dimanche 2 octobre 2011

HENRI MIGNET

L'HM 8, qui précéda le Pou.

La soufflerie de l'amateur nécessitait ses balances, comme toutes les autres.

SAINT PATRON ET PÈRE DES POUX
Bien que la matière ne manque pas, il ne s'agit pas de faire ici la biographie de Henri Mignet, père du Pou du Ciel et Saint Patron d'une tendance originale de l'aviation d'amateurs, mais d'examiner quelques unes de ses idées qui ont laissé une trace plus profonde qu'il ne semble.
C'est une figure qui séduit, actif, obstiné, original bien qu'il se définisse comme un Français moyen, populaire et même populiste, il est un aventurier des temps modernes.
Après avoir publié dans l'hebdomadaire « Les Ailes » puis avoir écrit à la main sur les plaques ou sur des calques son premier « Bouquin », « Comment j'ai construit mon avionnette » où il décrit par le menu un bois et toile, le HM 8 qu'il a expérimenté, Mignet déclare la guerre à l'Avion et s'engage en 1933 dans la bataille du « Pou du Ciel ».
Il lance aussi la campagne pour le Réseau de Amateurs de l'Air qui préfigure le Rassemblement du Sport de l'Air qui existe toujours et où cohabitent des constructeurs amateurs de diverses tendances dont des Poucellistes. Il écrit en 1934 le manifeste pour l'Avion de 100 Kilos.
Autant dire que Mignet a inventé l'ULM !
COMMENT MIGNET EN VIENT À L'IDÉE DU POU DU CIEL ?
A la fin des années 20 Mignet a tout lieu d'être content même fier de son HM 8 qui aura été précédée de 7 autres expérimentaux moins heureux (sauf l'HM 5 qui plût tant qu'il obtint un joli prix pour son petit planeur pliable !). Cette avionnette a des centaines de constructeurs. Beaucoup terminent leur machine et volent dans une semi-clandestinité ou payant de lourdes amendes. La législation est restrictive et la certification est difficile à obtenir. On est encore loin de la certification restreinte d'aujourd'hui.
Le moteur Chaise, bien connu des motards collectionneurs est le propulseur recommandé, mais il est bigrement lourd avec sa boite 3 vitesses et son embrayage : 71 kg avec la transmission le réservoir et l'hélice.
Mignet cependant recommande de garder ces organes superflus. Il changera de point de vue pour le Pou. Il leur voit une utilité dans les manœuvres au sol et pour soulager la chaine. L'hélice est en effet démultipliée, autre conception qui fera long feu jusqu'à « prendre » et se confirmer presque récemment.
Mais le problème n'est pas là. Ce qui gène Mignet dans l'Avion ce sont les ailerons.
En 1929 il expérimente une aile pivotante sans ailerons. Cette HM 9 est essayée à Orly sans autorisation de voler et malheureusement Mignet se plante. Son hébergement par l'Aéro Club de France est mis en danger. La solution ne doit pas être très satisfaisante et Mignet cherche encore.
Il construit sa soufflerie où pétarade le moteur Anzani de ses premiers avions. Et c'est là qu'il découvre l'intérêt des ailes à fente. Il leur attribue à tort ou à raison des qualités de stabilité et se lance dans la construction du Pou nº1. On est encore assez loin du petit biplan en tandem court. Le fuselage est presqu'aussi long que celui de l'HM 8 et le plan arrière n'est pas encore très développé.
Mignet construit vite ses machines : 1 mois passe et il part en sidecar, accompagné de son épouse, passer l'été 1931 en camping pour expérimenter. Il rencontre de grosses difficultés de centrage et finalement casse l'appareil HM 11 qui est suivi de l'HM 12 , guère plus satisfaisant mais plus nettement triplan. L'HM 13 se rapproche du Pou définitif quand aux voilures mais il est conçu comme une conduite intérieure selon les termes de Mignet. Il l'a ainsi créé mais ne lui va pas : « Pas assez sport » écrit-il ! De plus la carlingue est mal centrée sur ses roues. Difficile de modifier cela. Mignet récupère ce qu'il peut et passe au HM 14. Le 10 Août 1933 il plante le premier clou du nouvel appareil. Le 10 Septembre il décolle pour la première fois à proximité de son lieu habituel de camping, le Bois de Bouleaux, dans l'Aisne. Il faudra encore bien du travail pour que le Pou puisse être considéré comme terminé. Mignet recoupe l'aile arrière, puis retouche les queues de nervures des deux ailes, découvre les particularités de pilotage de sa création et le 21 Octobre obtient finalement inclinaison et virage. Les vrais essais peuvent commencer et il faut faire vite car vient le froid et l'humidité.
Ces essais vont bon train et le 16 Novembre Mignet et son Pou du Ciel survolent Soissons où Pierre Collin et d'autres amis peuvent le voir avant qu'il ne retourne au Bois de Bouleaux à la nuit tombante. Enfin le 21 Novembre volant de conserve avec Pierre Collin et son Potez 43, il atterrit sur le terrain de l'Aisne Agricole (Soissons), entreprise de Collin. Les essais continueront jusqu'au 3 Décembre quand le Pou et son constructeur pressés par le froid et la pluie prendront le chemin de Paris.
Mignet peut écrire son second « Bouquin », le Sport de l'Air, composé en typo cette fois : le temps presse et cela vaut le coup de mettre les moyens.
Le Pou subira encore quelques petites modifications. Son double dièdre sera acquis, une aile avant de 4 m sera essayée avec succès. Le Pou peut voler ainsi. Mais il est chargé excessivement et il ne peut qu'à peine monter. Le dimensions recommandées se stabilisent donc à l'envergure avant de 6 m.
MOTORISATION
Le HM 11 est arrivé au Bois de Bouleaux doté d'un moteur de triporteur. Le Harrissard 500 est un deux temps deux cylindres de 15 ch à 4.000 tours. Selon son habitude Mignet le dote d'une démultiplication par chaine.
Ainsi l'hélice peut travailler dans de bonnes conditions. Mais ce moteur est capricieux, s'arrête en vol, serre. Bref s'il s'est converti au deux temps le père des Poux n'est pas encore au bout de ses peines. Il rencontre au Salon de la Motocyclette Messieurs Aubier et Dunne qu'il convainc de l'existence d'un marché potentiel de l'Aviation Ultra Légère. Et à vrai dire il conquiert deux enthousiastes. Ils construisent déjà un 500 bicylindre destiné aux motos, sidecars et cyclecars. Il reçoit l'habituelle démultiplication par chaîne sur un moyeu de Harley. Ainsi il équipe le HM 12. Les ingénieurs d'Aubier-Dunne se rendent souvent sur le terrain car l'aviation se montre un banc d'essais très exigeant. Dans le même temps ils mettent au point un bloc moteur doté d'un réducteur à engrenage qui fait sa première apparition sur le HM 13. Ce sera le moteur des Poux, léger et sûr, avec une puissance stable de 20 ch (on dit aujourd'hui 17 ch, les normes ont du changer). La firme a récemment accroché à son palmarès le record de l'heure en 100 cm3. Puis ce « vélo-moteur » de 10 ch a gagné le Bol d'Or dans sa catégorie tournant 24 heures à la moyenne de 52 km/h. « Ce qui représente de jolies pointes » commente Mignet. Aubier-Dunne a donc résolu correctement quelques problèmes comme la perle à la bougie, le serrage etc. Le graissage du 500, par mélange et par pompe séparée consomme quelques 6% d'huile. Bien peu pour l'époque.
L'étonnant de cette affaire est qu'il faudra attendre des dizaines et des dizaines d'années pour que Rotax (et d'autres) retrouvent le secret de la formule.
Aubier-Dunne avait un atout dans sa manche : le cylindre alu fondu autour des chemises. DKW puis MZ utilisèrent la même technique dans l'immédiat après guerre et beaucoup d'autres jusqu'aujourd'hui. L'invention ayant passé au domaine public elle peut maintenant être largement utilisée mais elle a été dépassée par les cylindres chromés dur et d'autres techniques encore plus efficaces et peut-être moins coûteuses. Le piston à déflecteur du balayage ancien a fait place au piston plat du balayage Schnürle et de ses dérivés. La consommation des deux temps a sérieusement baissé et ils peuvent atteindre en toute sécurité de hautes puissances spécifiques. Le bruit peut être amorti aussi bien que celui d'un 4 temps, voire mieux. Il ne faudrait qu'un rien d'effort technique pour résoudre correctement les défauts actuels des 2 temps (consommation et pollution principalement) et les remettre à égalité avec leurs collègues 4 temps. Le poids étant l'ennemi, l'aviation légère est intéressée ! Certes de tels moteurs avancés auraient un coût nettement plus élevé que les plus simples de nos moteurs actuels. De là à dépasser celui des 4 temps, je préssent que non.
Certes il y a d'autres chemins que les moteurs à combustion. Mais tout ne peut pas être électrique soit grâce au lithium soit par la filière solaire. L'avion moins que l'automobile car la masse du générateur ou accumulateur est de première importance. Et quelque soit l'évolution de ces choses à moyen terme, nous allons voir quelques années encore, des avions légers à moteurs thermiques.
LA FORMULE : L'AILE VIVANTE
Les Mignet ont ceci de particulier qu'ils suivent un patron, une formule aérodynamique qui leur est propre. Peut-on la résumer en quelques termes bien choisis : Biplan-Tandem court-Sans Empennage.
Ah mais non ! Car ainsi se gomme le point le plus important : l'Aile Vivante. La profondeur est en effet sur l'aile avant et l'intéresse dans sa totalité. Le pilote est en contact direct avec la sustentation, les turbulences, la rafale. Ici l'on touche à un dada de Mignet, le vol à voile cinétique ou dynamique. Ses observations des buses de Saintonge lui font penser qu'il y a beaucoup à apprendre de la manière de pratiquer le vol à voile des animaux. Définir ce vol en deux mots n'est pas facile. Voler en orbes, rencontrer la rafale et grimper sur l'énergie cinétique puis accélérer vent dans le dos avant d'enter dans l'air calme. Deuxième coup de raquette dit Mignet, le premier étant celui de la rencontre avec la rafale. Qui pratique cela ? Sûrement pas les actuels classe libre de 30 m, ni les planeurs de performance de la Rhur des années trente. Le Pou de dimensions réduites et par là très maniable le pourrait et Mignet s'adresse à ses lecteurs comme à des vélivoles dotés d'un moteur auxiliaire, les incitant à chercher comme lui dans ce domaine. Je n'ai pas l'impression que nous ayons beaucoup avancé, mais il faudrait connaître tous les petits secrets des pilotes du vol libre delta pour en être vraiment sûr.
Ceci dit l'aile vivante à ses propres conséquences. Tout d'abord il faut pouvoir la manoeuvrer et ceci requiert un profil autostable ou un flettner si le profil n'a qu'un Cm 0,25 légèrement négatif. En tous cas il est impossible de penser à des profils porteurs. Pour des raisons de stabilité la portance de l'aile arrière ne peut guère dépasser le tiers de celle de l'aile avant (l'envergure réduite de cette aile arrière m'interpelle quand à la gestion de la trainée induite). Cela non plus n'aide guère à une sustentation efficace. On voit ainsi que les Poux modernes ont des surfaces totales de 16 m2 ou plus contre 10 m2 pour des classiques comparables en charge au ch. C'est dommage pour une machine destinée à tourner avec les buses ! Je gallège, les partisans actuels pensent au voyage, à la sortie dominicale, pas tellement au vol à voile dynamique.

