WO2006054125A2 - Propulseurs a ailes battantes pour le deplacement dans un fluide et le vide - Google Patents

Description

PROPULSEURS A AILES BATTANTES POUR LE DEPLACEMENT DANS UN FLUIDE ET LE VIDE

La présente invention concerne des propulseurs à ailes battantes utilisés pour le déplacement dans un fluide (propulsion en atmosphère gazeux ou aquatique en particulier), ou dans le vide (propulsion spatiale). La caractéristique commune à ces propulseurs est de fournir sans compromis une force différentielle substantielle par la seule oscillation d'une surface, utilisée pour la propulsion. Le terme « propulseurs » est ici utilisé au sens large. Ainsi, ils pourront être utilisés comme voilure d'aéronefs et généreront dans ce cas la force portante (propulsion verticale) et la force de déplacement horizontal (propulsion horizontale). Les sous-marins verront leurs gouvernails et leurs hélices remplacés par ces seules « ailes battantes » qui agiront ici comme des nageoires battantes ; le fonctionnement des ballasts (plongée ou remontée) sera renforcé efficacement par les battements et, les déplacements actifs à la verticale ainsi que le freinage dynamique augmenteront la maniabilité. Suivant la même logique, les hélices pourront être supprimées et les ailes battantes (rames battantes), outre la propulsion (hydropropulsion), serviront au freinage (hydrofreinage) et à la stabilisation (équilibrage) du véhicule. Quant aux véhicules terrestres (automobiles, trains, scooters de neige...), et aux aéroglisseurs aquatiques, ce procédé pourra être utilisé pour la propulsion (aéropropulsion), l'équilibrage, et ajoutera une dimension supplémentaire au pilotage tel que l' aérofreinage dynamique bien utile pour surmonter les défauts d'adhérence. La possibilité de rejet à très haute vitesse de matière rend aussi ce propulseur très approprié au vol spatial très économique.

Par soucis de concision, ce travail privilégiera l'aspect aéronautique, qui en est une utilisation démonstrative. La description d'un aéronef multi-modulaire complexe à 16 ailes sera notre exemple de référence, tout en énumérant succinctement quelques utilisations particulières de ce procédé.

On peut regrouper les vols naturels en trois catégories : le vol plané pur, le vol ramé (ou vol battu pur), et le vol combiné. Dans la nature, tous les êtres volants battent des ailes et la pratique du vol plané pur en tant que seul moyen de locomotion n'existe pas. On doit noter cependant que l'oiseau (et dans une moindre mesure les chiroptères) a en outre la faculté de pratiquer le vol plané pur (sustentation sans battement d'ailes), d'effectuer un vol combiné (coexistence du vol plané et ramé en même temps), ou encore de pratiquer le vol ramé pur (le colibri).

Le vol plané pur s'effectue idéalement en air calme, l'écoulement d'air autour des contours y a une importance capitale. Les performances aérodynamiques s'altèrent avec la turbulence. La direction du vent relatif est celui du déplacement du véhicule : grossièrement parallèle au plan alaire de cette sorte, la traînée horizontale (proportionnelle à la surface frontale et dirigée en sens inverse du déplacement) est minimale alors même que la traînée verticale (proportionnelle à la projection horizontale de la surface alaire) compensant le poids est maximale. Ce dernier aspect résume l'intérêt de l'aéroplane et on compare dès lors le compromis entre ces deux forces : il fonctionne de toute évidence sur un mode corrompu car la portance est conditionnée par la ^

traînée parasite. L'aérodynamique est dite stationnaire : les écoulements sont laminaires. Ce type de vol est inapte à assurer l'avancement qui doit provenir d'une source extérieure (hélice, réacteur, courant d'air naturel, force résiduelle du vol ramé, phase libre en vol plané suivant une phase ramée). La performance aérodynamique dépend aussi d'autres facteurs comme la forme de l'aile, l'envergure, la flèche alaire et même de la vitesse d'avancement. Pour qu'il y ait une bonne aptitude à planer le profil des ailes doit être toujours tel qu'en direction verticale le coefficient de traînée de l'intrados et de l'extrados soient très peu différents : un battement vertical d'une telle aile, sans volets ni plumes, et à vitesse constante, générerait une force verticale à la phase descendante très peu différente de celle induite par la phase montante, avec une résultante différentielle insignifiante.

Contrairement à ce qui précède, les forces aérodynamiques du vol ramé pur ne résultent pas de l'écoulement d'air autour des contours de la voilure, mais plutôt de la pression des molécules d'air perpendiculairement aux surfaces portantes. De ce fait, les trajectoires des molécules d'air après interaction avec les surfaces portantes ne sont ni unidirectionnelles, ni constantes, mais plutôt diffuses avec des rebonds : abusivement, on parle d'écoulement turbulent. En réalité il n'y a pas écoulement au sens propre du terme car les molécules sont bloquées et repoussées par les

^' surfaces. Le vent relatif est parallèle au déplacement du battement : grossièrement perpendiculaire au plan alaire. L'aérodynamique est dite instationnaire. Ce type de vol peut à lui seul assurer l'avancement (propulsion horizontale au sens large) et la portance, sans aucune traînée parasite. Ce fonctionnement est donc sans compromis. Ainsi, un coefficient de traînée réduit au minimum à l'extrados et au maximum à l'intrados rendrait l'aile aérodynamiquement plus performante. Le rapport de ces deux coefficients peut être très important, par exemple égalé 5. Associé à la modulation de vitesse des phases et à la présence de volets ou plumes, le rendement aérodynamique du vol ramé pur peut être proche de 100% .

Dans le vol combiné ces deux types de vols coexistent pleinement pendant le battement. Le grand avantage est de pouvoir maintenir une trajectoire rectiligne lors de la phase montante non portante, même lorsque la fréquence de battement est faible : la composante aérodynamique du vol plané permet de ne pas chuter à cette phase. On comprend aussi qu'au cours du vol combiné, la portion proximale de la surface alaire (moins mobile) joue un rôle prépondérant dans la composante planée du vol alors que la portion distale (plus mobile) joue un rôle essentiel dans la composante ramée.

En résumé, la force aérodynamique du vol plané résulte du frottement des molécules d'air autour des surfaces portantes alors qu'elle résulte de l'appui des molécules contre les surfaces portantes dans le vol ramé.

Le point essentiel est dont le battement d'aile, que l'on peut définir comme un mouvement alternatif comportant une phase montante et une phase descendante. Les êtres volants ont généralement deux ailes. Mais certains en ont quatre : libellules, papillons.... Leurs ailes assurent à la fois la sustentation et la propulsion, la queue, plus ou moins développée (chez l'oiseau) à un rôle aérodynamique actif ou passif. On distingue des modèles à grande surface alaire relative (par rapport à leurs poids), et d'autres à petite surface alaire relative, des modèles à grandes envergures et inversement. Aucun d'eux ne possède ni d'hélice ni de réacteur. L'objectif est le transport individuel.

D'une manière générale, et chez l'oiseau qui pratique le vol combiné en particulier, l'aptitude à planer croît avec la taille et l'aptitude à ramer décroît avec celle-ci. De plus la fréquence de battement décroît avec la taille. Pour le même individu l'importance aérodynamique de l'un ou l'autre type de vol varie non seulement au cours des phases de battement mais aussi en fonction de la fréquence de battement de telle sorte que l'on ne puisse pas obtenir une équation aérodynamique précise, mais une infinité d'équations variables selon une infinité de paramètres. Ainsi plus la fréquence est élevée, plus la proportion du vol ramé est importante. Ceci est aisément compréhensible quand on sait que la turbulence du flux d'air augmente avec la fréquence et détériore le vol plané. Elle augmente la résistance à l'abaissement de l'aile et améliore ainsi la force induite par le vol ramé. C'est ainsi que certains êtres volants (colibri, mouches, moustiques, ...) ont une fréquence de battement tellement élevée qu'ils sont totalement inaptes au vol ^"plané. Chez l'oiseau le vol peut s'expliquer par :

- la forme aérodynamique des ailes, qui ont une face supérieure convexe et une face inférieure concave, forme parfois accentuée par le battement,

- la surface alaire à la phase descendante est supérieure à celle de la phase montante : l'implantation des plumes se fait de telle manière que, seule la phase montante permette le passage de l'air.

- la cinétique de battement : le battement est parfois plus rapide vers le bas que vers le haut, ce qui génère une force (résistance de l'air sur l'aile en mouvement) différentielle dirigée vers le haut car la force induite par l'aile est proportionnelle à cette résistance de l'air sur l'aile en mouvement, donc au carré de la vitesse linéaire de l'aile. - la propulsion est possible grâce à l'inclinaison de l'aile vers le bas et en avant (à la phase descendante), et en sens inverse à l'autre phase, accentuée au cours du battement par le bord postérieur libre (les plumes arrières se relèvent à la phase descendante et s'abaissent à la phase montante de l'aile).

- l'orientation de la direction de battement propulse aussi très activement en avant, ou freine activement selon le sens.

- la queue a un rôle important dans le planage, l'équilibrage en tangage (cabrer et piquer) : soit passivement, soit activement, parfois dans l' aérofreinage dynamique ; elle sert aussi d'appoint au virage (lacet).

- d'autres phénomènes tels que les torsions, la translation horizontale, les ondulations, les vibrations, les battements asynchrones, les phénomènes respiratoires,..., peuvent s'y associer, rendant encore plus complexe la compréhension : il en résulte de toute façon un déplacement d'air de haut en bas et d'avant en arrière et un déplacement de l'oiseau en sens inverse.

Outre ces phénomènes dynamiques, les oiseaux ont la faculté de planer et ce d'autant plus facilement que la surface alaire et l'envergure sont grandes, ainsi que de stabiliser leur altitude, certains pouvant même s'immobiliser en vol, se mouvoir de côté ou en arrière.

Dans tous les cas, il y a des avantages certains et évidents à battre des ailes :

- vol parfait, sans possibilité de dérapage, d' autorotation ou de virage engagé; aussi, un oiseau ne décroche jamais. Dès qu'il sent venir le décrochage, il active le battement de ses ailes. 11 change donc de type de vol en passant instantanément du vol plané au vol ramé ;

- écologique, économique... ;

- décollage et atterrissage verticaux et en tout lieu, y compris sur les toitures de maisons;

- sécurité quasi absolue permettant des patrouilles sans distance minimale de sécurité ;

- immobilisation aérienne ; - freinage (aérofrein) dynamique ;

- vol acrobatique (spectaculaire) ;

- vol calme et discret...

De tout temps, l'Homme essaie de voler ou de faire voler comme l'oiseau. Face aux difficultés, il s'est longtemps contenté des « plus légers que l'air » avec de volumineux ballons gonflables (aérostat), puis un substitut plus lourd que l'air (l'aéroplane avec ou sans moteur) ; par la suite, un autre substitut à voilure tournante (l'hélicoptère), qui constituent avec leurs dérivées les appareils de l'aéronautique contemporaine.

L'aéronautique contemporaine : les premiers succès du vol humain sont les aérostats, plus légers que l'air, dont le principe fondamental de la portance réside dans la poussée d'Archimède dans l'air et donc uniquement et totalement dépendant de la densité de l'air (I,225kg/m3 au niveau du sol). Selon ce principe, il faut environ 70 m3 pour soulever le poids d'un homme moyen. Selon cette logique, un véhicule de la taille d'un airbus A380 serait juste capable de transporter 10 à 20 passagers. Ces appareils sont très vulnérables aux intempéries, voués à des altitudes très basses, et dangereux selon le type de gaz utilisé pour la poussée d'Archimède.

