their two secondary 22 and tertiary 23 drive units, these drive units producing a nominal torque lower than their maximum available torque.
  • the secondary and tertiary drive units 22, 23 are controlled to produce their maximum available torque (or a torque strictly higher than their nominal torque and lower than or equal to their maximum available torque).
  • the thrust of each compensating propeller 11C can be increased so as to compensate for the loss of thrust linked to the stopping of the propellers 12D and 12E.
  • the propellers of the device and their power units are designed to produce a nominal thrust (Tnom) and a maximum compensation thrust (Tmax). This variation in thrust can be obtained by varying the rotational speed of the propellers and/or their pitch.
  • the maximum thrust (Tmax) is calculated based on the number of multiple failures that the system must manage.
  • the nominal thrust (Tnom) and the maximum compensation thrust (Tmax) of each propeller correspond, respectively, to a nominal torque (Qnom) and a maximum torque (Qmax) required by the propeller.
  • each of the power units i.e., each of the motors of the dual-motor propellers is sized to produce a nominal torque (Qnom/2) that represents half the nominal torque (Qnom) requested by the propeller, and a maximum torque (Qmax/2) that represents half the maximum torque requested (Qmax) by the propeller, in which case the power units are both used in normal operation to obtain the nominal torque (Qnom) requested by the propeller, and are both used in a compensation situation to obtain the maximum torque (Qmax) requested by the propeller.
  • Qnom/2 nominal torque
  • Qmax/2 maximum torque
  • the maximum torque (Qmax/2) is greater than or equal to the nominal torque (Qnom) requested by the propeller, such that in the event of failure and shutdown of one of the two power units, the other power unit can alone produce the nominal torque (Qnom) required by the propeller.
  • the use of a gearbox between the common shaft of the power unit engines and the propeller shaft can allow the characteristics of the engines to be better adapted to the required requirements.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

The invention relates to a vertical take-off and landing aircraft comprising: at least four pairs of counter-rotating propellers (10); drive units (21, 22, 23) for rotating the propellers (11, 12), a flight control unit for controlling the drive units (21, 22, 23) so as to obtain, for each propeller (11, 12), a target thrust; and a detection system for detecting a failure of the drive units (21, 22, 23). Each of the pairs of propellers (10) is provided with three separately controllable drive units (21, 22, 23), namely a primary drive unit (21) for driving one of the propellers of the pair, and secondary and tertiary drive units (22, 23) for driving the other propeller, wherein the secondary and tertiary drive units (22, 23) are arranged such that their torques combine.

Description

« Aéronef à décollage et atterrissage vertical » "Vertical takeoff and landing aircraft"

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

L’invention concerne un aéronef à décollage et atterrissage vertical ou aéronef « VTOL » (acronyme anglais de « Vertical Take-off and Landing »). The invention relates to a vertical take-off and landing aircraft or “VTOL” aircraft (acronym for “Vertical Take-off and Landing”).

ETAT DE LA TECHNIQUE STATE OF THE ART

De nombreuses configurations d'aéronef VTOL ont été étudiées par le passé. Des exemples de configurations connues sont décrits dans le document de brevet EP 3393904 B1 et dans la Publication 1 : « Local controllability and attitude stabilization of multirotor UAVs : Validation on a coaxial octorotor » de Majd Saied et al (Robotics and Autonomous Systems 91 (2107) 128-138). Many VTOL aircraft configurations have been studied in the past. Examples of known configurations are described in patent document EP 3393904 B1 and in Publication 1: “Local controllability and attitude stabilization of multirotor UAVs: Validation on a coaxial octorotor” by Majd Saied et al (Robotics and Autonomous Systems 91 (2107) 128-138).

Dans la Publication 1 , selon la configuration dite coaxiale contrarotative à huit rotors (« coaxial counter-rotating octorotor»), l’aéronef comprend : quatre paires d'hélices contrarotatives permettant d'assurer la sustentation de l'aéronef ; des unités motrices pour entrainer les hélices en rotation, chaque unité motrice comprenant un moteur électrique et son système électronique de contrôle ; et une unité de contrôle de vol pour commander les unités motrices de manière à obtenir, pour chaque hélice, une poussée cible. Par rapport à d’autres configurations, la configuration coaxiale contrarotative à huit rotors présente des avantages en termes de compacité. De plus, le flux hélicoïdal de la première hélice d’une paire étant redressé par la seconde, le rendement propulsif est amélioré. Une telle configuration permet donc d’obtenir un aéronef maniable, stable et bien adapté pour intervenir dans des zones confinées. En revanche, il est difficile de maîtriser le comportement de l’aéronef après la défaillance d’une des unités motrices ou, pire, de deux unités motrices (Cf. tableau 10 de la Publication 1). In Publication 1, according to the so-called coaxial counter-rotating octorotor configuration, the aircraft comprises: four pairs of counter-rotating propellers to provide lift for the aircraft; power units to drive the propellers in rotation, each power unit comprising an electric motor and its electronic control system; and a flight control unit to control the power units so as to obtain, for each propeller, a target thrust. Compared to other configurations, the eight-rotor coaxial contra-rotating configuration has advantages in terms of compactness. In addition, since the helical flow of the first propeller in a pair is straightened by the second, propulsive efficiency is improved. Such a configuration therefore provides a maneuverable, stable aircraft that is well-suited for operating in confined areas. On the other hand, it is difficult to control the aircraft's behavior after the failure of one of the power units or, worse, two power units (see Table 10 of Publication 1).

La défaillance d’une des unités motrices a un impact direct et immédiat sur l’équilibre de l’aéronef et crée un risque majeur de sécurité. Dans le pire des cas, l'aéronef risque de se retourner et de s'écraser. Le problème devient encore plus critique si deux unités motrices sont défaillantes simultanément. On parle ci-après de « panne double » pour désigner la défaillance simultanée de deux unités motrices appartenant, respectivement, à deux paires d’hélices. Si la défaillance simultanée de trois unités motrices ou plus est un évènement hautement improbable, on estime que l’occurrence d’une panne double est un événement suffisamment probable pour être pris en considération dans la conception de l’aéronef. Il s’agit donc d’un point critique pour la certification de navigabilité, en particulier pour certaines catégories d’aéronefs tels que les véhicules aériens sans humain à bord ou « UAV » (acronyme anglais de « Unmanned Aerial Vehicle ») de masse supérieure à 25kg lorsqu’ils doivent survoler des zones urbaines ou pour des aéronef VTOL destinés au transport de passagers. The failure of one of the power units has a direct and immediate impact on the aircraft's balance and creates a major safety risk. In the worst case, the aircraft risks turning over and crashing. The problem becomes even more critical if two power units fail simultaneously. Hereinafter, we refer to a "double failure" to refer to the simultaneous failure of two power units belonging, respectively, to two pairs of propellers. While the simultaneous failure of three or more power units is a highly improbable event, the occurrence of a double failure is considered sufficiently probable to be taken into consideration in the aircraft design. This is therefore a critical point for airworthiness certification, particularly for certain categories of aircraft such as unmanned aerial vehicles (UAVs) weighing more than 25 kg when they must fly over urban areas or for VTOL aircraft intended for passenger transport.

Les publications JP 6 487607 B2, CA 2 840 823 A1 ,US 2017/274984 A1 , CN 112 093 042 A et WO 2022/150534 A1 décrivent des exemples d’aéronefs, mais aucune n’apporte une solution à la problématique de panne double. Publications JP 6 487607 B2, CA 2 840 823 A1, US 2017/274984 A1, CN 112 093 042 A and WO 2022/150534 A1 describe examples of aircraft, but none provide a solution to the double failure problem.

Il existe donc un besoin pour une solution permettant de mieux maitriser le comportement d’un aéronef multirotor à hélices coaxiales contrarotatives en cas de panne double. Cette solution doit par ailleurs être de conception relativement simple et de masse relativement limitée, de manière à garantir un bon niveau de performance de l’aéronef, notamment en termes de charge utile et d’autonomie. There is therefore a need for a solution to better control the behavior of a multirotor aircraft with counter-rotating coaxial propellers in the event of a double failure. This solution must also be of relatively simple design and relatively limited mass, so as to guarantee a good level of aircraft performance, particularly in terms of payload and autonomy.

