Une étude innovatrice par Axel Darling


par Charlie Crawley

Quand j’ai dû finalement abandonner l’idée de construire un Butterfly (bien que ce projet soit encore en stand-by), parce qu’il m’était presque impossible de me procurer la feuille d’aluminium nécessaire à sa construction et ensuite de la plier pour en faire des longerons, je me suis orienté vers un projet conventionnel de construction bois et toile.

Ayant découvert le MICA de Michel d’Escatha, je fus bientôt contacté par Steve Butcher qui en construisait déjà un. Ce petit réseau se développa rapidement quand Steve me fit faire la connaissance d’un groupe d’amateurs de MICA.
Parmi eux se trouvait un personnage merveilleux avec qui je liai rapidement une étroite amitié. Nous avons commencé à échanger des idées, des études et des opinions. Son nom : Axel Darling.

Axel était une personne aimable et généreuse qui partageait ses informations sans réserve. Très intelligent, il connaissait bien son affaire. Il avait aussi accès à plusieurs programmes d’ordinateur très sophistiqués « Flow Dynamic » qui lui permettaient d’analyser en profondeur plein de choses, et en particulier des machines volantes. Parmi ces machines se trouvait son petit préféré, le MICA!

Il l’aimait tant qu’il fit même un voyage au Mexique pour s’entretenir avec Michel d’Escatha.
Il fit des recherches et approfondit ses connaissances sur les affirmations de d’Escatha. Il établit ainsi une théorie très intéressante qu’il commença rapidement à mettre en application. C’est de cela qu’il est question dans cet article.

Tristement et beaucoup trop vite, une horrible maladie incurable nous a enlevé Axel, nous laissant dans le deuil et devant ce vide terrible qu’est une théorie inachevée! Cependant, il nous a laissé suffisamment de données pour que nous puissions  continuer son étude pour lui.

Merci, Ax, mais tu nous manques énormément!

Charlie Crawley




Salut, Charlie,

Je n’ai pas compris grand-chose à la lettre de Michel Descatha, mais comme je l’ai déjà dit, quand j’ai examiné les résultats empiriques de Michel, qui provenaient de sa période française, où il utilisait un entreplan vertical de 70 cm et un entreplan horizontal de 80 cm, j’ai trouvé qu’il y avait des raisons sérieuses pour adopter des entreplans égaux  afin d’ obtenir un écoulement d’air laminaire. C’est pourquoi je recommande 65/65, 70/70, 80/80, etc. Quoiqu’il en soit, plus grand est l’entreplan, mieux c’est, tout du moins jusqu’à un certain point et plus spécifiquement, c’est l’entreplan vertical qui est important pour obtenir un écoulement d’air non turbulent.

Comme Michel l’a démontré en effectuant des tests avec des fils flottant dans le vent, un entreplan horizontal de 80 cm et un entreplan vertical de 70 cm permet un écoulement laminaire (avec certains profils, cela peut faire une différence). J’ai donc modélisé le plan et j’ai trouvé qu’avec des profils divers on peut obtenir un écoulement laminaire de faible trainée si les entreplans horizontaux et verticaux étaient d’au moins 80 cm.

En fait, j’ai pu descendre jusqu’à un entreplan horizontal de 50 cm avant que l’écoulement devienne turbulent.

Avec un entreplan horizontal de 80 cm, l’écoulement d’air devient turbulent pour un écartement vertical de 65 cm. Dans la formule Descatha, l’écartement vertical est extrêmement important.
C’est pourtant ce que tout le monde a ignoré pendant des dizaines d’années parce que les différences d’entreplan vertical ont peu d’importance dans un écoulement turbulent.