STABILITÉ DES POUX
Le premier but de Mignet est d'éliminer le risque de décrochage. Le succès dans ce sens est total. On peut aller jusqu'au vol parachutal, de peu d'intérêt d'ailleurs comme dans le cas de la KasperWing car arriver au sol à 3 m/s … ne vaut rien à la colonne vertébrale ni au train d'atterrissage. L'autre, celui de se passer d'ailerons est également atteint. Les Poux inclinent franchement au gouvernail. Ils sont cependant gênés par le vent de travers.
De tous temps les Poux ont certes atterri court, mais décollé long relativement à des aéronefs de même masse et de même puissance. En revanche ils sont plutôt rapides, ne souffrent pas de leur grande surface sous cet aspect des choses.
Autre versant du même problème : si le vol horizontal, dans une large plage de vitesse est pratiquement sans conséquence sur l'inter-inclinaison, le maintien d'un Pou en position très cabrée demande une position de l'aile avant telle que diminue l'effet de fente et le Cz max. Deux ailes en tandem ont un fort moment piqueur qui oblige à un ordre à cabrer très franc. A l'autre extrême le piqué s'obtient en diminuant l'angle d'attaque de l'aile avant, donc en augmentant l'inter-inclinaison. Le moment piqueur augmente de ce fait pour la manoeuvre, quand malheureusement il serait bon qu'il diminue et s'annule. Néanmoins avec peu d'inter-inclinaison ou pas du tout les Poux volent en sécurité à toutes les vitesses permises. Tenez en compte que déjà avec 1º d'inter-inclinaison deux NACA 23112 décalés ne sont plus ce que l'on peut appeler en toute rigueur un ensemble auto-stable, du moins c'est ce que me dit JavaFoil, le Cm 0,25 passe très vite négatif. Mais si l'on ne peut parler d'une machine stable aux petits angles elle reste tout à fait pilotable. Or de ce point de vue les avions classiques ne sont pas très différents.
Tel est l'état des choses et si les profils ont évolué en bien, si l'entreplan a augmenté ainsi que le bras de levier, ce qui semble être une amélioration, les Poux sont bien définis et plaisent ainsi à leur public. Certains constructeurs ont envisagé le troisième plan stabilisateur, la flèche avec un vrillage ad hoc, les variations d'incidence du plan arrière (Mignet lui même a réalisé cette disposition) avec ou sans flettner d'aile avant coordonné, les volets d'aile arrière, etc.
Mais plus on en fait moins c'est un Pou !
LES ACCIDENTS
Ce n'est pas un sujet à aborder à la légère. Trop de constructeurs de l'HM 14 ont perdu la vie, souvent ils étaient de bons amis de Mignet, et des Poux modernes récemment ont piqué sans pouvoir rétablir. Les avions classiques ne sont pas exempts de ce type d'instabilité. Pour l'analyse de la stabilité des Poux je vous renvoie au Pou-Guide facile à consulter grâce à Internet. L'analyse de Louis Cosandeau me semble particulièrement lucide.
Dans certaines conditions un Pou qui semblait parfaitement réglé et que son pilote a voulu accélérer, mettre en piqué, passe brusquement sur le dos. Le Pou est petit et léger, son centrage est sensible au poids du pilote, les constructeurs ont pu être tentés d'améliorer les performances en longueur de décollage notamment, en reculant le CdG. Qu'à cela ne tienne il y avait un défaut et le Services Techniques de l'Aviation Civile interdirent les Poux de vol.
Ils imposèrent un changement de profils, l'augmentation de l'entreplan, l'augmentation du débattement de l'aile dans le sens à cabrer et une plage de centrage plus avant. Ce dernier point était le plus douloureux car il grévait les performances : centrage avant signifiant moins de portance arrière et moins d'effet de fente. Le malheureux Robineau avait augmenté le débattement à cabrer mais pas l'entreplan. Il fut l'une des premières victimes. Mais dans le fond pourquoi donner raison aux ingénieurs qui corrigeaient le Pou. Il y avait en effet un petit défaut caché dont on ne parle qu'aujourd'hui : un unique câble commandait l'aile. C'était avoir trop de confiance sur le sandow piqué au bord d'attaque et sur la constance des forces aérodynamiques. Y-avait-il une inter-inclinaison où l'aile avant restait « collée » en butée de cabré et où l'aile arrière de manière surprenante portait plus que l'aile avant ? Ou tout simplement le malheureux pilote ne trouvait-il rien de mieux à faire que de tirer désespérément le manche vers lui ? Ainsi l'on passe en vol dos s'il reste un peu de hauteur et plus d'un s'en est sorti en faisant un demi-tonneau. Le Pauvre Robineau n'eut pas le temps : piquant en approche pur raccourcir, il se planta en entrée de terrain.
Le profil Mignet à bec pointu facile à réaliser a finalement été mis hors de cause. Les ingénieurs étaient trop contents de pouvoir taper sur le « vieux rossignol » puis finalement quand des polaires fiables ont été tracées il a fallu reconnaître que le profil n'était pas en cause, à moins qu'il ne se soit déformé après construction. Le centrage bien sûr ! Mais j'ai l'impression que le plus gros du boulot a été dû à l'augmentation de l'entreplan, du débattement de la commande à cabrer ainsi bieb sûr que de la commande rigide de l'aile vivante, le centrage ayant tout de même un sérieuse importance. Mignet a cru à tort que sa création était très tolérante quant au centrage, peut-être tout simplement parce qu'il n'était pas un fou du badin. Effectivement les incidences porteuses voient les Poux réagir très sainement. C'est à vitesse élevée que les choses se compliquent. Il y a pourtant des Poux centrés très arrière et parfaitement pilotables.
Le HM 14 ou Pou Bouquin peut être construit sans modification, à condition de respecter sa vitesse à ne pas dépasser, comme tous les avions et planeurs d'ailleurs. Butée du manche à piquer ? Oui mais ce n'est pas la panacée. Il faut non seulement penser à l'air calme mais à la perturbation.
Cependant de meilleures performances peuvent être obtenues avec des profils à bord d'attaque arrondi et d'autres plans plus élégants existent en nombre, à commencer par l'HM 293 ULM, successeur de l'HM 290 dessiné par Mignet, qui garde un succès certain auprès des constructeurs.
A peine moins « Mignet » le Criquet d'Émilien Croses répond au même objectif, en biplace cette fois. Et signalons les belles créations des descendants de Mignet le HM 1000 Balerit et récemment le HM 1100 Cordouan.
AU FAIT ? OU VOULAIS-JE EN VENIR ?
Certes les Poux ne battent pas des ailes. Bien qu'il y ait des similitudes la disposition de l'aile à fente de l'Orni n'est pas celle des Poux. Cependant un collègue de l'URVAM qui se fait appeler Papillon nous fait voir son projet de Pou à ailes battantes. Ce n'est pas que son idée m'enthousiasme mais le fait est qu'un chercheur est sur cette voie.
D'un autre côté nous parlions de modèles réduits, or les plus petits Poux ont l'envergure d'un Petit-Gros ! Il parait que l'HM 16 n'est pas un engin pour débutant, d'ailleurs Mignet n'en a jamais publié les plans. Cependant une bonne poignée en a été construite. Avec de la puissance sûre et quelques modifs (surface de gouverne de direction) cela doit voler et vole semble-t-il. Or ce Baby Pou ne fait que 4 m. Ça se construit à la maison et se range dans le garage !
Par ailleurs Mignet, s'il n'a pas été plus loin qu'un modèle réduit, s'intéressait au vol battu. Je vous donne en illustration sa succulente équation du vol de la mouche ! Mignet donne d'ailleurs d'autres preuves d'intérêt pour le vol battu, au delà de ses observations des buses … en vol plané, en vol d'orbes. Je retrouverai ces petites phrases et les copierai en illustration. Elles se trouvent en particulier dans le premier « Bouquin », manuscrit.
C'était donc où je voulais en venir ? Non, au delà des aspects techniques je voulais rappeler une figure haute en couleurs de l'aviation d'amateurs, le profil d'un type passionné qui a dû surmonter bien de difficultés et a connu des malheurs comme l'assassinat de sa femme « par erreur » par la résistance quand lui-même travaillait au « Pou-Maquis » avec le Général Éon. Bavure? Sectarisme? Mignet n'obtint pas justice! Ce fut certainement la raison de son exil en Argentine, puis au Brésil, au Japon puis au Maroc avant de revenir en France et d'y mourir en 1965.

samedi 3 septembre 2011

La conception de l'Orni

La conception de l'Orni est une autre histoire. Il y a un proverbe allemand qui dit : Pourquoi faire simple quand compliqué ça marche ? Eh bien là réside mon aventure ! Et je n'en démords pas !

PARTIEL, BIPLAN ENTRETOISÉ ET À EFFET DE FENTE
En résumant :
1/ Il y a ce choix du « partiel » qui nous invite à concevoir une aile fixe capable de supporter les efforts que lui impose l'aile battante. Une aile épaisse, une aile haubanée ? Il y a une autre solution, l'aile mince haubanée par sas sœur jumelle, à l'imitation du biplan expérimental « Colab ».
2/ Il y a l'effet « Nenadovitch », du nom d'un physicien Tchèque des années 30 ... du siècle dernier, ça fait un bout, qui a travaillé sur les ailes décalées et rapprochées. Kroo qui nous est contemporain reprend l'idée et donne comme espérance que la couche limite reste beaucoup plus longtemps laminaire sur le profil avant d'une paire d'ailes et que la diminution de la corde soit compensée plus ou moins largement par cette amélioration de l'écoulement.
3/ La disposition ne pourrait-elle pas provoquer un augmentation de l'efficacité envergure pour les mêmes raisons que dans le cas des « WingGrids LaRoche » ? Ceci du moins dans le cas d'une disposition « ouverte » au bord marginal, non avec le « bouclage » de la disposition originale du proto Colab. D'ailleurs le recouvrement et le demi-tunnel ne me convenaient guère pour implanter une paire d'ailes battantes. Mais rien n'est impossible et je me réserve le droit de changer d'opinion.
Pour être prometteuse la solution n'en est pas moins délicate et difficile à explorer.
Comme instruments nous avons au niveau amateur X-Foil, Xflr5 et JavaFoil. Seul ce dernier permet d'analyser une paire d'ailes en inter-action. Et en effet à certaines conditions se manifeste une amélioration de l'écoulement qui donne un « drag bucket » très intéressant puisqu'il permet de comparer les résultats de profil à ceux des As de la catégorie. Aux petits angles la trainée augmente mais notre paire d'ailes est mieux placée que les DAE 11- 21-31. Aux grands angles également mais j'espère que la réalité soit plus favorable que la simulation dans le sens où par prudence Martin Hepperle aurait pu surestimer la trainée du venturi. Il y a également que les meilleurs résultats sont obtenus avec une aile arrière dont on ne sort rien sur JavaFoil, alors qu'elle est excellente dans son genre sur Xflr5. Mais si nous accouplons deux fois le même profil semi-laminaire nous n'avons plus de « drag bucket ». Ceci me confirme dans le fait qu'il faut essayer les deux solutions, en modèle réduit tout d'abord pour ne pas générer des coûts excessifs.
Or j'étais réticent jusqu'ici à essayer un modèle réduit de l'Orni, car les petits Re risquaient de donner des résultats sans signification.
Puis sont apparus les BE qui non seulement conviennent aux 40.00 rugissants mais se révèlent supérieurs à ce que je connais (FX-63-100) jusqu'à 300.000 et même plus si l'on prend en considération la trainée en pied de courbe. Les FX de cette série qui conduit au célèbre FX-63-137 donnent en effet environ10 points de finesse supplémentaire dans cette zone, il faudra les tenir en compte pour affiner les performances à 500.000 Re, il faudra également analyser le DAE11 suivi d'un profil accélérateur de couche limite, il semble qu'il devienne encore plus brillant dans ces circonstances. Mais pour l'instant nous cherchons un avantage même léger aux alentours de 100-200.000, ce qui n'est pas la même chose. Ainsi je peux envisager une maquette de dimensions raisonnables et non un monstre à l'échelle ½. Et pour le Grand on pourra travailler ces BE ou les FX 62 ou 63 qui pour différents n'en sont pas moins proches et pourraient donner la solution mi-épaisse au même problème pour des Re un peu plus élevés, sans oublier les Drela.

L'ASPECT MÉCANIQUE DE LA CHOSE
Bien ! Du côté « mécanique » de la chose nous avons aussi des choix à faire. Il y a la solution qui permet de construire plus léger qui voit s'écarter nettement les ailes. Il y a aussi celle qui favorise l'effet Nenadovitch sur toute l'envergure, mais qui ne parvient pas aussi bien à étayer l'aile la plus chargée. Sur l'allure finale de la machine cela se répercute par une aile basse et une aile très haute pour favoriser la triangulation ou par une aile médiane et une aile haute pour favoriser l'effet Nenadovitch. Tous les intermédiaires sont envisagés et dans la vue d'ensemble il faudrait voir également où nous allons placer l'empennage ?
Car bien que parente notre machine n'est pas un Pou et nécessite un plan stabilisateur horizontal (les Poux aussi, mais c'est là un sujet tabou).