RESUME DE L’INVENTION SUMMARY OF THE INVENTION

Un aéronef à décollage et atterrissage vertical selon l’invention comprend : au moins quatre paires d'hélices contrarotatives permettant d'assurer, au moins en partie, la sustentation de l'aéronef ; des unités motrices pour entrainer les hélices en rotation, chaque unité motrice comprenant un moteur électrique et son système électronique de contrôle ; une unité de contrôle de vol pour commander les unités motrices de manière à obtenir, pour chaque hélice, une poussée cible; et un système de détection pour détecter une défaillance des unités motrices. A vertical take-off and landing aircraft according to the invention comprises: at least four pairs of counter-rotating propellers for ensuring, at least in part, the lift of the aircraft; power units for driving the propellers in rotation, each power unit comprising an electric motor and its electronic control system; a flight control unit for controlling the power units so as to obtain, for each propeller, a target thrust; and a detection system to detect failure of the power units.

Chacune des paires d'hélices comprend une hélice haute et une hélice basse tournant dans des sens opposés autour d'un axe d'hélice sensiblement parallèle à l'axe de lacet de l'aéronef. Les paires d'hélices sont réparties de façon symétrique par rapport aux axes de roulis et de tangage de l'aéronef. Chacune des paires d'hélices est équipée de trois unités motrices commandables séparément, à savoir une unité motrice primaire pour l'entrainement de l'une des hélices, dite hélice simple moteur, et des unités motrices secondaire et tertiaire pour l'entrainement de l'autre hélice, dite hélice double moteur, les unités motrices secondaire et tertiaire étant disposées de sorte que leurs couples moteurs s'additionnent. Each of the pairs of propellers comprises an upper propeller and a lower propeller rotating in opposite directions around a propeller axis substantially parallel to the yaw axis of the aircraft. The pairs of propellers are distributed symmetrically with respect to the roll and pitch axes of the aircraft. Each of the pairs of propellers is equipped with three separately controllable power units, namely a primary power unit for driving one of the propellers, called a single-engine propeller, and secondary and tertiary power units for driving the other propeller, called a twin-engine propeller, the secondary and tertiary power units being arranged so that their engine torques are added together.

Lorsqu'une panne double est détectée par le système de détection, l'unité de contrôle de vol commande les unités motrices secondaire et tertiaire d'au moins deux hélices, dites hélices compensatrices, choisies parmi les hélices double moteur, pour entrainer chacune des hélices compensatrices au moyen de ses unités motrices secondaire et tertiaire, de manière à augmenter le poussée de chacune des hélices compensatrices et compenser la perte de poussée liée à la défaillance des deux unités motrices. When a dual failure is detected by the detection system, the flight control unit controls the secondary and tertiary power units of at least two propellers, called compensating propellers, chosen from among the dual-engine propellers, to drive each of the compensating propellers by means of its secondary and tertiary power units, so as to increase the thrust of each of the compensating propellers and compensate for the loss of thrust linked to the failure of the two power units.

La solution proposée consiste donc, pour chaque paire d’hélices contrarotatives, à prévoir une hélice simple moteur et une hélice double moteur et à utiliser, en cas de panne double, au moins deux hélices double moteur comme hélices compensatrices. Grâce à l’action des hélices compensatrices, il est possible de maitriser le comportement de l’aéronef en cas de double panne, quelle que soit la configuration de la double panne. The proposed solution therefore consists, for each pair of counter-rotating propellers, of providing a single-engine propeller and a twin-engine propeller and, in the event of a double failure, of using at least two twin-engine propellers as compensating propellers. Thanks to the action of the compensating propellers, it is possible to control the behavior of the aircraft in the event of a double failure, whatever the configuration of the double failure.

En doublant la motorisation d’une seule des hélices de chaque paire, on obtient un bon compromis entre la sécurité recherchée et la masse de l’aéronef. On notera qu’une autre approche consisterait à doubler la motorisation de chacune des deux hélices de chaque paire d’hélices contrarotatives. Cette solution, dite « solution de redondance totale », apporterait également une réponse au problème de double panne des unités motrices. T outefois, elle présenterait l’inconvénient d’augmenter la masse de l’aéronef dans une proportion trop importante de sorte que le compromis entre sécurité et masse ne serait pas satisfaisant. By doubling the power of only one of the propellers in each pair, a good compromise is obtained between the desired safety and the weight of the aircraft. It should be noted that another approach would consist of doubling the power of each of the two propellers in each pair of counter-rotating propellers. This solution, known as the "total redundancy solution", would also provide an answer to the problem of double failure of the power units. However, it would have the disadvantage of increasing the weight of the aircraft too significantly, so that the compromise between safety and weight would not be satisfactory.

Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. The foregoing and other features and advantages will become apparent from the following detailed description. This detailed description refers to the accompanying drawings.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les dessins annexés sont schématiques et ne sont pas nécessairement à l'échelle, ils visent avant tout à illustrer les principes de l'invention. Sur ces dessins, d'une figure (fig) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The attached drawings are schematic and are not necessarily to scale; they are intended primarily to illustrate the principles of the invention. In these drawings, from one figure (fig) to another, identical elements (or parts of elements) are identified by the same reference signs.

La figure 1 représente un exemple d’aéronef VTOL vu de profil. Figure 1 shows an example of a VTOL aircraft seen from the side.

La figure 2 représente l'exemple d’aéronef VTOL de la figurel vu de dessus. Figure 2 shows the example VTOL aircraft in figure 1 seen from above.

La figure 3 représente schématiquement un autre exemple d’aéronef VTOL. Figure 3 schematically represents another example of a VTOL aircraft.

La figure 4 représente en détail un exemple d’hélices contrarotatives avec leurs unités motrices. Figure 4 shows in detail an example of counter-rotating propellers with their drive units.

La figure 5 représente l’aéronef de la figure 3 lors d’un premier exemple de panne double. Figure 5 shows the aircraft of Figure 3 during a first example of a double failure.

La figure 6 représente l’aéronef de la figure 3 lors d’un deuxième exemple de panne double. Figure 6 shows the aircraft of Figure 3 during a second example of double failure.

La figure 7 représente l’aéronef de la figure 3 lors d’un troisième exemple de panne double. Figure 7 shows the aircraft of Figure 3 during a third example of double failure.

La figure 8 représente l’aéronef de la figure 3 lors d’un quatrième exemple de panne double. Figure 8 shows the aircraft of Figure 3 during a fourth example of double failure.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Des modes de réalisation particuliers de l’aéronef proposé sont décrits en détail ci- après, en référence à l'exemple représenté sur les dessins annexés. Ces modes de réalisation illustrent les caractéristiques et les avantages de l’invention. Il est toutefois rappelé que l’invention ne se limite ni à ces modes de réalisation, ni à l'exemple représenté. Particular embodiments of the proposed aircraft are described in detail below, with reference to the example shown in the accompanying drawings. These embodiments illustrate the characteristics and advantages of the invention. It is however recalled that the invention is not limited to these embodiments, nor to the example shown.

De manière générale, l’aéronef VTOL multi-rotor comprend au moins quatre paires d'hélices contrarotatives permettant d'assurer, au moins en partie, la sustentation de l'aéronef ; des unités motrices pour entrainer les hélices en rotation, chaque unité motrice comprenant un moteur électrique et son système électronique de contrôle ; une unité de contrôle de vol pour commander les unités motrices de manière à obtenir, pour chaque hélice, une poussée cible; et un système de détection pour détecter une défaillance des unités motrices. Generally, the multi-rotor VTOL aircraft comprises at least four pairs of counter-rotating propellers to provide, at least in part, the lift of the aircraft; power units to drive the propellers in rotation, each power unit comprising an electric motor and its electronic control system; a flight control unit to control the power units so as to obtain, for each propeller, a target thrust; and a detection system to detect a failure of the power units.

Les figures 1 et 2 représentent schématiquement un exemple d’aéronef 1 avec quatre paires d'hélices contrarotatives 10. La figure 3 représente schématiquement un autre exemple d’aéronef 1 avec huit paires d'hélices contrarotatives 10. Le nombre de paires d'hélices n’est toutefois pas limité à ces exemples et l’aéronef peut comprendre 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, etc. paires d’hélices. Lorsque l’aéronef 1 comprend un nombre impair de paires d’hélices 10, au moins une des paires d’hélice 10 est disposée sur l’axe de roulis X de l'aéronef. Figures 1 and 2 schematically represent an example of an aircraft 1 with four pairs of counter-rotating propellers 10. Figure 3 schematically represents another example of an aircraft 1 with eight pairs of counter-rotating propellers 10. The number of pairs of propellers is however not limited to these examples and the aircraft may comprise 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, etc. pairs of propellers. When the aircraft 1 comprises an odd number of pairs of propellers 10, at least one of the pairs of propellers 10 is arranged on the roll axis X of the aircraft.