La catégorie des appareils plus lourds que l'air, est essentiellement constitués d'hélicoptères et d'aéroplanes. D'autres appareils « hybrides » comme les convertibles ont tenté de jumeler les avantages de l'un et de l'autre. L'élément fondamental de ces deux appareils est l'hélice (et son dérivé : le moteur à réaction)

Concernant son histoire, l'aéronautique contemporaine est née du vieux rêve humain d'imiter l'oiseau (noter qu'avion vient du latin avis qui veut dire oiseau). Les premières ébauches concrètes de cette imitation remontent au XV^ûrπc siècle où Léonard De Vinci (1452-1519) observa scientifiquement le vol d'oiseaux et dessina des plans d'ailes avec pour objectif d'imiter réellement l'oiseau en battant des ailes. Au début de l'aéronautique, l'Homme essaya de faire voler par battement d'ailes : le modèle convoité est encore, bien sûr, l'oiseau. On ignore encore tout sur les principes de ce vol : battre des ailes, se lever, s'équilibrer en vol, se diriger, le rapport puissance/poids... Face aux difficultés rencontrées et aux. échecs, ce procédé fut très vite abandonné quand, vers la fin du XVIII⁰"¹⁰ siècle George Cayley suggéra l'hélice comme force de traction : ceci donna naissance, au début du XX^e™ à l'aéroplane avec hélice comme force de propulsion : en effet, on savait déjà depuis des siècles, avec le serf volant, comment faire voler un objet plus lourd que l'air en lui infligeant une force de traction. L'aéroplane autonome, c'est- à-dire l'aéroplane à moteur, est donc né de l'association hélice-serf volant. Le moteur à réaction qui équipe les aéroplanes modernes n'est en fait qu'une dérivée de l'hélice. Concernant l'aéroplane, la sustentation est générée passivement par l'écoulement de l'air autour de l'aile en translation.

Concernant le fonctionnement d'une hélice, sa rotation crée une force de propulsion de sens opposé à la direction de circulation d'air et pouvant se décomposer en 2 forces : une perpendiculaire au plan de rotation de l'hélice et passant par le centre (c'est la force de propulsion recherchée), une perpendiculaire à la précédante et passant dans le plan de rotation de l'hélice (la traînée, force "parasite") qui tend à s'opposer à la rotation de l'hélice. (Voir schéma) .L' hélice fonctionne sur le principe du vol plané pur. La composante aérodynamique recherchée est conditionnée par une traînée qui s'oppose à la rotation. Dans tous les cas, l'hélice est caractérisée par son faible rendement d'autant plus que la vitesse linéaire des surfaces aérodynamiques varie non seulement avec le rayon mais aussi avec le régime du moteur et la vitesse de l'avion.

Quant au fonctionnement d'une aile fixe, sa translation dans l'air génère une force perpendiculaire à sa surface et dirigée vers le haut et vers l'arrière pouvant elle aussi se décomposer en une force portante verticale et une traînée horizontale orientées vers l'arrière. L'aile fonctionne en mode plané pur avec les limites précédemment décrites.

L'avantage commun à ces deux appareils est la fiabilité technologique acquise au cours du siècle. Bien que contraignant, l'aéroplane reste l'un des moyens de transport les plus fiables actuellement. Le voyage intercontinental est rendu aujourd'hui possible grâce à l'aéroplane à moteur, de même que l'hélicoptère, avec sa capacité de vol vertical rend de précieux services au cours d'opérations' de sauvetage ou de transport d'urgence en lieux impraticables. Les inconvénients restent relatifs : le principal étant lié à la conception même de ces appareils fondée sur l'hélice et la portance passive (pour l'aéroplane). Il faut en effet manager avec des couples indissociables : traction-traînée (cependant amélioré sur les réacteurs) et/ou portance-trainée qui réduisent considérablement le rendement global des appareils, lequel peut descendre jusqu'à 30% sur certains hélicoptères : 70% de la puissance motrice étant gaspillée. Les surfaces motrices au contact de l'air (hélices, pales, réacteurs) sont trop faibles par rapport aux forces à vaincre (poids, couple de rotation créé par les pales et le rotor anti-couple d'un hélicoptère) : il en résulte que ces appareils restent encore trop bruyants et instables. Les autres caractéristiques sont spécifiques à chaque type d'appareil.

La particularité de l'aéroplane est sa compatibilité avec de petites comme de grosses portances, de grandes vitesses et de grands rayons d'action mais, la sustentation est passive et totalement dépendante de la vitesse de telle sorte que le vol n'est possible qu'au delà d'un seuil de vitesse (parfois élevé, 300 km/h). En deçà, c'est le crash et ses conséquences. Pour atteindre ces vitesses au sol, il faut un aménagement spécial (piste de décollage-atterrissage qui peut atteindre 5 km). Par ailleurs, la faible surface motrice et la portance passive le rendent très vulnérable aux perturbations météorologiques (vent, pluie, neige, pression, nuages). La faible surface de passage du vent actif le rend encore très bruyant (l'air, étranglé lors de son passage par cette surface se comporte de façon semblable à l'air que l'on souffle dans une flûte : plus la surface est petite et le flux important, plus le bruit est nuisible). D'autres facteurs émanant de certains concepts viennent encore accentuer ce caractère bruyant :contact air chaud-air froid sortant d'un réacteur, vitesse des gaz expulsés, bruit aérodynamique par frottement sur la voilures des trains d'atterrissage.... Le mode de _N décollage et d'atterrissage violent entraîne une contrainte structurale considérable avec une augmentation très sensible de la masse (rigidité de la structure et de la voilure, résistance des trains d'atterrissage).

En outre, l'aéroplane cumule un faisceau de compromis : concernant la rigidité de la voilure, celle-ci est directement liée à son épaisseur et à la hauteur des longerons verticaux parcourant la longueur de l'aile. Pour augmenter la rigidité alaire, il faut nécessairement augmenter cette épaisseur, notamment à la base (emplanture), augmentant de fait la surface frontale de l'aile et en même temps la résistance à l'avancement de l'aile traînée induite. Toujours sur ce plan structural, l'allongement d'une aile entraîne inéluctablement des phénomènes aéroélastiques plus ou moins maîtrisables par les concepteurs. Le flutter occasionné par la souplesse de l'aile entraîne une fragilité physique de la structure dépendant de la fréquence de raisonnance aéroélastique. 11 détériore aussi la performance aérodynamique du fait de la perturbation des écoulements autour des profils. Cette perturbation est plus importante aux extrémités qui ont une amplitude de déplacement plus grande. Hormis les compromis de performance aérodynamique et de conception structural, le vol plané pur tel qu'articulé dans les appareils actuels présente un autre inconvénient de taille : conceptuel. Le modèle physique fondamental est lui aussi compromis. En effet lorsque le modèle augmente de taille, son poids augmente comme son volume (dimension 3) alors que sa force portante croît comme sa surface (dimension 2). Pour corriger ce problème, les concepteurs doivent prévoir relativement moins de charge par volume ou augmenter disproportionnellement les surfaces alaires au fur et à mesure que la taille du modèle augmente. Une autre solution pour remédier à ce défaut de portance est d'augmenter la vitesse de décollage et de croisière des véhicules. Autre possibilité, augmenter l'incidence alaire qui certes accroît la portance mais aussi la traînée et surtout, au delà d'un d'angle limite voisin de 15-18° _η

(angle de décrochage), la portance chute brusquement. La fixation du propulseur (réacteur ou hélice) au voisinage de la voilure détériore aussi la pureté de l'aile non seulement du fait de la réduction de la surface portante mais aussi du fait de la turbulence du voisinage. Ces cascades de compromis limitent la performance générale du système. C'est ainsi qu'une augmentation de la vitesse bute aujourd'hui sur le mur du son. Les performances aérodynamiques d'une aile qui plane ne sont pas les mêmes en sub, trans ou supersonique. L'augmentation de la vitesse de décollage demande un allongement des pistes.

Tout ceci oblige de construire les aérodromes dans des cites éloignés des agglomérations, parfois difficilement accessibles, occasionnant de ce fait même une entorse au bénéfice recherché : le gain de temps. Son utilisation est en définitive assez contraignante, voire dangereuse ou impossible dans certaines conditions et dans tous les cas toujours très onéreuse.

L'hélicoptère dont les pales fonctionnent aérodynamiquement exactement comme une voilure d'avion à aile fixe est compatible avec le vol vertical (pas d'aménagement de piste particulière), une immobilisation aérienne et donc une absence de seuil de vitesse.

Mais ce dernier cumule une infinité d'incohérences aérodynamiques conduisant aussi à une cascade de compromis. Pour ne citer que quelques uns : l'écoulement rejeté au dessus du fuselage par les pales entraîne forcément une turbulence qui réduit l'efficacité aérodynamique. Le système est totalement dissymétrique. La pale avançante a une vitesse très supérieure à celle de l'appareil alors que c'est l'inverse pour la pale reculante : il en résulte une dissymétrie dans la portance corrigée par la variation cyclique de l'angle d'incidence en fonction de la position de la pale. On note d'emblée deux gros problèmes, la vitesse de la pale avançante atteint la vitesse critique autour de 1000 Km/h alors que l'appareil n'atteint pas encore 360 km/h. En effet l'approche ou le dépassement du mur du son modifie les caractéristiques aérodynamiques des ailes de formes classiques. De plus, la différence de vitesse des pales reculantes et avançantes croît avec la vitesse de l'hélicoptère : l'incidence de variation du pas cyclique, qu'on sait limitée par l'angle de décrochage doit donc être de plus en plus grand pour corriger la différence de portance. Le rotor anticouple soufflant perpendiculairement à la direction de déplacement ne peut en aucun cas favoriser celui-ci. 11 en résulte un appareil trop bruyant, impropre aux grandes portances (quelques dizaines de tonnes maximum de nos jours) et incompatible de part sa conception même, avec de grandes vitesses (400 km/h aujourd'hui). L'hélicoptère a un rayon d'action trop faible : de l'ordre quelques centaines de km (100-1000 km) et surtout, un rendement global fort modeste.

Un autre type d'appareil méritant une attention particulière est le convertible dont la particularité est de combiner le vol vertical de l'hélicoptère et la rapidité de l'avion à aile fixe. Un problème majeur empêche la prospérité de cet appareil : la délicatesse du passage de vol vertical au vol horizontal. La portance initiale créée par les gigantesques hélices doit être relayée par les ailes fixes dont l'efficacité aérodynamique déjà perturbée par la turbulence des énormes pales, a besoin d'un seuil minimum de vitesse horizontale du véhicule. Si les moteurs s'horizontalisent totalement alors que la portance des ailles fixes est insuffisante, c'est le crash assuré.