STABILITÉ D'UN BIPLAN RAPPROCHÉ
Le calcul des portances respectives ou la simple observation de la courbe de Cm 0,25 nous montre un fort couple piqueur aux grands angles. C'est excellent et pourrait nous faire croire que nous pouvons nous passer d'empennage. Cependant ce couple piqueur se maintient aux petits angles et ne nous permettrait pas le contrôle à vitesse élevée. Il serait imprudent d'instituer une vitesse à ne jamais dépasser et de bloquer le manche en une position limite de piqué. Qu'une perturbation intervienne et la machine entre de son plein gré dans le domaine interdit, d'où elle n'a guère de chance de sortir … quoiqu'en vol dos pour qui le sait … et ne perd pas les pédales !
J'insiste sur le fait qu'il s'agit d'une machine capable de sortir de la pente, comme les ailes Delta et les parapentes. Elle ne peut donc avoir un domaine de vol intouchable comme si elle volait à 4 mètres du sol au petit matin. Nous verrons plus tard pour la machine des records !
Cet empennage pourrait être original puisqu'il devra travailler aux grands angles négatifs lors d'un piqué et être prié de ne pas trop décrocher. Pour cela il faudra envisager de mettre le profil à l'envers, (rien de nouveau le Velair utilisait ce truc, preuve de l'intérêt du constructeur pour les vitesses « élevées ») et d'utiliser une forme en plan favorable aux grands angles. Un peu de LEV nous ferait pas de mal. Pour mémoire un LEV est un tourbillon de bord d'attaque qui permet aux formes en Delta ou en croissant d'afficher un Cz max et des angles d'attaque qui ne leur correspondent pas à première vue.
La place de cet empennage pourrait être dans la déflexion des ailes, comme la queue des oiseaux, puisque cette déflexion s'atténue aux faibles portances la portance négative tendra à croître à mesure de la prise de vitesse. Il faudra tenir compte de la gêne au décollage que représentera cette queue.

COMMENT TERMINER LES AILES
La disposition choisie ressemble à un WingGrid sur l'aile avant. Cependant pour éviter les plaques ou dérives qui maintiennent ce dispositif dans sa version originale j'envisage une évolution de profil entre la racine des ailettes et leur partie libre. Cette parti subissant un fort vrillage sera realisée en mousse. Comme dans les slats et flaps de l'aviation commerciale ces ailettes rapprochées peuvent provoquer beaucoup de trainée et un pic de portance locale qui pourrait troubler l'écoulement transverse. Aussi les racines des ailettes doivent s'écarter rapidement et les venturis être amplement ouverts. Suivent « les plumes », parallèles entre elles au repos et jusqu'à 1G. A plus de 1 G elles commencent à s'écarter et à perdre de l'angle, en commençant par la première, la seconde dans une moindre mesure et la troisième s'il y avait lieu, presque pas. Certes la courbure générale du dispositif augmente mais il a également perdu beaucoup d'AOA. Entrant un aile dans l'ascendance ou bousculé par une rafale notre planeur perd de la portance et son assiette diminue, le dispositif articulé est ainsi une protection contre les surcharges.
Maintenant, je n'envisage pas de battre des ailes avec ce dispositif. Il n'est pas fixe mais bouge assez peu. L'aile arrière seule comporte une aile battante.
Lorsque celle-ci commence son abaissée elle accélère la masse d'air en amont et surcharge donc les ailettes avant, qui s'échappent. Leur portance est alors redirigée vers l'avant, elles participent de la traction provoquée par le mouvement de battement. Rien de nouveau sous le soleil, je m'inspire des coléoptères ! Cette disposition compense la petitesse des ailes battantes.
Rien n'intedit pas de penser à 4 ailes battantes. Elles pourraient battre en phase, brassant beaucoup d'air, mais il serait préférable pour leur rendement de leur donner un déphasage. Pour une machine motorisée ce pourrait être le bon choix, pour une machine de moteur musculaire ce serait une solution bien compliquée rendant nécessaire un mécanisme qui assure le déphasage à partir d'un mouvement continu type bici. Sans compter que les mouvements en flèche et dièdre devraient être calculés et imposés par des servos comme le vrillage. L'avantage de l'Orni est dans la simplicité de la transmission, ne le perdons pas de vue.

MOUVEMENTS
Le pilote pousse un chariot qui est à l'origine du battement principal, en gros vertical. Un ressort compound équilibre grosso modo la portance de telle manière qu'au plané le pilote n'a guère d'effort à faire. Au relevage, si. Pourquoi ne pas utiliser cette force que le cycliste apprécie quand il use de cale pieds ? Elle sera restituée pendant l'abaissée. Je crois d'autre part que le quadriceps bénéficie de cette relaxation du type stretching et que son stress diminue. Si l'on veut accentuer l'utilisation de cette force il faudra adjoindre un blocage plané et renforcer le ressort compound.
Les bras s'occupent du dièdre et de la flèche. Lorsque le pilote pousse sur ses jambes il avance le centre de masse. Son mouvement d'abaisser du dièdre dans le cadre du déphasage se fera donc en tirant des bras. Le pilote est donc le maître du déphasage et lui donne approximativement la meilleure valeur expérimentée jusque là. Dans le même temps il se pendra aux cornes pour provoquer l'avancement dans le sens de la flèche. Au relevage il tirera des jambes et poussera des bras pour obtenir relevage et inversion du dièdre, il poussera les cornes vers le haut pour reculer la flèche qui devrait céder facilement grâce à la trainée.

COMMANDES
Le vrillage pourra être programmé selon la vitesse air, la cadence, et le taux de montée … s'il y en a. Le calculateur ne devrait pas être très compliqué mais on pourrait cependant le simplifier en résumant le problème à deux ou trois régimes de vol : lent, moyen et rapide. Les ailettes qu'elles battent ou non servent aussi de commande de gauchissement. Le pilote intervient sur un mini-manche qui entre les données dans le mélangeur. Ainsi quelque soit le vrillage choisi par le programme l'intervention sur l'axe de roulis est possible.
Le mini-manche commande également la profondeur classique, éventuellement asservie à un pilote automatique qui maintiendra la ligne de vol contre les distractions du pilote à l'effort et contre les mouvements de galop dus au vol battu.
Mais il me paraît essentiel de pouvoir trimmer le centre de masses. La sellette est suspendue assez haut. Si elle était libre en balancement elle entraînerait des changements du CdM. On la fixe donc d'avant en arrière (latéralement elle est enserrée mais reste libre entre les pièces maitresses du fuselage) et son point de fixation peut être choisi grâce au levier de trim. Ainsi centrage arrière aux grands angles et très peu d'action de l'empennage, centrage avant lors des prises de vitesse et une notable portance négative de ceux-ci, ce qui en fin de course pourrait conduire à augmenter le taux de chute par augmentation entre autre de la trainée d'empennage. Dans le fond il ne faudra pas trop chercher à réduire la trainée des ailes en pied de courbe car ce serait un bon moyen de faire des approches précises et rapides. Voire ensuite si la structure encaisse la ressource ? Dans le fond la vitesse de piqué de perte d'altitude pourrait ne pas dépasser le double de la vitesse de plané, bien inférieure à la vitesse de transition à faible Cz que nous voudrions la plus élevée possible, piqué à grande finesse si l'on veut. En approche il faudra veiller à ne pas ré-accélérer avant l'arrondi, je crois que cela se fait. Sinon il faudra concevoir des aérofreins plus doux, je dois dire que j'y répugne.

FUSELAGE ET STRUCTURE
Les pièces maitresses du fuselage sont constituées une paire de T à l'envers. Verticalement elles vont rejoindre l'aile haute. Horizontalement elles vont vers l'arrière et supportent l'aile basse. En avant elles comportent la coulisse du pédalier.
Une coque légère profile le pilote qui en vol est enfermé. Au décollage et à l'atterrissage il sort les jambes par des trappes. La verrière se soulève un peu pour dégager la tête. Pour cette raison la section ne sera pas ovoïde mais en trapèze aux angles arrondis. Mieux vaut cette imperfection et une bonne fermeture des portes, il y a gros à gagner sur la trainée en affinant la question des fuites, de la pression intérieure et en dotant la machine d'entré et de sorties d'air moyennement étudiées.
L'appareil étant baratté, avec des aides éventuels qui soulèvent la queue, le pilote se glisse dans l'habitacle par ces trappes. Il attrape des poignées de levage sur les T et s'approche de la pente. Il peut piloter en tangage grâce à ces poignées tant qu'il n'a pas bloqué la sellette comme indiqué auparavant à propos du trim de centrage. Il ne saisira les commandes que lorsqu'il sera en plané, le plus tôt possible bien entendu car il va lui falloir un contrôle de roulis et de lacet. De celui-ci nous n'avons pas parlé. Tiens ! Faudra-t-il une dérive, cela servirait-il à quelque chose de tilter l'empennage ? Le modèle nous instruira de cela.
Les emplantures des ailes sont définitivement solidaires du fuselage. Les ailes s'articulent sur ces pièces qui leur permettent un débattement de haut en bas. Une broche traverse chaque ferrure. En bout d'aile avant un caisson reçoit le petit mât. L'ensemble longeron-mât ne constitue alors qu'une seule pièce mécanique. Il faut soigner la conception l'assemblage et la réalisation car ici se vont concentrer bien des efforts. L'aile avant est un peu plus courte que l'aile arrière et le mât rejoint cette dernière sur l'avant où le mât s'articule.
Les longerons peuvent être de simples tubes mais je verrais bien de concentrer la structure sur un I en structure treillis de bois servant de support à des lames composite, le véritable longeron. Au BA soit des becs de nervure rapprochés recouverts d'un D de composite tendu à la volée ainsi que par des poids, soit ce qui revient mécaniquement au même, une peau moulée sérieusement collée aux nervures et longerons. Le choix entre les deux versions est d'ordre aérodynamique : le profil aimera ou n'aimera pas un léger grenu au BA ? Dans les deux cas la participation à la résistance en torsion est certaine quand un dépron de 3mm n'apporte rien. Et de plus il peut troubler l'écoulement car il est difficile d'avoir une pose parfaite. Quand à son état de surface, guère mieux !

LES AILES BATTANTES
Pour cette part il faudra toute l'expérience des modèles réduits pour décider définitivement … car les choses se compliquent. En effet elles prolongent des ailes au profil à l'extrados tendu, qui ne va pas se laisser vriller facilement. Changer de profil ? Pour ma part j'éviterai, la circulation en souffrirait. Il va donc nous falloir une peau souple tendue sur une structure articulée.
Dans la partie la plus proche de l'aile fixe je crois pouvoir envisager la disposition classique avec des nervures orthogonales au longerons. Dans la partie distale je pense essayer une structure de longeronnets parallèles, des lisses très minces soulevant le revêtement. Dans le cas d'un modèle réduit de relativement petites dimensions on pourrait bénéficier d'un profil à facettes déterminé seulement par l'épaisseur des longerons et la courbe de leurs deux nervures extrêmes. Pour une machine pilotée il faudra certainement de nombreuses lisses, bâtons légèrement courbes engagés dans le profil à l'avant et recevant le revêtement comme celles d'une aile delta.

mardi 16 août 2011

LA CONCEPTION D'UN ORNITHOPTÈRE

Au moment de concevoir un ornithoptère l'amateur autant que l'ingénieur ou le scientifique sont confrontés à des choix très vastes. Quels sont donc les bons choix, ceux qui feront de la machine un succès ?
Et je ne pense pas seulement à des choix de forme. Notre engin suivra-t-il l'exemple libellule ou sera-t-il plutôt inspiré des aigles ?
Je ne peux m'empêcher de prêcher pour ce que je vais construire (si je le peux). Les idées dont je suis presque sûr, ne prétendent pas vous être des conseils. Je veux simplement vous informer de ma démarche et serai content qu'elle puisse tant soit peu vous servir.

COMMENT VOLENT LES OISEAUX … ET LES ORNITHOPTÈRES
Sans entrer dans les détails les animaux et engins à aile battante ont en commun le mode de propulsion. Lorsque l'aile s'abat elle porte et procure une traction. Elle a alors un fonctionnement similaire à une hélice, à une différence près, la portance n'est pas annulée par l'autre moitié de l'hélice. Reste à relever les ailes, soit à portance nulle, soit avec un peu de portance : alors l'aile retrouve une trainée. La traction et la trainée doivent s'équilibrer et vaincre également la trainée parasite. C'est du bon traitement de ce problème que résulte le succès d'un ornithoptère, notamment son rendement énergétique.