Les axes de roulis X, de tangage Y et de lacet Z de l'aéronef sont des axes imaginaires autour desquels tourne l’aéronef. Ces axes sont orientés comme suit : The aircraft's roll X, pitch Y, and yaw Z axes are imaginary axes around which the aircraft rotates. These axes are oriented as follows:

- l'axe de roulis X, ou axe longitudinal, est parallèle à la ligne s'étendant de la partie avant (e.g., le nez) à la partie arrière (e.g., la queue) de l'aéronef, à travers le corps central (e.g., le fuselage) de l'aéronef, et passe par le centre de masse de l’aéronef ; - the roll axis X, or longitudinal axis, is parallel to the line extending from the front part (e.g., the nose) to the rear part (e.g., the tail) of the aircraft, through the central body (e.g., the fuselage) of the aircraft, and passes through the center of mass of the aircraft;

- l'axe de tangage Y, ou axe latéral ou transversal, est l’axe perpendiculaire à l’axe de roulis passant par le centre de masse de l'aéronef. Lorsque l’aéronef présente un plan de voilure fixe principal, l'axe de tangage Y s'étend d'une extrémité du plan de voilure fixe principal à l'autre extrémité de ce plan ; et - the pitch axis Y, or lateral or transverse axis, is the axis perpendicular to the roll axis passing through the center of mass of the aircraft. When the aircraft has a main fixed wing plane, the pitch axis Y extends from one end of the main fixed wing plane to the other end of this plane; and

- l'axe de lacet Z, ou axe vertical, passe par le centre de masse G de de l'aéronef, du haut vers le bas, et est perpendiculaire aux deux autres axes X, Y. - the yaw axis Z, or vertical axis, passes through the center of mass G of the aircraft, from top to bottom, and is perpendicular to the other two axes X, Y.

Ces axes X, Y, Z sont repérés sur les exemples des figures 1 à 3. L'avant et l'arrière, comme l'amont ou l'aval, sont définis par rapport au sens d'avancement normal de l'aéronef, repéré par la flèche de l’axe X. These X, Y, Z axes are identified in the examples in figures 1 to 3. Front and rear, like upstream or downstream, are defined in relation to the normal direction of travel of the aircraft, identified by the arrow on the X axis.

La figure 4 représente schématiquement, en détail, un exemple de paire d'hélices 10 contrarotative. La paire d'hélices 10 comprend une hélice haute 11 et une hélice basse 12 tournant dans des sens opposés autour d'un axe d'hélice A. L’axe d'hélice A est sensiblement parallèle à l'axe de lacet Z de l'aéronef 1. L’expression « sensiblement parallèle » signifie que l’axe d’hélice A peut ne pas être strictement parallèle à l’axe de lacet Z et former un léger angle (e.g., de moins de 10°) avec l’axe Z, du moment que cet angle n'empêche pas l'effet que la paire d’hélices 10 est censée produire. Figure 4 schematically represents, in detail, an example of a pair of counter-rotating propellers 10. The pair of propellers 10 comprises a high propeller 11 and a low propeller 12 rotating in opposite directions around a propeller axis A. The propeller axis A is substantially parallel to the yaw axis Z of the aircraft 1. The expression “substantially parallel” means that the propeller axis A may not be strictly parallel to the yaw axis Z and form a slight angle (e.g., of less than 10°) with the Z axis, as long as this angle does not prevent the effect that the pair of propellers 10 is intended to produce.

Le sens de rotation de chaque hélice est représenté par une double flèche sur les figures. Les paires d'hélices 10 sont réparties de façon symétrique par rapport aux axes de roulis X et de tangage Y de l'aéronef, et entourent le corps central (e.g., le fuselage) de l'aéronef 1. Chaque paire d’hélice peut être reliée, par exemple au moyen d’un bras de fixation 15 ou tout autre élément de liaison, au corps central de l’aéronef ou à un élément intermédiaire relié au fuselage comme un plan de voilure fixe. The direction of rotation of each propeller is represented by a double arrow in the figures. The pairs of propellers 10 are distributed symmetrically with respect to the roll axes X and pitch Y of the aircraft, and surround the central body (e.g., the fuselage) of the aircraft 1. Each pair of propellers can be connected, for example by means of a fixing arm 15 or any other connecting element, to the central body of the aircraft or to an intermediate element connected to the fuselage such as a fixed wing plan.

Dans l’exemple des figures 1 et 2, l’aéronef 1 comprend un fuselage 2 formant le corps central de l’aéronef, un système de propulsion 5 à l’avant du fuselage 2 et quatre paires d’hélices 10 contrarotatives. L’aéronef 1 comprend également trois plans de voilure : un plan de voilure avant 20 de type canard situé à l'avant de l'aéronef 1 ; un plan de voilure principal 30 situé dans la partie médiane de l'aéronef 1 ; et un plan de voilure arrière 40 de type empennage situé à l'arrière de l'aéronef 1. Le plan de voilure principal 30 est formé d’une paire d'ailes 32 (i.e. une aile droite et une aile gauche) jointes entre elles au-dessus du fuselage 2. In the example of Figures 1 and 2, the aircraft 1 comprises a fuselage 2 forming the central body of the aircraft, a propulsion system 5 at the front of the fuselage 2 and four pairs of counter-rotating propellers 10. The aircraft 1 also comprises three wing plans: a canard-type front wing plan 20 located at the front of the aircraft 1; a main wing plan 30 located in the middle part of the aircraft 1; and a tailplane-type rear wing plan 40 located at the rear of the aircraft 1. The main wing plan 30 is formed of a pair of wings 32 (i.e. a right wing and a left wing) joined together above the fuselage 2.

Les quatre paires d’hélices 10 sont réparties symétriquement de part et d'autre du plan de voilure principal 30 et de part et d'autre du fuselage 2. En d'autres termes, deux paires d’hélices 10 sont situées à droite du fuselage 2, de part et d'autre (i.e. en avant et en arrière) de l'aile droite 32, et deux paires d’hélices 10 sont situées à gauche du fuselage, de part et d'autre (i.e. en avant et en arrière) de l'aile gauche 32. Dans cet exemple, chaque paire d’hélices 10 est reliée structurellement, i.e., est attachée fixement, au plan de voilure principal 30. Ensemble, les quatre paires d’hélices 10 et les plans de voilure 10, 20, 30 permettent d’assurer la sustentation de l’aéronef. The four pairs of propellers 10 are distributed symmetrically on either side of the main wing plan 30 and on either side of the fuselage 2. In other words, two pairs of propellers 10 are located to the right of the fuselage 2, on either side (i.e., in front and behind) the right wing 32, and two pairs of propellers 10 are located to the left of the fuselage, on either side (i.e., in front and behind) the left wing 32. In this example, each pair of propellers 10 is structurally connected, i.e., is fixedly attached, to the main wing plan 30. Together, the four pairs of propellers 10 and the wing plans 10, 20, 30 provide lift for the aircraft.

Dans l’exemple de la figure 3, l’aéronef 1 comprend un corps central 3 autour duquel sont réparties les paires d’hélices 10. Les paires d'hélices 10 sont réparties de façon symétrique par rapport aux axes de roulis X et de tangage Y de l'aéronef 1. Ainsi, on trouve deux paires d’hélices 10 dans chacun des secteurs avant droit, avant gauche, arrière droit et arrière gauche de l’aéronef. In the example of Figure 3, the aircraft 1 comprises a central body 3 around which the pairs of propellers 10 are distributed. The pairs of propellers 10 are distributed symmetrically with respect to the roll axes X and pitch Y of the aircraft 1. Thus, there are two pairs of propellers 10 in each of the front right, front left, rear right and rear left sectors of the aircraft.

Dans certains modes de réalisation et dans les exemples des figures 1 à 3, les hélices hautes 11 symétriques par rapport à l’axe de roulis X tournent dans des sens opposés, les hélices hautes 11 symétriques par rapport à l’axe de tangage Y tournent dans des sens opposés, les hélices basses 12 symétriques par rapport à l’axe de roulis X tournent dans des sens opposés, et les hélices basses 12 symétriques par rapport à l’axe de tangage Y tournent dans des sens opposés. Ainsi, dans l’exemple de la figure 2, les hélices hautes 11 des secteurs avant droit et arrière gauche tournent dans le même sens. In some embodiments and in the examples of Figures 1 to 3, the upper propellers 11 symmetrical with respect to the roll axis X rotate in opposite directions, the upper propellers 11 symmetrical with respect to the pitch axis Y rotate in opposite directions, the lower propellers 12 symmetrical with respect to the roll axis X rotate in opposite directions, and the lower propellers 12 symmetrical with respect to the pitch axis Y rotate in opposite directions. Thus, in the example of Figure 2, the upper propellers 11 of the front right and rear left sectors rotate in the same direction.