En analyse finale, j’ai trouvé que, pour les profils les plus couramment utilisés par les pou-du-ciel, l’écoulement restait laminaire de 90 cm/90 cm jusqu’à 20 cm/20 cm. Bien sûr, en dessous de 50 ou de 60 cm, il n’y a pas d’application pratique, mais dans tous les cas, ces valeurs fonctionnaient parfaitement aussi bien à grande vitesse, juste avant que le centre de poussée se déplace indéfiniment, qu’à l’autre extrême, c’est-à-dire à vitesse très lente et descente de l’avion à plat. Ces résultats étaient obtenus avec les deux ailes d’égale envergure et de corde égale. En utilisant des envergures différentes et, en plus, des cordes différentes pour les deux ailes, il était difficile d’éviter la turbulence pour les entreplans inférieurs à 50 cm.
Je dois dire que le choix d’envergures égales pour les deux ailes est une mauvaise formule pour plusieurs raisons, et que  des envergures d’ailes inégales, quand la surface de l’aile arrière n’est jamais moindre que 75% de l’aile avant, est un compromis entre d’une part la facilité de pilotage et la manœuvrabilité et d’autre part la stabilité. Sur une aile prise comme exemple, un des types de remous se forme à environ 89% de la demi-envergure quand  le flux d’air provenant de l’intrados se mêle en tourbillonnant avec le flux d’air provenant de l’extrados.
Cela crée une turbulence qui est particulière à la juxtaposition latérale des  flux d’air quand l’intensité de la déflexion de l’air vers le bas en arrière de l’aile tend vers zéro. Sur le pou-du-ciel, elle varie selon la valeur de l’entreplan, On l’étudie  en commençant par le monoplan (entreplan négatif) pour terminer avec l’entreplan maximum (quand les ailes ont peu d’interaction).

Plus les ailes sont proches, plus la portance sera grande ce qui donnera une plus grande déflexion du flux d’air vers le bas.
Une grande partie de l’interaction pour l’extrémité d’une aile arrière se produit à ce moment là, ce qui fait que l’aile arrière pourrait être positionnée à 85 ou 90% de la corde de l’aile avant pour obtenir un effet satisfaisant.

Je ne vois pas de raison aérodynamique qui empêcherait d’avoir des cordes égales pour les deux ailes. Il y a au moins une raison économique à ce que les deux cordes soient identiques et il est aussi de fait que plus grande est la corde totale, plus grande est la marge statique de sécurité.
Le problème de l’envergure  n’est pas tellement important quand l’écoulement du flux d’air est  laminaire. La véritable question est de faire un compromis entre la surface de l’aile avant et la possibilité d’augmenter l’incidence de l’aile avant au-delà de la limite standard de 12°donnée par Mignet.

Quand l’écoulement d’air est laminaire, la portance est notablement plus importante que quand l’écoulement est turbulent et si vous choisissez une corde d’aile de 1200 mm, la charge alaire dépendra de l’envergure.

En air turbulent presque tous les pou-du-ciel conventionnels se comportent de la même façon et la courbe de portance plafonne à environ 19°. Si l’incidence de l’aile avant est limitée à 12°, il reste environ 7° pour l’incidence de l’aile arrière. Un agencement laminaire des deux ailes offre une courbe de portance qui monte au-delà de 31° avec une incidence de l’aile avant de plus ou moins 20°. Mes essais montrent que l’aile avant a un coefficient de portance compris entre 2,5 et au-delà de 5  pour environ +11° d’incidence de l’aile arrière.

Si les deux ailes sont identiques avec 5m, 80 d’envergure et 1m, 20 de corde, l’aile avant, en descente à plat, porte 362 des 450 livres que j’ai prises comme exemple dans mes calculs. L’aile arrière porte 88 livres. Nous avons donc une répartition de la portance d’environ 80%-20% en nous basant sur une position du centre de gravité à 25% de la corde totale. L’aile avant a une surface d’environ 6, 96 m2 de telle sorte que la charge alaire est d’environ 52 livres (23, 6 kg) par mètre carré ou 4,83 lbs/sq.ft. C’est la zone où se trouvent la plupart des pou-du-ciel, en particulier les plus légers. L’appareil aura tendance à «flotter».