LES ALLURES
Dans tous les modes de locomotion animale on remarque des allures : chez le cheval, pas, trot et galop ainsi qu'accessoirement l'amble qui est plutôt caractéristique des dromadaires ! Nous mêmes humains avons le pas et la course avec des variantes qui peuvent être considérées comme une autre allure (trot ou footing, marche des marcheurs de compétition). Et ces allures ont leur contre-partie en marche arrière. Oui même le galop arrière s'obtient du cheval … c'est exceptionnel mais je l'ai vu de mes yeux au cirque Zingaro. Le même travail musculaire qui conduit à ces mouvements contraires sert également à freiner l'animal quand il le faut.
Pour le vol battu il en est de même. Nos chers oiseaux qui sont plus faciles à observer que les insectes et les chauve-souris, nous montrent :
0/ Le vol stationnaire propre aux colibris. L'aile porte à l'aller et au retour, moins de toute évidence lorsque l'intrados devient l'extrados (rapport 60/40), car l'aile du colibri reste une aile d'oiseau. Le succès énergétique de ce vol vient très probablement de phénomènes transitoires : portance accrue et moindre trainée, résultats du "clap and fling" ainsi que, peut-être, de la "wake-capture", sinon le pauvre animal ne pourrait pas se nourrir de quelques gouttes de nectar. Je l'appelle allure « 0 » pour la séparer nettement des autres. La translation est obtenue en inclinant le « rotor » comme le font les insectes et les hélicoptères. Si la translation est rapide commence à apparaître une portance semblable à celle d'une aile fixe. En translation économique les colibris que je vois de ma fenêtre mexicaine reprennent les "allures" classiques, le vol à l'allure 0 ne leur sert qu'à butiner.
1/L'envol. Les grands oiseaux l'évitent et préfèrent s'approcher du bord de la falaise. Ainsi les aigles les vautours et les condors. Les plus grands des albatros, plus chargés, ne peuvent guère l'utiliser et doivent donc nicher perchés. Les pélicans qui pourtant n'ont pas de forces à revendre sont contraints à l'utiliser mais courent sur l'eau comme les oies et les cygnes avant de s'envoler. Quand l'envol est bien caractéristique (pigeons par exemple) l'oiseau soulève ses ailes pour les abattre brusquement, le temps suivant ne comporte pas de portance et doit être le plus court possible, dans la limite où les faibles muscles releveurs le peuvent. Au premier coup d'ailes il n'y a guère de vent relatif qui puisse être exploité pour le relevage. Ce temps de relevage est critique car s'il s'allonge la perte d'altitude s'accroit. Les petits et moyens volatiles n'ont pas de problème et même les condors de Californie peuvent répéter plusieurs envols successifs. Les condors andins, plus grands, s'économisent, même quand ils sont parfaitement capables de décoller. Les vautours surpris pendant la digestion doivent régurgiter pour fuir. On peut se demander : Quelles étaient les stratégies des très grands ptérosaures ?
2/ L'accélération. Dès que la vitesse est acquise et tant que l'oiseau vole en dessous de sa vitesse de sustentation la portance au relevage est faible. Elle sert essentiellement à faciliter cette phase. La surface est diminuée et la vitesse de relevage est supérieure généralement à la vitesse de l'abaissée. Au prix d'une intense dépense d'énergie le vol peut s'effectuer à une vitesse inférieure à la vitesse minimum de plané.
3/ Le vol de croisière. A une vitesse égale ou supérieure à la vitesse mini de plané on peut constater que l'oiseau a une aile qui porte aux deux phases Up and Down. Pour y parvenir le travail de l'articulation entre bras et avant-bras est essentiel. Plus l'oiseau est fin, moins la différence de portance entre la phase de remontée et la phase d'abaissée est importante, le temps de remontée peut aussi s'allonger un peu et la trainée induite peut ainsi diminuer sérieusement. Intervient également la réalisation de la boucle qui nous le verrons joue un rôle dans le rendement.
4?/ Je ne m'aventurerai plus dans la description d'une quatrième allure, celle du vol à tire d'aile, car elle pose divers problèmes.
De cette description des allures animales je tire une conclusion que tous ne partagent pas. Nous ne sommes pas en mesure de reproduire correctement les deux premières allures pour les combiner avec la troisième. Il faudrait une machinerie hydraulique compliquée et de commandes complexes ainsi qu'un bonne analyse de ces deux premières phases pour y parvenir. Ce sera pour plus tard. Nous avons principalement à prouver l'efficacité du vol battu en croisière. Le décollage presque sur place et le vol à très basse vitesse sont très intéressants mais d'une part exigent de efforts structurels importants et une grande dépense énergétique et d'autre ne sont vraiment réalisables que par des machines relativement petites.
C'est la domination du vol économique qui permettra la réalisation du vol à moteur humain. Le décollage sera plus difficile s'il se fait en plaine, on pourra penser utiliser un accumulateur soit électrique, soit élastique pour avoir de quoi monter un peu. Mon idée est que des machines destinées à décoller de la pente auront plus de succès. Qui vivra verra !
C'était dirais-je le premier choix du concepteur : a ou les allures de sa machine.

Beaucoup veulent encore expérimenter dans le domaine de l'allure « 0 », je conseille de ne s'intéresser qu'à l'allure « 3 » !

LE TYPE D'AILE
Ensuite il nous faut déterminer le type d'aile que nous voulons construire.

0/ L'aile membrane est le choix facile. L'emplanture est généralement raide et la partie qui encaisse les variations d'incidence suit les mouvements avec plus ou moins de bonheur. Elle est raidie par des lattes. De toute manières il faut se rendre à l'évidence que l'AOA sera plus ou moins le même à l'abaissée et à la remontée. Du coup il faudra récupérer de la portance ou pour mieux dire, la tirer de la traction en inclinant fortement le nez vers le ciel, la queue sera à angle négatif prononcé. Du fait de l'inversion, je doute de l'intérêt de l'articulation bras-avant-bras dans ce cas. L'avantage est que avec quelques pièces de fibre de carbone et un bout de toile de spi on a réalisé une aile. Il y a bien des variantes à de telles ailes , je suis certain que toutes n'ont pas encore été essayées systématiquement, les ailes que je connais semblent un peu « simplifiée ». Kjell attire l'attention sur l'intérêt de la souplesse au bord de fuite. Cela me semble une bonne idée fondée sur des recherches sur l'aile d'insecte. L'attention peut maintenant se porter sur la mécanique. Un vrillage commandé simple et léger serait bienvenu. Le WingDrive à plateau incliné de Kjell serait bienvenu s'il perdait des grammes.

1 et 2/ Si nous décidons de suivre le modèle « chauve-souris » nous bénéficions d'un profil simplifié : la plaque creuse. Pour les petits modèles elle est satisfaisante. Les plus grandes roussettes mesurent 1,50 m , mais notez qu'elles sont essentiellement planeuses avec des performances suffisantes mais modestes : finesse 7 ou 8. Je crois qu'elle devra s'accompagner d'un contrôle de l'incidence et d'un système bras-avant bras. Le repliement est la manière de diminuer la trainée à la remontée et de tendre à voler à l'allure « 2 ». Les chauve-souris ont une membrane très souple qui accepte des variations de torsion et de tension importante. Nous aurons du mal à trouver une baudruche qui vaille le vivant. Qu'à cela ne tienne nous pouvons accepter une remontée avec une toile faseyante, détendue par la position du bras et de l'avant bras, voire de la main qui pourrait être tendue puis détendue au cours du battement. Un seul "tendon" est nécessaire.
Il est certain qu'un bord d'attaque profilé pourra améliorer une telle aile, mais les plus petits exemplaires du genre se contenteront d'un BA très rustique créateur de turbulence.
Déjà la chose se complique et bien peu ont dessiné ou réalisé un telle aile car la simplicité du profil ne donne pas simplicité de réalisation. Notamment les leviers et servos ne trouvent aucune épaisseur où se cacher. Ce serait pourtant un terrain d'expériences du plus haut intérêt, on pourrait modifier un ornithoptère du commerce dans ce sens et faire quelques mesures sur l'efficacité gagnée.
3/ Les ailes profilées souples. Elles sont adaptées au régime de vol économique. Le profil double surface a l'avantage si l'on soigne le choix, de trainer peu aux faibles portances, donc convient à la remontée. La première idée est de réaliser une structure libre en torsion et de lui poser un film souple (de polyuréthane p.ex.). C'est la voie explorée par H. Raëbiger et ses modèles EV.
L'autre solution est représentée par les machines motorisées de Toronto. L'aile est revêtue assez classiquement mais le BF reste discrètement ouvert, ce qui rend indépendantes la peau d'extrados et la peau d'intrados. Ainsi on se passe de revêtement souple mais cette disposition ne peut convenir à tous les profils. Pour cet usage Michael Selig a crée le S 1020 doté de courbes qui facilitent la torsion. Dans le cas de Big Flapper la torsion atteinte était faible. Cette solution proche d'une construction classique en structure est elle capable de nous donner la torsion requise par une aile d'ornithoptère du "21º siècle" ? Avez vous essayé de vriller une tôle ou une plaque de contreplaqué ? Une bosse se forme en diagonale. Si le profil choisi était un UI 1720 l'indépendance des BF ne suffirait pas. Un Clark Y ne serait pas mieux venu pour son intrados plat. En revanche un morceau de gouttière se peut vriller dans une grande mesure.
Restent les plumes. Chacune est relativement rigide mais peut glisser sur les autres, c'est la voie choisie par Georges Fraisé, la difficulté étant de construire léger avec des matériaux « humains ». D'ailleurs même construites en vraies plumes, les ailes des oiseaux sont relativement lourdes D'autres projets suivent ce mode de torsion. Il convient à des profils simple surface sur une assez grande proportion, qui ont l'inconvénient d'avoir beaucoup de trainée aux faibles portances et plus encore en portance négative. Ce choix impliquerait donc une remonté très améliorée, donc pour le moins une articulation bras-avant-bras.
Puisque nous y sommes il est tentant de terminer l'aile par des rémiges. Ce n'est cependant pas facile et elles peuvent provoquer beaucoup de trainée, notamment par les venturis étroits à l'endroit où elles commencent à s'écarter, ensuite si leur disposition est erronée comme je l'ai constaté sur un projet d'un citoyen US qui les a fait se recouvrir première rémige en-dessous de la seconde etc. Pour faire des rémiges il faut réfléchir, expérimenter et regarder l'aile d'oiseau : des tectrices couvrent les rémiges tant qu'elles ne sont pas franchement séparées, le profil des rémiges primaires est un S accentué vers la hampe, cela empêche sans doute la circulation, puis il s'aplatit, et n'oublions pas que les plumes sont contrôlées par des muscles, ce qui n'est pas si facile à imiter.
Les WingGrids LaRoche sont inaptes au vol battu par leur masse et par la répartition rectangulaire de portance. Le projet Jon Howes ne dit rien de la répartition de portance mais le léger trapèze en bout d'aile fait penser que J. H. ne suit pas à la lettre les recommandations LaRoche en matière de répartition de portance. La trainée à faible portance n'en reste-t-elle pas excessive ? L'articulation prévue par J. H. permet-t-elle de pallier à ce défaut ? Ne retrouve-t-on pas la question de l'aile souple non contrôlée ? Pour tout cela mes projets évitent les rémiges sur l'aile battante : pour plus tard.
Si ce ne sont pas des plumes les éléments de l'aile feuilletée de Lenoir glissent les uns sur les autres. Ils constitueraient par leur état de surface un turbulateur énergique ce qui ne serait pas malvenu pour une machine de dimensions modestes. Une peau souple vient-elle améliorer cet état de surface ?. Pour un HPO je doute de la validité de la solution.
Il reste que toutes les bonnes idées sont bienvenues et les mauvaises aussi d'ailleurs, corrigées elles vaudront peut-être de l'or !
Or il y a l'embarras du choix : aile moulée en mousse ; peau de mousse (genre Festo) ; peau en flm relativement épais ; structure recouverte en film élastique (solution Raëbiger) ; division de l'aile en éléments indépendants en incidence (il faudrait soigner l'aérodynamique à la jonction) ... Et je n'ai pas tout en tête !