Comme illustré sur la figure 4, chaque paire d'hélice 10 est équipée de trois unités motrices commandables séparément, à savoir une unité motrice primaire 21 pour l'entrainement de l'une des hélices, dite hélice simple moteur et des unités motrices secondaire 22 et tertiaire 23 pour l'entrainement de l'autre hélice, dite hélice double moteur. Les unités motrices secondaire 22 et tertiaire 23 sont disposées de sorte que leurs couples moteurs s'additionnent. En d’autres termes, si dans une configuration de vol l’hélice 11 doit fournir une poussée nécessitant un couple important qu’une seule des unités motrices 22, 23 ne peut pas fournir, la mise en marche de la deuxième unité motrice permet d’augmenter le couple moteur total pour obtenir la poussée requise. Dans l’exemple de la figure 4, l’hélice haute 11 est l’hélice double moteur et l’hélice basse 12 est l’hélice simple moteur, mais la configuration inverse est possible. On notera que l’utilisation des adjectifs ordinaux « primaire », « secondaire » et « tertiaire » n'a pas pour but d'impliquer ou de créer un ordre de fonctionnement des unités motrices. L'utilisation de ces adjectifs sert simplement à distinguer les unités motrices entre elles. As illustrated in Figure 4, each pair of propellers 10 is equipped with three separately controllable power units, namely a primary power unit 21 for driving one of the propellers, called the single-engine propeller, and secondary 22 and tertiary 23 power units for driving the other propeller, called the double-engine propeller. The secondary 22 and tertiary 23 power units are arranged so that their engine torques add up. In other words, if in a flight configuration the propeller 11 must provide thrust requiring a significant torque that only one of the power units 22, 23 cannot provide, starting the second power unit makes it possible to increase the total engine torque to obtain the required thrust. In the example of Figure 4, the upper propeller 11 is the dual-engine propeller and the lower propeller 12 is the single-engine propeller, but the reverse configuration is possible. Note that the use of the ordinal adjectives "primary", "secondary" and "tertiary" is not intended to imply or create an order of operation of motor units. The use of these adjectives simply serves to distinguish between motor units.

Chaque unité motrice 21 , 22, 23 comprend un moteur électrique et son système électronique de contrôle. Chaque unité motrice 21 , 22, 23 peut également comprendre un système électronique d’alimentation et, en particulier, un onduleur. Les unités motrices 21 , 22, 23 peuvent être alimentées par différents types de sources d’énergie électrique, comme un système de stockage d’énergie (batteries, hydrogène), un système de génération d’énergie (thermique, hydrogène) ou un système mixte (hybride). Lorsqu’il y a plusieurs sources d’énergie électrique à bord, les sorties des sources d’énergie électrique peuvent être additionnées avant d’être distribuées aux unités motrices. Les unités motrices 21 , 22, 23 peuvent être alimentées séparément. Each drive unit 21, 22, 23 comprises an electric motor and its electronic control system. Each drive unit 21, 22, 23 may also comprise an electronic power supply system and, in particular, an inverter. The drive units 21, 22, 23 may be powered by different types of electrical energy sources, such as an energy storage system (batteries, hydrogen), an energy generation system (thermal, hydrogen) or a mixed system (hybrid). When there are several electrical energy sources on board, the outputs of the electrical energy sources may be added together before being distributed to the drive units. The drive units 21, 22, 23 may be powered separately.

L’aéronef 1 comprend un système de détection pour détecter une défaillance de chacune des unités motrices 21 , 22, 23. Par défaillance, on entend désigner un défaut ou une panne de l’unité motrice, que ce défaut ou cette panne provienne du moteur électrique, de son système électronique de contrôle ou de son système électronique d’alimentation. Dans la présente demande, une hélice ayant une unité motrice défaillante est appelée « hélice défaillante ». The aircraft 1 comprises a detection system for detecting a failure of each of the power units 21, 22, 23. Failure is understood to mean a fault or breakdown of the power unit, whether this fault or breakdown comes from the electric motor, its electronic control system or its electronic power supply system. In the present application, a propeller having a faulty power unit is referred to as a “faulty propeller”.

Le système de détection peut comprendre un ou plusieurs capteurs tels que des sondes de température, de capteurs de mesure de la vitesse de rotation du moteur, de mesure de couple, de mesure des différents courants du moteur et/ou de son circuit électronique, de mesure des courants de fuite, de décharge partielle, ou toute autre mesure permettant de faire un diagnostic santé (i.e., un diagnostic d’état) de l’unité motrice. Le système de détection peut également utiliser des mesures et/ou l’estimation d’un ou de plusieurs paramètres de l’aéronef et/ou de la condition de vol. The detection system may include one or more sensors such as temperature probes, sensors for measuring the rotation speed of the motor, torque measurement, measurement of the various currents of the motor and/or its electronic circuit, measurement of leakage currents, partial discharge, or any other measurement allowing a health diagnosis (i.e., a condition diagnosis) of the power unit. The detection system may also use measurements and/or the estimation of one or more parameters of the aircraft and/or the flight condition.

Lorsqu'une défaillance simultanée de deux unités motrices, ou panne double, est détectée par le système de détection, l'unité de contrôle de vol commande les unités motrices secondaire et tertiaire d'au moins deux hélices, dites hélices compensatrices, choisies parmi les hélices double moteur, pour entrainer chacune des hélices compensatrices au moyen de ses unités motrices secondaire et tertiaire, de manière à augmenter le poussée de chacune des hélices compensatrices et compenser la perte de poussée liée à l'arrêt des deux unités motrices défaillantes. When a simultaneous failure of two power units, or double failure, is detected by the detection system, the flight control unit controls the secondary and tertiary power units of at least two propellers, called compensating propellers, chosen from among the twin-engine propellers, to drive each of the compensating propellers by means of its secondary and tertiary power units, so as to increase the thrust of each of the compensating propellers and compensate for the loss of thrust linked to the shutdown of the two faulty power units.

Dans certains modes de réalisation, la poussée de chacune des hélices compensatrices est augmentée au-delà de la poussée maximale qui serait disponible si l'hélice compensatrice était entrainée uniquement par son unité motrice secondaire 22 ou par son unité motrice tertiaire 23. En d’autres termes, les unités motrices secondaire et tertiaire, lorsqu’elles sont actionnées ensemble, permettent d’obtenir une poussée, dite « poussée de compensation », supérieure à la poussée qu’il est possible d’obtenir avec une seule des deux unités motrices 22, 23. Ainsi, l’unité motrice secondaire 22 n’est pas dimensionnée pour obtenir, à elle seule, ladite poussée de compensation. Idem pour l’unité motrice tertiaire 23. Ceci permet de réduire les dimensions et la masse de ces unités motrices 22, 23 qui, typiquement, ne sont conçues (ou sélectionnées sur étagère) que pour assurer la poussée nominale de vol. In some embodiments, the thrust of each of the trim propellers is increased beyond the maximum thrust that would be available if the trim propeller were driven solely by its secondary power unit 22 or its tertiary power unit 23. In other words, the secondary and tertiary power units tertiary, when they are actuated together, make it possible to obtain a thrust, called "compensation thrust", greater than the thrust that can be obtained with only one of the two power units 22, 23. Thus, the secondary power unit 22 is not sized to obtain, on its own, said compensation thrust. The same applies to the tertiary power unit 23. This makes it possible to reduce the dimensions and mass of these power units 22, 23 which, typically, are only designed (or selected off the shelf) to ensure the nominal flight thrust.

Dans certains modes de réalisation, pour chaque paire d'hélices 11 , 12 fonctionnant normalement, les unités motrices 21 , 22 et/ou 23 sont commandées de sorte que les couples résistants de chacune des hélices 11 , 12 s'annulent. La paire d'hélices 11 , 12 est ainsi équilibrée en couple afin de ne pas créer de couple de lacet. In some embodiments, for each pair of propellers 11, 12 operating normally, the drive units 21, 22 and/or 23 are controlled so that the resistive torques of each of the propellers 11, 12 cancel each other out. The pair of propellers 11, 12 is thus torque balanced so as not to create a yaw torque.

Dans certains modes de réalisation, les unités motrices secondaire 22 et tertiaire 23 sont identiques en termes de couple moteur. Ce choix permet d’apporter un traitement symétrique dans la gestion des défaillances de chacune de ces unités motrices 22, 23. In certain embodiments, the secondary 22 and tertiary 23 drive units are identical in terms of engine torque. This choice makes it possible to provide symmetrical processing in the management of failures of each of these drive units 22, 23.

