EP3393903B1

EP3393903B1 - Systeme et procede de pilotage d'un propulseur d'un vehicule marin

Info

Publication number: EP3393903B1
Application number: EP16819935.4A
Authority: EP
Inventors: Christophe Borel; Jean-Philippe Brunet; Benoît THECKES; Cyril BOUYER
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2036-12-22
Also published as: FR3046132B1; AU2016375035B2; SG11201805437VA; US10723426B2; AU2016375035A1; FR3046132A1; CA3009568A1; EP3393903A1; CA3009568C; WO2017109148A1; US20190009871A1

Description

La présente invention se rapporte à la propulsion et à la manœuvre des véhicules marins comprenant un propulseur comprenant deux hélices.
L'invention s'applique tout particulièrement aux véhicules sous-marins comprenant un propulseur vectoriel à deux hélices. Un propulseur est dit vectoriel lorsqu'il peut être piloté de manière à produire une poussée ou force de propulsion orientable sur 4_Π stéradian. La propulsion dite vectorielle d'un véhicule sous-marin s'oppose à la propulsion conventionnelle dans laquelle l'orientation de gouvernes entraine une modification de la portance générée par le flux de fluide entourant les gouvernes. La force générée par le fluide sur les gouvernes permet d'orienter le véhicule dans la direction recherchée. Une limite bien connue de cette forme de propulsion est la nécessité de générer un flux de fluide significatif autour du véhicule pour entrainer une évolution de portance des gouvernes permettant un changement d'attitude du véhicule, c'est-à-dire pour permettre de manœuvrer le véhicule sous-marin. Si ce flux est trop faible alors l'efficacité des gouvernes diminue en raison inverse du carré de la vitesse du flux jusqu'à devenir nulle pour une vitesse de flux nulle. Autrement dit, il n'est pas possible par la propulsion conventionnelle d'orienter le véhicule dans une direction recherchée sans un déplacement significatif du véhicule, lorsque le flux de fluide est nul. De plus les gouvernes génèrent une trainée proportionnelle au carré de la vitesse qui s'oppose au déplacement et qui consomme donc de l'énergie et cela d'autant plus que les gouvernes sont sollicitées. Le procédé de pilotage d'une propulsion vectorielle présentée dans le présent brevet permet au véhicule de se dispenser des gouvernes de direction conventionnelles, et donc de réduire de manière significative la trainée hydrodynamique du véhicule. La propulsion vectorielle du type à deux hélices présente de nombreux avantages théoriques, notamment une mobilité accrue, une simplification de l'architecture (e.g. par suppression des gouvernes), une augmentation de l'endurance du véhicule (par réduction de la trainée hydrodynamique). Cette absence de gouverne autre que les pales des hélices facilite la réalisation d'un véhicule hydrodynamique dit « flush », c'est-à-dire dont aucun appendice ne dépasse, ce qui lui permet par exemple de tenir aisément dans un tube et évite d'abimer les gouvernes lors d'un accostage. Le document US8919274 B1 montre un engin sous marin et son procédé de pilotage comprenant 2 hélices co-axiales, une à l'avant et une à l'arrière de l'engin. US...274 incite à prévoir une distance importante entre les hélices.
Le pilotage d'un propulseur à deux hélices se heurte toutefois à de nombreuses difficultés notamment à basse vitesse.
Un but de l'invention est de proposer un procédé de pilotage d'un propulseur à deux hélices permettant de manœuvrer le véhicule de manière efficace et stable à basse vitesse.
A cet effet l'invention a pour objet un procédé de pilotage d'un propulseur d'un véhicule marin au moins partiellement immergé dans un liquide comprenant un corps et le propulseur monté sur ledit corps, le propulseur comprenant deux hélices, chaque hélice comprenant des pales destinées à tourner autour d'un axe de rotation de ladite hélice. Selon l'invention, le procédé comprend une étape de pilotage de manœuvreà basse vitesse, lors de laquelle on pilote le propulseur de façon que chaque hélice génère un flux dirigé vers le flux généré par l'autre hélice et atteignant le flux généré par l'autre hélice.
Le procédé selon l'invention présente avantageusement au moins une des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :

chaque hélice génère un flux non nul et dirigé dans le même sens, selon l'axe de l'hélice, sur l'essentiel de la révolution des pales de l'hélice, dans le liquide autour de l'axe de rotation de l'hélice,
au moins une hélice génère un flux-dont le sens, selon l'axe x, varie sur la révolution des pales de l'hélice dans le liquide autour de l'axe de rotation de l'hélice,
lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, le flux généré par chaque hélice est dirigé vers un point de l'autre hélice, appelé centre de l'autre hélice, situé sensiblement sur l'axe de rotation de l'autre hélice,
lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse on pilote le propulseur de façon que chaque hélice génère un flux dirigé vers le flux généré par l'autre hélice et atteignant le flux généré par l'autre hélice quel que soit le mouvement imprimé au véhicule par le propulseur,
la distance entre les hélices est comprise entre une distance seuil non nulle et le triple du diamètre de la plus grande des deux hélices,
la distance entre les hélices est supérieure ou égale à 20% du diamètre de la plus petite des deux hélices,
l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse est mise en œuvre uniquement lorsque les flux générés par les deux hélices se rencontrent entre les deux hélices à distance des deux hélices,
l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse est mise en œuvre quel que soit le mouvement du véhicule à condition que les flux générés par les deux hélices se rencontrent entre les deux hélices à distance des deux hélices,
les deux hélices comprennent une hélice amont et une hélice aval selon un axe de référence dans un sens prédéterminé, et dans lequel lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, pour que le propulseur exerce une poussée présentant une composante non nulle selon l'axe de référence et dans ledit sens, on pilote le propulseur de façon que la force de poussée amont résultant du flux amont généré par l'hélice amont présente une composante axiale d'intensité supérieure à celle de la composante axiale de la force de poussée aval résultant du flux aval généré par l'hélice aval,
lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, pour que le propulseur génère une force de poussée présentant une composante radiale nulle selon un axe radial situé dans un plan perpendiculaire à un axe de référence, on pilote le propulseur de façon que le flux combiné résultant de la combinaison des flux générés par les deux hélices, entre les deux hélices, soit à symétrie de révolution autour de l'axe de référence,
lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, pour que le propulseur exerce une force de poussée présentant une composante radiale non nulle selon un axe radial situé dans un plan perpendiculaire à l'axe de référence, on pilote le propulseur de façon que le flux combiné résultant de la combinaison des flux générés par les deux hélices entre les deux hélices ne soit pas à symétrie de révolution autour de l'axe de référence,
lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, pour que le propulseur exerce une force de poussée présentant une composante radiale non nulle, on pilote le propulseur de façon qu'au moins une hélice génère un flux qui n'est pas à symétrie de révolution autour de l'axe de référence,
lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, pour que le véhicule tourne autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de référence, on

pilote le propulseur de façon que la force de poussée générée par le propulseur s'applique sur un point distant du centre de masse du véhicule,

lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, pour que le véhicule se translate selon un axe perpendiculaire à l'axe de référence, on pilote le propulseur de façon que la force de poussée générée par le propulseur s'applique sur le centre de masse du véhicule,
le propulseur est un propulseur comprenant deux hélices contrarotatives à pas cyclique et collectif variables, un axe de référence étant un axe des hélices qui est un axe reliant des centres des deux hélices qui sont des point situés sur les axes de rotation des hélices respectives.,
les axes de rotation des deux hélices sont sensiblement confondus et confondus avec l'axe de référence,
lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, pour que le propulseur génère une poussée présentant une composante radiale s'exerçant selon une direction radiale formant, autour de l'axe de référence, un premier angle α avec une direction de référence, on règle les pas cycliques des hélices de façon que l'angle cyclique θ des hélices soit donné par la formule suivante ou de façon que l'angle cyclique θ d'une des deux hélices soit donné sensiblement par la formule suivante, l'autre hélice présentant un pas cyclique neutre : $θ = α - φ$

L'invention se rapporte également à un véhicule marin destiné à être au moins partiellement immergé dans un liquide comprenant un corps et un propulseur comprenant deux hélices, chaque hélice comprenant des pales destinées à tourner autour d'un axe de rotation de ladite hélice, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de pilotage configuré pour pouvoir mettre en œuvre le procédé selon l'invention, le dispositif de pilotage comprenant un organe de commande qui recevant une consigne de mise en œuvre de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse est configuré pour calculer une configuration basse vitesse pour que chaque hélice génère un flux dirigé vers le flux généré par l'autre hélice et atteignant le flux généré par l'autre hélice, le dispositif de pilotage comprenant en outre un dispositif d'actionnement configuré pour contrôler le propulseur de façon à le mettre dans ladite configuration basse vitesse.
