Avion multiplans à propulsion pousse et tire La présente invention appartient au domaine des avions de transport. Plus particulièrement l'invention concerne un avion comportant une aile et des empennages horizontaux en arrière et en avant de l'aile et propulsé par des moteurs entraînant des hélices placées dans le plan de symétrie vertical du fuselage. Dans le domaine des avions, le problème du choix d'une architecture aérodynamique et celui de l'intégration des moyens de propulsion sont en général le résultat de compromis entre les capacités opérationnelles souhaitées pour l'avion, ses performances et ses coûts d'exploitation. Ces aspects sont en outre contraints par des exigences de sécurité et de certification. Pour les avions de transport, la configuration aérodynamique la plus généralement utilisée consiste en un fuselage allongé dans l'axe de l'avion sur lequel est fixé une aile assurant le principal de la portance et des empennages arrières, fixés au fuselage en arrière de l'aile, pour répondre aux besoins de stabilité et de contrôle longitudinal, en profondeur ou en lacet, de l'avion. Pour palier à certains inconvénients des empennages horizontaux arrières, en particulier la création d'une portance négative dans certaines manoeuvres, il est connu d'utiliser pour le contrôle longitudinal en profondeur des empennages avants ou empennages canard, situés sur le fuselage en avant de l'aile. Suivant une architecture connue, par exemple du brevet EP 0030053 ou du brevet EP 0680877, un avion comporte un empennage arrière et un empennage canard avant de sorte à combiner certains avantages de chacun des 25 types d'empennage horizontal en matière de stabilité et de contrôle longitudinal. Une telle architecture a effectivement été mise en oeuvre sur l'avion Avanti P150, architecture décrite dans le brevet EP 0084686, du constructeur Piaggio Aero, dans lequel la propulsion est réalisée par deux turbopropulseurs fixés sur l'aile de l'avion de chaque côté du fuselage et entraînant des hélices fonctionnant à pousser placées prés du bord de fuite de l'aile. De manière similaire aux autres exemples cités, les moteurs de propulsion, réacteurs ou moteurs à hélice, sont, sur de tels avions combinant des empennages horizontaux arrières et avants, fixés sur l'aile de manière conventionnelle dans un agencement symétrique par rapport au fuselage de sorte que les interférences entre les empennages horizontaux et les moteurs sont évités. Lorsqu'il est recherché une solution d'intégration de la propulsion qui induise le minimum d'effets secondaires en particulier en cas de panne d'un moteur, il est également connu de rechercher des solutions dans lesquelles les moteurs sont placés proche de l'axe du fuselage de l'avion, ou au moins proche du plan de symétrie vertical de l'avion. En particulier lorsque la propulsion doit être assurée par des hélices, il est connu de mettre une hélice à l'avant du fuselage, hélice fonctionnant à tirer, et 15 une hélice à l'arrière du fuselage, hélice fonctionnant à pousser. Une telle architecture d'avion, connue du modèle D0335 du constructeur DORNIER et repris par le modèle Skymaster du constructeur CESSNA, reste cependant associée à des hélices simples et sur le plan aérodynamique à une architecture d'empennage horizontal arrière conventionnelle. 