Dans certains modes de réalisation, les hélices hautes 11 symétriques par rapport aux axes de roulis X et de tangage Y tournent dans des sens opposés, et les hélices basses 12 symétriques par rapport aux axes de roulis X et de tangage Y tournent dans des sens opposés. Ceci permet d’annuler les moments de lacet produits par l’ensemble des hélices hautes et les moments de lacet produits par l’ensemble des hélices basses. Le contrôle de l’appareil par l’intermédiaire de l’unité centrale de contrôle de vol est alors facilité. In some embodiments, the upper propellers 11 symmetrical with respect to the roll X and pitch Y axes rotate in opposite directions, and the lower propellers 12 symmetrical with respect to the roll X and pitch Y axes rotate in opposite directions. This makes it possible to cancel the yaw moments produced by all of the upper propellers and the yaw moments produced by all of the lower propellers. Control of the aircraft via the central flight control unit is then facilitated.

Dans certains modes de réalisation, l'unité de contrôle de vol peut être centralisée. Dans certains modes de réalisation, l’unité de contrôle de vol fait partie du système de contrôle de vol de l’aéronef, ou « FCS » (acronyme anglais de « Flight Control System »), ce système étant basé sur l’asservissement à un ou à plusieurs organes de contrôle d’un ou de plusieurs paramètres d’état de l’appareil et/ou des mesures et/ou de l’estimation d’un ou de plusieurs paramètres de l’appareil et/ou de la condition de vol. Ce système de contrôle de vol est, en outre, muni d’une fonction de reconfiguration des commandes. Le système de contrôle de vol dispose également d’une fonction d’alerte au pilote lui indiquant la détection d’une ou plusieurs défaillances (défauts ou pannes) et de la reconfiguration des commandes et de l’impact sur la mission. Préférentiellement, le système de contrôle de vol comprend une fonction d’assistance au pilote proposant au pilote une trajectoire optimale et une assistance à la gestion de la trajectoire suite à la défaillance et à la reconfiguration des commandes. In some embodiments, the flight control unit may be centralized. In some embodiments, the flight control unit is part of the aircraft's flight control system, or "FCS" (acronym for "Flight Control System"), this system being based on the control of one or more control members of one or more state parameters of the aircraft and/or measurements and/or estimation of one or more parameters of the aircraft and/or the flight condition. This flight control system is, in addition, provided with a control reconfiguration function. The flight control system also has a pilot alert function indicating the detection of one or more failures (faults or breakdowns) and the reconfiguration of the controls and the impact on the mission. Preferably, the flight control system includes a pilot assistance function offering the pilot an optimal trajectory and assistance in managing the trajectory following failure and reconfiguration of the controls.

Dans certains modes de réalisation, l’unité de contrôle de vol définit une stratégie de compensation, ou logique de compensation, en fonction du nombre simultané de défaillances à considérer. Cette stratégie de compensation peut être définie à partir d’un tableau traitant de l’ensemble des cas de défaillance possibles et proposant pour chaque cas une stratégie (optimisée ou pas) de compensation. La stratégie de compensation peut aussi être obtenue par un algorithme embarqué d’optimisation et fonctionnant en temps réel. La stratégie de compensation peut être exploitée par la fonction de reconfiguration des commandes du système de contrôle de vol. La fonction de reconfiguration va adapter les lois de pilotage et les gains d’asservissement en fonction de la stratégie de compensation sélectionnée, du mode de pilotage et de la configuration de vol (vitesse, altitude, etc.). In some embodiments, the flight control unit defines a compensation strategy, or compensation logic, based on the simultaneous number of failures to be considered. This compensation strategy can be defined from a table dealing with all possible failure cases and proposing for each case a compensation strategy (optimized or not). The compensation strategy can also be obtained by an onboard optimization algorithm operating in real time. The compensation strategy can be used by the flight control system's control reconfiguration function. The reconfiguration function will adapt the piloting laws and the servo gains according to the selected compensation strategy, the piloting mode and the flight configuration (speed, altitude, etc.).

Les figures 5 à 8 illustrent différents cas de double panne possibles. Ces figures représentent schématiquement l’exemple d’aéronef de la figure 3. Le sens de rotation des hélices 11 , 12 est le même que sur la figure 3. Les hélices simple moteur sont les hélices basses 12 et les hélices double moteur sont les hélices hautes 11 , comme dans l’exemple de la figure 4. Toutefois, les hélices simple moteur pourraient être les hélices hautes et les hélices double moteur pourraient être les hélices basses, sans que cela n’affecte les explications qui suivent. Les lettres « D », « C » et « E » sont utilisées sur ces figures à la suite du numéro de l’hélice (e.g. 11 C, 11 D, 12D, 12E) pour désigner, respectivement, les hélices défaillantes (« D »), les hélices compensatrices (« C ») et les hélices non défaillantes mises à l’arrêt volontairement (« E »). Les axes de roulis X et de tangage Y de l'aéronef définissent entre eux quatre secteurs : un secteur avant droit FR, un secteur avant gauche FL, un secteur arrière droit RR et un secteur arrière gauche RL. Plusieurs stratégies de compensation sont définies ci-après en référence à ces figures. Figures 5 to 8 illustrate different possible double failure cases. These figures schematically represent the aircraft example of Figure 3. The direction of rotation of the propellers 11, 12 is the same as in Figure 3. The single-engine propellers are the low propellers 12 and the twin-engine propellers are the high propellers 11, as in the example of Figure 4. However, the single-engine propellers could be the high propellers and the twin-engine propellers could be the low propellers, without this affecting the explanations which follow. The letters “D”, “C” and “E” are used in these figures following the propeller number (e.g. 11 C, 11 D, 12D, 12E) to designate, respectively, failed propellers (“D”), compensating propellers (“C”) and non-failed propellers voluntarily shut down (“E”). The aircraft’s roll X and pitch Y axes define between them four sectors: a right front FR sector, a left front FL sector, a right rear RR sector and a left rear RL sector. Several compensation strategies are defined below with reference to these figures.

Dans certains modes de réalisation, selon une première stratégie de compensation, lorsque les deux unités motrices défaillantes sont deux unités motrices primaires entrainant, respectivement, deux hélices simple moteur tournant dans des sens opposés, les hélices compensatrices comprennent les deux hélices double moteur appartenant, respectivement, aux deux paires d'hélices dont les deux hélices simple moteur font partie. En d’autres termes, les hélices simple moteur défaillantes et les hélices double moteur compensatrices appartiennent aux mêmes paires d’hélice. In some embodiments, according to a first compensation strategy, when the two faulty power units are two primary power units driving, respectively, two single-engine propellers rotating in opposite directions, the compensating propellers comprise the two dual-engine propellers belonging, respectively, to the two pairs of propellers of which the two single-engine propellers are part. In other words, the faulty single-engine propellers and the compensating dual-engine propellers belong to the same pairs of propellers.

Cette première stratégie de compensation est illustrée par l’exemple de la figure 5. Dans cet exemple, les hélices simple moteur défaillantes sont notées 12D et repérées par une croix. Dans l’exemple, les hélices défaillantes 12D sont situées, respectivement, dans les secteurs avant droit FR et avant gauche FL, mais elles pourraient se situer dans d’autres secteurs ou se situer toutes les deux dans le même secteur. Les hélices simple moteur défaillantes 12D tournent dans des sens opposés. Dans un tel cas de double panne, la stratégie de compensation proposée consiste à mettre à l’arrêt les unités motrices 21 des hélices défaillantes 12D et à utiliser comme hélices compensatrices les hélices double moteur notées 11C. En fonctionnement normal, ces hélices compensatrices 11C peuvent être entrainées par une seule unité motrice, par exemple l’unité motrice secondaire 22. En cas de double panne, les unités motrices tertiaires 23 sont actionnées de sorte que chaque hélice compensatrice 11C est entrainée non seulement par son unité motrice secondaire 22 mais également par son unité motrice tertiaire 23. Ainsi, la poussée de chaque hélice compensatrice 11C peut être augmentée de manière à compenser la perte de poussée liée à la défaillance des hélices 12D. En variante, en fonctionnement normal, les hélices compensatrices 11C peuvent être entrainées par leur deux unités motrices secondaire 22 et tertiaire 23, ces unités motrices produisant un couple nominal inférieur à leur couple maximum disponible. En cas de double panne, les unités motrices secondaires et tertiaires 22, 23 sont commandées pour produire leur couple maximum disponible (ou un couple strictement supérieur à leur couple nominal et inférieur ou égal à leur couple maximum disponible). Ainsi, la poussée de chaque hélice compensatrice 11C peut être augmentée de manière à compenser la perte de poussée liée à la défaillance des hélices 12D. This first compensation strategy is illustrated by the example in Figure 5. In this example, the failed single-engine propellers are denoted 12D and marked with a cross. In the example, the failed 12D propellers are located, respectively, in the front right FR and front left FL sectors, but they could be located in other sectors or both be located in the same sector. The failed 12D single-engine propellers rotate in opposite directions. In such a case of double failure, the proposed compensation strategy consists of stopping the power units 21 of the failed propellers 12D and to use as compensating propellers the twin-engine propellers denoted 11C. In normal operation, these compensating propellers 11C can be driven by a single power unit, for example the secondary power unit 22. In the event of a double failure, the tertiary power units 23 are actuated so that each compensating propeller 11C is driven not only by its secondary power unit 22 but also by its tertiary power unit 23. Thus, the thrust of each compensating propeller 11C can be increased so as to compensate for the loss of thrust linked to the failure of the propellers 12D. Alternatively, in normal operation, the compensating propellers 11C can be driven by their two secondary 22 and tertiary 23 power units, these power units producing a nominal torque lower than their maximum available torque. In the event of a double failure, the secondary and tertiary power units 22, 23 are commanded to produce their maximum available torque (or a torque strictly greater than their nominal torque and less than or equal to their maximum available torque). Thus, the thrust of each compensating propeller 11C can be increased so as to compensate for the loss of thrust linked to the failure of the propellers 12D.