Concernant les véhicules spatiaux, la particularité des modèles existant aujourd'hui est l'utilisation des moteurs fuses y compris durant toute leur traversée des couches atmosphériques. Les poussées générées par ces moteurs fuses constituent les seules surfaces d'appui (très faibles) pour ces véhicules de masses très importantes. 11 en résulte un poids mort considérable. Les résistances à l'avancement sont considérables lors du voyage atmosphérique de très grande vitesse. De plus la phase atmosphérique du lancement, très délicate, est très souvent celle concernée par les échecs et surtout la cause des reports de lancement. On sait aussi que ces moteurs qui génèrent une poussée par réaction au rejet de matières ont une performance directement liée à la vitesse de rejet de celles-ci. Les meilleurs moteurs fuses actuellement rejettent leur gaz aux environs de 4000 km/h. La propulsion plasmique (rejet à 30km/s) par ionisation du xénon est très rentable et adaptée au positionnement de satellite mais pour l'heure très onéreux et impropre aux très grandes poussées. On sait aussi que les types de moteurs les plus performants sont aussi les moins maîtrisables et servent le plus souvent à la propulsion de la phase atmosphérique du lancement : ils sont aussi les plus dangereux. Le rendement d'un tel

^' mode de propulsion est très médiocre. L'une des plus performantes fusées, Ariane 5 utilise 500 tonnes (sur 750 tonnes au départ) pour effectuer les 66 premiers kilomètres de l'atmosphère. La charge utile d'environ 7,5 tonnes représente donc 1% de la masse initiale. Sur le plan écologique, les constructeurs ne se soucient absolument pas des satellites laissés dans l'espace après leur durée de fonctionnement de telle sorte que notre bel espace se transforme progressivement en poubelle.

Concernant la technologie actuelle à aile battante, la plupart des systèmes sont consacrés à l'aéromodélisme de loisir en but final. Certains rêvent de construire des microdrones autonomes à des fins militaires. D'autres plus ambitieux (en particulier le Canadien Delaurier, l'Anglaise Patricia Jones et Velko Velkov) essaient de concrétiser un aéronef à ailes battantes motorisé et piloté par un humain. Aucun de ces système n'est réellement opérationnel hormis les modèles aéromodélistes (environ 200-500 g) qui réussissent à entretenir leur vol par battements d'ailes, après lancement manuel, avec des performances très inférieures à leurs équivalents à ailes fixes. Les caractéristiques^' générales sont : absence de volets ou de plumes, aptitude des ailes à planer, et surtout l'égalité des vitesses linéaires des deux phases de battement (cinétique identique), amplitude de battement non variable. Tous les systèmes actuellement réalisés comportent au moins un de ces défauts majeurs et la quasi totalité des modèles comportent tous ces défauts en même temps, d'où des performances dérisoires. Aucun de ces systèmes ne possède une base mathématique cohérente adaptée à son aérodynamique. Nous comprendrons par la suite que pour la quasi totalité des modèles réalisés à ce jour, le battement est paradoxalement la raison principale de l'échec et dans tous les cas réduit fatalement les performances aérodynamiques. y

Nous n'allons pas passer en revue tous les systèmes à ailes battantes. Mais la description de l'alérion Rihout aéronef à 4 ailes battantes sensé reproduire le vol de la libellule résume la problématique générale. Le célèbre aéronef de Monsieur Delaurier, le plus moderne de nos jours mérite aussi quelques remarques. On peut le considérer comme le seul aéronef à « aile battantes », piloté, de taille réelle connu de nos jours.

Le très ingénieux système de monsieur Rihout, sous le brevet européen N⁰EP 0 274 777 Al propose l'utilisation de quatre ailes battantes (ailes profilées : profil de déformation continue, variable et commandée) pour la propulsion et la sustentation d'un aéronef. Le principe de fonctionnement n'est pas détaillé dans ce brevet mais, quelques points mentionnés ou logiquement évidents montrent plusieurs problèmes qui compromettent irréductiblement le but recherché (l'envol) :

- La force résultante des battements des deux ailes avants et celle issue des deux arrières, ne coïncident pas avec le centre de gravité de l'appareil : ceci rendrait l'équilibre impossible par les seuls battements si on considère que le centre de gravité se trouve entre les 2 couples d'ailes. Les ailes avants ont un effet de cabrage et les ailes arrières, un effet de piquer, sur l'ensemble du véhicule. 11 est difficile d'imaginer une correction de cet effet, même en présence de vent relatif horizontal, par la seule gouverne de profondeur, qui devrait moduler minutieusement son angle d'attaque à chaque battement, cet angle d'attaque devrait lui-même être variable en fonction de la fréquence de battement et de la vitesse du véhicule : fait primordial non mentionné dans le brevet. La seule possibilité logique est donc de suffisamment décaler le centrage et équilibrer l'aéronef lors du déplacement horizontal, par la gouverne de profondeur, ce système est inapte au vol vertical.

- Comme mentionné dans le brevet suscité, deux couples d'ailes pris en sens diagonal sont liés soit mécaniquement, soit hydrauliquement : on en déduit qu'il est impossible de différentier les vitesses linéaires des deux phases (montante et descendante) lors d'un cycle de battement. Ces phases sont cinétiquement identiques mais en sens inverse (vitesse de montée de l'aile = vitesse de descente de l'aile). D'autre part, les ailes n'ont pas de volets, la fixation de l'aile est figée sur le fuselage, sans rotation possible, sans variation possible d'amplitude individuelle : on verra avec l'invention proposée que ce système se prive ainsi des facteurs essentiels de force portante, propulsive et d'équilibre.

- Les profils intrados et extrados d'une aile sont quasi similaires. Si l'on analyse stroboscopiquement l'appareil vu de dessous ou vu de dessus (ailes en marche), les séquences sont en tout point presque identiques (puisque le profil d'aile est inversé à chaque phase pour générer une force propulsive horizontale) hormis la différence d'intensité d'inversion qui peut générer une force différentielle verticale mais cependant insuffisante. En effet, les ailes montantes génèrent une force descendante s'opposant à la force portante induite par les ailes descendantes : conformément à la description, le véhicule ne peut faire que cabrer et piquer alternativement en avançant, sans se lever par le seul battement : autrement dit, s'il vole lors d'un battement, il « s'enfonce » dans la terre au battement suivant. La seule possibilité de se lever reste la portance des mêmes ailes lors du déplacement horizontal par écoulement autour des contours c'est à dire en planant : ce qui est contradictoire car la turbulence des battements limite cette portance.

- L'architecture d'une aile basée sur un seul longeron sur lequel sont enfilés de nombreux secteurs constituant la voilure semble compromettre la solidité de la structure d'autant que pour préserver la capacité de planer (seule source possible de portance), il est absolu d'éviter de trop augmenter l'épaisseur de l'aile. Comme pour une aile fixe, la fréquence de résonance aéroélastique est difficilement maîtrisable.

- Tel que représenté sur le schéma, les gouvernes de profondeur, et de direction présument de l'importance des phénomènes passifs sur ce véhicule (et donc de sa vulnérabilité en absence de vent relatif horizontal, c'est-à-dire à vitesse nulle)

- D'autres éléments tels que les trains présument de la nécessité de roulage et donc de l'aménagement de pistes spéciales...

Concernant l'aéronef à 2 ailes rigides de Monsieur Delaurier le mécanisme cisaille-guillotine utilisé pour le battement présume aussi de l'identité cinétique des deux phases de battement. Le vrillage alterné des l'ailes lors de chacune des deux phases du cycle de battement engendre bien une poussée avant. Absence de volets ou de plumes. La portance de la portion horizontale est aussi perturbée par la turbulence générée par les mouvements verticaux. Les problèmes de structure et surtout les problèmes aéroélastiques sont identiques aux précédents. Une traction par hélice de cet aéronef par le même moteur, les ailes fixées à l'horizontal donnerait une performance supérieure : le rôle des battements se résume à la traction en avant.

En résumé, les problèmes posés par les systèmes à ailes battantes réalisés de nos jours sont très nombreux :

- Le modèle le plus souvent réalisé est inspiré du vol combiné de l'oiseau qui pratique indifféremment les trois types de vol : vol plané, vol ramé ou vol combiné (vol plané et vol ramé simultanément). Si l'aérodynamique du vol plané (écoulement laminaire) est bien connu aujourd'hui, l'aérodynamique instationnaire (du vol ramé : écoulement turbulent) sans documentation cohérente a des équations aérodynamiques littéralement différentes : c'est l'objet de l'invention que nous proposons.

Le vol combiné qui comporte une proportion plus ou moins grande du vol plané et du vol ramé, fait appel à des équations aérodynamiques tout simplement variables selon la proportion de l'un ou l'autre type de vol, et donc, difficilement maîtrisables.

- Le rôle des volets qui correspondent aux plumes chez l'oiseau et qui permettent au vol battu d'améliorer la performance aérodynamique est totalement ignoré dans les modèles à ailes battantes existants actuellement. - La petite taille, privilégiée dans les modèles réalisés est plus difficile à réaliser pour le vol ramé qui voit sa performance aérodynamique croître avec la grandeur du modèle (contrairement au vol plané).

- L'absence de différentiel de vitesse entre les deux phases de battement, comme c'est la règle dans les systèmes actuels, réduit énormément la performance du vol ramé (surtout en l'absence de plumes ou de volets). Ainsi la force aérodynamique induite par la phase montante du battement, dirigée vers le bas, reste significative par rapport à celle induite par la phase descendante. La résultante sur la portance est très faible ou nulle de telle sorte que le rendement sur la portance, lié intrinsèquement au battement reste très faible. De plus ces deux forces, très supérieures aux forces d'avancement (compte tenu de la direction du plan des ailes par rapport à la direction de battement), constituent un gaspillage énergétique. La forme de l'aile généralement attribuée est telle que le coefficient de pénétration en phase montante (face active = extrados) est très peu différent du coefficient en phase descendante (face active = intrados), puisqu'il faut préserver la faculté de planer. Cela engendre au mieux une petite différentielle dirigée vers le haut : autrement dit, une aile propice à planer n'est pas l'idéal pour ramer et la différence des deux coefficient est nécessairement faible.

- Les déformations du profil alaire, contrôlées ou non pour les ailes rigides, libre pour les ailes souples (bord d'attaque rigide et bord de fuite souple), permettent aisément de comprendre la résultante propulsive du vol ramé : le plan de l'aile est dirigé vers le bas et en avant à la phase descendante et vers le bas et en arrière à la phase montante du battement. En effet que l'aile monte ou descende, la force aérodynamique induite est toujours dirigée vers l'avant, engendrant une force poussant le véhicule vers l'avant et le déplacement horizontal de la voilure crée une portance selon le principe d'écoulement laminaire. Cette force augmente réellement avec la fréquence du battement mais la turbulence détériore rapidement portance des ailes. Ces systèmes sont donc profondément compromis, ils paraissent d'ailleurs plus compromis que les systèmes combinant ailes fixes et propulsion indépendante (hélices ou réacteurs). En effet l'absence de turbulence autour de l'aile fixe permet une portance laminaire plus efficace et plus quantifiable, de même que le rendement propulsif d'une hélice classique est forcément meilleur que le rendement propulsif de telles ailes en position quasi horizontale. En résumé, en absence de vent relatif horizontal, la portance est quasi inexistante. C'est la raison pour laquelle aucun système réalisé de nos jours ne réussi à décoller par seuls battements d'ailes. Le faible poids (environ 500g) des modèles qui de nos jours réussissent à entretenir leur vol après lancement manuel, présume d'une poussée horizontale relativement faible (150g au plus pour un véhicule de 500g).

- De part leur conception, la structure alaire et les résonances aéroélastiques sont difficilement contrôlables. 11 convient de souligner que la maîtrise des phénomènes aéroélastiques est vitale en matière de battement d'ailes du fait de risques réels de rupture alaire plus importants qu'en matière d'ailes fixes.

- L'absence de variation d'amplitude de battement réduit aussi la performance des systèmes existants.

Exposons maintenant en détail l'invention proposée et les solutions techniques apportées aux problèmes techniques soulevés plus haut : Le système proposé par cette invention concerne la propulsion par une surface battante produisant une force ramée pure.