20 Pour améliorer les possibilités des solutions connues et permettre une intégration performante d'une propulsion de type propfan à des avions de transport rapide, un avion comportant un fuselage de forme allongée, une aile fixée au fuselage dans une partie médiane suivant une longueur dudit fuselage et 25 un empennage formant une surface aérodynamique sensiblement horizontale, empennage arrière ou empennage canard avant tel qu'il est connu de mettre en oeuvre pour réaliser la stabilisation et le contrôle longitudinal en profondeur de l'avion, comporte : - un premier moteur fixé au fuselage, à l'extrémité arrière du fuselage, ce 30 premier moteur comportant une turbine entraînant en rotation autour d'un même axe deux hélices contrarotatives agencées pour produire une force à pousser orientée sensiblement suivant une direction longitudinale X de l'avion et dirigée vers l'avant suivant un sens de déplacement en vol de l'avion ; - un second moteur fixé au fuselage, à l'extrémité avant du fuselage, ce second moteur comportant une turbine entraînant en rotation autour d'un même axe deux hélices contrarotatives agencées pour produire une force à tirer orientée sensiblement suivant la direction longitudinale X et dirigée vers l'avant suivant un sens de déplacement en vol de l'avion. Il est ainsi possible d'intégrer des propulseurs à hélices rapides à un avion de transport, de manière aisé sur le plan mécanique, avec un minimum de pénalité aérodynamique, en particulier en maintenant un écoulement peut perturbé le long du fuselage du fait de la contrarotativité des deux hélices de chaque moteur, et en améliorant les conditions de manoeuvrabilité de l'avion en particulier en cas de panne d'un moteur. Dans une forme de réalisation, l'avion comporte à la fois un empennage canard avant, fixé au fuselage en avant de l'aile et en arrière du second moteur et un empennage arrière fixé au fuselage dans une partie du fuselage située en arrière de l'aile. Ainsi il est obtenu une répartition de portance améliorée qui permet d'éviter de créer des portances négatives sur l'empennage arrière, de diminuer la surface nécessaire de l'aile pour assurer la portance et limiter les variations d'assiette longitudinal de l'avion en particulier lors des phases de décollage ou d'atterrissage. En fixant l'empennage arrière, lorsque l'avion en est pourvu, à une dérive elle même fixée au fuselage dans une partie du fuselage, en arrière de l'aile et en avant du premier moteur, il est obtenu de limiter les interférences entre l'écoulement aérodynamique perturbé par l'empennage arrière et le premier moteur. Dans un mode de réalisation l'empennage arrière est fixé à la dérive au-dessus du fuselage à une hauteur telle que le sillage aérodynamique de l'empennage arrière passe lorsque l'avion est en vol, au moins dans certaines phases du vol, au-dessus des hélices du premier moteur. Du fait, dans cette situation, de l'absence d'interaction sensible des hélices du premier moteur avec le sillage de l'empennage arrière, le niveau de bruit des hélices est sensiblement diminué, leurs rendements améliorés et leur fatigue sur le plan de la structure des pales diminuée. Avantageusement le premier moteur est fixé au fuselage de sorte que l'axe des hélices de ce premier moteur est situé au-dessus d'un axe longitudinal du fuselage. Ainsi les hélices arrières ont leur distance au sol lorsque l'avion est au sol augmentée et l'avion est en mesure de prendre une assiette longitudinale au sol également augmentée lorsque les roues du train d'atterrissage principal sont au sol. Pour éviter que les hélices du premier moteur ne s'approchent trop prés du sol, par exemple lors des phases de décollage ou d'atterrissage, des lois de commande de vol de l'avion comportent des limitations de l'assiette longitudinale de l'avion, au moins lorsque des roues d'un train d'atterrissage principal touchent le sol, de sorte à conserver une garde au sol positive voulue des hélices du premier moteur.