Dans certains modes de réalisation, selon une deuxième stratégie de compensation, lorsque les deux unités motrices défaillantes sont deux unités motrices primaires appartenant à deux secteurs adjacents et entrainant, respectivement, des première et deuxième hélices simple moteur tournant dans le même sens, l'unité de contrôle de vol commande l'arrêt des deux unités motrices défaillantes et des deux unités motrices primaires situées, respectivement, dans les deux secteurs adjacents et entrainant les deux hélices simple moteur symétriques de la première et de la deuxième hélice simple moteur par rapport à l'axe de roulis X ou de tangage Y. Dans ce cas, les hélices compensatrices comprennent les quatre hélices double moteur appartenant, respectivement, aux paires d'hélices dont les unités motrices mises à l'arrêt font partie. In some embodiments, according to a second compensation strategy, when the two faulty power units are two primary power units belonging to two adjacent sectors and driving, respectively, first and second single-engine propellers rotating in the same direction, the flight control unit commands the stopping of the two faulty power units and of the two primary power units located, respectively, in the two adjacent sectors and driving the two single-engine propellers symmetrical to the first and second single-engine propellers with respect to the roll axis X or pitch axis Y. In this case, the compensating propellers comprise the four double-engine propellers belonging, respectively, to the pairs of propellers of which the stopped power units are part.

Cette deuxième stratégie de compensation est illustrée par l’exemple de la figure 6. Dans cet exemple, les hélices simple moteur défaillantes 12D sont situées dans les secteurs avant droit FR et avant gauche FL, mais elles pourraient se situer dans d’autres secteurs adjacents (e.g., les secteurs RL et FL, les secteurs RL et RR, ou les secteurs RR et FR). Les hélices simple moteur défaillantes 12D tournent dans le même sens. Dans un tel cas de double panne, la stratégie de compensation proposée consiste à arrêter les hélices défaillantes 12D mais également à arrêter les hélices simple moteur notées 12E qui sont situées dans les deux secteurs adjacents FL et FR et qui sont symétriques des deux hélices simple moteur 12D par rapport à l'axe de roulis X. La stratégie de compensation consiste également à utiliser comme hélices compensatrices les quatre hélices double moteur notées 11C. Ces hélices compensatrices 11C sont les hélices double moteur appartenant aux mêmes paires d'hélices que les hélices 12D et 12E. En fonctionnement normal, les hélices compensatrices 11C peuvent être entrainées par une seule unité motrice, par exemple l’unité motrice secondaire 22. En cas de double panne, les unités motrices tertiaires 23 sont actionnées de sorte que chaque hélice compensatrice 11C est entrainée non seulement par son unité motrice secondaire 22 mais également par son unité motrice tertiaire 23. Ainsi, la poussée de chaque hélice compensatrice 11C peut être augmentée de manière à compenser la perte de poussée liée à l’arrêt des hélices 12D et 12E. En variante, en fonctionnement normal, les hélices compensatrices 11C peuvent être entrainées par leur deux unités motrices secondaire 22 et tertiaire 23, ces unités motrices produisant un couple nominal inférieur à leur couple maximum disponible. En cas de double panne, les unités motrices secondaires et tertiaires 22, 23 sont commandées pour produire leur couple maximum disponible (ou un couple strictement supérieur à leur couple nominal et inférieur ou égal à leur couple maximum disponible). Ainsi, la poussée de chaque hélice compensatrice 11C peut être augmentée de manière à compenser la perte de poussée liée à l’arrêt des hélices 12D et 12E. This second compensation strategy is illustrated by the example in Figure 6. In this example, the failed single-engine propellers 12D are located in the front right FR and front left FL sectors, but they could be located in other adjacent sectors (e.g., the RL and FL sectors, the RL and RR sectors, or the RR and FR sectors). The failed single-engine propellers 12D rotate in the same direction. In such a case of double failure, the proposed compensation strategy consists of stopping the failed propellers 12D but also stopping the single-engine propellers denoted 12E which are located in the two adjacent sectors FL and FR and which are symmetrical to the two single-engine propellers 12D with respect to the roll axis X. The compensation strategy also consists of using as compensating propellers the four double propellers engine denoted 11C. These 11C compensating propellers are the twin-engine propellers belonging to the same pairs of propellers as the 12D and 12E propellers. In normal operation, the 11C compensating propellers can be driven by a single power unit, for example the secondary power unit 22. In the event of a double failure, the tertiary power units 23 are actuated so that each 11C compensating propeller is driven not only by its secondary power unit 22 but also by its tertiary power unit 23. Thus, the thrust of each 11C compensating propeller can be increased so as to compensate for the loss of thrust linked to the shutdown of the 12D and 12E propellers. Alternatively, in normal operation, the compensating propellers 11C can be driven by their two secondary 22 and tertiary 23 drive units, these drive units producing a nominal torque lower than their maximum available torque. In the event of a double failure, the secondary and tertiary drive units 22, 23 are controlled to produce their maximum available torque (or a torque strictly higher than their nominal torque and lower than or equal to their maximum available torque). Thus, the thrust of each compensating propeller 11C can be increased so as to compensate for the loss of thrust linked to the stopping of the propellers 12D and 12E.

Dans certains modes de réalisation, selon une troisième stratégie de compensation, lorsque les deux unités motrices défaillantes sont une unité motrice primaire et une unité motrice secondaire entrainant, respectivement, une première hélice simple moteur et une première hélice double moteur, l'unité de contrôle de vol commande : l'arrêt de l’unité motrice primaire défaillante; l’arrêt d'une unité motrice primaire entrainant une deuxième hélice simple moteur symétrique de la première hélice simple moteur par rapport à l'axe de roulis X ou de tangage Y ; et l'unité motrice tertiaire de la première hélice double moteur pour compenser la perte de poussée liée à la défaillance de l'unité motrice secondaire. Selon cette troisième stratégie de compensation, les hélices compensatrices comprennent les deux hélices double moteur appartenant, respectivement, aux deux paires d'hélices dont les première et deuxième hélices simple moteur font partie. In some embodiments, according to a third compensation strategy, when the two failed power units are a primary power unit and a secondary power unit driving, respectively, a first single-engine propeller and a first dual-engine propeller, the flight control unit commands: the stopping of the failed primary power unit; the stopping of a primary power unit driving a second single-engine propeller symmetrical to the first single-engine propeller with respect to the roll axis X or pitch axis Y; and the tertiary power unit of the first dual-engine propeller to compensate for the loss of thrust linked to the failure of the secondary power unit. According to this third compensation strategy, the compensating propellers comprise the two dual-engine propellers belonging, respectively, to the two pairs of propellers of which the first and second single-engine propellers are part.