La particularité du vol ramé pur est de pouvoir engendrer, par oscillation, la force portante qui compense le poids, et la force de propulsion qui fait mouvoir horizontalement, sans écoulement d'air autour des contours. Les forces produites par écoulement horizontal (avance du véhicule) sont donc nulles. La seule oscillation d' une surface battante crée donc une force différentielle dirigée vers le haut et suffisante au décollage. Le décollage vertical et le vol stationnaire sont donc aisément réalisables.

L'équation régissant la force aérodynamique par interaction entre une surface et le vent reste valable pour une aile battante. Ce sont les mêmes calculs pour la résistance d'un panneau publicitaire, ou encore la façade d' un immeuble exposé au vent naturel. La seule différence dans ce cas (comme pour un avion à aile fixe), c'est qu'on parle de vent relatif car c'est la surface qui se déplace par rapport au « vent » qui lui reste fixe. Mais le résultat est strictement le même. Contrairement à l'avion à ailes fixes, le vent relatif n'est pas la direction de déplacement de l'avion mais plutôt la direction de déplacement de la surface battante : c'est à dire toujours perpendiculaire à la surface dans ce cas présent de vol ramé pur.

La résistance de l'air F sur notre surface S de coefficient de pénétration Ca se déplaçant dans l'air à la vitesse V s'écrit donc : F=™ — ^ .On comprend facilement qu'une surface plane aux deux faces identiques et oscillant à la même vitesse lors des deux phases, produise une résultante finale nulle. On comprend aussi que l'on peut facilement déséquilibrer ce bilan en modifiant alternativement les paramètres de cette équation pour au final créer une force dirigée vers une seule face appelée force différentielle de battement qui est le propre du vol ramé. Cette force différentielle est possible en augmentant la résistance de l'air à la phase descendante (face active = intrados) et en la réduisant à la phase montante (face active = extrados)

Selon la formule fondamentale ci-dessus, on peut donc agir sur l'un ou plusieurs des 4 paramètres du numérateur : en les augmentant à la phase descendante et en les diminuant à la phase montante. Un autre facteur influençant considérablement la résistance de l'air sur l'aile est la direction de déplacement de la surface par rapport au plan de celle-ci (vent relatif). La résistance est maximale pour un déplacement perpendiculaire au plan de la surface. C'est dans cette condition que l'on obtient la limite maximale de la traînée (parallèle au vent relatif)-s-uf- cette surface : cette traînée est dite de culot. Lorsque la direction de déplacement de la surface alaire (vent relatif) n'est pas perpendiculaire au plan de la surface, cette traînée n'est plus maximale du fait de la réduction de la surface frontale active. De plus, sa direction fait un angle avec celle du vent relatif (direction de battement). Une analyse approfondie montre une apparition de phénomènes laminaires dans cette situation et, nous ne le privilégierons pas ce cas de figure dans la description de nos propulseurs. Cette remarque nous permet seulement de comprendre qu'en mode laminaire (vol plané), on fonctionne en terme de limite inférieure de la résistance puisque les performances sont optimales quand les surfaces sont presque parallèles au vent relatif ; alors qu'en mode turbulent (vol ramé) on est dans la limite supérieure.

Dans ce qui suit, on considère donc que le vent relatif (direction de déplacement de la surface) est perpendiculaire à la surface alaire. Voyons comment modifier les quatre paramètres pour induire une force différentielle :

La masse volumique φ :

- Dans la nature, on considère quelle ne varie pas au cours des deux phases de battement. Par contre dans un véhicule artificiel, on peut rejeter de la matière d'un seul côté de la surface alaire de telle sorte que la différence de masse volumique dans les deux phases induise une différence de force aérodynamique. - On peut aussi imaginer qu'en modifiant la température locale (rayonnement chauffant par exemple), on puisse modifier sa densité et influencer la force différentielle.

- la variation contrôlée de φ peut servir au pilotage

Le contrôle de φ est très important pour propulser un véhicule en absence d'atmosphère

(propulsion spatiale par exemple).

Le coefficient de pénétration Ca (intrados) et Co (extrados) :

On va privilégier les formes qui augmentent le coefficient Ca à la phase descendante

(formes plates, creuses, concaves, à arrête vive) et ceux qui diminuent le coefficient Co à la phase montante (formes convexes, effilées, fuselées, profilées...). On va aussi tenir compte de tous les facteurs qui font varier ce coefficient, comme par exemple l'allongement de l'aile. Dans l'exemple principal de ce travail le coefficient en phase descendante est de 1,4 alors que celui en phase montante est de 0,47 : soit 3 fois inférieur. De telles formes sont totalement inaptes à planer.

- la variation contrôlée du rapport Ca/Co peut servir au pilotage. On peut par exemple imaginer un système avec des ailes munies d'une face gonflable permettant au pilote de varier d'une manière contrôlée la courbure de cette face : on pourrait donc générer un couple différentiel entre deux ailes induisant par exemple un roulis. La surface alaire :

La surface est déployée au maximum en phase descendante pour opposer le maximum de résistance. En phase montante elle se réduit au minimum, des volets s Ouvrant pour laisser s'écouler librement l'air en opposant un minimum de résistance agissent par réduction de surface active. C'est aussi l'un des rôles des plumes chez les oiseaux qui ne laissent passer de l'air qu'en phase montante. Dans l'exemple principal de ce travail, la présence des volets et leur ouverture en phase montante réduit de 7 fois la surface alaire. On peut aussi imaginer changer la direction du plan d'une aile sans volets en phase montante pour qu'elle soit le plus possible parallèle au vent relatif. On peut aussi imaginer une aile en deux parties longitudinales qui s'ouvrent en restant concave à la phase descendante et se refermant verticalement avec une forme fuselée (ligne d'articulation arrondie et vers le haut) à la phase montante.

- la variation contrôlée de S peut servir au pilotage

La vitesse linéaire de battement de l'aile : Lorsque la vitesse de descente est différente de celle de montée, les deux forces aérodynamiques engendrées sont elles aussi différentes. De plus, étant proportionnelle au carré des vitesses, la différence des forces augmente encore plus vite que celle des vitesses. Dans la nature, les êtres volants à battements lents comme l'oiseau permettent d'observer à l'œil nu cette différence. 11 faut une caméra stroboscopique pour observer cette différence lorsque la fréquence de battement est élevée. On comprend alors que lors d'un vol combiné, la remontée plus lente de l'aile augmente la performance aérodynamique laminaire par réduction de turbulence.

Dans notre exemple principal, la vitesse différentielle est non seulement présente du fait du type de générateur choisi, mais surtout modulable très fortement et à volonté par le pilote et surtout indépendamment de la fréquence de battement. Le rapport de vitesse peut facilement atteindre 10 (voir plus avec le simple générateur mécanique à manivelle décrit dans cet exposé) et donc engendrer une force différentielle 100 fois supérieure pour ce seul facteur de vitesse.

En combinant différents facteurs, il est possible d'accroître la différence au point de rendre négligeable l'une des deux forces, montante ou descendante. Dans le cas de notre exemple de référence, on obtient l'une des forces jusqu'à 2100 fois supérieure à l'autre sans modifier la densité. Soit un rendement aérodynamique de 99,95%. Ce même bilan est presque résiduel dans la quasi totalité des- aéronefs à ailes battantes existant de nos jours.

11 est important de signaler que dans la réalité ce rendement est supérieur. L'explication est simple car il est strictement lié à la traînée maximale en milieu de plus en plus turbulent : tout ce qui « perturbe » notre aile vient accroître ce rendement.

Pour utiliser ensuite cette force il suffit de pouvoir maîtriser son intensité et orienter sa direction : en avant pour avancer, en arrière pour freiner ou reculer... La combinaison de plusieurs propulseurs sur le même véhicule permet aisément de générer les couples différentiels nécessaires au pilotage (lacet, roulis et tangage par exemple). Le vol ramé générant une torce portante discontinue, il suffit maintenant d'empêcher le véhicule de chuter à la phase non portante du battement. On y parvient techniquement en augmentant la fréquence de battement ou en multipliant le nombre d'ailes à volonté et en les organisant en battements cadencés : certaines travaillent quand d'autres se reposent et inversement. Une autre manière très spéciale de réduire cette chute est d'augmenter la durée descente (dans un cycle) en réduisant la vitesse de l'aile à cette phase tout en effectuant une remontée très rapide. Dans ce cas, le facteur vitesse n'est plus en faveur de la force différentielle et il faut donc travailler minutieusement les autres facteurs (les volets et les formes de l'aille, rejet de matière...) pour préserver cette force différentielle. Ce dernier cas est particulièrement adapté aux véhicules à deux ailes et rend le vol stationnaire plus confortable. Dans l'ensemble des cas, le vol en translation horizontale vient parachever cette correction en rendant le vol encore plus rectiligne.

Notre invention concerne donc tout dispositif à ailes battantes capable d'induire une force différentielle substantielle par simple variation d'un ou plusieurs des facteurs de la formule de la traînée ci - haut. Idéalement, ce système permet la construction d'un rameur pur (aquatique ou aérien). Mais il peut aussi permettre la construction d'appareils à propulsion combinée (planeur et rameur, aquatique ou aérien) ; ou tout simplement à améliorer les systèmes existants. C'est . ainsi que l'adoption de volets ou d'un générateur de battement qui module les vitesses selon les phases améliorera la quasi totalité des modèles à ailes battantes existants à ce jour. Rien n'empêche de remplacer les hélices ou les réacteurs d'avions actuels par ces nouveaux propulseurs.

Un tel dispositif peut être construit de la façon suivante : un générateur de battement inclus dans un bâtit provoque par un dispositif de transmission les oscillations du plan alaire fixé par son axe de battement à un support, lui même solidaire au bâtit. Le générateur de battement est la pièce maîtresse du système. 11 conditionne l'efficacité et l'ergonomie de l'ensemble. Son rôle est de fournir la force et de contrôler la cinétique du battement. Après avoir décrit succinctement quelques générateurs possibles, nous décrirons plus en détail un générateur mécanique ainsi que sont fonctionnement.

- Générateur électromécanique : un dispositif à deux pôles attire et repousse d'une manière précise un récepteur lui même solidement fixé à un levier qui transmet les oscillations à l'aile. Le contrôle des intensités d'induction électromagnétiques ainsi que leur fréquence permet de contrôler avec précision les fréquences de battements, les vitesses des différentes phases et l'amplitude de déplacement alaire.

- Générateur hydraulique ou pneumatique : deux vérins sont articulés à travers un axe lui même solidaire d'un levier qui transmet le mouvement à l'aile. Le contrôle précis et instantané des deux pressions Pl et P2 permet de générer les oscillations, et de contrôler les vitesses et l'amplitude de battement ainsi que leur fréquence.

- Générateur mécanique à Cames : la rotation d'une came mobilise une roulette elle même solidaire d'un levier qui transmet son oscillation à l'aile. La position, l'excentricité et la forme de la came déterminent les différentes vitesses de phases ainsi que l'amplitude de battement. La vitesse de rotation détermine la fréquence de battement.