Avantageusement, la consigne de mise en œuvre de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse comprend une consigne de poussée, le propulseur calculant une configuration basse vitesse du propulseur telle que le propulseur génère une poussée selon la direction de la consigne de poussée.
L'invention se rapporte également au dispositif de pilotage et à un système de propulsion comprenant le dispositif de pilotage et le propulseur.
Le procédé de pilotage permet de piloter le véhicule sous-marin de manière stable et efficace à basse vitesse même lorsque la vitesse du véhicule est négative ou nulle et lorsque la masse du véhicule est importante. C'est-à-dire que cette solution permet au véhicule d'être manœuvrant même en point fixe ou en marche arrière. Il permet un contrôle précis de l'attitude et de la position du véhicule sous-marin par rapport à un référentiel fixe.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

la figure 1 représente schématiquement en vue de dessus un véhicule sous-marin à l'équilibre;
la figure 2 représente schématiquement en vue de dessus un véhicule sous-marin se déplacement selon l'axe x vers l'avant,
la figure 3 représente schématiquement en vue de dessus un véhicule sous-marin se déplacement selon l'axe x vers l'arrière,
la figure 4 représente schématiquement en vue de dessus un véhicule sous-marin sur lequel le propulseur exerce une poussée radiale non nulle,
la figure 5 représente schématiquement, dans un plan radial, la direction de la poussée exercée par le propulseur en fonction de l'angle cyclique,
la figure 6 représente schématiquement un système de propulsion selon l'invention.

D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références.
L'invention propose un procédé de pilotage d'un propulseur d'un véhicule marin. Le procédé s'applique tout particulièrement aux véhicules sous-marins destinés à se déplacer totalement immergés dans un liquide, notamment de l'eau. L'invention s'applique également aux véhicules de surface destinés à se déplacer à la surface d'un liquide en étant partiellement immergé dans le liquide. Les véhicules marins peuvent être des véhicules autonomes avec pilotes (humains) à bord, ou des drones sans pilote à bord tels que les véhicules pilotés à distance ou ROV en référence à l'expression anglo-saxonne « remotely operated véhicule » ou des véhicules marins autonomes tels que les véhicules sous-marins autonomes ou AUV en référence à l'expression anglo-saxonne « Autonomous Underwater Vehicle ». Par conséquent, le procédé de pilotage, c'est-à-dire de commande, selon l'invention peut être mis en œuvre par un opérateur (pilote) à bord ou à distance ou par un dispositif de pilotage autonome.
Avantageusement, les deux hélices sont montées sur le corps du véhicule marin de façon à être agencées ou pouvoir être agencées de façon que chaque hélice, prise parmi ces deux hélices, puisse générer un flux d'eau (ou plus généralement de liquide) dirigé vers le flux généré par l'autre hélice, prise parmi les deux hélices. Ces hélices sont avantageusement disposées de façon que le flux généré par chaque hélice, prise parmi les deux hélices, quel que soit la vitesse du véhicule par rapport au liquide selon un axe de référence, au moins tant que cette vitesse est inférieure à un seuil de vitesse prédéterminé, puisse atteindre le flux généré par l'autre hélice, prise parmi les deux hélices. Avantageusement, les flux doivent pouvoir s'atteindre en un temps inférieur à un temps de réaction prédéterminé. Ce temps de réaction est le temps de réaction acceptable pour la manœuvre. Cela permet de garantir la formation du flux combiné ou radial.
Ce procédé s'applique aux véhicules comprenant un propulseur vectoriel comprenant deux hélices contrarotatives dites à pas cycliques et collectifs variables. Une hélice à pas cyclique et collectif variables est une hélice dont l'angle de calage des pales est contrôlable de façon collective permettant de régler la poussée selon l'axe de rotation de l'hélice. Le pas collectif est défini par un angle de calage collectif des pales. Autrement dit, toutes les pales présentent le même angle de calage collectif sur toute la révolution des pales autour de l'axe de rotation de l'hélice. Pour rappel, l'angle de calage des pales d'une hélice est l'angle formé entre la corde de la pale et le plan de rotation de l'hélice selon la référence choisie. Le plan de rotation de l'hélice est un plan de l'hélice perpendiculaire à l'axe de rotation de l'hélice. L'angle de calage est également réglable de façon cyclique permettant d'orienter la poussée perpendiculairement à l'axe de rotation de l'hélice. L'angle de calage cyclique des pales varie de façon cyclique c'est-à-dire au cours d'une révolution autour de l'axe de rotation de l'hélice, en fonction des positions angulaires des pales autour de l'axe de rotation de l'hélice. Le pas cyclique est défini par un angle de calage cyclique différentiel lors d'une révolution des pales ainsi que par un angle cyclique. L'angle de calage cyclique différentiel est défini comme la différence entre l'angle de calage cyclique maximum et l'angle de calage cyclique minimum d'une pale au cours d'une révolution. Le pas collectif est l'angle de calage cyclique moyen. L'angle cyclique est l'angle formé, autour de l'axe de rotation de l'hélice, entre la direction selon laquelle l'angle de calage des pales est maximal et une direction de référence liée au corps du véhicule. On appelle pas collectif neutre l'angle de calage des pales pour lequel l'hélice en rotation autour de son axe de rotation exerce une poussée nulle, selon son axe de rotation. Le pas cyclique neutre est celui pour lequel les pales exercent une poussée dont la composante perpendiculaire à l'axe de rotation de l'hélice est nulle. Un pilotage coordonné des deux hélices permet de maitriser l'orientation de la poussée sur 4_Π stéradian. On connait en particulier des propulseurs vectoriels formés de deux hélices contrarotatives coaxiales, c'est à dire dont les axes de rotation sont sensiblement confondus. On connait par exemple des hélices coaxiales dont les axes de rotation sont sensiblement parallèles à l'axe de principal de déplacement du véhicule. L'axe principal de déplacement du véhicule est l'axe, lié au corps du véhicule, selon lequel le véhicule est principalement destiné à se déplacer. Par axe lié au corps du véhicule, on entend que l'orientation et la position du corps du véhicule dans un plan perpendiculaire à l'axe sont fixes. Ce type de propulseur présente l'avantage de pouvoir être piloté de façon à présenter un bon rendement énergétique à vitesse élevée. Ainsi les deux hélices génèrent une poussée naturellement orientée selon l'axe principal de déplacement du véhicule. De façon classique mais non limitative, l'axe principal de déplacement du véhicule est l'axe de roulis du véhicule. Les axes de lacet et de tangage sont des axes radiaux, c'est-à-dire perpendiculaires à l'axe principal, passant par l'axe principal. Les axes de rotation des hélices sont fixes par rapport au véhicule.
Le procédé est aussi applicable à des propulseurs du type comprenant deux hélices contrarotatives ou non à pas cycliques et collectifs variables dont les axes de rotation des hélices sont distincts et sensiblement parallèles et à ceux présentant des hélices dont les axes de rotation ne sont pas parallèles. Avantageusement, pour un véhicule destiné à se déplacer principalement selon un axe principal, les axes de rotation des hélices forment des angles respectifs quelconques différents de 90° avec cet axe qui est par exemple l'axe principal de déplacement du véhicule. De manière plus avantageuse, les axes de rotation des hélices sont sensiblement parallèles à l'axe principal de déplacement du véhicule ce qui permet d'améliorer le rendement de propulsion lors de la progression en ligne droite selon cet axe. La vitesse de rotation des pales de l'hélice autour de son axe de rotation (appelée vitesse de rotation de l'hélice) est réglable de façon indépendante ou de façon collective pour les deux hélices.