Cette troisième stratégie de compensation est illustrée par les exemples des figures 7 et 8. Dans l’exemple de la figure 7, les hélices simple moteur et double moteur défaillantes 12D, 11 D sont situées dans le même secteur, à savoir le secteur avant gauche FL. Dans un tel cas de double panne, la stratégie de compensation proposée consiste à arrêter l’hélices simple moteur défaillante 12D et l’hélice simple moteur 12E symétrique de la première hélice simple moteur par rapport à l'axe de roulis X. La stratégie de compensation proposée consiste également à commander l'unité motrice tertiaire 23 de l’hélice double moteur défaillante 11 D pour compenser la perte de poussée liée à la défaillance de l'unité motrice secondaire 22 de cette hélice 11 D. Selon cette troisième stratégie de compensation, les hélices compensatrices 11C comprennent les deux hélices double moteur appartenant aux mêmes paires d'hélices que les hélices simple moteur 12D et 12E. En fonctionnement normal, les hélices compensatrices 11C peuvent être entrainées par une seule unité motrice, par exemple l’unité motrice secondaire 22. En cas de double panne, les unités motrices tertiaires 23 sont actionnées de sorte que chaque hélice compensatrice 11C est entrainée non seulement par son unité motrice secondaire 22 mais également par son unité motrice tertiaire 23. Ainsi, la poussée de chaque hélice compensatrice 11C peut être augmentée de manière à compenser la perte de poussée liée à l’arrêt des hélices 12D et 12E. En variante, en fonctionnement normal, les hélices compensatrices 11C peuvent être entrainées par leur deux unités motrices secondaire 22 et tertiaire 23, ces unités motrices produisant un couple nominal inférieur à leur couple maximum disponible. En cas de double panne, les unités motrices secondaires et tertiaires 22, 23 sont commandées pour produire leur couple maximum disponible (ou un couple strictement supérieur à leur couple nominal et inférieur ou égal à leur couple maximum disponible). Ainsi, la poussée de chaque hélice compensatrice 11C peut être augmentée de manière à compenser la perte de poussée liée à l’arrêt des hélices 12D et 12E. This third compensation strategy is illustrated by the examples in Figures 7 and 8. In the example in Figure 7, the failed single-engine and twin-engine propellers 12D, 11 D are located in the same sector, namely the left front sector FL. In such a double failure case, the proposed compensation strategy consists of stopping the failed single-engine propeller 12D and the single-engine propeller 12E symmetrical to the first single-engine propeller with respect to the roll axis X. The proposed compensation strategy also consists of controlling the tertiary power unit 23 of the failed twin-engine propeller 11 D to compensate for the loss of thrust related to the failure of the unit secondary drive unit 22 of this propeller 11 D. According to this third compensation strategy, the compensating propellers 11C comprise the two twin-engine propellers belonging to the same pairs of propellers as the single-engine propellers 12D and 12E. In normal operation, the compensating propellers 11C can be driven by a single power unit, for example the secondary power unit 22. In the event of a double failure, the tertiary power units 23 are actuated so that each compensating propeller 11C is driven not only by its secondary power unit 22 but also by its tertiary power unit 23. Thus, the thrust of each compensating propeller 11C can be increased so as to compensate for the loss of thrust linked to the stopping of the propellers 12D and 12E. Alternatively, in normal operation, the compensating propellers 11C can be driven by their two secondary 22 and tertiary 23 drive units, these drive units producing a nominal torque lower than their maximum available torque. In the event of a double failure, the secondary and tertiary drive units 22, 23 are controlled to produce their maximum available torque (or a torque strictly higher than their nominal torque and lower than or equal to their maximum available torque). Thus, the thrust of each compensating propeller 11C can be increased so as to compensate for the loss of thrust linked to the stopping of the propellers 12D and 12E.

Dans certains modes de réalisation, les hélices de l’appareil et leurs unités motrices sont conçues pour produire une poussée nominale (Tnom) et une poussée maximale de compensation (Tmax). Cette variation de poussée peut être obtenue grâce à la variation du régime de rotation des hélices et/ou de leur pas. La poussé maximale (Tmax) est calculée en fonction du nombre de panne multiple que le système doit gérer. A la poussée nominale (Tnom) et à la poussée maximale de compensation (Tmax) de chaque hélice correspondent, respectivement, un couple nominal (Qnom) et un couple maximal (Qmax) demandés par l’hélice. In some embodiments, the propellers of the device and their power units are designed to produce a nominal thrust (Tnom) and a maximum compensation thrust (Tmax). This variation in thrust can be obtained by varying the rotational speed of the propellers and/or their pitch. The maximum thrust (Tmax) is calculated based on the number of multiple failures that the system must manage. The nominal thrust (Tnom) and the maximum compensation thrust (Tmax) of each propeller correspond, respectively, to a nominal torque (Qnom) and a maximum torque (Qmax) required by the propeller.

Dans certains modes de réalisation, chacune des unités motrices (i.e., chacun des moteurs) des hélices double moteur est dimensionnée pour produire un couple nominal (Qnom/2) qui représente la moitié du couple nominal (Qnom) demandé par l’hélice, et un couple maximal (Qmax/2) qui représente la moitié du couple maximum demandé (Qmax) par l’hélice, auquel cas les unités motrices sont toutes les deux sollicitées en fonctionnement normal pour obtenir le couple nominal (Qnom) demandé par l’hélice, et sont toutes les deux sollicitées en situation de compensation pour obtenir le couple maximum (Qmax) demandé par l’hélice. Par ailleurs, le couple maximal (Qmax/2) est supérieur ou égal au couple nominal (Qnom) demandé par l’hélice, de sorte qu’en cas de défaillance et de mise à l’arrêt de l’une des deux unités motrices, l’autre unité motrice peut à elle seule produire le couple nominal (Qnom) demandé par l’hélice. L’utilisation d’une boîte de transmission entre l’arbre commun des moteurs des unités motrices et l’arbre de l’hélice peut permettre de mieux adapter les caractéristiques des moteurs aux exigences requises. In some embodiments, each of the power units (i.e., each of the motors) of the dual-motor propellers is sized to produce a nominal torque (Qnom/2) that represents half the nominal torque (Qnom) requested by the propeller, and a maximum torque (Qmax/2) that represents half the maximum torque requested (Qmax) by the propeller, in which case the power units are both used in normal operation to obtain the nominal torque (Qnom) requested by the propeller, and are both used in a compensation situation to obtain the maximum torque (Qmax) requested by the propeller. Furthermore, the maximum torque (Qmax/2) is greater than or equal to the nominal torque (Qnom) requested by the propeller, such that in the event of failure and shutdown of one of the two power units, the other power unit can alone produce the nominal torque (Qnom) required by the propeller. The use of a gearbox between the common shaft of the power unit engines and the propeller shaft can allow the characteristics of the engines to be better adapted to the required requirements.

Les modes de réalisation décrits dans le présent exposé sont donnés à titre illustratif et non limitatif, une personne du métier pouvant facilement, au vu de cet exposé, modifier ces modes de réalisation, ou en envisager d'autres, tout en restant dans le cadre de l'invention. The embodiments described in this disclosure are given for illustrative and non-limiting purposes, a person skilled in the art being able, in view of this disclosure, to easily modify these embodiments, or envisage others, while remaining within the scope of the invention.

En particulier, une personne du métier pourra facilement envisager des variantes ne comprenant qu'une partie des caractéristiques des modes de réalisation précédemment décrits, si ces caractéristiques à elles seules suffisent pour procurer un des avantages de l'invention. De plus, les différentes caractéristiques de ces modes de réalisation peuvent être utilisées seules ou être combinées entre elles. Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être comme décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant pas aux combinaisons spécifiques décrites dans le présent exposé. En particulier, sauf précision contraire, une caractéristique décrite en relation avec un mode de réalisation peut être appliquée de manière analogue à un autre mode de réalisation. In particular, a person skilled in the art will easily be able to envisage variants comprising only part of the characteristics of the embodiments previously described, if these characteristics alone are sufficient to provide one of the advantages of the invention. In addition, the various characteristics of these embodiments can be used alone or combined with each other. When combined, these characteristics can be as described above or differently, the invention not being limited to the specific combinations described in the present disclosure. In particular, unless otherwise specified, a characteristic described in relation to one embodiment can be applied in a similar manner to another embodiment.