- Générateur mécanique à manivelle : c'est le générateur que nous prenons en référence dans ce travail. Les calculs et équations font allusion à ce type de générateur. 11 faut aussi préciser que le langage utilisé fait référence aux aéronefs alors qu'il est tout aussi valable pour les autres utilisations, aquatiques et spatiales en particulier, en adaptant les paramètres. C'est ainsi que la direction vers le haut ou vers le bas utilisée fréquemment n'a aucun sens quand on se trouve dans l'espace. Un boiter de puissance contrôleur de couple assure la rotation de la manivelle elle même articulée avec le levier par un axe. Le levier est lui aussi lié à l'aile par un tube dans lequel il coulisse librement. Le boîtier de puissance se déplace linéairement dans le bâtit et sa position précise est assurée par un positionneur. Comme positionneur on peut citer les vérins électriques, pneumatiques, hydrauliques, à vis, moteurs électriques linéaires, système d'engrenage à crémaillère... La rotation de l'arbre de la manivelle est directement (hydraulique, pneumatique, électrique...) ou indirectement (renvois d'angle par exemple) assurée par une motorisation classique de puissance (diesel à piston, essence à piston, électrique, turbopropulseur...). La rotation peut être aussi, notamment en cas de panne d'un nombre important de réacteurs (probabilité proche de zéro) par la force musculaire des occupants du véhicule par des moyens comme une transmission à chaîne issue d'une pédale de bicyclette. Lorsque la manivelle tourne, l'axe d'articulation au levier ou axe d'induction (O) décrit une trajectoire circulaire alors que la direction longitudinale du levier effectue des mouvements alternatifs de haut en bas en faisant des mouvement de va et vient dans le tube alaire : la portion du levier en dehors du tube se raccourcie et s'allonge donc alternativement. La direction du plan de l'aile suit donc celle que prend le levier à chaque instant. Lorsque la manivelle tourne de manière constante dans le sens contraire des aiguilles d'une montre (manivelle en face de nous), le temps de descente est plus court que le temps de montée. C'est ce cas de figure qui étayera notre démonstration. Lorsque la manivelle tourne de manière constante dans le sens des aiguilles d'une montre, c'est l'inverse qui se produit. Ce mécanisme produit donc bien un différentiel de vitesse entre la phase montante et la phase descendante. De plus, lorsque la distance séparant l'axe de battement de l'aile (B) et l'axe de rotation de la manivelle (R) diminue, le rapport de vitesse descendante/montante augmente à l'infini quand cette distance se rapproche du rayon de la manivelle. Si l'on étudie la cinétique d'un point de l'aile, sa trajectoire définie un arc de cercle d'autant plus grand que l'on s'éloigne de l'axe de l'aile. Tous les points effectuant leur trajet dans la même période, les vitesses linéaires des points augmentent donc avec leurs distances à l'axe de battement. La vitesse de chaque point s'annule 2 fois par cycle au point mort haut PMH et point mort bas PMB. Quand l'aile descend, la vitesse des points part de zéro au PMH à une vitesse maximale V quand l'aile est horizontale (plus rigoureusement quand les 3 axes ROB sont alignés et la surface alaire est au plan moyen descendant), puis décroît jusqu'à zéro au PMB. Quand l'aile monte, la vitesse des points part de zéro au PMB à une vitesse maximale Vo quand l'aile est horizontale (3 axes ORB sont alignés et la surface alaire est au plan moyen montant). En somme, en variant la distance entre l'axe de rotation de la manivelle et l'axe de battement de l'aile, ce mécanisme ^

permet de contrôler d'une manière extrêmement précise la vitesse V, la vitesse Vo, le rapport V/Vo, l'amplitude de battement, la durée de chaque phase du cycle de battement. De plus, le rapport V/Vo est indépendant de la vitesse de rotation de la manivelle qui permet de contrôler la fréquence de battement. Pour faciliter la lisibilité de ce qui suit et éviter la manipulation de formules trigonométriques complexes n'ayant pas un intérêt évident et dont l'omission n'altère en rien les résultats, nous simplifierons le travail en positionnant le calcul au moment critique ou la vitesse est maximale : les point ROB sont donc alignés et la surface alaire est au plan moyen. Calculons la force de battement maximale F (ailes en phase descendante) exercée par une surface battante S (plan moyen descendant) de longueur "La" et largeur "la" et dont le mouvement est induit par le mécanisme précédent. Soit Fo la force « parasite » maximale générée par S en phase montante (plan moyen montant). Comme dit précédemment, la particularité de ce système est que la vitesse v de chaque point de la surface varie avec sa distance t de l'axe de battement. La force F| exercée par une surface élémentaire varie donc aussi avec cette distance /. La = longueur d' une aile. ta = largeur de l'aile, α = amplitude de battement. N = fréquence de battement.

/ = distance séparant Y axe de battement <$îla surface élémentaire ds . dl = longueur de la surface élémentaire ds , longueur élémentaire. ds = surface portante élémentaire. V = vitesse linéaire de la surface élémentaire φ = masse volumique de l'air.

Ca = coefficient de traînée de l'aile en phase descendante. Co = coefficient de traînée de l'aile en phase montante.

F= force portante maximale exercée sur toute la surface alaire en phase descendante. Fo= force portante maximale exercée sur le restant de la surface alaire active en phase montante.

Fl= force portante élémentaire en phase descendante, induite par la surface^ . distantede / de l'axe de battement. r =le rayon de la manivelle. d = la distance OB.

Vr = la vitesse linéaire du point O ; Vr = 2rπN.

La surface élémentaire ds ayant la même vitesse linéaire au cours du battement et située à la distance de l'axe B. ds est donc une surface de longueur diet de largeur et (ds=€a x dl).

Dans notre cas de figure (ROB aligné) V∑/d = v /^on en déduit que =2rκN$d, puisque les vecteurs vitesse de tous les points de la surface sont parallèles au vecteur vitesse linéaire du point O. I S

Fi= φ Ca ds v² /2 = φ Ca la di (2 t π N-t/d)² /2

La force totale F est égale au total des forces élémentaires le long de la surface alaire, partant de l'axe de battement à l'extrémité externe de_ l'aile. En jargon mathématique, on écrit ;

(^au

pire des cas où les volets ne s'ouvraient pas en phase montante), et que •

Lorsque d est proche de 0 ce rapport est infini. On en déduit que la force résiduelle parasite est insignifiante d'autant plus que l'ouverture des volets réduit considérablement la surface active en phase montante.

En définitive, l'équation de la force aérodynamique F=^- — = , appliquée à notre surface

3 battante selon ce mécanisme simple est la suivante : F=- 2- ^a ^t ^{a r}

Les applications numériques sont très parlantes. En admettant que l'on ne trouve aucun problème technique à construire un propulseur l'une largeur alaire de 1,5 mètre, d'une longueur de 5 mètres , r = 25cm et d = 5cm, si la vitesse de rotation de la manivelle est celle d'un moteur diesel à 3000trs/mn (fréquence alaire = 50 Hz), on aura les valeurs suivantes : F=13 000 tonnes pour une aile au niveau de la mer, ou 13 tonnes à une altitude où la masse volumique de l'air est divisée par 1000, vitesse linéaire maxi en bout d'aile =8000m/s soit 28800km/h. Pour avoir une interprétation plus concrète, ceci pourrait correspondre à un véhicule à 16 ailes de 200 tonnes décollant du sol à une fréquence alaire de 5 Hz et d = 50 cm, réduisant progressivement la distance d en augmentant la fréquence de battement au fur et à mesure que la densité de l'air baisse. Un tel véhicule maintiendrait sa portance jusqu'à 50km d'altitude. A partir de cette distance, il pourrait pulvériser de la matière à 28800km/h pour continuer sa trajectoire. Cette équation métamorphosée mériterait des milliers de pages de commentaires mais nous retiendrons trois points essentiels :

1 -Appliquée à une aile fixe, la force aérodynamique, perpendiculaire au plan de l'aile est dirigée en haut et en arrière. Elle génère alors une traînée qui empêche l'avion d'avancer. Appliquée à notre aile battante, la force produite est dirigée vers le haut (alternativement en dedans, en deçà du plan moyen et en dehors, au delà de ce plan) pour créer la portance de l'avion. On comprend que, lorsque l'aile se situe au dessus du plan moyen elle crée une dépression au dessus du fuselage. Quand elle se situe en dessous de ce plan, elle crée une hyper pression en dessous. Ces deux phénomènes sont en faveur de la portance. Quand l'aile se trouve au plan moyen, la force aérodynamique directe est maximale et parallèle à la direction du déplacement du véhicule. Lorsque l'on effectue une rotation alaire, les mêmes phénomènes se reproduisent dans le sens antéro-postérieur toujours en faveur de l'avancement du véhicule. En définitive la force créée est toujours en faveur du but recherché, et sans aucun compromis.

2- Appliquée à une aile fixe, la vitesse de la formule représente celle de l'avion de telle sorte qu'en absence de tout déplacement, la portance est nulle. Concernant l'aile battante construite à notre façon, cette force est totalement indépendante de la vitesse du véhicule.

3- La troisième observation, de taille, concerne l'aspect fondamental de la modélisation du système. La portance d'un avion à ailes fixes est proportionnelle à sa surface alaire (entité à 2 dimensions) alors que son poids est proportionnel à son volume (entité à 3 dimensions). Lorsque les modèles homogènes à ailes fixes augmentent de taille, la portance croît moins vite que le poids,, entraînant nécessairement un compromis de conception, de construction et d'utilisation. Concernant un système à aile battantes construit sur la base de notre invention, l'analyse de

3 l'équation montre que la force aérodynamique est proportionnelle à {la-La) : la largeur de l'aile

3 2 2 et à sa longueur à la puissance 3. (Ia-La) peut aussi s'écrire -la- La- La - ou encore -S-La - qui est donc supérieur à S⁴ : de toute façon facteur de dimension 4. On voit donc que la force aérodynamique est une entité de dimension 4, c'est à dire supérieure à celle du poids (dimension

3). Ceci donne une marge de manœuvre supplémentaire aux concepteurs lors de la conception des véhicules de plus grande taille. Les grands modèles sont aérodynamiquement plus performants que les petits modèles à l'inverse du système à aile fixe. Si de plus on analyse les autres facteurs non pris en compte dans la grandeur du modèle (N, φ, r et d), on remarque que leur souplesse d'utilisation sont encore en faveur du système à ailes battantes. Lors d'une période caniculaire par exemple, un aéronef avec nos ailes battantes peut compenser la diminution de la densité de l'air : en rétablissant directement cette densité sous ses ailes par rejet de matière dense (impossible sur les avions actuels), en augmentant la fréquence de battement N, en réduisant d, voir même en augmentant r sur les véhicules le permettant. Tout ceci sans aucun désagrément. Pour un avion actuel l'adaptabilité est de ce point de vue limitée : soit il reste cloué au sol, soit il décolle en conditions extrêmes, notamment très bruyantes.

Concernant le bâtit, son rôle est d'héberger le générateur afin d'assurer la cohérence physique de la suite générateur-transmission-aile. Tl peut être sous forme de boîtier, carter, cadre, rail... Tl est solidaire au support alaire. Lorsque le support est mobile, il peut porter un axe de mobilité concentrique à celui du support. Lorsque le support est fixe, le bâtit peut être confondu à la structure du véhicule (absence de bâtit individualisé). La fixation sur celui-ci du dispositif d'assistance au battement (élastique, ressort, vérins, électromagnétique, moteur auxiliaires...) rend le montage plus efficace. Lorsque le support alaire est mobile, le point d'entraînement est soit sur le bâtit, soit sur le support lui-même.