Le procédé selon l'invention s'applique aussi à des propulseurs comprenant deux propulseurs orientables à liaison rotule à doigt aussi appelés « gimbal propellers » en terminologie anglo-saxonne. Ces propulseurs présentent chacun une hélice comprenant des pales dont le pas n'est pas réglable. Chacune des hélices est reliée par une liaison rotule à doigt au corps du véhicule marin, réalisée par exemple au moyen d'un montage à Cardan de façon que le plan de rotation (ou l'axe de rotation) de chacune des hélices puisse pivoter, par rapport au corps du véhicule, autour de deux axes perpendiculaires entre eux. Autrement dit, l'orientation des hélices par rapport au corps du véhicule est modifiable. La vitesse de rotation de chacune des hélices autour de son axe de rotation est aussi réglable, de préférence, indépendamment l'une de l'autre. Un unique propulseur du type « gimbal propeller » présente un rendement plus limité que les propulseurs à hélices contrarotatives à pas cyclique et collectif variables et présentent une action limitée à un secteur angulaire donné d'ouverture inférieure à 360°.
Les hélices peuvent présenter le même diamètre (comme sur les figures) ou un diamètre différent, le même nombre de pales ou un nombre de pales différent.
Dans la suite de la description, on définit un axe de référence lié au corps du véhicule. Par axe lié au corps du véhicule, on entend que l'orientation et la position du corps du véhicule dans un plan perpendiculaire à l'axe sont fixes. Un axe orienté perpendiculaire à l'axe de référence passant par cet axe est appelé axe radial et définit une direction radiale. Par composante radiale d'un vecteur, on entend la composante du vecteur selon un axe radial perpendiculaire à l'axe de référence. Par composante axiale d'un vecteur, on entend la composante du vecteur selon l'axe de référence. Dans la présente demande de brevet, pour une poussée, on définit une poussée radiale qui est la composante radiale de la poussée et la poussée axiale qui est la composante axiale de la poussée.
Le procédé de pilotage selon l'invention comprend une étape de pilotage du propulseur appelée, dans la suite du document, étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse.
Selon l'invention, le procédé comprend une étape de pilotage, c'est-à-dire de commande, de manœuvre à basse vitesse lors de laquelle on pilote, c'est-à-dire on commande, le propulseur de façon que chaque hélice, parmi les deux hélices, génère un flux dirigé vers le flux généré par l'autre hélice, parmi les deux hélices, et atteignant le flux généré par l'autre hélice. Cela suppose que les deux hélices génèrent un flux d'eau, c'est-à-dire tournent par rapport au corps du véhicule marin autour de leurs axes de rotation d'hélice respectifs, et aient un angle de calage collectif non neutre. Cela permet de générer un flux combiné, issu de la combinaison des flux générés par les deux hélices, qui présente une composante radiale non nulle et qui permet de commander le véhicule de façon stable et d'obtenir une bonne manœuvrabilité du véhicule.
Par ailleurs, sur la réalisation des figures, lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, chaque hélice génère un flux non nul et dirigé dans le même sens, selon l'axe de rotation de l'hélice, sur la totalité de la révolution des pales de l'hélice dans le liquide autour de l'axe de rotation de l'hélice. Autrement dit, la composante axiale du flux présente le même signe sur la totalité de la révolution de pales de l'hélice dans le liquide autour de l'axe de rotation de l'hélice. Cela signifie que les lignes de flux générées par l'hélice dans chaque secteur angulaire radial, fixe par rapport au corps du véhicule et balayé par l'hélice, sont orientées dans le même sens, selon l'axe de rotation de l'hélice. Cela permet de générer un flux combiné, issu de la combinaison des flux générés par les deux hélices, qui présente une composante radiale non nulle tout autour de l'axe de référence lorsque l'axe de référence passe dans le volume où se combinent les flux entre les deux hélices lorsque les axes de rotation des hélices ne sont pas perpendiculaires à cet axe de référence.
Le fait que chaque flux présente essentiellement le même sens sur toute la révolution des pales de l'hélice dans le liquide autour de l'axe de rotation permet d'éviter la création de tourbillons entre les hélices qui auraient pour effet de déstabiliser le véhicule.
En variante, au moins une hélice génère un flux dirigé dans un sens, selon l'axe de rotation de l'hélice, qui varie sur la révolution des pales de l'hélice dans le liquide autour de l'axe de rotation de l'hélice.
Avantageusement, les hélices sont montées sur le corps du véhicule marin de façon à être agencées ou pouvoir être agencées de façon que chaque hélice puisse générer un flux d'eau (ou plus généralement de liquide) dirigé vers l'autre hélice. Dans la présente demande de brevet, on considère qu'une hélice génère un flux dirigé vers une autre hélice lorsque le volume balayé par l'autre hélice (lors de sa rotation autour de l'axe de rotation) est au moins partiellement situé à l'intérieur du cylindre dont l'axe est l'axe principal du flux généré par l'hélice et dont le diamètre est le diamètre de l'hélice. Avantageusement, l'axe principal du flux généré par chaque hélice passe dans le volume balayé par l'autre hélice lors d'une révolution des pales de l'autre hélice autour de l'axe de rotation de l'autre hélice. La direction de l'axe principal est définie par rapport au corps du véhicule. Le volume balayé par une hélice comprend l'axe de rotation de l'hélice. Par axe principal du flux généré par une hélice, on entend l'axe passant par un centre de l'hélice et dont la direction est la direction du flux généré par l'hélice. Par centre d'une hélice, on entend un point prédéterminé de l'hélice situé sensiblement sur l'axe de rotation de l'hélice et à l'intérieur du volume que peut balayer l'hélice lors d'une révolution des pales de l'hélice autour de l'axe de rotation de l'hélice. Le centre d'une hélice peut avantageusement être défini comme le centre de masse des pales.Avantageusement, les plans de rotation des hélices doivent être non coplanaires ou doivent pouvoir être disposés de façon non coplanaire Avantageusement, le flux dirigé par chacune des deux hélices est dirigé vers le centre de l'autre hélice prise parmi les deux hélices. Cela est réalisé pour générer une poussée ne présentant pas de composante radiale. Dans ce cas, la direction du flux généré par une hélice étant définie par l'axe principal du flux, l'axe principal du flux généré par chaque hélice passe par ledit centre de l'autre hélice. Cela permet d'éviter des oscillations du véhicule. Les oscillations du véhicule étant d'autant plus maitrisées que le flux généré par une hélice est dirigé près du centre de l'autre hélice. Dans cette configuration la trajectoire du véhicule est plus stable et facile à maitriser car sur une révolution des pales de l'hélice autour de l'axe de rotation de l'hélice, toutes les pales rencontrent un même flux, notamment lorsque les flux des hélices se rencontrent à proximité d'une des hélice. L'angle de calage des pales de l'autre hélice n'est donc pas perturbé par le flux généré par l'hélice. Si le flux est décentré, toutes les pales ne rencontrent pas un flux homogène. L'angle de calage des pales est donc perturbé par le flux généré par l'hélice.
Avantageusement, l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse est mise en œuvre quel que soit le mouvement imprimé par le propulseur au véhicule lorsque le module de la vitesse du véhicule est inférieure à un seuil prédéterminé pouvant être nul. Un propulseur vectoriel peut imprimer à un véhicule sous-marin des mouvements selon 6 degrés de liberté. Par le même procédé, le mouvement d'un bâtiment de surface peut être réglé par son propulseur selon 2 degrés de liberté en translation et 1 degré de liberté en rotation.
De manière générale, l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse peut être mise en œuvre quel que soit le mouvement de rotation autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de référence et/ou quel que soit le mouvement de translation selon l'axe de référence et/ou quel que soit le mouvement de translation selon un axe perpendiculaire à l'axe de référence imprimé au véhicule par le propulseur. Si ce procédé est mis en œuvre lorsque le module de la vitesse du véhicule est supérieur au seuil prédéterminé alors le véhicule ralentira de lui-même du simple fait de l'application du procédé pour revenir à une vitesse inférieure au seuil.
Ce procédé est illustré par les figures 1 à 4 représentant un véhicule sous-marin comprenant un propulseur vectoriel du type à deux hélices contrarotatives à pas cycliques et collectifs variables. Mais ce qui est décrit par la suite est aussi applicable aux bâtiments de surface et aux autres types de propulseurs décrits précédemment.