Si je diminue l’envergure  à 5, 50 m, ma vitesse de descente à plat ne dépasse pas 40 km/h par rapport aux 38, 6 km/h que j’avais avec l’envergure de 5, 80m pour un angle d’incidence de 20°. Il est notoire que la charge alaire a augmenté et, selon moi, c’est préférable pour voler confortablement. Mais, que vous choisissiez l’une ou l’autre des solutions, la différence entre les deux est mineure. Michel n’a pas comme moi la chance d’utiliser les logiciels sophistiqués «Computational flow dynamics», mais il a un bon jugement empirique de ce qui fonctionne bien.

Comme on peut le constater, la pleine envergure de l’aile arrière n’est pas très utile, même à la vitesse minimum (descente à plat). Elle l’est encore moins aux grandes vitesses et elle est même un obstacle au bon rendement de l’appareil. La vraie raison pour laquelle Michel utilise les ailes identiques est que cette solution donne les plus grandes marges de stabilité et qu’elle permet de reculer le centre de gravité en toute sécurité pour permettre des décollages courts. Des envergures égales, des cordes égales et un grand entreplan horizontal correspondant à une bonne partie de la corde totale.
Quoiqu’il en soit, dans ce cas de figure, le centre aérodynamique (foyer) pour les ailes seulement est de 31,65% de la corde totale, soit 0,997 m. du bord de fuite, ce qui donne une marge statique (zone de sécurité pour l’emplacement du centre de gravité) d’environ 20 cm ou 8 pouces. Cette valeur est modifiée par le fuselage, l’emplacement du moteur et par toutes les autres perturbations du flux d’air et des forces qui agissent sur le centre de gravité.

Comment améliorer les marges de sécurité et obtenir un pou-du-ciel qui a de meilleures qualités de vol? L’étude d’un avion est toujours une question de compromis, mais j’ai découvert et analysé une solution qui aboutit précisément à ces résultats. Le côté négatif de cette formule est la vitesse d’atterrissage, mais il se pourrait bien que ce ne soit pas vraiment un compromis si la butée d’incidence de l’aile avant à 20° ne vous pose pas de problème. Avoir des envergures égales pour les deux ailes et des cordes égales ont toujours été des leitmotive pour les penseurs non conformistes de la formule Mignet. Comme je l’ai indiqué plus haut, on s’imagine que cette formule offre la plus grande marge de sécurité, mais en fait, il n’en est rien.
Il faut faire une distinction entre les différents types d’aéronefs,
-Conventionnels, avec un petit empennage arrière, à une certaine distance des ailes.
-Canards, avec une petite surface horizontale à l’avant, à une certaine distance des ailes, généralement située plus bas que celles-ci.
-Tandems, avec un important entreplan horizontal et des ailes de surfaces presqu’égales, l’aile arrière étant toujours située plus haut que l’aile avant.

Ces trois formules ne sont pas comparables, sauf qu’elles doivent leur stabilité latérale et longitudinale aux angles d’incidence des différents plans et qu’elles ont de bonnes qualités de vol.

Une quatrième catégorie, aussi importante que les 3 autres, en est très différente et ne peut être rattachée à aucune, car elle a des caractéristiques que les autres n’ont pas.
Il s’agit de la formule Mignet où il y a une inter réaction entre les deux ailes.

Dans chacune de ces catégories, le foyer (ou point neutre) se situe en fonction de la répartition des surfaces et de la position des ailes.
En ce qui concerne la formule conventionnelle, le foyer est très proche de celui de l’aile prise séparément. Pour le vrai tandem, la position du foyer dépend du rapport des surfaces et de la distance entre les deux ailes. Il se situe généralement entre 35% et 45% de la corde totale. Si la corde de l’aile arrière est plus courte et si l’entreplan est plus court, le foyer se déplace vers l’avant. Pour le canard, dont le plan avant a beaucoup moins de surface, le foyer se trouve près du bord de fuite de l’aile, soit presque l’inverse de sa position dans un appareil conventionnel, mais on constate que plus la différence est grande entre les surfaces des deux plans pour l’appareil conventionnel et le canard, plus les marges sont étroites.