Concernant la transmission, elle se charge comme son nom l'indique de communiquer l'action du générateur à l'aile en la transformant en oscillations. On peut-avoir— an-seu-1-ou- plusieurs dispositifs de transmission pour la même aile. Concernant le vol ramé, la transmission par levier _∞

est très appropriée et bien adaptable à une plage de couple et de fréquence d'oscillations très grandes. Sous forme de poutre avec un point de liaison avec le générateur, sa longueur est facilement adaptable à la longueur de l'aile, son épaisseur est choisie en fonction du type de contact avec l'aile. Sa hauteur est choisie en fonction du couple et de la fréquence à transmettre. Son plan moyen est perpendiculaire à l'axe de battement et donc parallèle à la direction du battement. 11 peut être confondu à la structure de l'aile (levier immobile) en fonction du type de générateur choisi. 11 peut aussi coulisser librement dans un logement inclus dans la structure alaire. Toujours dans ce cas de figure, sans être la seule possibilité, l'utilisation d'un levier se fait sans compromis structural, ni aérodynamique, ni aéroélastique. On peut citer la transmission par pignons : un pignon partiel du générateur s'engrène avec un autre pignon partiel solidaire de la base de l'aile, l'amplitude et le couple de battement sont fonction du module et des nombres de dents de chaque pignon. On peut aussi imaginer un générateur concentrique à l'axe de battement avec une transmission directe. Ce dernier peut aussi inclure directement un dispositif d'assistance au battement comme un ressort de rappel spiral, l'ensemble étant directement fixé au support alaire.

Le support alaire peut être considéré comme un élément fixe ou mobile sur lequel vient se fixer l'aile par une liaison mobile autour de l'axe de battement. 11 est lui même fixé au bâtit. Lorsque l'encombrement le permet, le support est idéalement constitué d'une plaque circulaire s' articulant par rotation dans un anneau intégré au flanc du fuselage. Cet anneau est concentrique à l'axe du bâtit quand il existe. Le support présente le ou les orifices de passage des dispositifs de transmission ou d'assistance au battement. Le dispositif d'assistance au battement peut être directement fixé au support. Lorsque l'encombrement ne le permet pas, une plaque plus réduite de forme quelconque, fixe ou mobile, peut suffire. Lorsque le support est fixe, une portion fixe de la paroi du véhicule peut jouer efficacement son rôle. On peut aussi imaginer une boule sphérique (comme un globe oculaire) faisant office à la fois de bâtit et de support, et incluant le générateur d'oscillations. L'avantage est de pouvoir mobiliser l'aile dans tous les sens. Le rôle du support est d'orienter la force aérodynamique créée par rotation avant ou arrière. La rotation en avant et de même angle de tous les supports permet d'avancer. De plus, le passage du vol vertical au vol horizontal se fait sans discontinuité (contrairement au convertible) et donc, en toute sécurité. La rotation de même angle de tous les supports en arrière fait reculer ou sert d'aérofrein. Ici aussi, l' aérofreinage se fait sans danger contrairement à l'avion actuel ou la manœuvre de freinage perturbe l'efficacité aérodynamique de l'aile ; l'inversion de poussée des réacteurs n'y est pas sans dangers du fait de la réduction de puissance et de la turbulence provoquée au niveau des ailes. La rotation des supports droits dans un sens et des supports gauches dans l'autre crée un couple de rotation du véhicule : le lacet. La gouverne de direction n'est donc pas nécessaire dans ce système.

L'aile est l'un des éléments fondamentaux du dispositif. Elle est caractérisée par sa surface, la direction de son plan, sa forme, sa structure, le coefficient de traînée à la phase montante (extrados= Co) et à la phase descendante (intrados=Ca). L'activité aérodynamique est alternative.

D'une manière générale, elle est constituée d'une partie proximale, la base de l'aile, plus robuste, moins portante, incluant l'axe de battement et dont le rôle principal est de recevoir le mouvement d'oscillation transmis. La partie distale plus fine comprend l'essentiel de la surface battante et a un rôle aérodynamique essentiel. Lorsque l'axe de battement est parallèle au plan de battement, la force aérodynamique produite est parallèle à la direction d'oscillation et le vol ramé est pur. Si par contre cet axe n'est pas parallèle à ce plan, la force générée n'est plus parallèle à la direction du battement. Cette dernière possibilité est intéressante pour générer une force de propulsion horizontale alors que le support alaire est fixe, et particulièrement adaptée au vol combiné. La forme de l'aile est telle que le Ca soit maximum et le Co minimum. La présence des volets réduit la surface active à la montée tout en la préservant à la descente. L'ouverture des volets peut-être spontanée ou asservie. Lorsque l'aile a des volets, le reste de la surface (volets non compris) doit respecter les exigences du Co minimum en montée. Un autre point important de l'aile battante est sa fréquence de résonance aéroélastique qu'il faut spécifiquement maîtriser afin d'éviter une rupture alaire au cour du battement. L'aile rameuse pure est constituée en général d'un ou plusieurs longerons parcourant la longueur de l'aile (poutre) de plan moyen perpendiculaire à la surface alaire et donc parallèle à la direction du battement. Ces longerons peuvent être creux non seulement pour la légèreté structurale, mais aussi pour servir de logement fonctionnel des leviers de transmission. La rigidité de la structure et la fréquence de résonance aéroélastique dépendent essentiellement de la hauteur de ces poutres dont la modification ne compromet en rien la performance aérodynamique. L'une ou l'autre face (généralement l'intrados) peut comporter des orifices de rejet de matière (préférentiellement aux extrémités ou la vitesse est grande) pour générer ou accentuer la force différentielle. L'aile doit être légère pour une économie d'énergie cinétique.

Le principe des ailes battantes rend possible le déplacement individuel des parachutistes une fois en vol, de même qu'une aide au déplacement individuel et manuel dans l'eau.

On aboutit naturellement à l'élaboration de différents types de propulseurs aquatiques, aériens ou spatiaux dont la particularité est de générer une force unidirectionnelle parfaitement maîtrisable. Le contrôle de la vitesse linéaire de l'aile définit l'intensité de la force aérodynamique alors que l'orientation du support alaire définit la direction. 11 est aussi important de parler du dispositif d'assistance au battement. En effet, tout système facilitant la mise en oscillation de l'aile rendra l'ensemble plus performant. Cela peut être un dispositif électromagnétique à induction cadencée par les battements. Des procédés hydrauliques ou pneumatiques peuvent jouer le même rôle. Dans le propulseur utilisant le générateur à manivelle de notre description, l'assistance au battement se fait simplement par une sangle élastique fixée sur le bâtit et la base de l'aile, de longueur et de constante de raideur bien définies, qui accumulent son énergie en s' allongeant à la phase montante et la restitue à la phase descendante.

La conception d'une multitude de propulseurs est possible en utilisant ces différents éléments. Il existe une diversité de propulseurs possibles. L'organisation générale est fonction du but recherché, de la forme de l'appareil et du nombre total d'ailes à utiliser. On peut utiliser autant d'ailes que l'on souhaite. Une organisation représentative et spécifique de ce système est la conception d'un véhicule à ailes multiples et à battement séquentiel. Un véhicule de forme grossièrement allongée et quadrangulaire, destiné à un déplacement horizontal comportera de préférence un nombre d'ailes multiple de 4 et supérieur ou égal à 8, symétriquement réparties par rapport au centre de gravité de l'appareil, et battant de manière alternative de sorte qu'à un instant donné il y ait toujours au moins 4 ailes qui assurent la portance et/ou la propulsion de l'appareil en respectant son équilibre ; les ailes sont réparties en deux groupes de part et d'autre du fuselage, un espace (d'autant plus grand que la vitesse maximale souhaitée est grande) bien précis séparera deux ailes contiguës pour permettre une rotation alaire (pivotement) sans chevauchement lors du battement en rotation maximale. Les axes de battement des ailes du même côté sont parallèles. (Exemple : véhicule à 16 ailes décrit dans l'invention). Dans ce cas, la direction d'emplanture des ailes peut être, au choix, parallèle au fuselage ou oblique, et le fuselage réparti sur plusieurs étages orientés selon la direction de Femplanture des ailes. Les aéronefs peuvent être munis de parachute et de coussin gonflable de sécurité susceptibles d'être déclenchés par un pilote en détresse. Ceci devient réellement envisageable dans ce système du fait de l'extrême légèreté de la structure.

Un véhicule de forme grossièrement circulaire et destiné à un déplacement vertical comportera préférentiellement un nombre d'ailes supérieur à 4 et multiple d'au moins 2 (le groupe élémentaire est ici égale ou supérieur à 2), organisées de telle manière que la résultante de chaque battement d' un groupe élémentaire se trouve au centre de gravité (Exemples : plate¬ forme circulaire à 9 ailes battant en trois temps ; gigantesque station d'entraînement sportif, pourvu de plusieurs centaines d'ailes et permettant le séjour prolongé de sportifs en altitude pour un entraînement plus efficient). Une infinité de modes de réalisations particulières est possible : modèle à trois ailes aérodynamiques (2 ailes latérales battantes+ une aile secondaire et caudale non battante servant de gouverne de profondeur) ressemblant à un oiseau (scooter aérien) ; aéronef pendulaire à deux ailes ; automobile utilisant une ou plusieurs ailes battantes supérieures en appoint au freinage....

La réalisation à 16 ailes de cette invention est un aéronef comportant 4 vérins télescopiques lui permettant d'éviter d'abîmer ses ailes au sol. Les 16 ailes (8 ailes de part et d'autre du fuselage) battent alternativement par groupe de 4 en décalage de phase de π/2. Les 4 ailes battant au même moment sont situés symétriquement (longitudinalement et transversalement) par rapport au centre de gravité. La synchronisation des battements est assurée par un système mécanique de renvoi d'angle lié aussi aux moteurs de puissance. Un système de Commande permet de générer différentes fonctions (puissance globale des ailes pour l'altitude ; contrôle du tangage, roulis, lacet, avancée, freinage et recul). La variation de puissance de l'ensemble des ailes provoque une ^

variation d'altitude. La rotation des 16 ailes vers l'avant fait avancer, leur rotation vers l'arrière freine ou fait reculer ; un dispositif assure la rotation différentielle (rotation avant pour un groupe et arrière pour l'autre) des deux groupes d'ailes droites et gauches produisant un couple de rotation : le lacet. Le roulis se produit en augmentant la puissance des 8 ailes homo - latérales et en diminuant celle des 8 autres, créant ainsi un couple de roulis. Le tangage se fait en créant un couple de tangage entre les 8 ailes avant et les 8 ailes arrière. Les gouvernes de direction et de profondeur ne sont donc plus nécessaires et la face arrière reste totalement libre (grand avantage pour les véhicules cargos). L'immobilisation aérienne est possible par compensation du poids du véhicule par la force portante en absence de tout déplacement horizontal (vol stationnaire).

Les ailes battantes que nous décrivons peuvent aussi équiper des véhicules terrestres (automobiles, trains, scooters de neige...), ou aquatiques (sous-marins, bateaux, aéroglisseurs...) et serviront le cas échéant d'hydropropulseurs, d' aéropropulseurs, aérofreins, d'hydrofreins ou d'outils d'équilibrage. Elles peuvent même équiper des véhicules extraterrestres à atmosphère gazeux comme la planète Mars ou tout simplement servir à la propulsion spatiale.

Une aile battante pourra comporter une surface active orientable afin de maintenir la force générée parallèle à la direction de déplacement du véhicule. En outre, une aile battante peut être enroulable, pliable, rabattable, escamotable, ou être composée de multiples éléments encastrables en vue de diminuer son encombrement au sol.

L'instrumentation de bord de l'aéronautique contemporaine s'applique à ce système. La considération de l'aspect fondamental résume assez bien l'intérêt du vol battu. Lors de la conception-construction d'un véhicule, on procède le plus souvent à la réalisation d'une maquette 1/n et, il se pose dès lors le problème de savoir si le véhicule final (prototype), eût égards aux résultats de la maquette, respectera les exigences escomptés : le véhicule sera-t-il viable?

