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.