Dans un mode de réalisation, le premier moteur est fixé au fuselage de sorte que l'axe des hélices du premier moteur est situé au-dessus dudit fuselage, ce qui a pour bénéfice d'augmenter au maximum la hauteur des hélices par rapport au sol avec un écoulement aérodynamique toujours relativement homogène au niveau des hélices malgré la présence du fuselage en amont de l'écoulement. Lorsqu'une assiette au sol de l'avion risque de conduire à un contact du fuselage arrière avec le sol, il est par exemple fixé au fuselage dans la zone de contact un sabot de limitation mécanique de l'assiette de l'avion lorsque des roues d'un train d'atterrissage principal de l'avion touchent le sol, de sorte à conserver une garde au sol positive des hélices du premier moteur. La protection mécanique obtenue est alors une sécurité supplémentaire qui s'ajoute le cas échéant aux protections de limitation d'assiette des commandes de vol. Lorsque l'avion en est pourvu, l'empennage canard comporte une 30 structure traversant le fuselage au niveau ou sous une structure d'un plancher d'un volume du fuselage destiné à recevoir des personnes ou des marchandises à transporter. Il est ainsi obtenu une structure de l'empennage canard adapté à des portances élevées recherchées avec des effets limités sur le volume intérieur du fuselage. Dans un autre mode de réalisation, la structure de l'empennage canard traverse le fuselage dans une partie basse du fuselage, proche du bord inférieur 5 de l'enveloppe du fuselage, de telle sorte que l'intrados de l'empennage canard est sensiblement tangent à la surface extérieure du fuselage. Dans un autre mode de réalisation, la structure de l'empennage canard traverse le fuselage dans une partie haute du fuselage, proche du bord supérieur de l'enveloppe du fuselage, de telle sorte que l'extrados de l'empennage canard 10 est sensiblement tangent à une surface extérieure du fuselage. Ces modes de réalisation permettent d'une part d'obtenir une occupation différente des volumes intérieurs du fuselage pour répondre à des besoins d'aménagements et de dégager l'empennage canard de l'écoulement accéléré par les hélices du second moteur et éviter ou au moins limiter les pénalités 15 aérodynamiques liées à cette accélération locale de l'écoulement. Dans une forme de réalisation, le premier moteur et le second moteur sont identiques à des pas des hélices prés de sorte que les coûts de maintenance en sont diminués. 20 L'avion suivant l'invention est décrit en référence aux figures qui représentent schématiquement : figure 1 : une vue d'ensemble en perspective d'un premier exemple d'avion suivant l'invention ; figure 2 : une vue d'ensemble en perspective d'un deuxième exemple 25 d'avion suivant l'invention comportant un moteur surélevé à l'arrière et un empennage canard abaissé à l'avant ; figure 3 : une vue partielle en perspective de la partie avant du fuselage d'un troisième exemple d'avion suivant l'invention comportant un empennage canard surélevé. 30 Pour les besoins de la description il est fait référence à trois directions principales d'un repère avion conventionnel : - une direction X parallèle à un axe longitudinal de fuselage orientée positivement vers l'avant de l'avion ; - une direction Z perpendiculaire à la direction X et parallèle à un plan de symétrie vertical de l'avion, orientée positivement vers le bas ; - une direction Y perpendiculaire à un plan XZ déterminé par les directions X et Z, orientée positivement vers la droite de l'avion. Les termes ou expressions "haut", "bas", "intérieur", "extérieur", "droite", "gauche", "vers le haut", "vers le bas", "vers l'intérieur", "vers l'extérieur"... auront sauf précision contraire le sens que leur donnerait une personne dans 10 l'avion en position de pilotage conventionnel. Un avion 10 suivant l'invention, tel qu'illustré sur la figure 1, comporte un fuselage 11, une aile 12 fixée au fuselage dans une partie médiane du fuselage 11, un empennage arrière 13 horizontal fixé au fuselage dans une partie du 15 fuselage située