Concernant les objets volants actuels, le principal problème peut se poser de la manière suivante : la force nécessaire au vol sera-t-elle suffisante pour un envol harmonieux du prototype ? Considérant la maquette 1/n, que l'on souhaite utiliser dans les mêmes conditions que le prototype (y compris les plages de vitesse), le rapport de poids prototype/maquette = n³ s'ils sont homogènes. Idéalement, il faudrait qu'il y ait un rapport de force portante similaire pour permettre le décollage.

Or, considérant l'aéronautique classique, (l'aéroplane à moteur), F=l/2xφx Cax V²xSxf(α), α≈angle d'attaque de la surface alaire. 11 en découle que le rapport de force entre un prototype et sa maquette 1/n est Fp/Fm=Sp/Sm=n² : ceci est un gros problème pour l'aviation actuelle car le prototype à n fois moins de force/unité de poids pour s'envoler même si la puissance motrice a été adaptée correctement compte tenu du poids prévisible. Ce système est donc infra-idéal et il persiste toujours une incertitude sur l'envol du prototype même lorsque les maquettes ont été réalisées minutieusement : c'est la raison pour laquelle les constructeurs contemporains augmentent la surface alaire, l'angle d'attaque de l'aile (augmentation qui n'est pas sans inconvénient : risque de décrochage) et le seuil de vitesse de décollage (et donc les vitesses minimales portantes et les pistes d'aterrissage-décollage) pour compenser ce manque de force portante. Ce qui fragilise le système en le rendant peu maniable.

Un raisonnement similaire concernant un véhicule à ailes battantes suivant notre construction aboutit au résultat suivant : Fp/Fm=n⁴, on en conclue que dans les mêmes conditions d' utilisation, le prototype a n fois plus de force par unité de poids et surtout que cette force croît plus rapidement que le poids. Ce système est donc supra-idéale. En définitive, un prototype volera toujours plus facilement qu'une maquette plus petite : il suffira de bien choisir la puissance motrice et la résistance de ses matériaux. On sait le faire aujourd'hui.

Avantages d'appareils construits avec les ailes battantes que nous proposons :Un aéronef à ailes battantes construit conformément à l'invention proposée procure, outre le fait de voler réellement de façon autonome et celui d'être fonctionnel contrairement à toutes les tentatives antérieures, une multitude d'avantages dont nous énumérons quelques-uns :

1) Compatibilité avec de très grandes vitesses.

2) Compatibilité avec une très grande portance.

3) Compatibilité avec une très petite portance.

4) Compatibilité avec un grand rayon d'action. 5) Possibilité de pivoter sur place.

6) Atterrissage et décollage verticaux : sans piste spéciale.

7) Ecologique de part la pollution sonore réduite et l'économie d'énergie.

8) Immobilisation aérienne.

9) Freinage dynamique en sécurité. 10) Déplacement dans tous les sens : avant, arrière, de côté.

11) Passage du vol vertical au vol horizontal en toute sécurité.

12) Systèmes très économiques en énergie.

13) Baisse des exigences aérodynamiques, car la dépression avant et l'hyperpression arrière provoquées par le battement réduisent considérablement la traînée du fuselage : la forme fuselée n'est plus nécessaire.

14) Meilleur contrôle de la rigidité alaire ainsi que de sa fréquence de résonance aéroélastique, sans compromis sur l'efficacité aérodynamique. 15) Architecture d'ensemble très léger du fait de la conception des ailes, de la meilleure répartition des forces le long du fuselage, de la souplesse d'utilisation du véhicule dans toutes les phases de vol.

16) Répartition harmonieuse des surfaces motrices actives : ainsi, le volume d'air mobilisé passe par une grande surface rendant ainsi l'appareil très silencieux (moins de 5OdB à 300m pour notre aéronef expérimental de 10m d'envergure sur 30m de long, MTOW 68 t).

17) La construction d'aérodromes spéciaux sur plusieurs étages à parties ouvertes très compactes, ainsi que sur les toits d'immeubles.

18) Sécurisant (motorisation illimitée, principe même de fonctionnement, multiplicité des ailes, parachute + coussin + pédales).

19) Compact : l'encombrement au sol très réduit. Dimensions utiles du fuselage ≈ dimensions réelles du fuselage.

20) Implantation possible d' un aéroport au cœur d' une ville sans perturber ses habitants du fait du procédé très discret et silencieux. 21) Très stable à haute comme à très basse altitude et ce, quel que soit le poids.

22) Vitesse aérienne libre (de 0 à Vmax) avec rendement toujours optimal, permettant de faire demi-tour ou d'atterrir en cas de problème.

23) Portance illimitée grâce à la possibilité de multiplication d'ailes : de métamérisation (répétition d'éléments fonctionnel identiques). 24) Adaptabilité très réactive et maniabilité/pilotabilité très simple du fait notamment de l'absence d'un seuil de vitesse, de la circulation dans tous les sens, la possibilité de pivoter sur place, de l'immobilisation aérienne et du fait de la performance fondamentale due au modèle.

' 25) Possibilité d'atterrir sur les toits -de maisons : ce système fait donc ressortir une des possibilités méconnues de sauvetage humanitaire et sanitaire ou d'intervention policière. 26) Possibilité de compacter les aéroports de façon extrême (600 fois, voire plus) sans perdre un seul siège et surtout de les implanter au cœur des agglomérations sans nuire aux riverains.

27) Procédé parfaitement symétrique : dérive verticale de direction non nécessaire ; une panne de moteur n'affecte nullement la symétrie de l'appareil.

28) Pureté aérodynamique des ailes et du fuselage. 29) Facilité de conception.

30) Efficacité de la recherche : le système étant en tout point sans compromis aérodynamique, les chercheurs se concentrent et se consacrent à l'essentiel, notamment la puissance motrice, la résistance des matériaux et la légèreté des ailes. ^

31) Facilité d'automatisation des méthodes de pilotage.

32) Facilité d'apprentissage du pilotage

33) Facilité de fabrication due à la répétition des éléments constitutifs (modules identiques).

34) Délais de fabrications particulièrement avantageux. 35) Aptitude de vol en toutes saisons, très propice aux missions de sauvetage et de transport d' urgence.

36) La voiture volante, individuelle ou de famille devient possible et sans difficultés.

37) Instrument idéal d'interaction physique entre tous les peuples, bénéfique pour toutes les nations pour un monde plus harmonieux. 38) Un des avantages fondamentaux du concept d'ailes battantes est la portance active uniformément répartie, et instantanément ajustable qui permet d'obtenir une stabilité inégalée, même dans les conditions les plus drastiques. Un véhicule construit conformément à notre invention est capable d'affronter la mer au ras des vagues les plus profondes, les nuages les plus épais, les vents les plus violents, les pluies diluviennes, les grandes variations de pression. De toute façon, si la situation est infranchissable, on peut toujours faire demi-tour ou se poser d' urgence.

Description des figures : Cette invention s'efforce de décrire des propulseurs à ailes battantes et leurs applications. Mais il est difficile de ramener ces ailes à un seul concept : en effet, une infinité de modes de réalisation est possible selon le but recherché. Les ailes varient en fonction de leurs formes, leurs largeurs, leurs longueurs déterminant l'envergure, la fréquence de battement maximale, le type de support alaire, les effets supplémentaires recherchés, la présence ou non de volets classiques ou hypers ustentateurs, l'angle formé par le plan de l'aile et son axe de battement qui peut même varier au cours du cycle de battement, le type d'appareil à réaliser et le nombre d'ailes requis... il est donc impossible de décrire en détail, tous ces modes de réalisation : c'est la raison pour laquelle nous nous efforcerons de donner lors de la présentation des figures, les précisions nécessaires à une meilleure compréhension.

1-1 Schéma des forces induites par une aile d'un aéroplane actuel : les deux composantes de la force crée par la translation d'une aile : la force portante et la traînée qui sont indissociables. La force portante est totalement dépendante de la traînée.

1 -2 Schéma des forces induites par une hélice : les deux principales forces crées par la rotation d'une hélice : la force de translation horizontale et la traînée, sont indissociables 1-3 Schéma de la force induite par une aile battante selon les modèles existants actuellement

1-4 Schéma de la force induite par une aile battante rameuse pure : la force induite par le battement d'une aile ; il n'existe pas de force parasite. Lorsque l'aile est horizontale, cette force est totalement portante et s'il existe une rotation alaire, la composante engendrée remplie totalement la fonction recherchée : translation arrière ou avant

2-1 Propulseur à Générateur magnétique de battement

2-2 Propulseur à Générateur hydraulique ou pneumatique de battement

2-3 Propulseur à Générateur mécanique à cames de battement

2-4 Propulseur à Générateur mécanique à manivelle de battement 3-1 Transmission à Levier

3-2 Transmission par pignon

3-3 Supports alaires circulaires adaptés à 1 ou 2 orifices de passage levier de transmission.

3-4 Autres types de support alaire

4-Λ Mécanisme d'assistance électromagnétique de battement j If

5-1 Aile battante élémentaire plane sans volet : aile battante composée d'une base interne plus épaisse incluant l'axe de battement de l'aile et, un corps de surface plane très convexe à l'extrados et très concave à l'intrados, s'étendant de la base à l'extrémité externe plus fine. Cette aile est incapable de planer

5-2 Aile battante élémentaire plane avec volet : aile avec volets transversaux délimités par deux longerons principaux de plan moyen perpendiculaire à la surface alaire et des nervures transversales, les deux leviers qui transmettent le battement coulissent dans une loge incluse dans les longerons principaux

5-3 Aile battante angulaire sans volet : l'angle formé par l'axe de battement et le plan du coips, qui rend l'aile propice à la génération d'une force de translation horizontale sans rotation de l'aile, mais ayant pour désavantage d'avoir une surface battante efficace inférieure à la surface réelle.

5-4 Ailes encastrables comme une antenne qui permet de réduire considérablement l'encombrement au sol : dans ce cas, l'aile est formée de plusieurs éléments qui s'encastrent les uns dans les autres 5-5 Rame ou nageoire battante

5-6 Ailes battante à rejet de matière avec correction de l'orientation du jet qui reste toujours parallèle à la direction du véhicule. Mécanique de synchronisation, moteur de puissance, pour un aéronef à 16 ailes Sous marin à 8 nageoires Bateau à 8 rames battantes Petit aéronef pendulaire à 2 ailes Aéronef de ligne à 16 ailes battantes à volet

Claims

REVENDICATIONS

1) Dispositifs générant une force différentielle substantielle et unidirectionnelle par la seule oscillation d'une surface, caractérisés en ce qu'ils constituent des propulseurs comportant Bâtit- Générateur- Transmission(s)- Aile(s), et produisant une portance ramée pure suffisante pour mouvoir à la fois de façon autonome et durable des systèmes dans un fluide et/ou dans l'espace, grâce à la modification de l' un ou plusieurs des paramètres de la traînée aérodynamique (φ = masse volumique, S =surface, V =vitesse, C = coefficient de traînée).

2) Dispositifs selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'ils produisent une force différentielle générée par modification de la densité de matière de part et d'autre de la surface oscillante.

3) Dispositifs selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'ils produisent une force différentielle générée par modification des coefficients de pénétration de chacune des deux faces de la surface oscillante : réduite à une phase et consistante à l'autre. 4) Dispositifs selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'ils produisent une force différentielle générée par modification alternative de la proportion de surface active selon la phase d'oscillation.