Les figures 1 à 4 représentent schématiquement en vue de dessus un véhicule sous-marin 1 présentant un corps 2 et un propulseur vectoriel 3 monté sur le corps du véhicule sous-marin 1. Ce propulseur 3 est du type propulseur vectoriel comprenant deux hélices AV, AR contrarotatives à pas cycliques et collectifs variables. Ces hélices sont coaxiales. Autrement dit, elles sont destinées à tourner autour d'axes de rotation sensiblement confondus. Sur ces figures, l'axe de référence x est l'axe des hélices, c'est-à-dire l'axe reliant les centre des deux hélices. Par ailleurs, cet axe est l'axe principal de déplacement du véhicule qui est ici l'axe de roulis du véhicule. L'axe principal de déplacement du véhicule x est orienté dans le sens de déplacement privilégié du véhicule lorsque le véhicule présente un sens de déplacement privilégié. Dans la présente demande de brevet, l'avant et l'arrière sont définis par rapport à l'axe de référence x dans le sens de l'axe de référence. Les hélices comprennent une hélice avant AV et une hélice arrière AR, l'hélice avant étant située en avant de l'hélice arrière. Les pales de chaque hélice AV, AR sont montées sur le corps 2 du véhicule 1 à rotation autour de l'axe de rotation de l'hélice correspondante AV, AR. Les pales d'une hélice sont solidaires en rotation autour de l'axe de rotation de l'hélice. Par exemple, chaque pale est reliée par un axe à un moyeu monté à rotation sur le corps 2 du véhicule sous-marin 1 autour de l'axe de rotation de l'hélice généralement défini par un arbre.
Les lignes de flux d'eau entre les deux hélices sont représentées par des flèches. Pour rappel, un flux généré par une hélice représente la vitesse de l'eau au travers de l'hélice. Le module ou intensité du flux, exprimé en kg.m.s^-1 est un débit de quantité de mouvement de l'eau à travers la surface de l'hélice. Les forces de poussée générées par les hélices respectives sont également représentées par des flèches simples. La force de poussée générée par le propulseur est représentée, lorsqu'elle n'est pas nulle, par une double flèche. Pour plus de clarté, cette flèche est représentée sur l'arrière du véhicule mais la poussée s'applique avantageusement entre les deux hélices sur un point de l'axe de roulis.
Sur la réalisation des figures, les deux hélices AV, AR sont installées à l'arrière du véhicule, c'est-à-dire sur la moitié arrière du corps du véhicule selon l'axe de référence x. En variante, ces deux hélices sont installées à l'avant du corps du véhicule ou une à l'avant et une à l'arrière du corps du véhicule. Pour pouvoir faire tourner le véhicule, c'est-à-dire déplacer le véhicule en générant une poussée présentant une composante radiale (perpendiculaire à l'axe x) non nulle, les plans de rotation des hélices ne sont pas disposés dans des plans symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan contenant le centre de masse du corps 2 de l'engin sous-marin 1.
Dans chacune des situations représentées sur les figures, chaque hélice génère un flux dirigé vers l'autre hélice. Autrement dit, l'hélice avant AV génère un flux vers l'hélice arrière AR qui elle-même génère un flux dirigé vers l'hélice avant AV. Chaque flux présente une composante non nulle et de même signe selon l'axe de rotation de l'hélice x, sur l'essentiel de la révolution des pales de l'hélice correspondante autour de l'axe de rotation de l'hélice x, et de préférence sur toute la révolution des pales de l'hélice autour de l'axe de rotation de l'hélice. Par conséquent, les flux générés par les deux hélices viennent se rencontrer et se dévier l'un l'autre tout autour de l'axe x. Autrement dit, ces flux se combinent pour former entre les hélices, à distance des hélices, un flux appelé flux combiné ou radial comme visible sur les figures. Sur la réalisation des figures, le flux combiné présente globalement une composante radiale non nulle et positive dans chaque secteur angulaire radial d'un disque fixe par rapport au corps 2 et perpendiculaire à l'axe de référence même lorsque le véhicule ne se déplace pas. Le flux combiné s'éloigne de l'axe de référence tout autour de l'axe de référence. Cela permet d'obtenir une force de poussée équilibrée dans toutes les directions radiales même lorsque le véhicule ne se déplace pas selon l'axe des hélices. Les composantes radiales non nulles du flux combiné permettent d'assurer une manœuvrabilité radiale efficace du véhicule à vitesse nulle selon l'axe de référence et aussi à vitesse non nulle lorsque le propulseur produit une poussée pour déplacer axialement le véhicule. Cela permet de maximiser la poussée générée par le propulseur. En effet, les flux des hélices étant générées l'un vers l'autre, le flux généré par chaque hélice ne peut pas atteindre l'autre hélice, il est dévié par le flux généré par l'autre hélice. Ces flux ne s'aspirent pas l'un l'autre ce qui maximise l'effet de poussée radiale. L'axe de référence est avantageusement l'axe des hélices, le flux radial est alors sensiblement centré sur l'axe de rotation des hélices.
La génération, par les deux hélices de flux orientés l'un vers l'autre et par réaction des poussées opposées, permet de stabiliser le véhicule et de bien maîtriser la manœuvre du véhicule.
Le véhicule piloté au moyen du procédé selon l'invention est peu sensible aux perturbations extérieures. Comme déjà évoqué, du fait que le flux généré par chaque hélice ne peut pas atteindre l'autre hélice, les deux hélices ne se perturbent pas l'une et l'autre. Autrement dit, le flux généré par une hélice ne perturbe pas l'angle d'incidence de l'autre hélice pour un angle de calage donné des pales. L'angle d'incidence est défini par rapport au flux de liquide qui la traverse. Par conséquent, en créant le flux combiné radial, lorsque l'on règle ensuite le pas cyclique et le pas collectif des hélices pour faire avancer, reculer et/ou pour faire pivoter le véhicule, on stabilise le véhicule à une vitesse de déplacement ou de rotation par rapport à l'eau dépendant du seul réglage des hélices et si on génère une perturbation qui tend à ralentir ou accélérer l'engin sous-marin, cette perturbation génère une variation de vitesse de l'eau au niveau des hélices qui se traduit par une variation de l'angle d'attaque (ou d'incidence) des pales des hélices ce qui génère une variation de poussée qui s'oppose au mouvement de la perturbation extérieure.
Par ailleurs, la bonne manœuvrabilité et la stabilité du véhicule à faible vitesse et à vitesse nulle ne nécessitent pas l'intégration de systèmes de manœuvre supplémentaires ou d'éléments générant une trainée hydrodynamique, couteuse en énergie particulièrement lorsque le véhicule voudra se déplacer.
Il faut noter que le procédé selon l'invention est anti-intuitif car la génération de flux dirigés l'un vers l'autre par les hélices est fortement consommateur d'énergie et ce, d'autant plus que ces flux présentent le même signe sur toute la révolution du volume balayé par les pales de l'hélice autour de rotation de l'hélice.
L'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse est avantageusement mise en œuvre pour manœuvrer le véhicule autour d'un point fixe.
Nous allons maintenant décrire plus précisément les situations représentées sur chacune des figures.
Sur la figure 1, le véhicule est immobile. Les flux générés par les deux hélices sont dirigés l'un vers l'autre selon l'axe x. Cela signifie que chacun de ces flux est à symétrie de révolution autour de l'axe x. Autrement dit, ils sont homogènes sur toute la révolution des pales des hélices respectives autour de l'axe x. Par ailleurs, les flux générés par les deux hélices présentent la même intensité. Les forces de poussée avant Fav et arrière Far résultant respectivement du flux avant (généré par l'hélice avant vers l'hélice arrière) et du flux arrière (généré par l'hélice arrière vers l'hélice avant) présentent donc la même intensité. Par conséquent, le flux combiné qui est issu de la déviation des flux du fait de la rencontre de ces deux flux est radial, c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe x et ce, tout autour de l'axe x. Le flux combiné présente une forme globalement annulaire. Le propulseur génère une force de poussée F dont la composante axiale est nulle. La position du véhicule 1 en translation selon la direction axiale x par rapport à un référentiel reste fixe par exemple le liquide.