en arrière de l'aile 12, par l'intermédiaire d'une dérive 14 dans le cas de l'avion illustré , un empennage avant horizontal ou empennage canard 15 fixé au fuselage dans une partie du fuselage situé en avant de l'aile 12. De manière connue l'empennage arrière 13 et l'empennage canard 15 sont des surfaces aérodynamiques sensiblement horizontales qui assurent des 20 fonctions de stabilité longitudinale en assiette et ou de contrôle longitudinal en assiette par l'intermédiaire de gouvernes associées aux dits empennages arrière et canard. L'avion 10 comporte également un premier moteur 16 fixé au fuselage 11, agencé sensiblement dans un plan de symétrie vertical XZ de l'avion, 25 à une extrémité arrière dudit fuselage. Le premier moteur 16 est du type "propfan", c'est-à-dire comportant une turbine 163, agencée suivant une architecture de turbopropulseur, couplée à des hélices 161, 162 rapides. Suivant la terminologie utilisée et communément admise, une hélice 30 rapide est une hélice dont les caractéristiques : formes, dimensions et nombre des pales, vitesse de rotation ..., sont adaptées pour que l'hélice fonctionne, avec un rendement de propulsion acceptable sur un avion de transport, avec des vitesses de vol en croisière au moins de l'ordre de 0,7 points de mach. Les hélices 161, 162, au nombre de deux, sont coaxiales, donc en rotation autour d'un axe commun sur des arbres de rotation distincts. Elles sont en outre contrarotatives le sens de rotation d'une hélice étant inverse de celui de l'autre hélice du moteur, et fonctionnent en mode à pousser en créant une force orientée dans une direction correspondant à la direction dans laquelle se trouve l'avion par rapport aux hélices 161, 162 du premier moteur 16. L'avion 10 comporte en outre un second moteur 17 fixé au fuselage 11, agencé sensiblement dans un plan de symétrie vertical XZ de l'avion, à une 10 extrémité avant dudit fuselage. Le second moteur 17 est également du type "propfan", c'est-à-dire comportant une turbine 173 agencée suivant une architecture de turbopropulseur couplée à des hélices 171, 172 rapides. Les hélices 171, 172, au nombre de deux, sont coaxiales comme les 15 hélices du premier moteur 16. Elles sont également contrarotatives et elles fonctionnent en mode à tirer en créant une force orientée dans une direction opposée à la direction dans laquelle se trouve l'avion par rapport aux hélices 171, 172 du second moteur 17. Les hélices 161, 162 du premier moteur 16 et les hélices 171, 172 du 20 second moteur 17 exercent donc sur l'avion 10 des forces de propulsion orientées dans le même sens, en vol normal vers l'avant de l'avion. Dans une forme de réalisation, les deux moteurs sont identiques à des détails mineurs de réalisation près et à une symétrie des pales des hélices près de sorte à produire la poussée de chacune des hélices dans le sens souhaité. 25 L'architecture de l'avion 10 présente de nombreux avantages. Elle permet une installation des moteurs 16, 17 dont la géométrie tant des turbines que des hélices aux extrémités avant et arrière de la forme allongée du fuselage 11 s'intègre avec la géométrie dudit fuselage. 30 Il convient de noter que sur le plan de l'intégration mécanique il est plus complexe de fixer les moteurs à l'aile dont la forme est totalement différente de celle du moteur, d'autant plus qu'il est recherché de perturber au minimum les 2 993 859 8 formes de l'aile dont les performances aérodynamiques sont très sensibles aux perturbations locales de ses formes. L'architecture de l'avion 10 permet donc une voilure plus légère et plus performante sur le plan aérodynamique. En particulier la position des hélices résultant de l'architecture de l'avion 5 10 est adaptée à l'écoulement aérodynamique homogène, globalement axisymétrique, autour du fuselage. Il en résulte un rendement amélioré de la propulsion, une diminution du niveau des bruits générés par des interactions entre les hélices et l'écoulement aérodynamique autour de l'avion, une diminution des charges de fatigue des pales.
