Etude d'un rotor d'hélicoptère sans plateau cyclique avec des servopaddles actives

par Anne Brindejonc

Thèse de doctorat en Conception

Sous la direction de Jean-Claude Carmona et de François Malburet.

Soutenue en 2009

à Paris, ENSAM .


  • Résumé

    Cette thèse présente la conception, la fabrication et l'étude analytique d'un nouveau concept basé sur la barre de Hiller pour réaliser la commande du rotor sans plateau cyclique. Les pales sont couplées à des palettes. Un aileron, commandé par des actionneurs piezo-électriques, est situé derrière le bord de fuite de chaque palette. L'aileron est incliné par l'actionneur, et génère ainsi une portance. Le moment en pas de la palette change ainsi que le pas, la portance et le battement de la palette. L'angle de battement de la palette et l'angle de pas de la pale étant couplés, ce dernier varie. Chaque ensemble {pale palette aileron} est indépendant d'un autre. La palette peut donc générer du pas collectif et cyclique en entrée de la pale. Comparé aux rotors conventionnels, un tel système présente divers avantages tels la réduction de la complexité mécanique, de la traînée et du poids. La consommation en fuel de l'hélicoptère devrait donc décroître fortement et la disponibilité de l'aéronef augmenter. Un hélicoptère de modélisme a été piloté en milieu extérieur et sert à valider le concept de couplage. Le système a pu maintenir un vol stationnaire stable malgré la présence de vent. Une analyse comprenant la dynamique de l'aileron et quatre degrés de liberté est développée pour évaluer le comportement dynamique et apprécier la faisabilité d'un tel concept de rotor sans plateau cyclique. L'analyse est utilisée pour investiguer l'effet des paramètres du système sur l'influence que la palette et l'aileron peuvent exercer sur la pale. Des tests en stationnaire ont été réalisés sur un banc rotor principal qui représente un environnement plus maîtrisé. Le but de ces tests est de valider l'étude théorique et d'évaluer l'effet de différentes variables de conception sur la réponse en pas de la pale. Pour ce faire, le système est équipé de capteurs. Dans le cas des essais en vol comme au banc rotor principal, la commande en pas de la palette est réalisée par de petits plateaux cycliques assurant une conception rapide, simple et peu coûteuse. Le reste du système est inchangé. Pour une palette d'envergure égale à 40% du rayon de la pale, avec un pas cyclique de g o, un angle de pas cyclique de pale de 5° a été obtenu.

  • Titre traduit

    Study of a swashplateless helicopter rotor with active servopaddles


  • Résumé

    This thesis presents the design, fabrication, testing and analytical study of a novel concept of actively controlled Hiller type servopaddle to achieve rotor primary control. The blades on the swashplateless rotor are coupled to a servopaddle equipped with a piezo electrically actuated aileron located behind the paddle trailing edge. The aileron is deflected because of the actuator and generates a lift. This leads to a variation of the paddle pitch moment, as well as of the paddle pitch and lift. Hence, a change in paddle flap and in blade pitch via a mechanical linkage is created. The system {blade, paddle, aileron} is independent from any other {blade, paddle, aileron} assembly. Thus, the active servopaddle can generate both cyclic and collective inputs. Such a system presents the advantage of reduced mechanical complexity, parasitic drag and weight. The fuel consumption of the aircraft is thus expected to significantly decrease and its availability to increase. A small scale RC helicopter has been flown outdoor and served as a proof of concept. The system showed good hover capability under windy and non predictable conditions. A four degree-of-freedom analysis including aileron dynamics has been developed to predict the dynamic behavior and assess the feasibility of such a swashplateless rotor. The analysis is used to investigate the effect of system parameters on the blade control authority. Hover stand tests are performed in a more controlled environment. The aim of these tests is to validate the theory and to investigate the effects of different design variables on the blade pitch response. To this end, the system is equipped with sensors. In the case of both the outdoor and hover stand tests, the paddle actuation is achieved by a small swashplate to ensure a quick, affordable and simple design. The rest of design remains the same as described earlier. For a paddle of span equal to 40% of the blade radius, with a cyclic pitch input of 9°, a 5° blade cyclic pitch output was observed.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (177 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.161-177

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  • Bibliothèque : Arts et Métiers ParisTech. Centre d'enseignement et de recherche. Bibliothèque.
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