Par conséquent, pour que le véhicule ne se déplace pas selon l'axe x des hélices, on pilote le propulseur 3 de façon que les forces de poussées résultant des flux générés par les deux hélices présentent des composantes axiales de même intensité (ou module). Autrement dit, on pilote le propulseur de façon que les flux générés par les deux hélices présentent le même module selon l'axe x et des sens contraires selon l'axe x. Cela est réalisé pendant la génération des flux l'un vers l'autre. Le propulseur ne génère pas de poussée axiale. Pour obtenir cela, on joue sur les pas cycliques et/ou les vitesses de rotation des hélices.
Sur la figure 1, le flux combiné étant à symétrie de révolution autour de l'axe x, le propulseur génère une force de poussée F dont la composante radiale est nulle. On ne peut pas orienter le véhicule par rotation autour d'un axe perpendiculaire à l'axe x dans cette configuration. Pour obtenir cette configuration, la combinaison de la vitesse de rotation et de l'angle de calage collectif (également appelé pas collectif) de chaque hélice est telle que l'hélice génère un flux en direction de l'autre hélice et résultant en une poussée égale et opposée à celle générée par l'autre hélice.
Sur la figure 2, les flux générés par les deux hélices sont dirigés l'un vers l'autre et selon l'axe x. Chacun de ces flux est à symétrie de révolution autour de l'axe x. En revanche, les forces de poussée avant Fav et arrière Far résultant respectivement du flux avant (généré par l'hélice avant AV vers l'hélice arrière AR) et du flux arrière (généré par l'hélice arrière AR vers l'hélice avant AV) ont des modules différents. Par conséquent, le flux combiné est incliné par rapport à l'axe x et globalement à symétrie de révolution autour de l'axe x. Le flux combiné présente une forme tronconique au voisinage du véhicule. Le flux avant généré par l'hélice avant AV étant plus important que le flux arrière généré par l'hélice arrière AR, le module de la force de la poussée Fav résultant du flux avant est supérieur à celui de la force de poussée Far résultant du flux arrière. Le propulseur génère une force de poussée F dont la composante axiale est positive. Le module de cette poussée est sensiblement égal au module de la somme des composantes axiales des forces de poussée générées par les deux hélices. Le véhicule est animé d'un mouvement de translation selon l'axe x vers l'avant. Cette translation modifie l'angle d'attaque relatif des pales de l'hélice avant et tend à réduire la poussée avant. Rapidement la vitesse d'avance s'équilibre à une valeur telle que les deux poussées soient en équilibre.
Par conséquent, pour déplacer le véhicule selon l'axe x des hélices vers l'avant AV, on pilote le propulseur 3 de façon que la force de poussée avant Fav résultant du flux avant présente une composante axiale d'intensité supérieure à celle de la composante axiale de la force de poussée arrière Far résultant du flux arrière généré par l'hélice arrière AR. Autrement dit, pour obtenir un déplacement du véhicule selon la direction axiale vers l'avant, on déséquilibre les flux avant et arrière de façon que le flux combiné soit orienté vers l'arrière. Le module de la composante axiale du flux généré par l'hélice avant vers l'arrière doit être supérieur au module de la composante axiale du flux généré par l'hélice arrière vers l'avant. Pour obtenir ce déplacement axial, on ajuste la combinaison vitesse de rotation/pas collectif de chaque hélice afin que les hélices produisent une poussée différente. Par exemple, cela est réalisé en augmentant le pas collectif avant et en réduisant le pas collectif arrière sans modifier les vitesses de rotation par rapport à la situation de la figure 1. Il est préférable de jouer sur le pas collectif plutôt que sur de modifier les vitesses de rotation des hélices car une trop grande différence de vorticité des flux générés peut conduire à une instabilité et génère par ailleurs un couple en roulis.
Sur la figure 2, le flux combiné étant à symétrie de révolution autour de l'axe x, le propulseur génère une force de poussée F dont la composante radiale est nulle. Le véhicule ne se met pas en rotation autour d'un axe perpendiculaire à l'axe x dans cette configuration.
Le déplacement obtenu est purement axial.
Sur la figure 3, les flux générés par les deux hélices sont dirigés l'un vers l'autre et selon l'axe x. Cela signifie que chacun de ces flux est à symétrie de révolution autour de l'axe x. En revanche, les forces de poussée avant Fav et arrière Far résultant respectivement du flux avant (généré par l'hélice avant AV vers l'hélice arrière AR) et du flux arrière (généré par l'hélice arrière AR vers l'hélice avant AV) ont des modules différents. Par conséquent, le flux combiné est incliné par rapport à l'axe x et globalement à symétrie de révolution autour de l'axe x. Le flux combiné présente une forme tronconique au voisinage du véhicule. Le flux avant généré par l'hélice avant AV étant plus faible que le flux arrière généré par l'hélice arrière AR, le module de la force de la poussée Fav résultant du flux avant est inférieur à celui de la force de poussée Far résultant du flux arrière. Le propulseur génère une force de poussée F dont la composante axiale est négative. Le véhicule est animé d'un mouvement de translation selon l'axe x vers l'arrière. Le véhicule recule selon l'axe x. Cette translation modifie l'angle d'attaque des pales de l'hélice arrière et tend à réduire la poussée arrière. Rapidement la vitesse de recul s'équilibre à une valeur telle que les deux poussées soient en équilibre.
Par conséquent, pour déplacer le véhicule selon l'axe x des hélices vers l'arrière, on pilote le propulseur 3 de façon que la force de poussée avant Fav résultant du flux avant généré par l'hélice avant AV présente une composante axiale d'intensité inférieure à celle de la composante axiale de la force de poussée arrière Far résultant du flux arrière généré par l'hélice arrière AR. Autrement dit, pour obtenir un déplacement du véhicule selon la direction axiale vers l'arrière, on déséquilibre les flux avant et arrière de façon que le flux combiné soit orienté vers l'avant. Le module de la composante axiale du flux généré par l'hélice avant doit être inférieur au module de la composante axiale du flux généré par l'hélice arrière vers l'arrière. Pour obtenir cette configuration, on peut faire tourner les deux hélices de la figure 1 à même vitesse de rotation avec des pas cycliques neutres et des combinaisons de vitesse de rotation et de pas collectifs choisis afin que la poussée arrière soit supérieure à la poussée avant. Comme dans le cas de la figure 2, et pour les mêmes raisons on privilégie l'action sur les pas collectifs plutôt que l'action sur la vitesse de rotation des hélices.
Sur la figure 3, le flux combiné étant à symétrie de révolution autour de l'axe x, le propulseur génère une force de poussée F dont la composante radiale est nulle. Le véhicule n'entre pas en rotation autour d'un axe perpendiculaire à l'axe x dans cette configuration. On obtient le déplacement axial pur de la figure 3, en utilisant en outre des pas cycliques neutres.
De manière générale, pour déplacer le véhicule selon l'axe x, dans un sens prédéterminé, par rapport au liquide, on pilote le propulseur 3 de façon que chaque hélice génère un flux dirigé vers et atteignant le flux généré par l'autre hélice et de façon que la force de poussée amont résultant du flux amont présente une composante axiale d'intensité supérieure à celle de la composante axiale de la force de poussée aval résultant du flux aval généré par l'hélice aval. Par hélice amont, on entend l'hélice située vers l'avant dans le sens de déplacement du véhicule selon l'axe x et l'hélice aval, l'hélice située vers l'arrière dans le sens de déplacement du véhicule selon l'axe x.
Lors du pilotage de manœuvre à basse vitesse, le pilotage du propulseur peut être un pilotage des hélices. Lorsque le propulseur est du type comprenant deux hélices contrarotatives à pas cycliques et collectifs variables, pour obtenir une composante axiale de la force de poussée exercée par le propulseur à vitesse de rotation des hélices fixe, on fait varier le pas collectif (calage collectif) d'au moins une hélice de façon à obtenir la poussée souhaitée. Pour tous les mouvements, dans le cas des hélices contrarotatives à pas cycliques et collectifs variables, on règle la vitesse de rotation des hélices et/ou le pas cyclique des hélices et/ou le pas collectif des hélices de façon à obtenir la poussée souhaitée. Si le propulseur est un propulseur à Cardan, on règle l'orientation d'au moins une hélice de façon à obtenir la poussée souhaitée. Cela est valable quel que soit la poussée souhaitée. La configuration du dispositif de pilotage peut être choisie en fonction d'une poussée souhaitée par calibration. Une phase préalable de mesure du flux ou de la poussée générée par le véhicule en fonction de différents réglages du propulseur permet ensuite déterminer les réglages en fonction de la poussée souhaitée.