Ces avantages sont particulièrement sensibles du fait de l'éloignement des hélices 161, 162 du premier moteur 16 situées relativement loin en arrière de la voilure de par leurs positions extrêmes à l'arrière du fuselage 11. Cette position a en effet pour conséquence qu'un sillage de l'aile, liée à la nappe tourbillonnaire se détachant d'un bord de fuite de l'aile 12, va, compte tenu de sa déviation naturelle vers le bas, passer en dessous des dites hélices du premier moteur 16. En outre l'utilisation de deux hélices contrarotatives permet d'une part, avec un diamètre fixé, d'augmenter la puissance de la propulsion et d'autre part de produire, en arrière d'un ensemble formé par les deux hélices considérées, un écoulement pas ou peu vrillé comparativement à celui résultant de l'utilisation d'une hélice simple. Dans cette configuration de l'avion 10 le second moteur 17 situé à l'avant du fuselage 11 permet de maintenir un écoulement moins perturbé sur le fuselage 11 et en raison de la symétrie axiale, non vrillé, de l'écoulement en arrière des hélices 171, 172 du second moteur 17 permet de maintenir un écoulement aérodynamique symétrique au niveau de l'aile 12 située en arrière, quelque soit le régime et la puissance développée par le second moteur 17. Il est donc ainsi évité un calage dissymétrique des demi-voilures gauche et droite, de même que pour l'empennage canard 15 pour les mêmes raisons, pour prendre en compte un vrillage moyen de l'écoulement. Il est également évité un calage en lacet de la dérive 14 qui serait nécessaire pour compenser un écoulement vrillé qui s'enroulerait autour du fuselage dans le cas d'une hélice simple. En évitant ces calages de l'aile et des empennages, calages qui ne sont jamais adaptés à toutes les phases de vol et nécessitent en outre des actions de compensation par l'intermédiaire de gouvernes en particulier de roulis et de lacet, la traînée aérodynamique de l'avion 10 est diminuée. L'architecture de l'avion 10 permet également par une utilisation conjointe de l'empennage arrière 13 et de l'empennage canard 15, d'agir sur la portance totale de l'avion (portance de l'aile 12 + portance de l'empennage arrière 13 + portance de l'empennage canard 15) et sur son équilibre longitudinal. Les différentes modifications de portance qui sont nécessaires en vol pour assurer les changements d'attitude et le contrôle de l'avion sont réalisées par une combinaison des actions sur des gouvernes des différentes surfaces aérodynamiques portantes que sont l'empennage arrière 13, l'aile 12 et l'empennage canard 15. Le brevet EP 0680877 déjà cité donne un exemple de mise en oeuvre d'un avion ayant une telle configuration aérodynamique.
Outre les possibilités accrues de contrôle de l'assiette longitudinale de l'avion 10, la mise en oeuvre d'une telle architecture aérodynamique permet de réaliser un équilibre longitudinal de l'avion avec uniquement des surfaces ayant une portance positive, vers le haut, contrairement au cas général des avions sans empennage canard. Il est ainsi possible de diminuer la surface de l'aile 12 du fait de l'absence de composante négative de portance sur l'empennage arrière et du fait des composantes de portance positives sur les empennages arrière 13 et canard 15 qui participent à la sustentation de l'avion. Suivant l'exemple d'architecture de l'avion 10 illustré sur la figure 1, la mise en oeuvre d'un empennage arrière 13 situé en partie haute de la dérive 14 fait qu'un sillage dudit empennage arrière passe au-dessus des hélices 161, 162 du premier moteur 16 avec les mêmes effets bénéfiques sur le bruit et sur la fatigue des pales des hélices que dans le cas l'aile 12 dont le sillage passe en dessous des hélices.