LE CHOIX DES PROFILS
Quand à moi j'en reste au profil double surface ou simple surface sur très peu de profondeur. Pour cela je dois choisir un profil dont la courbure d'extrados et le S d'intrados soient assez prononcés. Mes BE amincis seront-ils apte à la torsion ? C'est une question qu'il va falloir résoudre rapidement. A partir d'une certaine diminution d'épaisseur faut-il changer de mode de réalisation et avoir une partie moulée en mousse élastique, polyuréthane probablement ?
La construction selon la méthode H. Raëbiger apporte le choix maximum de profils mais notez que ce constructeur Allemand, après bien des modèles équipés du Clark Y a essayé le S1020. L'intrados du Clark Y faisait-il des plis ?
L'oiseau n'a d'autre choix que ses profils très creux. S'ils fonctionnent c'est grâce aux plumes. Circulation sous les tectrices selon l'hypothèse Murray, turbulateur automatique au bord d'attaque de l'intrados quand les premières tectrices se soulèvent, mahutte, rémiges primaires, état de surface, transparence contrôlée, tout est là pour nous éviter de considérer l'aile d'oiseau comme si elle était en bois. Elle permet de bonnes performances, cependant les profils créés par l'homme devraient donner des ailes de performances supérieures en régime stationnaire. Quoique devant le décrochage elles soient plus brusques. C'est pourquoi mon choix se porte sur une aile de hautes performances.
Les profils simplifiés sont plein d'intérêt pour les petites machines. Cependant les plaques creuses entraînent la nécessité de parfaire le mouvement pour avoir une remontée compatible avec la trainée de ces profils, malheureusement importante aux petits angles.

LE MOUVEMENT
Pour voler à l'allure 0 je pense que pour l'instant nous ne sommes pas en mesure de définir les subtilités de mouvement qui procureraient une augmentation du rendement. A basses vitesse l'inversion est totale c'est à dire que la portance qui s'exerçait sur l'extrados vient à s'exercer sur ce qui était l'intrados. La paire de tourbillons qu'engendre le modèle doit alors changer de sens de rotation. La trainée induite qui en résulte est maximale. Si la translation s'accélère la portance à l'abaissée devient supérieure à la dé-portance de la remontée, le centre d'aile est alors porteur et une portance négative se développe sur les parties distales. L'écoulement n'est pas meilleur car l'envergure effective se trouve réduite par une circulation transverse qui tend à s'inverser.
Par ailleurs le type de profil apte à cette « allure » est la plaque plane ou un profil symétrique si l'on veut raffiner. La trainée générale du modèle étant importante, une forte traction doit être générée. Il en découle que la portance négative-traction est nécessaire au vol, quoique néfaste au rendement.
Bien que l'entrée d'un modèle conçu pour l'allure 0 dans le domaine des allures 1 et 2 soit manifeste je ne pense pas qu'il y ait beaucoup à gagner si nous améliorons le mouvement par une articulation bras-avant-bras. Celle-ci ne peut être efficace que si l'on a pris soin de réduire la trainée de l'aile et les trainées parasites car elle suppose une baisse de traction.
Comment fonctionne donc aérodynamiquement l'aile articulée ?
Premièrement elle permet le déphasage. Quand commence la remontée de la partie centrale la partie distale continue de s'abaisser. Grâce à ce mouvement vers le centre la traction peut se maintenir et compenser la trainée accrue de la partie centrale. Quand la mi-course est atteinte l'ensemble de l'aile suit sa remontée jusqu'au point mort haut. Commence l'abaissée mais seulement pour la partie centrale. La partie distale remonte en trainant puis plane enfin s'abaisse à l'unisson de la partie centrale jusqu'au point mort bas.
Ce déphasage est fort utile à l'amélioration de la répartition de portance mais nous verrons qu'elle nous complique la détermination du vrillage et sa commande. Un vrillage mécanique simple ne suffirait pas !
L'articulation peut aussi réaliser total ou partiellement le balayage dans lequel l'aile avance pendant l'abaissée et recule à la remontée, dont on tire deux avantage.
1/ La vitesse un tant soit peu accrue donne une portance accrue (et réduite à la remontée) avec un changement d'AOA moindre. Le tourbillon de changement d'angle est réduit.
2/ D'autre part l'accélération qu'implique la traction est d'abord donnée à l'aile même, puis transmise au corps. Ce balayage serait intéressant s'il partait de l'articulation principale, près du corps, mais la réalisation se complique singulièrement. Par ailleurs la chose se complique plus encore quand on examine les mouvements de galop dus à ces changements du centre de gravité. Ceci pourrait nous faire provisoirement écarter le balayage pour le réintroduire quand nous saurions mieux l'utiliser.

LE VRILLAGE
La question du vrillage est de la première importance. Comme une hélice ou une paire de pales d'aéro-générateur l'aile battante doit respecter les incidences où le profil donne son rendement. Les AOA resteront sans aucun doute plus élevés à l'abaissée qu'à la remontée. Mais nous avons intérêt autant que se peut à réduire cette différence, par la finesse de l'engin et par le balayage s'il s'avère réalisable ! En tout état de causes ces AOA favorables vont de quelques degrés positifs à 6-8º pour des profils de modèle réduit. Beaucoup me diront que je ne fais pas assez de cas des phénomènes transitoires ! Certes je préfère les ignorer dans cette première approche et les rechercher plus tard quand nous aurons une meilleure idée de ce qu'il se passe. La démarche sera alors assez simple : augmenter l'AOA au début de l'abaissée et voire s'il y a amélioration des performances ! Mais pour les raisons évoquées ci-dessus comme pour des raisons de mécanique du vol le contrôle est indispensable.
Lenoir a obtenu une amélioration de l'économie de vol d'un modèle du commerce par ce contrôle. Avec une aile profilée et articulée il donnera des résultats encore plus détachés des 100 w par kg des ornithoptères actuels.
Car la chose se complique. J'ai vaguement évoqué le vrillage complexe au début de la remontée. De l'emplanture jusqu'à l'articulation le vrillage est du type « moulin à vent ». Après l'articulation cette torsion diminue et passe à la torsion hélice car la partie distale prolonge l'abaissée. Puis vers la mi-course l'aile devra repasser en torsion moulin à vent. En fin de remontée nous aurons à retarder le retour à la position hélice. De même les passages au points morts hauts et bas nous feront passer par des incidences et AOA de plané.
Si l'on veut maintenir le rendement sur une bonne plage de vitesses il faudra changer ces « dosages » pour chaque vitesse et selon que l'on veut grimper ou descendre. Par la même occasion il faudra adapter le vrillage à la fréquence de battement.
Si nous rentrons un peu plus dans les détails il faudra savoir quelle est la déflexion de l'air à chaque instant du battement. Cette correction n'a l'air de rien mais les complexes variations de la répartition de portance vont changer l'angle induit constamment. Les vitesses se composent : repliement et dépliement ainsi que balayage ajoutent ou soustraient à la vitesse air. Et les accélérations-freinages amènent à faire d'autres corrections.
Certes pour analyser profondément tout cela il faut comme Hamdaoui et Lenoir élaborer des algorithmes qui permettent de faire entrer toutes ces variables. Pour des ingénieurs il n'y a pas d'autre voie. Nous nous plaçons sur un autre terrain. Certes je ne suis pas de ceux qui pensent qu'il faut tout essayer et que nous verrons bien ! Je propose de calculer une dizaine de points de chaque phase, en tenant compte des compositions de vitesses et incidences. La déflexion instantanée devra être appréciée le plus précisément possible mais nous devrons être surtout attentifs aux changements d'attitude de l'engin et aux accélérations. En répétant ces calculs pour 5 ou 6 tranches de l'aile nous aurons une loi de vrillage que nous tenterons de faire imiter par l'électronique d'un servo ou par une came. Ce seront les données de départ d'un modèle de vol libre à vitesse constante, la meilleure pour le taux de montée (d'où l'intérêt de notre régulateur, dans le cas du Wake). En les répétant quelques 4 autres fois pour des vitesses différentes nous aurons les données pour une machine déjà complexe télécommandée ou pilotée.
Certes les algorithmes de Hamdaoui poursuivent un autre but : faire dire à l'ordinateur quel est le meilleur mouvement à un instant donné. Mes calculs d'amateur ne pourront pas déterminer le meilleur déphasage ni faire entrer la trainée induite. D'ailleurs l'investigation sur la trainée induite des surfaces portantes non-planaires n'en est qu'à ses débuts et l'aile en mouvement est un objet non-planaire ou je me trompe. Et je veux bien croire que la trainée induite ne se constitue pas instantanément, quoique je sache que le sujet est pointu. Mais les algorithmes sont en plein développement. Ils progresseront en intégrant plus de données. Les calculs seront plus longs mais les résultats plus intéressants, plus proches de la réalité. Et ainsi on pourra concevoir un ornithoptère efficace avec son électronique d'adaptation au vol en différentes conditions … en quelques heures !
Nous n'en sommes pas encore là. J'ai l'impression que nous sommes toujours à égalité avec les ingénieurs les mieux armés, qui en plus de leurs préoccupations de haut niveau ont à résoudre les mêmes problèmes pratiques … que nous, les amateurs !
Nous allons tatonner dans les réglages de vrillage faute de calculs plus approfondis, mais les premiers résultats ne devraient pas trop tarder si nous en avons la patience.

L'ARTICULATION : SKEW HINGE OR NOT ?
Un dispositif qui nous devons à Jon Howes présente un intérêt certain pour le contrôle du vrillage : l'articulation inclinée que nous avons pris l'habitude d'appeler skew hinge.
Elle provoque une différence d'incidence entre la position en dièdre et la position anhédrale. Pour cela il faut et il suffit que le plan de l'articulation restant horizontal dans la direction du mouvement soit à angle ouvert sur l'avant. Tout le vrillage pourrait venir de ce mouvement mais nous avons des vues plus complexes et visons les très hauts rendement de propulsion. Aussi il faudra compléter ce vrillage par un contrôle du bord marginal.
Cette charnière peut aussi nous donner l'occasion d'obtenir le balayage. Cette fois l'axe n'est plus horizontal mais pique dans le sens de la progression de l'engin. Cela fait avancer l'aile quand elle est en train de passer en dièdre et la fait reculer quand elle passe en position anhédrale.
Une petite différence de dièdre permet d'avoir un AOA inférieur à la remontée. Cette charnière concerne les ailes externes mais une liaison entre les queues de nervures de la partie centrale et celles de la partie externe assure que le vrillage soit transmis.
Il y a d'importantes difficultés de réalisation, notamment pour profiler correctement la séparation entre les panneaux, surtout s'il y a balayage. Le couplage incidence-dièdre-balayage est contraignant car il limite le temps du déphasage en début de remontée. C'est néanmoins une disposition intéressante pour sa simplicité. Je tenterai de l'appliquer à un modèle réduit.
Dans le cas d'un HPO je verrais plutôt que le pilote tout en poussant et tirant le chariot qu'animent ses jambes (un ressort compound venant freiner la remontée il faut bien l'animer) rame avec les bras pour positionner les ailes en dièdre et en flèche, les incidences étant calculées à bord selon les paramètres du vol.