On constate sur les figures 2 et 3, que le véhicule avance ou recule, suite à un déséquilibre contrôlé des flux des deux hélices. Le procédé selon l'invention permet de toujours produire en outre un effort radial permettant de manœuvrer le véhicule. Autrement dit, le propulseur reste manœuvrant perpendiculairement à l'axe de référence lorsqu'il produit une poussée pour déplacer axialement le véhicule. Lorsque l'on déséquilibre les flux avant et arrière selon l'axe x, le véhicule avance ou recule, par rapport au liquide en accélérant jusqu'à atteindre une vitesse limite d'avance ou respectivement de recul fonction de la poussée résultante des deux propulseurs (c'est-à-dire fonction des vitesses de rotation, incidence collective et incidence cyclique des deux hélices). La vitesse maximale d'avance du véhicule par rapport au liquide est la vitesse maximale que peut prendre la vitesse limite d'avance. Cette vitesse est atteinte lorsque le flux avant dirigé vers l'arrière est à son maximum de poussée et le flux arrière dirigé vers l'avant est au minimum de poussée compatible avec le fait qu'il reste dirigé vers l'hélice avant AV. Autrement dit, l'hélice arrière génère un flux vers l'avant et ce flux n'est pas ensuite dévié vers l'arrière par l'hélice avant... De même qu'il existe une vitesse maximale d'avance, il existe une vitesse maximale de recul atteinte lorsque le flux arrière dirigé vers l'avant est à son maximum de poussée et le flux avant dirigé vers l'arrière est au minimum de poussée compatible avec le fait qu'il reste dirigé vers l'hélice arrière AR. Autrement dit, l'hélice arrière génère un flux vers l'arrière et ce flux n'est pas ensuite dévié vers l'avant par le flux généré par l'hélice arrière.
En d'autres termes, entre la vitesse de recul maximal et la vitesse d'avance maximale, les deux hélices génèrent des flux qui se rencontrent entre les deux hélices à distance des deux hélices. En dehors de cet intervalle, les flux ne se rencontrent pas entre les deux hélices.
Cette vitesse peut être obtenue par des essais pour un véhicule donné, un axe donné lié au corps du véhicule et un sens donné selon cet axe. Elle est conditionnée par la capacité de chacune des hélices à générer un flux plus ou moins intense.
La vitesse de déplacement du véhicule selon l'axe x est une vitesse de déplacement du véhicule par rapport à un référentiel fixe prédéterminé, par exemple le liquide ou le référentiel terrestre. La vitesse de déplacement du véhicule par rapport au liquide est la vitesse du véhicule par rapport au liquide situé au voisinage du véhicule en dehors du flux généré par le propulseur. Avantageusement, le seuil de vitesse jusqu'auquel on met en œuvre l'étape de pilote à basse vitesse est prédéterminé et fixe pour une position de l'axe des hélices donnée par rapport au corps du véhicule et pour un sens de déplacement donné. Ce seuil est choisi inférieur ou égal à la vitesse maximale d'avance ou de recul du véhicule selon cet axe dans ce sens. Ce seuil est avantageusement non nul.
Autrement dit, l'étape de pilotage à basse vitesse est avantageusement mise en œuvre uniquement lorsque la condition de vitesse suivante est vérifiée : la norme de la vitesse du véhicule selon l'axe x est inférieure ou égale à une première vitesse seuil prédéterminée qui est inférieure ou égale à une vitesse maximale de recul, lorsque le véhicule se déplace vers l'arrière selon l'axe x, et la norme de la vitesse du véhicule selon l'axe x est inférieure ou égale une deuxième vitesse seuil qui est inférieure ou égale à une vitesse maximale d'avance lorsque le véhicule se déplace vers l'avant selon l'axe x. En d'autres termes, l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse est mise en œuvre uniquement lorsque les flux générés par les deux hélices se rencontrent entre les deux hélices à distance des deux hélices. Cela permet d'éviter des pertes d'énergie à vitesse élevée et permet d'assurer une bonne manœuvrabilité du véhicule à basse vitesse. La condition de point de rencontre situé entre les deux hélices définit des vitesses limites d'avance et de recul selon l'axe x.
Avantageusement, l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse est mise en œuvre tant que la condition de vitesse est vérifiée. Autrement dit, l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse est mise en œuvre quelque soit le mouvement du véhicule à condition que les flux générés par les deux hélices se rencontrent entre les deux hélices à distance des deux hélices. Cela permet de garantir une bonne manœuvrabilité du véhicule dans cet intervalle de vitesse.
Le procédé comprend avantageusement une étape de vérification pour vérifier si la condition de vitesse est vérifiée et si, oui, l'étape de manœuvre à basse vitesse est mise en œuvre. L'étape de vérification peut être mise en œuvre de façon itérative et l'étape de manœuvre à basse vitesse est mise en œuvre tant que la condition de vitesse est vérifiée.
Sur la figure 4, les flux générés par les deux hélices sont dirigés l'un vers l'autre mais ne sont pas dirigés selon l'axe x. Autrement dit, l'axe principal de flux généré par chaque hélice n'est pas parallèle à l'axe x. En effet, ces flux ne sont pas à symétrie de révolution autour de l'axe x. Le flux généré à bâbord est supérieur au flux généré à tribord pour chacune des hélices ce qui dévie l'axe principal du flux généré par chacune de ces hélices par rapport à l'axe x. En revanche, les composantes axiales des forces de poussée avant Fav et arrière Far résultant respectivement du flux avant (généré par l'hélice avant vers l'hélice arrière) et du flux arrière (généré par l'hélice arrière vers l'hélice avant) ont la même intensité. Par conséquent, le flux combiné est principalement perpendiculaire à l'axe x et ce, tout autour de l'axe x. Le propulseur génère une force de poussée F dont la composante axiale est nulle. La position du véhicule 1 en translation selon la direction axiale x par rapport à un référentiel terrestre est fixe. En revanche, le flux combiné n'est pas à symétrie de révolution autour de l'axe x, car les flux générés par les deux hélices ne sont pas à symétrie de révolution autour des deux hélices. Le flux combiné présente globalement la forme d'un anneau asymétrique présentant un débit plus faible à tribord qu'à bâbord sur l'exemple de la figure 4. Le propulseur génère une force de poussée F présentant une composante radiale non nulle ce qui permet d'orienter le véhicule par rotation autour d'un axe perpendiculaire à l'axe x ou de déplacer le véhicule selon un axe perpendiculaire à l'axe x. En revanche, le module de la force de la composante radiale de la poussée n'est pas la somme des poussées composantes radiales de poussées générées par les deux propulseurs car une partie non négligeable de cette poussée provient d'une interaction du flux avec le véhicule.
Par conséquent, pour exercer une poussée F présentant une composante radiale non nulle, on pilote le propulseur 3 de façon que le flux combiné ne soit pas à symétrie de révolution autour de l'axe x. Autrement dit, au moins une hélice génère un flux qui n'est pas à symétrie de révolution autour de l'axe x. Autrement dit, on pilote le propulseur de façon qu'au moins une hélice génère un flux dont la direction principale forme un angle non nul avec la direction axiale, cette hélice générant une poussée radiale.
Pour faire tourner le navire autour d'un axe de rotation perpendiculaire à l'axe des hélices qui est l'axe de roulis de l'objet et passant par le centre de masse de l'objet, par exemple l'axe de lacet ou de tangage, le propulseur doit être réglé de façon que la force de poussée exercée par le propulseur s'applique à distance du centre de masse du véhicule. De préférence, la poussée s'applique entre les deux hélices.