Claims

REVENDICATIONS 1 . Aéronef à décollage et atterrissage vertical comprenant : au moins quatre paires d'hélices (10) contrarotatives permettant d'assurer, au moins en partie, la sustentation de l'aéronef (1); des unités motrices (21 , 22, 23) pour entrainer les hélices (11 , 12) en rotation, chaque unité motrice comprenant un moteur électrique et son système électronique de contrôle; une unité de contrôle de vol pour commander les unités motrices (21 , 22, 23) de manière à obtenir, pour chaque hélice (11 , 12), une poussée cible; et un système de détection pour détecter une défaillance des unités motrices (21 , 22, 23), dans lequel chacune des paires d'hélices (10) comprend une hélice haute (11) et une hélice basse (12) tournant dans des sens opposés autour d'un axe d'hélice (A) sensiblement parallèle à l'axe de lacet (Z) de l'aéronef (1), dans lequel les paires d'hélices (10) sont réparties de façon symétrique par rapport aux axes de roulis (X) et de tangage (Y) de l'aéronef (1), caractérisé en ce que chacune des paires d'hélices (10) est équipée de trois unités motrices (21 , 22, 23) commandables séparément, à savoir une unité motrice primaire (21) pour l'entrainement de l'une des hélices, dite hélice simple moteur, et des unités motrices secondaire et tertiaire (22, 23) pour l'entrainement de l'autre hélice, dite hélice double moteur, les unités motrices secondaire et tertiaire (22, 23) étant disposées de sorte que leurs couples moteurs s'additionnent, et en ce que lorsqu'une défaillance simultanée de deux unités motrices (21 , 22, 23) appartenant, respectivement, à deux paires d’hélice (10) est détectée par le système de détection, l'unité de contrôle de vol commande les unités motrices secondaire et tertiaire (22, 23) d'au moins deux hélices, dites hélices compensatrices (11 C), choisies parmi les hélices double moteur, pour entrainer chacune des hélices compensatrices (11C) au moyen de ses unités motrices secondaire et tertiaire (22, 23), de manière à augmenter la poussée de chacune des hélices compensatrices (11 C) et compenser la perte de poussée liée à la défaillance des deux unités motrices . 1. Vertical take-off and landing aircraft comprising: at least four pairs of counter-rotating propellers (10) for ensuring, at least in part, the lift of the aircraft (1); power units (21, 22, 23) for driving the propellers (11, 12) in rotation, each power unit comprising an electric motor and its electronic control system; a flight control unit for controlling the power units (21, 22, 23) so as to obtain, for each propeller (11, 12), a target thrust; and a detection system for detecting a failure of the power units (21, 22, 23), wherein each of the pairs of propellers (10) comprises an upper propeller (11) and a lower propeller (12) rotating in opposite directions about a propeller axis (A) substantially parallel to the yaw axis (Z) of the aircraft (1), wherein the pairs of propellers (10) are distributed symmetrically with respect to the roll (X) and pitch (Y) axes of the aircraft (1), characterized in that each of the pairs of propellers (10) is equipped with three separately controllable power units (21, 22, 23), namely a primary power unit (21) for driving one of the propellers, called a single-engine propeller, and secondary and tertiary power units (22, 23) for driving the other propeller, called a dual-engine propeller, the secondary and tertiary drive units (22, 23) being arranged so that their drive torques add up, and in that when a simultaneous failure of two drive units (21, 22, 23) belonging, respectively, to two pairs of propellers (10) is detected by the detection system, the flight control unit controls the secondary and tertiary drive units (22, 23) of at least two propellers, called compensating propellers (11C), chosen from among the dual-engine propellers, to drive each of the compensating propellers (11C) by means of its secondary and tertiary drive units (22, 23), so as to increase the thrust of each of the compensating propellers (11C) and compensate for the loss of thrust linked to the failure of the two drive units. 2. Aéronef selon la revendication 1 , dans lequel la poussée de chacune des hélices compensatrices (11C) est augmentée au-delà de la poussée maximale qui serait disponible si l'hélice compensatrice (11C) était entrainée uniquement par son unité motrice secondaire (22) ou son unité motrice tertiaire (23). 2. An aircraft according to claim 1, wherein the thrust of each of the compensating propellers (11C) is increased beyond the maximum thrust that would be available if the compensating propeller (11C) were driven solely by its secondary power unit (22) or its tertiary power unit (23). 3. Aéronef selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les unités motrices secondaire (22) et tertiaire (23) sont identiques en termes de couple moteur. 3. Aircraft according to claim 1 or 2, wherein the secondary (22) and tertiary (23) power units are identical in terms of engine torque. 4. Aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, lorsque les deux unités motrices défaillantes sont deux unités motrices primaires (21) entrainant, respectivement, deux hélices simple moteur (12D) tournant dans des sens opposés, les hélices compensatrices (11C) comprennent les deux hélices double moteur appartenant, respectivement, aux deux paires d'hélices (10) dont les deux hélices simple moteur (12D) font partie. 4. Aircraft according to any one of claims 1 to 3, wherein, when the two faulty power units are two primary power units (21) driving, respectively, two single-engine propellers (12D) rotating in opposite directions, the compensating propellers (11C) comprise the two double-engine propellers belonging, respectively, to the two pairs of propellers (10) of which the two single-engine propellers (12D) are part. 5. Aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les axes de roulis (X) et de tangage (Y) de l'aéronef définissent entre eux quatre secteurs (FL, FR, RL, RR), et dans lequel, lorsque les deux unités motrices défaillantes sont deux unités motrices primaires (21) appartenant à deux secteurs adjacents et entrainant, respectivement, des première et deuxième hélices simple moteur (12D) tournant dans le même sens, l'unité de contrôle de vol commande l'arrêt des deux unités motrices défaillantes et des deux unités motrices primaires situées, respectivement, dans les deux secteurs adjacents et entrainant les deux hélices simple moteur (12E) symétriques de la première et de la deuxième hélice simple moteur (12D) par rapport à l'axe de roulis (X) ou de tangage (Y) ; et dans lequel les hélices compensatrices (11 C) comprennent les quatre hélices double moteur appartenant, respectivement, aux paires d'hélices (10) dont les unités motrices mises à l'arrêt font partie. 5. Aircraft according to any one of claims 1 to 4, in which the roll (X) and pitch (Y) axes of the aircraft define between them four sectors (FL, FR, RL, RR), and in which, when the two faulty power units are two primary power units (21) belonging to two adjacent sectors and driving, respectively, first and second single-engine propellers (12D) rotating in the same direction, the flight control unit commands the stopping of the two faulty power units and of the two primary power units located, respectively, in the two adjacent sectors and driving the two single-engine propellers (12E) symmetrical to the first and second single-engine propellers (12D) relative to the roll (X) or pitch (Y) axis; and wherein the compensating propellers (11 C) comprise the four twin-engine propellers belonging, respectively, to the pairs of propellers (10) of which the stopped power units are part. 6. Aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel, lorsque les deux unités motrices défaillantes sont une unité motrice primaire et une unité motrice secondaire entrainant, respectivement, une première hélice simple moteur (12D) et une première hélice double moteur (11 D), l'unité de contrôle de vol commande : l'arrêt de l’unité motrice primaire défaillante ; l'arrêt de l’unité motrice primaire entrainant une deuxième hélice simple moteur (12E) symétrique de la première hélice simple moteur (12D) par rapport à l'axe de roulis (X) ou de tangage (Y) ; l'unité motrice tertiaire (23) de la première hélice double moteur (11 D) pour compenser la perte de poussée liée à la défaillance de l'unité motrice secondaire, et dans lequel les hélices compensatrices comprennent les deux hélices double moteur (11C) appartenant, respectivement, aux deux paires d'hélices (10) dont les première et deuxième hélices simple moteur (12D, 12E) font partie. 6. Aircraft according to any one of claims 1 to 5, wherein, when the two failed power units are a primary power unit and a secondary power unit driving, respectively, a first single-engine propeller (12D) and a first twin-engine propeller (11 D), the flight control unit commands: the stopping of the failed primary power unit; the stopping of the primary power unit driving a second single-engine propeller (12E) symmetrical to the first single-engine propeller (12D) relative to the roll (X) or pitch (Y) axis; the tertiary power unit (23) of the first twin-engine propeller (11 D) to compensate for the loss of thrust linked to the failure of the secondary power unit, and wherein the compensating propellers comprise the two twin-engine propellers (11C) belonging, respectively, to the two pairs of propellers (10) of which the first and second single-engine propellers (12D, 12E) are part. 7. Aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel, pour chaque paire d'hélices (10) fonctionnant normalement, les unités motrices (21, 22, 23) sont commandées de sorte que les couples résistants de chacune des hélices (11, 12) s'annulent. 7. Aircraft according to any one of claims 1 to 6, wherein, for each pair of propellers (10) operating normally, the power units (21, 22, 23) are controlled so that the resistive torques of each of the propellers (11, 12) cancel each other out. 8. Aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les hélices hautes (11) symétriques par rapport aux axes de roulis (X) et de tangage (Y) tournent dans des sens opposés, et dans lequel les hélices basses (12) symétriques par rapport aux axes de roulis (X) et de tangage (Y) tournent dans des sens opposés. 8. Aircraft according to any one of claims 1 to 7, in which the upper propellers (11) symmetrical with respect to the roll (X) and pitch (Y) axes rotate in opposite directions, and in which the lower propellers (12) symmetrical with respect to the roll (X) and pitch (Y) axes rotate in opposite directions.
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