PLANS OU FORME
Je veux entrer dans les choix de forme. Pour l'instant nous éviterons les grands allongements. Nous nous méfierons des empennages trop petits ou portés par un faible bras de levier, tout en sachant qu'il peut être intéressant de rechercher une stabilité à la limite pour avoir un meilleur comportement. Il sera plus facile dans un premier temps de reculer progressivement le centre de gravité.
Reste une immensité de choix. Deux ailes battantes ou quatre ? Dans le type libellule, le déphasage qui pourrait varier au cours du vol joue un peu le même rôle que l'articulation avec déphasage du vol de la chauve-souris et des oiseaux, je passe sur les ptérosaures que je n'ai jamais vu voler. Probablement ils faisaient au moins jouer leur articulation du coude, sinon également les articulations du doigt.
Il faut aussi choisir entre orni total ou partiel. Et la notion de partiel est confuse. Elle peut inclure des machines où une hélice ou un réacteur donne partie de la propulsion. Elle peut également inclure des planeurs propulsés par un dispositif alternatif avec clap ou sans clap. Mon idée est qu'il faut choisir ceci de façon opportuniste. Dans le cas d'un HPO, de mon « Orni » précisément, je crains que nous ne sachions pas faire des ailes battantes de 20 m d'envergure qui de plus abaissent la fréquence de battement. Le rendement musculaire est mieux assuré à 90 coups minute qu'à un rythme plus lent. La difficulté est d'avoir une base rigide pour ces ailerons. Il faut soit étayer les ailes par des mâts profilés, soit concevoir un biplan proche du projet Colab, un biplan entretoisé.
Pour ce qui est du Wake la raison de sa conception en partiel est toute différente : c'est la solution que j'ai trouvé pour avoir une section de fuselage raisonnable et une mécanique entièrement cachée.
Remarquez que dans les deux cas l'aileron suit les règles de battement «oiseau» que je préconise dans tous les cas, peut être même dans le cas d'une solution "libellule". Ce pourrait être le cas si un Orni faiblement motorisé voyait le jour. Pourrait-on envisager une aile arrière de plus grande envergure et profiter du déphasage à la façon des oies sauvages ?
Bien d'autres dispositions sont dans l'air et nous verrons si elles apportent en efficacité, l'imagination a tous les droits d'investir un domaine nouveau et il peut être passionnant d'assister à une explosion de formes.
Maintenant il nous reste à établir un dossier de calculs, du point de vue aérodynamique et du point de vue résistance des matériaux s'il s'agit d'un engin piloté ou de dimensions déjà importantes. A cela ajoutons quelques calculs de stabilité statique et dynamique en plané qui nous garantiront d'une machine incontrôlable et définiront des choses très utiles comme la vitesse maxi autorisée.

vendredi 29 juillet 2011

DU CÔTÉ DE LA SCIENCE

Dans ces pages j'ai présenté un point de vue de modéliste ou de constructeur amateur tentant d'accroître ses moyens pour résoudre le problème du vol battu.
Il y a aussi des ingénieurs de haut niveau qui travaillent là dessus. Voici deux exemples en français ... ce qui vous faciltera peut-être la lecture !

Optimisation Multicritère de l'Efficacité Propulsive d'Ornithoptères: Algorithmes Evolutionnaires et Data-Mining pour l'Optimisation Multicritère
Auteur : Mohamed Hamdaoui

Voici ce qu'en dit l'éditeur :
"Ce travail met en exergue l'utilité de l'emploi combiné d'algorithmes évolutionnaires multicritères et d'outils de data-mining pour identifier les cinématiques de battement d'ailes les plus efficaces pour des ornithoptères en vol de croisière. La mise en évidence, par une approche multicritère, de cinématiques efficaces de battement d'ailes articulées et leur caractérisation, par des méthodes issues du monde du data-mining, constitue une étape vers la compréhension des mécanismes présidant aux hautes efficacité propulsive rencontrées dans le monde aviaire. Une comparaison avec des paramètres cinématiques d'oiseaux réels a notamment permis de montrer que les résultats obtenus sont réalistes et que l'approche employée est valide, ce qui ouvre la voie vers l'exploration d'autres configurations pertinentes pour l'étude du vol aviaire et le développement d'ornithoptères efficaces."
Mohamed Hamdaoui, Ingénieur de l'Ecole Polytechnique (X01), s'est spécialisé en aérodynamique à Sup'Aèro. Il est également Docteur en Mécanique de l'UPMC (Paris 6) et titulaire d'un Master recherche en Dynamique des Fluides et Transferts de Sup'Aèro. Il est actuellement en Post-Doctorat.
Hamdaoui a publié également avec Stéphane Doncieux :
http://www.httpisir.upmc.fr/files/2011COS1865.pdf

Evolutionary Algorithms to Analyse and Design
a Controller for a FlappingWings Aircraft

Stéphane Doncieux and Mohamed Hamdaoui

L'autre auteur est Yves Lenoir, Ingénieur des Mines. Son travail porte à peu près sur le même sujet, mais présente un débouché pratique puisqu'il y a eu experimentation d'un système de contrôle du vrillage de manière active-passive.

Vers un contrôle de vol d’un oiseau artificiel
Yves LENOIR
Centre Automatique et Systèmes, Mines Paris Tech
35 rue Saint Honoré, 77305 Fontainebleau Cedex, France.

Je le cite :
"Depuis la seconde moitié du XIXe Siècle on sait faire voler
des engins à ailes battantes, dénommés ornithoptères, mus par
des moteurs à caoutchouc, thermiques ou électriques.
Cependant aucune des tentatives réussies n'a pu approcher les
performances énergétiques des oiseaux.
Pour fixer les idées, les ornithoptères, que leur masse
dépasse plusieurs kilogrammes ou avoisine 10 g, demandent
une puissance de l'ordre de 100 W/kg, rarement moins, pour soutenir un vol stabilisé à quelques 10 m/s. Les données biologiques sur les oiseaux montrent qu'il leur faut
nettement moins de 20 W/kg pour exécuter des vols de
plusieurs heures à 20 m/s, voire plus. Un oiseau aussi peu
performant qu'un ornithoptère ne pourrait pas voler plus de
quelques secondes : ainsi une oie bernache de 4 kg devrait
fournir une puissance biologique de 1,6 kW pour que ses
muscles produisent la puissance mécanique de 400 W qu'il lui
faudrait alors délivrer durant sa migration !
Comment expliquer un tel écart de performances ?"

L'article est public et se rencontre sous cette direction :

http://hal-ensmp.archives-ouvertes.fr/docs/00/49/20/04/PDF/YL_Definitif.pdf

Si vous aviez quelque difficulté à le trouver, cherchez dans les pages "Ornithoptères" de la web. Ce matin chez Google il était en page 12. Ce qui semble dire qu'il n'est pas très lu. Pourtant il est très intéressant et relativement abordable pour qui n'est pas vraiment ingénieur.La référence de la page est :
http://www.google.es/#q=ornithopt%C3%A8res&hl=es&prmd=ivns&ei=ugMzTr6XD6KzsALSoNjjCg&start=110&sa=N&bav=on.2,or.r_gc.r_pw.&fp=c5f94250b907dce&biw=956&bih=444
Voyez aussi cette adresse :
http://cas.ensmp.fr/~petit/site-oiseau-np/main.htm

samedi 16 juillet 2011

Pourquoi faut-il un contrôle du vrillage des ailes d'un orni ?

Kjell Dahlberg essaye une aile articulée. Il avait déjà une certaine expérience avec son accélérateur de Wingtip. Cette fois il applique un déphasage du même type que celui du SmartBird. Excellent ! Ses essais permettront peut-être de comparer cette aile avec la même aile bloquée. Il serait intéressant de voir si la traction ou la portance augmentent avec ce dispositif, avec bien sûr la même tension d'alimentation et la même intensité.
Ceci dit le choix de Kjell est d'esayer une aile membrane sans contrôle actif de la torsion (vrillage), voyons à quoi cela nous mène ?
La critique de l'aile membrane est relativement simple. Si je me fie aux données courantes cette aile n'aura guère que 0,5 de Cz et l'efficacité ne vaudra pas mieux : 10 de finesse/aile en allongement infini. Que restera-t-il en réalité avec la trainée induite et les trainées parasites : tout au plus 5, voire moins. Ceci dit du point de vue du plané, le rendement du vol battu pourrait-il ne pas en souffrir ? On peut espérer beaucoup des phénomènes transitoires, mais si on ne les aide pas un petit peu … D'ailleurs de récents essais dans des dimensions assez nettement inférieures donnent un accroissement de Cz jusqu'au double, dont on ne saurait profiter qu'en battant assez vite des ailes. Ce n'est pas le quadruple comme à l'échelle de la mouche. Sans précaution, dans ce cas l'usage d'un profil, les performances vont être assez mauvaises. Néanmoins ce type d'aile est facile à construire et on commence à savoir placer les raidisseurs, encore que des progrès puissent encore survenir dans ce domaine. Aussi je comprends que Kjell et beaucoup d'autres soient fidèles à ce type de construction.
Le thème de la torsion est plus compliqué. En premier lieu nous devons l'examiner du point de vue de la mécanique du vol.
Un ornithoptère du type Park Hawk ou un de ses parents est un deux axes par définition. Il peut virer et incliner grâce à son dièdre. Maintenant, pour avoir du dièdre en vol battu le modèle doit avoir plus d'amplitude vers le haut que vers le bas. Ce n'est pas la meilleure solution pour l'efficacité du battement, mais nécessité vaut loi. La dérive donne la possibilité de changer la direction où s'oriente le « bec », le dièdre induit une inclinaison qui permet l'engagement dans la courbe et non un dérapage. Bien ! Ceci vaut pour une aile rigide. Si l'aile est hautement flexible, le dièdre déterminant une augmentation de l'AOA du côté opposé au virage, ce côté va vriller plus. L'effet du dièdre sera diminué ou annulé. En conséquence la manœuvre sera difficile, impossible voire catastrophique.
Cette rigidité minimum que nous devrons rechercher ne convient pas au vol battu. Le dilemme est : avec une voile qui s'adaptera aux vrillages optimum du vol battu le contrôle sera impossible et les perturbations ne pourront pas être combattues efficacement. Avec une voile plus rigide les AOA dépasseront la bonne valeur et le rendement baissera.
Une torsion mécanique comme celle du TrueFly est le minimum nécessaire. Si l'on veut avoir un peu de plané un arrêt moteur dans la position optimum est conseillé. Mieux vaut ne pas atterrir en piqué !
Si on dispose de servos, l'électronique de commande permet de positionner les ailes pour le meilleur AOA. Si l'on raffine le système on aura des AOA variant selon la vitesse de vol. S'il y a télécommande le troisième axe est tout trouvé. Il faudra bien entendu un mélangeur qui interprètera les ordres pour les combiner avec les variations automatiques. Il n'y a là rien d'impossible.
Pour le wake je dois choisir entre la torsion mécanique et sa version électronique. J'aurais alors seulement le contrôle à bord, vol libre oblige, si possible avec une adaptation à la vitesse de vol. Pour l'Orni ma position a peu changé. Le contrôle de flexibilité proposé au début permettrait de reprendre les commandes mais avec retard s'il s'agit d'une perturbation. Il faudra donc un contrôle actif, peut-être aidé par un assouplissement ou raidissement pendant les manœuvres. Ainsi les bras ou les mains du pilote, ou encore les servos de contrôle, auraient moins d'effort à fournir.

vendredi 15 juillet 2011

L'AILE DU WAKE ET MÊME PLUS, LA DESCRIPTION COMPLÈTE

Premières approximations sur les dimensions et le choix des profils.