Pour passer de la situation représentée sur la figure 1 à la situation représentée sur la figure 4, on modifie le pas cyclique des deux hélices de façon que les pas cycliques des deux hélices soient égaux (même angle de calage/ même angle cyclique) pour des hélices identiques tournant à la même vitesse de rotation. Sur l'exemple de la figure 4, l'angle cyclique est maximum à bâbord pour les deux hélices. Autrement dit, le propulseur 3 est piloté de façon que les hélices génèrent des flux qui ne sont pas à symétrie de révolution autour de l'axe x mais qui présentent la même intensité dans des secteurs angulaires radiaux respectifs, liés au corps du véhicule, ayant une même taille angulaire et formant, autour de l'axe x, un même angle avec la direction de référence. Cela permet d'obtenir une poussée maximale selon une direction radiale donnée. La façon d'obtenir cette direction est décrite par la figure 5 que nous expliquons plus loin.
Pour faire avancer le véhicule selon la direction axiale comme sur la figure 2 tout en exerçant une force radiale comme sur la figure 4, on peut en modifier le pas collectif d'au moins une des hélices par rapport à la configuration de la figure 4 de façon à générer une poussée F présentant une composante axiale non nulle.
Pour déplacer le véhicule en translation selon un axe perpendiculaire à l'axe de référence, par exemple selon l'axe de lacet ou de tangage, le propulseur doit être piloté de façon à générer une poussée radiale appliquée au centre de masse de l'objet. Par exemple, le pas cyclique de l'hélice avant est plus important que celui de l'hélice arrière et l'angle d'hélice est quelconque. Avantageusement, on utilise un angle de calage cyclique différentiel d'angle cyclique de signe opposé à l'autre hélice. Ainsi, il est possible de décaler le point d'application de la force au-delà du segment formé par les centres des deux hélices. Si le point d'application est décalé jusqu'à coïncider avec le centre de gravité du véhicule, le procédé permet d'obtenir un déplacement latéral pur.
Pour obtenir une rotation du véhicule autour de l'axe x dans la situation de la figure 1, on pilote les vitesses de rotation des hélices autour de l'axe de rotation de façon à générer un couple de rotation non nul autour de l'axe x.
L'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse peut être mise en œuvre lors de la réalisation d'au moins un des mouvements décrits ci-dessus, par exemple lorsque le module de vitesse du véhicule par rapport à un référentiel prédéterminé (par exemple terrestre ou le liquide) selon l'axe des hélices est inférieure à un seuil prédéterminé. En variante, l'étape pilotage à basse vitesse peut être mise en œuvre en permanence pendant la réalisation de tous les mouvements décrits ci-dessus lorsque le module de la vitesse est inférieur au seuil de vitesse. L'étape pilotage à basse vitesse selon l'invention peut être mise en œuvre uniquement lorsque la vitesse du véhicule est inférieure au seuil prédéterminé ou même lorsque le véhicule présente une valeur supérieure à ce seuil. Dans ce dernier cas elle conduira à un freinage rapide du véhicule qui se stabilisera à la vitesse correspondant au réglage des hélices tel que décrit lors de l'analyse de la figure 2.
Nous allons maintenant décrire, en référence à la figure 5, une étape particulière pour régler le propulseur pour obtenir une poussée radiale selon une direction radiale prédéterminée dr formant, autour de l'axe de référence, un angle dit de poussée α prédéterminé avec une direction de référence dref, dans un repère lié au corps du véhicule. La poussée générée par le propulseur peut aussi comprendre une poussée axiale. Cette étape est avantageusement mise en œuvre lorsque les axes des deux hélices sont confondus avec l'axe de référence.
L'angle de poussée est différent de l'angle cyclique des hélices. La poussée radiale générée par le propulseur est dirigée selon une direction radiale dr formant, autour de l'axe de référence, un angle appelé phase cyclique ϕ avec la direction dc selon laquelle les angles de calage cycliques des hélices sont maximaux. Cette phase cyclique ϕ est par symétrie, indépendante de la direction de la poussée radiale générée par le propulseur.
Pour obtenir la poussée radiale souhaitée, on règle les pas cycliques des hélices de façon que leurs angles cycliques θ soient donnés par la formule suivante ou que l'angle cyclique d'une des deux hélices soit donné par la formule suivante, l'autre hélice présentant un pas cyclique neutre : $θ = α - φ$
La direction radiale corrigée dc, selon laquelle l'angle de calage cyclique des pales est maximal, forme autour de l'axe de référence, un angle θ avec la direction de référence dref.
La phase cyclique ϕ est avantageusement déterminée lors d'une étape de calibration préalable. Cette étape de calibration comprend une étape de mesure comprenant une première étape de mesure de forces et couples exercés par le véhicule sur un banc de test solidaire du véhicule pour plusieurs pas cycliques d'une ou des hélices et/ou une deuxième étape de mesure de la direction du mouvement du véhicule immergé dans le liquide dans une zone dégagée pour plusieurs pas cyclique d'une ou des hélices au moyen de gyromètres et d'accéléromètres de la direction du mouvement du véhicule sous-marin en fonction du pas cyclique des hélices. L'étape de calibration comprend en outre une étape de calcul de la phase cyclique à partir de mesures réalisées lors de l'étape de mesure.
Avantageusement, la distance entre les hélices, c'est-à-dire entre les centres des hélices, est comprise entre une valeur seuil non nulle et le triple du diamètre D de la plus grande des deux hélices. Cette distance limitée entre les hélices permet d'assurer une convergence des flux et une interaction entre eux. La distance entre les hélices ne dépend pas de la longueur du véhicule. La distance limitée entre les hélices permet d'obtenir des flux qui convergent entre les hélices quelle que soit la longueur du véhicule. Ainsi le rendement énergétique est élevé. La poussée générée par le propulseur est la somme des poussées générées par les deux hélices et d'une force résultant de l'interaction entre les flux et le corps du véhicule. L'interaction entre les flux et le corps du véhicule génère, lorsqu'au moins un des flux n'est pas à symétrie de révolution autour de l'axe x, un champ de pression entre les deux hélices qui n'est pas homogène sur la révolution autour de l'axe x. Ce gradient de pression génère une poussée latérale qui s'ajoute aux poussées générées par les propulseurs. La faible distance entre les hélices permet de maximiser cette force et le rendement énergétique du procédé. Un avantage apporté est une efficacité du phénomène de poussée radiale (si les hélices sont trop éloignées, les flux vont perdre en énergie cinétique d'ici le point de rencontre). Le flux en sortie de chaque hélice est perturbé par son environnement. La condition de distance entre les hélices permet donc un contrôle efficace de la localisation du point de rencontre des deux flux opposés (si les hélices sont trop éloignées, la localisation du point de rencontre est trop approximative; si les hélices sont trop proches, les deux flux vont se perturber l'un l'autre au niveau des pales).
Avantageusement, la distance seuil est supérieure ou égale à 20% du diamètre D de la plus petite des deux hélices. En dessous de ce seuil, l'interaction entre les deux hélices est trop perturbée.
L'invention se rapporte également à un véhicule marin 2 tel que décrit précédemment comprenant un système de propulsion 63 tel que représenté sur la figure 6. Le système de propulsion 63 comprend un dispositif de pilotage ou de commande 62 configuré pour pouvoir mettre en œuvre le procédé selon l'invention ainsi que le propulseur selon l'invention. L'invention se rapporte également au système de propulsion et au dispositif de pilotage
Le dispositif de pilotage ou de commande 62 comprend un organe de commande 60 qui recevant une consigne de mise en œuvre de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse est configuré pour calculer une configuration basse vitesse dans laquelle doit être mis le propulseur pour que chaque hélice génère un flux dirigé vers le flux généré par l'autre hélice prise parmi les deux hélices et atteignant le flux généré par l'autre hélice.
Avantageusement, chaque hélice génère un flux non nul et dirigé essentiellement dans le même sens sur toute la révolution des pales de l'hélice dans le liquide autour de l'axe de rotation de l'hélice, et de façon que chaque hélice prise parmi les deux hélices génère un flux
L'organe de commande comprend par exemple un organe de calcul analogique comme un amplificateur opérationnel monté en sommateur pondéré, ou un composant logique programmable ou un processeur et une mémoire associée contenant un programme configuré pour déterminer la configuration. Le processeur et la mémoire peuvent être regroupés au sein d'un même composant souvent appelé microcontrôleur.