En ce qui concerne la formule Mignet où les ailes ont une très importante interraction, j’avais toujours pensé que l’aile avant devrait avoir une surface plus grande que l’aile arrière pour que l’appareil ne décroche jamais quelle que soit son assiette et même en atmosphère turbulente. Après tout, c’est ce qu’on avait toujours fait. Mais il s’avère que c’est faux et qu’on a peut-être toujours fait ainsi pour avoir la plus forte charge alaire sur l’aile avant, ainsi que Millien l’avait établi.

Alors, que se passerait-il si l’aile avant avait une surface plus petite que celle de l’aile arrière, à l’opposé de la formule traditionnelle? Un scientifique Français un peu fou fit exactement cela il y a plusieurs années et fit voler un pou inversé que plusieurs appelèrent le pou-canard (ce n’en est pas un en réalité, comme je l’ai expliqué plus haut).  En ce qui concerne la stabilité d’un telle répartition des deux surfaces, le foyer se trouve beaucoup plus en arrière que pour un pou-du-ciel traditionnel, même pour celui qui a  des envergures et des cordes identiques. Par exemple, si l’aile avant a 4m,40 d’envergure et l’aile arrière 5m, 80, le foyer se trouve à environ 1m, 30 du bord de fuite, par rapport à 0m, 997 pour le pou-du-ciel qui a les deux ailes identiques.

Ce chiffre correspond à 41, 30% de la corde totale au lieu de 31, 65%. Tout le reste de la disposition des ailes aussi bien pour leur forme que pour leur  positionnement sur le fuselage et que pour la façon dont elles sont commandées est vraiment celle d’un  pou-du-ciel et pas d’un tandem.
Si on fait une analyse complète du phénomène, plusieurs facteurs apparaissent dont le plus évident est que la charge alaire de l’aile avant est plus importante que pour le pou-du-ciel conventionnel, disons d’environ 1 lb (0kg,453). Néanmoins l’appareil descend à plat comme le pou-du-ciel classique à 44 km/h (à 20° d’assiette) et si l’entreplan est correct, le flux d’air sur les ailes reste toujours laminaire.

Dans ce cas, le coefficient de portance est d’environ 5 au centre et, comme dans la plupart des scénarios que propose la formule Mignet/Descatha, le coefficient de portance total pour l’ensemble des deux ailes dépasse 2, ce qui est plus du double que ce qu’offre un pou-du-ciel Mignet classique.

Un autre facteur secondaire mais intéressant est que la distribution de la portance tout au long de l’envergure des ailes est différente car, alors que, dans un pou-du-ciel traditionnel l’aile arrière est fortement et presque régulièrement compressée sur toute l’envergure, la plus petite aile avant de la formule améliorée crée des emplacements de poussée plus importante à peu près à l’endroit des remous indiqués plus haut, ce qui, quand l’appareil effectue des lacets, donne une force lacet/roulis plus importante, une stabilité dynamique latérale beaucoup meilleure et permet un pilotage plus précis avec une réaction plus immédiate dans les virages.

Cet avantage est vraisemblablement la raison pour laquelle le professeur en question a proclamé que que son pou-du-ciel inversé volait tellement mieux que l’autre. C’était un Bi-Fly modifié, un excellent pou-du-ciel de conception non Mignet, assez proche de la conception de Michel Descatha.

Ce bref exposé est un peu schématisé mais je crois qu’il passe le message. Dommage que je n’aie pas pu l’expliquer à  Michel quand j’étais à proximité de chez lui,… (...)

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Etude entreplans Axel DARLING

Entreplan Horizontal = entreplan Vertical

Etude entreplans Axel DARLING

Entreplan Verticlal = 80

Entreplan Horizontal = entreplan Vertical

Entreplan Horizontal = 80



Origine de l'article:
Axel DARLING
D'après une proposition de: Charlie CRAWLEY
Traduction: Paul PONTOIS
Diagrammes:
Charlie CRAWLEY
Mise en ligne : Thibaut CAMMERMANS

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