Les Be 9744 et 9745 sont du plus haut intérêt pour leur faible trainée. En revanche ils semblent rétifs à descendre en dessous de 50.000 Re. Il faut donc faire attention à ce qu'on en fait. Voyons où nous en sommes pour une aile de 1,30 m d'envergure.
Puisque l'allongement est faible, de l'ordre de 10, j'évalue la portance générale de l'aile à Cz 1. Peut-être la surestimai-je? Certes le profil peut nettement plus (Cz1,4 et plus) mais ce n'est vrai que pour la partie centrale de l'appareil et non pour ses parties distales. Et ce Cz ne pourrait être utile qu'avec un allongement plus grand. Avec Cz 1 je calcule une vitesse de 5 m/s, ce qui me paraît tout à fait réaliste. La vérité est qu'avec ce Cz et une surface de 16 dm2 la portance serait de 244 g. Avec 230 g, ce qui serait un miracle pour un premier modèle, la vitesse à peine va changer.
Ainsi le profil central de 160 mm de profondeur serait à 56.000 Re et le suivant de 140 mm serait à 49.000 Re. Cela est satisfaisant pour la partie fixe. Si elle est très courte nous pourrions avoir une corde de 150 mm ce qui nous monterait les Re à 52.500.
Bon ! La partie battante a pour elle la vitesse ajoutée de son propre mouvement. Pourtant je veux faire une machine qui grimpe, fait son arrêt moteur et plane. Un flop ne serait pas une base de comparaison intéressante en face des wakefields à hélice. De plus nous souhaitons une machine capable d'échapper aux turbulences qui règnent près du sol, grimpant franchement au début du temps moteur.
Nous n'avons rien à perdre. Nous avons vu que pour construire léger à résistance égale nous avons intérêt à diminuer le moment à l'emplanture. Ainsi bien qu'elles aient une répartition de portance sub-elliptique les ailes donnent une meilleure performance globale. Cela ne s'applique pas entièrement aux wakes et nordiques de masse fixée par le règlement. Mais ce qui se gagne en inertie transversale se repercutera sur le plané, les récupérations étant plus agiles.
D'autre part le moment à l'emplanture est directement responsable de la force nécessaire au battement. Si nous le diminuons nous pourrons et devrons battre un peu plus vite des ailes, ce qui diminuera le heaving et bénéficiera au rendement des profils.
Cependant si nous respectons cette règle nous allons avoir des bords marginaux fonctionnant à des Reynolds très faibles. Y-a-t-il des profils aptes à voler à 20.000 Re ? Oui, il y a des profils creux avec des rapports L/D de 20 environ une perte de vitesse brutale et une trainée prohibitive en dessous de Cz 0,8 ou au mieux 0,7. Ils ne sont donc pas aptes au vol battu et à ses portances faibles lors de la remontée.
Quels Reynolds atteignent les extrémités de nos ailes à une vitesse de 5 m/s ?
Si elles mesurent 60 mm : 20.000 Re,
70 mm : 24.500 Re,
80 mm : 28.000 Re,
90 mm : 32.000 Re.
Pour le moins elles n'atteignent pas les 50.000 Re et nous ne devions pas passer au-dessous!
Il y a une solution qui consiste à diminuer la portance de ces extrémités par vrillage ou par vrillage aérodynamique. La différence est que dans le second cas il y a évolution du profil avec ou sans torsion géométrique. Alors la corde peut rester à 90 mm. Mais nous sommes toujours en dehors du domaine d'utilisation des BE 9744 et 9745.
Il se trouve que ces sections supportent bien une petite intervention. En réduisant leur épaisseur à 6% et en diminuant leur cambrure à 3% nous obtenons des profils de peu de portance qui ont cependant une faible résistance aux petits angles (jusqu'à -2º, très près de la portance nulle) et cela nous va bien pour le projet en question. Les profils intermédiaires semblent excellents.
On peut craindre de rencontrer les inconvénients de ailes elliptiques. Le décrochage des bords marginaux peut se produire avant celui du centre d'aile. Du coup la stabilité en roulis souffre aux grands angles. On peut penser à différentes solutions : vrillage, flèche de bord d'attaque, bord marginal elliptique ou en forte flèche, profil au nez à la retroussette comme le BE5055VN1. Cela peut-il s'appliquer à notre BE9744-9745 modifié ? Cela reste à essayer et ne concernerait que quelques centimètres en bout d'aile. Il y a une autre solution peu utilisée actuellement en modélisme : la fente qui imite la mahutte de la plupart des oiseaux. Fixe ou automatique ? Voilà la question ! En tous cas si je me fie de la simulation je n'ai pas beaucoup de raisons de douter du décrochage bénin de ces profils minces. Ils ont peu de différence d'angle de meilleure performance avec les BE d'origine mais commencent à décrocher un peu plus tôt : 8º au lieu de 10º. Vrillage ? Ou simplement turbulateur pour gagner un peu de portance tout en haut ? L'alula (nom latin de la mahutte) est tentante mais risque de trainer beaucoup. Et le réglage d'une fente automatique sera difficile à cette échelle.
Maintenant que se passe-t-il si nous voulons caser un petit servo de contrôle du vrillage comme ceux du SmartBird ? Bien, selon certaines analyses cela serait possible, selon d'autres la trainée devient énorme en dessous de 40.000 Re. Il semble que l'aérodynamique comporte un part d'incertitude ! Mieux vaudra tolérer une petite nacelle profilant ce servo à l'intrados, si du moins le contrôle de vrillage est électrique/électronique.

Les plans.
De ce qui précède je déduis des plans.
La partie centrale contient le mécanisme. Elle fait partie du pylône ou cabane. Elle a une profondeur de 160 mm et elle est large de 100 mm.
Le reste de la partie fixe a 150 mm de demi envergure et sa profondeur passe de 160 mm à 150 mm.
A l'emplanture nous nécessitons toute l'épaisseur du BE 9744-5. En s'approchant de la partie battante le profil peut déjà avoir perdu un peu d'épaisseur puisque les câbles ou tirants ont pu être rapprochés et qu'il n'y a plus de clef à intégrer. Je chois en effet une clef plate en fibre de carbone, passant entre les platines du mécanisme pour assembler les ailes au fuselage.
La première partie de l'aile battante mesure 150 mm d'envergure et les cordes passent de 150 mm à 135 mm. La dernière partie mesure 300 mm d'envergure. Sa profondeur va de 135 mm à l'articulation à 90 mm, 200 mm plus loin. Ensuite elle perd de la surface avec un BA en flèche à 30º. A l'emplanture de cette portion le profil est le BE mais il a déjà perdu de l'épaisseur (8%). Quand nous arrivons aux 90 mm il n'a plus que 6% d'épaisseur et sa cambrure est de 3%. C'est le moment d'essayer un profil de BA à la retroussette et de perdre encore en épaisseur. Cette partie pourrait aussi avoir un BA sans flèche si au cours de la construction nous voyions que le poids est en augmentation. Nous en profiterions pour simplifier le dessin de l'aile qui ainsi serait entièrement sans flèche de BA et aurait gagné un peu de surface.
La construction de la partie centrale est en structure. Ensuite il faut avoir une construction destinée au vrillage. Dans tous les cas la « peau » sera moulée. On peut penser à la réaliser en résine imprégnant un tissus comme la soie par exemple. Un autre choix serait de faire cette peau d'une fine feuille de polycarbonate moulée à chaud. Cette peau repose sur une structure assez lâche de nervures et longerons. Les nervures ne sont pas collés aux longerons. Le mini servo de torsion est placé à l'emplanture de cette partie distale et transmet ses ordres à la dernière nervure par le longeron (tube FdC). Ouverte au bord de fuite, simple surface sur quelques %, la peau d'intrados doit être contrainte à presque se fermer par quelque élastiques ou des pinces la rapprochant de la peau d'extrados.

La cabane.
Cette partie prend un grande importance. Elle n'est pas destinée à éloigner l'aile du fuselage, encore que si secondairement, mais à inclure le mécanisme de battement et déphasage. Ses dimensions sont déterminées par le tambour vertical en avant de l'aile. Celui-ci est conique et la bobine même est elliptique, presque plate. Ainsi le couple est à son maximum aux changements de direction du battement, quand l'inertie des ailes joue un rôle important et le couple reste plus ou moins constant du début à la fin du déroulement. Il faudra beaucoup de constance si le vrillage est commandé mécaniquement, moins … et l'opportunité d'une montée plus franche si le contrôle est électronique et tient compte de la vitesse de translation. Alors, une minuterie ou un anémomètre, commande une réduction du « pas » qui correspond à une montée puissante.
Cette bobine est prise entre deux roulements inclus dans deux platines. Elles sont maintenues sur le fuselage par deux pièces verticales. La bobine porte un petit vilebrequin à deux manetons. Chaque bielle attaque une des deux paires secteurs soit de battement principal soit de battement décalé. Seul est entrainé un des deux secteurs de la même fonction. L'autre engrène comme s'il avait des dents, mais pour minimiser les frottements ce sont des câbles ou des lames croisées qui mettent les deux côtés au diapason. Sur les bords externes des secteurs viennent s'accrocher par des chapes de télécommande (p.ex.) les tringles de battement et déphasage. Le montage consiste, carénage de cabane ôté, à engager ces liaisons aile battante au PMB, puis à rapprocher la demi-aile qui se solidarise à la cabane par la clef plate. L'aile battante passe alors au PMH, et se conforme à la position du vilebrequin pendant le montage.
La bobine , en avant de l'aile et bien que cela ne corresponde pas à mon orientation, pourrait voire sa place prise par un moteur électrique et sa démultiplication. Mais elle reçoit dans mon projet un petit câble inextensible (fibre aramide gainée) qui allonge le caoutchouc et donne à la bobine la capacité d'enrouler presque deux mètres d'extension du caout'. La gomme en effet a quelques 300 mm au repos et je compte qu'elle s'allonge plus de 6 fois si elle est bonne. Il est d'autre part peu souhaitable qu'elle sorte du fuselage (trainée) au début du déroulement.
Des croquis viennent qui rendront tout ceci plus explicite. Mais patience, je suis en panne de scanner.

Le fuselage.
C'est un simple tube, d'aluminium par exemple ou de fibre de carbone. Il doit être un peu plus gros que celui d'un wake et aussi un peu plus long. L'écheveau au repos est réparti autour du centre de gravité. Il part vers l'avant et passe sur la première des poulies. Alors nous pouvons compter deux allers et retours. Avec un entre-axe des poulies de 600 mm, plus la première extension vers l'avant nous avons presque deux mètres. S'il le faut lors d'un remontage « de concours » nous tirerons un peu l'écheveau en dehors du fuseau (il pourrait bien n'être en rien un écheveau si nous trouvons du caout' correct en rond de quelques 10 mm ou moins, gomme d'arbalète de chasse sous marine peut-être) … et le tour est joué. Les essais se feront avec du 6x1 mm, 6 brins puis 8 et dix, etc. Il faudra en effet régler l'appareil à faible puissance avant de pouvoir le doter de ses 30 g de gomme. Les variations du CG seront aussi moindres si l'écheveau est faible. Plus avant il nous faudra peut-être inventer un système de lest mobile compensant les variations de CG. Olives sur le câble tout simplement ? Ou faudra-t-il quelque chose de plus sophistiqué ? Sort le câble près de l'arrière du fuselage, il se dirige vers le pylône. Le profilage de ce dernier s'arrête de façon à laisser passer le câble quelque soit la hauteur où il s'enroule sur la bobine, d'abord en haut sur la partie de faible diamètre puis de plus en plus bas. Aucun problème particulier au remontage, il suffit de surveiller le bon enroulement du câble sur la bobine. A l'arrière de ce fuselage vient se fixer sur le cône de fermeture, un tube de moindre diamètre qui porte les empennages.

Les empennages.
Les empennages pourront être en premier lieu de facture classique. Grand bras de levier et stab rectangulaire. Néanmoins je m'intéresse de près à la version de plus ou moins court bras de levier et stab « Delta » chargé de réagir aux très grands angles aussi bien négatifs que positifs. Elle serait plus conforme à ce que nous désirons pour une machine décollable à pied.
Tout se tient et réciproquement !

jeudi 7 juillet 2011

KJELL DAHLBERG A ESSAYÉ UNE ARTICULATION TYPE SMARTBIRD

Toujours sur la brêche Kjell a essayé une aile membrane sans vrillage commandé mais il reprend la disposition du SartBird pour ce qui est de l'articulation et du déphasage.
Il dit:
I have copied the mechanism to see if it works well
with membrane wings without forced wing twist.
http://www.youtube.com/user/wingdrive#p/u/2/X8sj8-HAenk
http://www.youtube.com/user/wingdrive#p/u/1/M7ziwrscoW8

dimanche 19 juin 2011

LES TURBULATEURS

Les turbulateurs sont bien connus des modélistes de vol libre, et tentent parfois ceux du ceux du F3. Ils sont aussi connus et pratiqués par les aérodynamiciens qui doivent faire des expériences à petits Re qui simulent d'assez près le vol de l'aéronef « grandeur » qu'ils étudient. Les maquettes pour les souffleries sont quelquefois trop petites.
Le problème vient des caractéristiques de l'écoulement lorsque le terme visqueux prend une certaine importance.
Tant que la couche limite est peu épaisse relativement, le schéma dit qu'elle est tout d'abord laminaire, puis qu'après une courte transition elle devient turbulente, enfin lorsque son énergie décroit encore , très grands angles d'attaque pour une aile par exemple, elle décolle, au bord de fuite tout d'abord. Mais lorsque diminuent les Re la transition devient plus difficile et se produit un décollement laminaire et une bulle avant que la couche limite devienne turbulente. Aux petits Re survient également plus facilement la séparation de bord de fuite, ainsi l'angle de décrochage diminue. La bulle laminaire change le profil de vitesse autour de la section, il en résulte beaucoup de trainée. La séparation complète au bord de fuite (extrados) et de plus en plus profondément à mesure que l'angle d'attaque augmente détruit la portance et engendre une énorme trainée. Pour dominer ces deux phénomènes il se révèle avantageux de provoquer et d'entretenir la turbulence fût-ce avec un dispositif lui même créateur de trainée, le turbulateur. On considère le plus souvent que cet artifice vaut en dessous de 100.000 Re. Ce peut être le cas pour les extrémités d'un aile d'HPO à grand effilement, ce sera également le cas des « plumes » s'il utilise un bord marginal divisé. Mais nous verrons que même le DG 300 peut tirer bénéfice d'un turbulateur.
Et puisque des profils tels que l'UI 1720 nous intéressent, qui ne passent pas facilement au dessous de leur Re critique (élevé), pourquoi ne pas déclencher la turbulence d'abord à 20% ou un peu avant pour les Re de l'ordre de 1.000.000, puis de plus en plus près du BA si l'on cherche à récupérer de l'efficacité vers 500.000 Re et en dessous.