Le dispositif de pilotage 62 comprend en outre un dispositif d'actionnement ou actionneur 61 configuré pour contrôler le propulseur de façon à le mettre dans ladite configuration basse vitesse calculée, lorsqu'il reçoit ladite configuration basse vitesse sous forme d'une commande qui lui est envoyée par l'organe de commande.
L'actionneur peut comprendre des vérins, par exemple électriques ou hydrauliques ou un moteur actionnant des câbles ou chaines et permettant de déplacer le point sur lequel ils appliquent leur force ou bien encore en principe de crémaillère. L'actionneur est configuré pour incliner et/ou déplacer les plateaux cycliques et collectifs. Avantageusement, la consigne de mise en œuvre de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse comprend une consigne de poussée, le propulseur calculant une configuration basse vitesse du propulseur telle que le propulseur génère une poussée souhaitée, notamment une poussée selon la direction de la consigne de poussée.
Lorsque le propulseur est un propulseur du type à deux hélices contrarotatives à pas cycliques et collectifs variables, la configuration obtenue comprend un pas collectif, un pas cyclique et éventuellement une vitesse de rotation de chaque hélice et le (ou les) actionneur(s) permettent de régler les pas collectifs et cycliques des deux hélices. La configuration est une configuration des hélices et le dispositif d'actionnement permet de configurer les hélices. Il s'agit par exemple d'un dispositif magnétique ou d'un dispositif motorisé permettant de régler les pas cycliques et collectifs. De façon non limitative, ce dispositif comprend des plateaux cycliques et collectifs. Dans le cas d'un propulseur comprenant deux propulseurs à Cardan, la configuration comprend les orientations des axes de rotation des hélices. Le dispositif d'actionnement permet d'actionner les articulations à Cardan de façon à modifier les orientations des axes de rotation des hélices.
La consigne peut être générée à bord du véhicule (véhicule autonome) ou à l'extérieur du véhicule (véhicule piloté à distance).

Claims

Procédé de pilotage d'un propulseur vectoriel d'un véhicule marin (1) au moins partiellement immergé dans un liquide comprenant un corps (2) et le propulseur vectoriel (3), le propulseur vectoriel (3) comprenant deux hélices (AV, AR) contrarotatives à pas collectifs variables et à pas cycliques variables, chaque hélice (AV, AR) comprenant des pales (4) destinées à tourner autour d'un axe de rotation de ladite hélice (AV, AR) fixe par rapport au corps (((2)du véhicule (1), le procédé comprenant une étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, lors de laquelle on pilote le propulseur vectoriel (3) de façon que chaque hélice (AV, AR) génère un flux dirigé vers le flux généré par l'autre hélice et atteignant le flux généré par l'autre hélice, la distance entre les hélices (AV, AR) étant comprise entre une distance seuil non nulle et le triple du diamètre de la plus grande des deux hélices (AV, AR).
Procédé de pilotage selon la revendication précédente, dans lequel chaque hélice (AV, AR) génère un flux non nul et dirigé dans le même sens, selon l'axe de rotation de l'hélice (AV, AR), sur l'essentiel de la révolution des pales (4) de l'hélice (AV, AR) dans le liquide autour de l'axe de rotation de l'hélice (AV, AR).
Procédé de pilotage selon la revendication 1, dans lequel au moins une hélice (AV, AR) génère un flux dont le sens, selon l'axe x, varie sur la révolution des pales de l'hélice dans le liquide autour de l'axe de rotation de l'hélice (AV, AR).
Procédé de pilotage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la distance entre les hélices (AV, AR) est supérieure ou égale à 20% au diamètre de la plus petite des deux hélices (AV, AR).
Procédé de pilotage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les deux hélices (AV, AR) comprennent une hélice amont et une hélice aval selon un axe de référence (x) dans un sens prédéterminé, et dans lequel lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, pour que le propulseur vectoriel (3) exerce une poussée non nulle selon l'axe de référence (x) et dans ledit sens, on pilote le propulseur vectoriel (3) de façon que la force de poussée amont résultant du flux amont généré par l'hélice amont présente une composante axiale d'intensité supérieure à celle de la composante axiale de la force de poussée aval résultant du flux aval généré par l'hélice aval.
Procédé de pilotage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, pour que le propulseur vectoriel (3) génère une force de poussée présentant une composante radiale nulle selon un axe radial situé dans un plan perpendiculaire à un axe de référence (x), on pilote le propulseur (3) de façon que le flux combiné résultant de la combinaison des flux générés par les deux hélices (AV, AR), entre les deux hélices (AV, AR), soit à symétrie de révolution autour de l'axe de référence.
Procédé de pilotage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, pour que le propulseur vectoriel (3) exerce une poussée présentant une composante radiale non nulle selon un axe radial situé dans un plan perpendiculaire à un axe de référence (x), on pilote le propulseur vectoriel(3) de façon que le flux combiné résultant de la combinaison des flux générés par les deux hélices (AV, AR) entre les deux hélices (AV, AR) ne soit pas à symétrie de révolution autour de l'axe de référence (x).
Procédé de pilotage selon la revendication précédente, dans lequel lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, pour que le propulseur vectoriel (3) exerce une poussée présentant une composante radiale non nulle, on pilote le propulseur vectoriel (3) de façon qu'au moins une hélice (AV, AR) génère un flux qui n'est pas à symétrie de révolution autour de l'axe de référence (x).
Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, dans lequel, lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, pour que le véhicule (1) tourne autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de référence, on pilote le propulseur vectoriel de façon que la force de poussée générée par le propulseur vectoriel (3) s'applique sur un point distant du centre de masse du véhicule (1).
Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, dans lequel, lors de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, pour que le véhicule (1) se translate selon un axe perpendiculaire à l'axe de référence (x), on pilote le propulseur vectoriel (3) de façon que la force de poussée générée par le propulseur vectoriel (3) s'applique sur le centre de masse du véhicule (1).
Procédé de pilotage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un axe de référence (x) étant un axe reliant des centres des deux hélices (AV, AR) qui sont des points situés sur les axes de rotation des hélices respectives.
Procédé de pilotage selon la revendication précédente, dans lequel les axes de rotation des deux hélices (AV, AR) sont sensiblement confondus avec l'axe de référence (x).
Procédé de pilotage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les axes de rotation des hélices sont sensiblement confondus.
Système de propulsion pour véhicule marin (1), comprenant un propulseur vectoriel (3) comprenant deux hélices (AV, AR) contrarotatives à pas collectifs variables et à pas cycliques variables, chaque hélice comprenant des pales (4) destinées à tourner autour d'un axe de rotation de ladite hélice fixe par rapport au corps (2) du véhicule (1), caractérisé en ce que la distance entre les hélices (AV, AR) est comprise entre une distance seuil non nulle et le triple du diamètre de la plus grande des deux hélices (AV, AR), le système de propulsion (63) comprend en outre un dispositif de pilotage (62) permettant de piloter le propulseur vectoriel et étant apte à mettre en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, le dispositif de pilotage (62) comprenant un organe de commande (60) qui, recevant une consigne de mise en œuvre de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse, est configuré pour calculer une configuration basse vitesse dans laquelle doit être mis le propulseur vectoriel (3) pour que chaque hélice (AV, AR) génère un flux dirigé vers le flux généré par l'autre hélice et atteignant le flux généré par l'autre hélice, le dispositif de pilotage comprenant en outre un actionneur (61) configuré pour contrôler le propulseur vectoriel de façon à le mettre dans ladite configuration basse vitesse.
Système de propulsion selon la revendication précédente, dans lequel la consigne de mise en œuvre de l'étape de pilotage de manœuvre à basse vitesse comprend une consigne de poussée, le propulseur vectoriel calculant une configuration basse vitesse du propulseur vectoriel telle que le propulseur vectoriel génère une poussée selon la direction de la consigne de poussée.
Système de propulsion selon l'une quelconque des revendications 14 à 15, dans lequel les axes de rotation des hélices sont sensiblement confondus.
Véhicule marin destiné à être au moins partiellement immergé dans un liquide comprenant un corps (2), et un système de propulsion selon l'une quelconque des revendications 14 à 16.