5) Dispositifs selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'ils produisent une force différentielle générée par modification de la vitesse linéaire de la surface selon la phase de battement : réduite à une phase et élevée à l'autre.

6) Dispositifs selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5 caractérisés en ce qu'ils produisent une force différentielle générée par modification conjointe de plusieurs ou totalité des facteurs ci-haut.

7) Dispositifs selon la revendication 2 caractérisés en ce qu'ils produisent une modification de la densité par rejet de matière au travers des orifices situés à l'une des faces alaires. 8) Dispositifs selon la revendication 2 caractérisés en ce qu'ils produisent une modification de la densité par modification de la température locale.

9) Dispositifs selon la revendication 3 caractérisés en ce qu'ils produisent une augmentation du coefficient de pénétration de l'intrados en adoptant les formes concaves.

10) Dispositifs selon la revendication 3 caractérisés en ce qu'ils produisent une augmentation du coefficient de pénétration de l'intrados en adaptant l'allongement de l'aile.

11) Dispositifs selon la revendication 3 caractérisés en ce qu'ils produisent une diminution du coefficient de pénétration des surfaces actives de l'extrados en adoptantes formes convexes, fuselées, profilées. _∞

12) Dispositifs selon la revendication 4 caractérisés en ce qu'ils produisent une réduction de l'activité aérodynamique de la phase mettant en action l'extrados par ouverture de volets pour réduire la surface active.

13) Dispositifs selon la revendication 4 caractérisés en ce qu'ils produisent une réduction de l'activité aérodynamique de la phase mettant en action l'extrados par repris de la surface rendue inefficace aérodynamiquement.

14) Dispositifs selon la revendication 4 caractérisés par la réduction de l'activité aérodynamique de la phase mettant en action l'extrados grâce au fait de placer le plan de l'aile le plus possible parallèle au déplacement de l'aile. 15) Dispositifs selon la revendication 4 caractérisés par l'augmentation de l'activité aérodynamique de la phase mettant en action l'intrados par le déploiement sa concavité au maximum.

16) Dispositifs selon la revendication 4 caractérisés par l'augmentation de l'activité aérodynamique de la phase mettant en action l'intrados en fermant les volets. 17) Dispositifs selon la revendication 5 caractérisés en ce qu'ils produisent un différentiel de vitesse par une augmentation de la vitesse linéaire de la phase faisant intervenir l'intrados tout en réduisant celle faisant intervenir l'extrados.

18) Dispositifs selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisés en ce qu'ils maîtrisent la force différentielle par contrôle de l'un ou plusieurs de ces paramètres. 19) Dispositifs selon la revendication 17 caractérisés en ce que ce différentiel peut être obtenu industriellement avec un générateur électromagnétique.

20) Dispositifs selon la revendication 17 caractérisés en ce que ce différentiel peut être obtenu industriellement avec un générateur pneumatique ou hydraulique.

21) Dispositifs selon la revendication 17 caractérisés en ce que ce différentiel peut être obtenu avec un générateur mécanique à cames.

22) Dispositifs selon la revendication 17 caractérisés en ce que ce différentiel peut être obtenu avec un générateur mécanique à manivelle.

23) Dispositifs selon les revendications 17,18 22 caractérisés ce qu'ils comportent un positionneur permettant de varier la distance entre l'axe de rotation de la manivelle et l'axe de battement de l'aile aux fins de varier la puissance et la cinétique du battement.

24) Dispositifs selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce qu'ils constitue un propulseur comprenant, un générateur logé dans un bâtit, transmettant le mouvement à l'aile liée à son support. 25) Dispositifs selon la revendication 24 caractérisés en ce qu'ils comportent un Bâtit comprenant i'axe de mobilité, fixation du dispositif d'assistance au battement, point d'entraînement de la mobilité alaire.

26) Dispositifs selon la revendication 24 caractérisés en ce qu'ils comportent une transmission des mouvements du générateur à l'aile constituer entre autres d'un levier et d'un récepteur

, électromagnétique ou d'un levier et d'un axe de liaison.

27) Dispositifs selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisés en ce qu'ils peuvent comporter un Support d'aile mobile en vue d'orienter la force ou un Support d'aile fixe.

28) Aile battante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une base proximale incluant un axe de battement et un corps distal dont le plan, avec ou sans volets, peut ou non être parallèle à cet axe, aile caractérisée aussi en ce qu'elle est liée par son axe de battement à un support fixe ou mobile.

29) Structure alaire comportant des longerons, caractérisée en ce que le plan moyen de ces longerons peut être parallèle au vent relatif de telle manière que leur modification ne perturbe pas la force aérodynamique.

30) Aile battante ^"produisant une portance substantielle par simples oscillations selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle peut comporter une surface active orientable afin de maintenir la force générée parallèle à la direction de déplacement du véhicule. 31) Dispositif de transmission par levier assurant la liaison entre le générateur et l'aile battante, levier caractérisé en ce qu'il comporte une structure susceptible d'être individualisée ou confondue à la structure alaire.

32) Dispositif de transmission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par une transmission par pignon. 33) Bâtit d'hébergement du générateur, caractérisé en ce qu'il peut être individualisé ou confondu à la structure du fuselage et comporter le point d'attache du dispositif d'assistance au battement.

34) Générateur mécanique à manivelle, caractérisé en ce qu'il comporte un axe de rotation de la manivelle, un bras de rayon variable ou non, et un axe de liaison avec le levier de transmission appelé axe d'induction.

35) Positionneur permettant de maîtriser la force^" induite. par un propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce ..qu'il varie la distance entre le générateur et l'axe de battement pour moduler l'amplitude de battement de telle manière que les différentes vitesses obtenues soient totalement indépendantes de la fréquence de battement. 36) Support d'aile battante, caractérisé en ce qu'il peut être individualisé ou confondu à la structure du fuselage et comporter l'orifice de passage ou le peint d'attache du dispositif d'assistance au battement.

37) Dispositif d'assistance au battement, caractérisé en ce qu'il facilite les oscillations induites : ressorts, élastiques, électromagnétiques....

38) Dispositif d'assistance au battement, caractérisé en ce qu'il possède une sangle élastique qui accumule l'énergie à une phase et la restitue à une autre.

39) Levier de transmission de battement, caractérisé en ce que sa partie linéaire externe coulisser librement dans une loge linéaire creuse encastrée dans l'épaisseur du corps de l'aile, et une extrémité interne s'articuler avec l'axe d'induction de la manivelle du générateur de battement.

40) Aile battante selon Y une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'axe de battement peut être soit parallèle soit oblique par rapport au plan de l'aile de manière à pouvoir générer une force portante et une force de translation, même en absence de mobilité de son support. 41) Variante d'aile battante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en qu'elle comporte une base ou un support sphérique autorisant le pivotement et le battement dans toutes les directions.

42) Aile battante selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle peut être enroulable, pliable, rabattable, escamotable, ou être composée de multiples éléments encastrables en vue de diminuer son encombrement au sol.

43) Applications à ailes multiples selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisées en ce que la rotation différentielle des ailes latérales produit un couple de rotation générant le lacet, permettant de se passer de la gouverne de direction.

44) Applications ailes multiples selon Tune quelconque des revendications précédentes, caractérisées en ce que le contrôle des forces aérodynamiques génère un couple différentiel de roulis.

45) Applications ailes multiples selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisées en ce-'que le contrôle des forces aérbdynamiques génère un couple différentiel de tangage rendant la gouverne de profondeur sans objet. 46) Aéronef pendulaire à deux ailes battantes selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'équilibre est obtenu par l'ëloignement vers le bas du centre de gravité du véhicule par rapport au plan alaire.

47) Véhicules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisés en ce qu'ils peuvent utiliser un système à ailes multiples supérieures ou égales à quatre et organisées symétriquement : transversalement et longitudinalement, de façon à respecter l'équilibre lors des battements.

48) Dispositifs selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisés en ce qu'ils utilisent pour être efficients un système avec un nombre d'ailes multiple d'au moins deux ailes dans les véhicules circulaires, ou un système avec un nombre d'ailes multiple de quatre dans les véhicules allongés, ceci permettant une meilleure répartition des efforts autour du centre de gravité.

49) Applications de propulseurs selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisées en ce qu'elles peuvent être utilisées dans un véhicule de forme allongée, avec un nombre d'ailes à la fois multiple de quatre et supérieur à huit en vue d'un battement séquentiel des ailes par quatre ou multiple de quatre, ainsi que d'une meilleure répartition de la masse autour du centre de gravité et un meilleur équilibre aérodynamique et cinétique. Le battement séquentiel dans un véhicule circulaire se ferait par multiple d'au moins deux ailes.

50) Appareils à ailes battantes selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisés en ce que les ailes peuvent être alignées soit parallèlement à l'axe global du fuselage, axe de roulis, soit obliquement par rapport à celui-ci.

51) Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fuselage peut être formé de plusieurs étages : horizontaux ou obliques, dont un étage moteur comportant les moteurs de puissance, de commandes, les propulseurs et les dispositifs d'actionnement des ailes. 52) Applications des ailes battantes selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisées par un déplacement individuel des parachutistes en vol, de même qu'une aide au déplacement individuel et manuel dans l'eau.

53) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il peut comporter un gouvernail stabilisateur. 54) Appareil selon l'une quelconque des revendications, caractérisé en ce que le plancher de l'étage peut être oblique ou en escalier, préférentiellement dans la direction de l'alignement des ailes.

55) Aéronef selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la légèreté de sa structure est particulièrement propice à un dispositif de sécurité associant un système de parachute et un système de coussin gonflable, permettant en cas de chute libre de ralentir la vitesse et d'amortir le choc au point d'impact.

56) Applications à un aéroplane non motorisé selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'un quelconque des procédés suscités pour sa confection et son pilotage.

57) Véhicule hybride à ailes battantes conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est suseeptible-de-^err-nager—glisser sur la neige ou rouler sur la terre. 58) Application d'ailes battantes conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en e qu'elle assure la plongée, la remontée, l' hydropropulsion, F hydrofreinage et l'équilibrage d'un sous-marin : nageoires battantes.

59) Application d'ailes battantes conformera l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle assure la F hydropropulsion, l' hydrofreinage et l'équilibrage d'un bateau : rames battantes.

60) Application d'aile battante conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle assure F aéropropulsion, F aérofreinage et F hydrofreinage, l'équilibrage d'un aéroglisseur. 61) Application d'aile battante conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle assure F aéropropulsion, aérofreinage ou l'équilibrage d'un scooter de neige.

62) Application d'aile battante conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle assure F aéropropulsion, aérofreinage- ou l'équilibrage d'une automobile ou d' un train.

63) Applications d'ailes battantes conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle assure la sustentation de plates-formes ou de bâtiments aériens.

64) Applications sur parkings aériens aménagés sur des toitures d'immeubles ou d'habitations selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisées en ce qu'elles peuvent permettre le libre stationnement des aéronefs à ailes battantes.

65) Dispositif de surélévation, caractérisé en ce qu'il permet de surélever les véhicules à ailes battantes afin que leurs ailes ne touchent pas le sol et puissent battre librement sans confronter le sol.

66) Dispositif de sécurité constitué de pédales de relais en cas extrême de pannes d'un nombre de moteurs altérant l'équilibre des aéronefs, caractérisé en ce qu'il joue le rôle d'actionneur manuel physique de la manivelle.