LES FILS !
On en voit de eux sortes ; premièrement les fils tendus en avant de l'aile. La place du fil en hauteur devant le bord d'attaque est très importante. Assez haut il conviendra à un profil peu cambré utilisé à de faibles AOA. En effet la perturbation n'atteindra la couche limite qu'assez loin du BA. Si au contraire le profil est bien cambré et qu'on l'utilise à de forts AOA le fil sera tendu plus bas que le BA ce qui fera que sa perturbation rendra la couche limite turbulente beaucoup plus tôt. La distance en avant du BA importe également ainsi que la fixation du fil et son diamètre. Sur les Nordiques on utilisait volontiers un élastique de 1 mm de diamètre environ, modérément tendu entre de rares supports, la vibration du fil concourant à la création du flux turbulent. Le dispositif étant fragile il n'a plus guère d'usage.
La deuxième manière d'utiliser des fils est de les coller sur le profil à quelque distance du bord d'attaque. Souvent un premier fil est collé vers 10% ou moins et un second plus profondément, à 25% environ. Xenakis montrait un seul turbulateur placé à l'extrados de son stabilo assez profondément, cela s'explique par le Cz d'utilisation très en dessous de celui de l'aile permettant donc de confier en un écoulement laminaire du BA au fil. Notez que les fils de Xenakis sont carrés ! D'autres modélistes se servent d'adhésifs très étroits superposés, faciles à coller et déplacer. En effet la mise au point requiert des essais multiples. La hauteur usuelle est de l'ordre du demi millimètre. Les modélistes sont généralement plus discrets que Xenakis sur les dimensions et la place de leurs turbulateurs et sur le fait qu'ils les utilisent ou non. Ils montrent plus volontiers leurs profils préférés.

LES TURBULATEURS EN DENT DE SCIE
Très efficaces ils constituent un relief du même type que les fils mais se développent en 3D. Imaginez un revêtement de BA qui n'aille que jusque vers 20% de la profondeur. En sur-épaisseur placez un deuxième coffrage qui aille un peu plus profond, jusqu'au longeron typiquement. C'est celui-ci qui sera taillé de manière à présenter des dents. La pointe avant se placera à 5 ou 10% et le creux vers 15% et plus. Ceci sur les modèles réduits comme les moto-modèles F1C. Jon Howes pour son proto de voiles rigides l'avait placé à 20% sur un UI 1720. Je suppose que ces 20% correspondent au fond des dents de scie et que ce turbulateur était moins profond relativement que ceux des F1C. En effet le modèle était assez grand ce qui justifiait de déclencher la turbulence plus tard. A l'extrème limite un tel profil issu du 1720 mais beaucoup plus mince (7 ou 8%) a été essayé par Jean Wantzenreither, modeliste alsacien dans les années 70 ou 80 sur un Coupe d'Hiver, c'est à dire à 30.000 Re ou moins. Le turbulateur en dents de scie commençait très tôt. Des essais systématiques et des calculs montrai qu'il donnait moins de trainée mais aussi moins de portance que le meilleur des profils classiques (à facettes) utilisé alors par Georges Matherat. Au bout du compte le plané était un peu plus rapide mais plus tendu et les modèles étaient équivalents.
Je ne sais rien du turbulateur en dent de scie des DG 300, destiné à remplacer des pitots d'intrados et des conduits qui s'encrassaient. Mais voyez le domaine d'application est large !

LES PICOTS
Dans le catégorie turbulateurs 3D nous avons un autre dispositif simple. Il consiste en une rangée de picots d'environ 1 mm de hauteur ou plus et 1mm de diamètre modérément rapprochés suivis d'une autre rangée en quinconce. Moins de trainée sans doute qu'avec les dents de scie ! De plus ils peuvent être envisagés sur une aile sans coffrage. Cependant ils ne sont pas très utilisés à ma connaissance. J'ai moi même experimenté avec des petits cubes de balsa 1x1mm collés au BA d'un profil plat à flèche avancée. Le résultat n'était pas mauvais mais je n'avais pas comparé avec d'autres dispositifs. Ces turbulateurs à picots ont une certaine parenté avec les dispositifs utilisés sur les ailes en flèche pour stabiliser l'écoulement transverse. Mais il ne s'agit pas du même domaine de vitesse ni du même problème.
Les modélistes qui experimentent avec le profils Eggleston sont intéressés par ces picots et leur attribuent de meilleurs résultas qu'aux fils et rubans.

LES TROUS DES BALLES DE GOLF
Placés là par la tradition de même que les coutures des balles de hockey ces trous se remarquent par leur efficacité. Bonne turbulence et peu de trainée propre. Ils sont cependant difficiles à réaliser sauf sur des ailes moulées, un film muni de ces petites demi-sphères en relief étant introduit dans le moule.

LES ÉTATS DE SURFACE
Si dans la gamme des Re supérieurs à 100.000 un état de surface lisse (¿poli? peut-être pas), est préférable, un peu de grain ne nuit en rien aux performances aux bas Re. Papier, toile, papier émeri sont parmi les moyens d'entretenir la turbulence et d'améliorer l'adhérence de la couche limite. On voit sur beaucoup de deltas une toile plus grossière au bord d'attaque. C'est la gaine du renfort qui est constituée côté visible d'un revêtement renforcé proche des toiles de bâche. Les fils de renfort sont relativement apparents. Sur les Wakefields on voit certains BA réalisés en tissus de fibre de carbone . C'est le cas des modèles d'Andriukov dont le BA en D est réalisé en FdC 80 g. Un grain assez apparent doit en résulter et puisque le profil est camus au bord d'attaque le modèle se passe de turbulateur.

LES LOCUST GROVES DU CABINET LAROCHE
Constatant que les ailes des insectes sont pleines d'irrégularités, que les ailes des criquets migrateurs sont d'une rare efficacité et qu'ils sont même capables de plané, le Cabinet LaRoche a étudié un dispositif qui n'est pas présenté comme un turbulateur mais qui a cependant un air de parenté avec ceux-ci. Des canaux obliques sont creusés au bord d'attaque, le petit mur de séparation suivant les définitions du profil. L'inclinaison recommandée atteignant 60º, la profondeur des sillons étant impressionnante (des méthodes de calcul sont indiquées qui tiennent compte de l'épaisseur de la couche limite), je me demande si ces cuvettes ne déclenchent pas la turbulence ? Malheureusement le site qui donnait ces caractéristiques n'est plus disponible.

LES BOSSES DE BORD D'ATTAQUE TYPE BALEINE
Des études destinées à améliorer les rendements des pales d'éoliennes ont été menées au Canada qui ont conduit les chercheurs à imiter les ailerons des baleines. Ils semblent contents des résultats mais je n'ai pas vu de publication à ce sujet.

ASPIRATION ET SOUFFLAGE DE LA COUCHE LIMITE
L'aspiration et le soufflage forcés sont étudiés en laboratoire pour les avions et engins en particulier pour les machines à décollage court, mais nous nous intéressons auau soufflage passif. Sur nos machines ultra légères il ne faut pas rêver, les grammes sont comptés ! Ainsi des planeurs télécommandés F3B et consorts on reçus des turbulateurs à soufflage passif ; ils consistaient en une série de trous coniques allant de l'intrados à l'extrados. Percés dans le coffrage et le foam ils allaient de 3 ou 4 mm à l'entrée à 1mm à la sortie ; ils étaient inclinés d'avant en arrière. Je donne les dimensions de mémoire, n'ayant pas vu d'articles récents dans la presse modéliste. Également de mémoire les trous débouchaient vers 50% de la corde à l'extrados, un peu en avant peut-être mais guère. Ils n'empêchaient donc en rien la couche limite d'être laminaire jusque là, donnant juste un coup de pouce à la transition pour des angles d'attaque assez faibles et des Re plutôt élevés. Espacés, ils n'augmentaient la trainée que dans une faible mesure.
Du même genre mais conçue pour récupérer par une légère aspiration une couche limite laminaire perdant de l'énergie, la disposition discutée par Murray et Jon Howes présentée dans ces lignes dans l'article sur la stabilité des oiseaux devrait souffler très légèrement au bord d'attaque pour ne pas être un turbulateur involontaire. Dans la discussion les auteurs envisageaient une toile destinée également à éviter l'encrassement des canaux par les moucherons. Je rappelle qu'il s'agit d'un dispositif qui établit un courant inverse à la translation sous le revêtement s'inspirant de ce qui doit se passer sous les tectrices des oiseaux.
Dans le cas de l'Orni et du Wakefield à ailes battantes dont les ailerons auront un profil ouvert au bord de fuite j'envisage de mettre l'intérieur de l'aile à la pression d'intrados et de laisser l'air s'échapper à l'extrados (si nécessaire) et au bord de fuite-intrados là où il s'ouvre. Ainsi j'espère améliorer l'écoulement, un simple surface étant toujours délicat même s'il ne l'est que sur 10% ou moins. Cet artifice existe ou a existé sur des deltas.

TURBULATEURS D'INTRADOS
On oublie parfois de penser à l'intrados qui aux petits angles souffre des mêmes maux que l'extrados aux grands angles. Souvent un fil est nécessaire pour contrôler la couche limite et permettre de diminuer la trainée lors des prises de vitesse.

CONCLUSION
Chaque aile, chaque profil est un monde et l'inventivité ne suffit pas. Ce qui donne satisfaction dans un cas n'apportera plus rien dans un autre. Il faut absolument expérimenter pour être certain du résultat, La place des fils est un bon exemple de cette recherche. Et la facilité qu'il y a à les déplacer explique leur succès pratique. Pour ce qui est du Wake à ailes battantes le profil choisi (BE 9745)devrait se passer de turbulateur au centre d'aile vu sa profondeur généreuse (160 mm) mais les bouts d'ailes pourraient en bénéficier. Mon choix irait alors à un léger soufflage de l'extrados.

mardi 7 juin 2011

ce ne sont pas des ornithoptères

Mais regardez tout de même ce vidéo des machines à vent de Theo Jansen !
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=HSKyHmjyrkA
Cliquez sur le titre ou entrez cette direction de youtube dans votre browser.

jeudi 26 mai 2011

FESTO et le SMARTBIRD.

Festo est une entreprise d'hydraulique et d'automation. Même dans ces domaines courants elle mise sur des matériels sophistiqués et de haute précision et reproductibilité. Elle étudie des systèmes dits bioniques inspirés de la trompe d'élephant, des méduses et des raies. Ces deux dernières innovations nous concernent un peu car la méduse et la raie sont gonflées à l'hélium et se déplacent dans l'air. La raie est un dirigeable à ailes battantes au vol très élégant, voire acrobatique.
Ci-dessous je donne l'adresse et la web de l'usine puis les caractéristiques techniques du goéland :

Festo AG & Co. KG
Ruiter Strasse 82
73734 Esslingen
Germany
Phone +49 711 347-0
Telefax +49 711 347-21 55
cc@de.festo.com
www.festo.com/bionic

Données techniques

Longueur: 1.07 m
Envergure: 2.00 m
Poids: 0.450 kg
Structure: légère structure de fibre de carbone
Recouvrement: mousse de polyuréthane extrudé
Batteries: accumulateurs lithium polymère, 2 éléments,
7.4 V, 450 mA
Servos de contrôle: 2 servos digitaux de 3,5 kg/force agissant sur la tête et l'empennage
2 servos digitaux pour le vrillage de l'aile avec une réponse de 45 degrés en 0.03 s
Puissance électrique recquise: 23 W
Microcontroller: MCU LM3S811
32-bit microcontroller@50 MHz
64 kByte flash, 8 kByte RAM
Radio transmission: 868 MHz/2.4 GHz two-way radio transmission
based on ZigBee Protocol
Moteur: Compact 135, brushless
Sensors: Motor positioning 3x TLE4906 Hall sensors
Accéléromètre: LIS302DLH
Power management: 2x LiPo accumulator cells with ACS715
voltage and current monitoring
LED activation: TPIC 2810D
54760 en 4/2011
23 W c'est vraiment peu pour faire voler un ornitho de 2 m, même s'ilest très léger. D.B.