Comme il est illustré sur la figure 1, le premier moteur 16 est déporté vers le haut par rapport à un axe longitudinal du fuselage, en particulier l'axe des hélices du premier moteur, de sorte que l'avion 10 est en mesure d'avoir une assiette à cabrer, lorsque les roues d'un train principal 18 touche le sol, en conservant une garde au sol des hélices 161, 162 du premier moteur 16. L'axe longitudinal du fuselage considéré ici est un axe sensiblement parallèle aux lignes génératrices d'une partie cylindrique du fuselage et sensiblement à mi-hauteur entre une partie basse et une partie haute du fuselage dans la partie cylindrique. Par exemple si la partie cylindrique du fuselage est de section circulaire, l'axe du fuselage est avantageusement confondu avec l'axe du cylindre passant par les centres des sections circulaires. Dans le cas de l'exemple d'agencement du premier moteur 16 illustré sur la figure 1, un contact physique des hélices 161, 162 du premier moteur 16 avec le sol étant possible dans l'hypothèse où l'avion 10 pourrait prendre au sol une assiette longitudinale à cabrer excessive, des fonctions de pilotage sont introduites dans les moyens de contrôle de l'avion, en pratique des lois de commande de vol, pour limiter l'assiette à cabrer, au moins au sol, à une valeur maximale pour laquelle les dites hélices du premier moteur conserve une garde au sol voulue. Il convient de comprendre sur ce point que la mise en oeuvre des multiples surfaces portantes (aile 12 + empennage arrière 13 + empennage canard 15) permet d'assurer la portance nécessaire à l'avion 10 pendant les phases de décollage et d'atterrissage avec une assiette longitudinale réduite par rapport à une configuration avion conventionnelle. Dans une autre forme de réalisation de l'avion 10, le premier moteur est déporté sensiblement au dessus du fuselage 11, comme l'illustre la variante de l'avion 10 sur la figure 2, de sorte que l'axe des hélices du premier moteur se 25 trouve situé au-dessus du fuselage. Dans cet exemple de réalisation, la position surélevée du premier moteur 16 permet à l'avion de prendre une assiette à cabrer au sol qui est mécaniquement limité par le fuselage en conservant une garde au sol des hélices 161, 162 du premier moteur 16. Dans ce cas, de manière connue, un 30 sabot est avantageusement fixé au fuselage 11 dans la zone dudit fuselage susceptible de toucher le sol en premier, et ou des fonctions logiques pour limiter l'assiette sont si besoin introduite dans un système de commande de vol. 2 993 85 9 11 L'empennage canard 15 est, du fait de l'architecture de l'avion 10, situé en arrière des hélices 171, 172 du second moteur. Comme il a déjà été décrit, l'écoulement derrière le couple des dites hélices du second moteur est redressé 5 et il n'y a pas d'inconvénient majeur à ce que l'empennage canard 15 se trouve solidaire du fuselage 11 dans une position en hauteur intermédiaire sur ledit fuselage comme illustré sur la figure 1. Dans cet exemple une structure centrale de l'empennage canard se situe au niveau d'un plancher de cabine de l'avion 10, ou en dessous du plancher, ce qui permet de ne pas affecter les volumes 10 aménageables du fuselage 11 pour le transport de personnes ou de marchandises. Dans ce cas l'empennage canard 15 se trouve, au moins en partie, dans un souffle des hélices 171, 172 du second moteur dans lequel l'écoulement est accéléré. Lorsqu'il est souhaité éviter cette situation, par exemple pour éviter une 15 légère détérioration de la traînée de frottement de l'empennage canard en raison de cet accélération de l'écoulement local, il est possible de décaler la position en hauteur sur le fuselage de l'empennage canard, éventuellement au prix de contraintes structurales pouvant affecter les possibilités d'aménagement du fuselage, soit vers le bas comme dans l'exemple de réalisation de l'avion 10 20 présenté sur la figure 2, soit vers le haut comme dans le détail de réalisation d'une partie avant du fuselage 11 de l'avion 10 comme illustré sur la figure 3. Dans une variante de réalisation non illustrée, l'avion 10 ne comporte pas d'empennage canard. Dans ce cas il sera préféré de mettre en oeuvre une configuration de l'avion pour laquelle la possibilité de prendre une assiette longitudinale au sol suffisante pour assurer les décollages et les atterrissages. Dans cette configuration sans empennage canard, il sera au besoin fait appel à des lois de pilotage permettant à l'avion de voler avec un centrage suffisamment arrière pour conserver une portance positive sur l'empennage arrière 13. Dans une variante de réalisation non illustrée, l'avion 10 ne comporte pas 30 d'empennage arrière. Dans cette configuration sans empennage arrière, l'avion bénéficie des avantages de la portance assurée par l'empennage canard.
Ainsi l'avion de l'invention bénéficie de la propulsion par des hélices rapides et de performances améliorées.