Spécification techniques Projet Libellule / Dragonfly Project
Spécifications du projet d’hélicoptère portatif, individuel, ultra-léger
Cahier des charges et
Spécifications techniques
précises pour le projet libellule.
Date création : Le 3 décembre 2005. Dernière date de mise à
jour : le 7 décembre 2005.
Par Benjamin LISAN, ingénieur INSA Lyon.
Les points de spécifications préliminaires, du cahier des charge de
l’appareil de sustentation et propulsion individuel, seront :
Points spécifications |
Description / commentaires |
1)
Ultra-léger |
-
Moins de 60 kg à vide, si possible. Note : Le micro hélicoptère le
moins lourd (du marché) est le GEN-H-4 qui pèse 63 kg. Et encore son poids
est lié à l’énorme potence portant tout le poids des 4 moteurs Gen125, à 2
mètres du sol. Par ailleurs l’anneau du système d’engrenage est lourd. On
devrait pouvoir trouver une autre solution, pour un système d’engrenage plus
compact et léger. Sans l’énorme potence et les longues béquilles permettant
de maintenir le centre de gravité haut placées, on devrait nettement réduire
le poids de l’appareil. Il
faudrait utiliser tous les matériaux de haute technologie pour réduire le
poids _ Composite Carbone Kevlar, Titane, Magnésium, Dural-lithium, micro-pot
d’échappement en Inconel [1]
pour réduire son poids etc … - Portable par un homme sur son dos. -
ou moins de 60 kg avec (et y compris) le carburant -
transportable (portable) sur son dos (engin qu’un homme peut
« facilement » soulever et ranger dans le coffre d’une voiture ou
d’une voiture break). Suggestions : Pour
cela : -
s’il le faut, utilisation de matériaux de haute technologie : carbone
Kevlar, aluminium - lithium, (titane pour les petites pièces), céramiques,
Tedlar, Kevlar, Epoxy … Mais on peut très bien utiliser des matériaux moins
cher quand c’est possible _ cordes à
piano en acier (inox ?) pour le renvoi des commande ou bien fils en
carbone (ou tringles en acier inox, titane …). -
Pot d’échappement en Inconel, ultra-léger (miniaturisé si possible) … -
utilisation d’un moteur et dessin d’une voilure économes en carburant (bon rendement des pales, efficacité
du moteur et de la voilure, par exemple
une consommation en carburant, en vol
horizontal, sans vent, à 60 Km/h par rapport au sol, à 10 m au-dessus du sol
_ à pression standard du niveau de la mer (1013,25 hPa) _ : < 10
litres de carburants par heure ). -
réservoir de carburant (essence) inférieur ou
égal à 10 litres. Maximum 15 litres. Malgré tout, on peut supposer quelques contraintes
réalistes : le fait qu’un hélicoptère miniature soit quand même très
consommateur en essence. Qu’il sera difficile de descendre jusqu’à un poids à vide de 60
kg. |
2)
fiable, sûr (très
bonne sécurité statique et dynamique) |
-
effet gyroscopique maîtrisé. - pas de « marsouinage ». -
pas d’effet de twist, de rotation sur soi intempestive non maîtrisée, -
Facteur de charge + 7 G -
voire, prévoir un facteur de charge en négatif de
– 5 Go. -
la tête de rotor et l’ensemble doivent supporter
une force d’1 tonne (par exemple lors d’essais statiques avec
des sacs de sable d’une tonne). -
tous les éléments de la structure de l’engin devront
être testés sur bancs d’essais et en vol, au moins 500 à 800 h, pour tester
leur résistance, en particulier leur résistance à la fatigue, à la charge,
aux vibrations. Ce point sur la FIABILITE et
la SECURITE sont TRES importants. -
choix d’un moteur très fiable et d’entretien facile (Rotax 503, Hirth 7203
…), ou mieux faire le choix d’avoir 2 moteurs (par exemple 2 JPX D330 de 20 CV à 6500 tr / mn, d’un poids de 15.5 kg
chacun). -
disposer des « silent-blocs » pour éviter toutes sources de
vibration (+). -
un airbag. -
une jauge à essence très fiable + un réservoir de secours. -
les pales seront colorées avec des bandes orange fluo et jaune. -
toutes les zones dangereuses seront repérés par un autocollant triangulaire
jaune entouré de noir, selon les normes internationales en vigueur pour la
signalisation des dangers. Suggestions : -
éventuellement, la tête de rotor pourra être en matériaux composites type
carbone. -
possibilité d’auto-rotation, grace à l’utilisation de pales à pas variables
et d’une tête de rotor coaxial, type Kamov Ka56, qui le permet normalement. -
(+) : des amortisseurs de vibration, au niveau des axes de battement, de
traînée, d’incidence, en « élastoplaste » ou fibre de verre (voir
solution StarFlex de l’Aérospaciale). -
toutes les parties en mouvement doivent être faciles à vérifier, à visiter,
inspecter lors d’une visite pré-vol. (pour cela on évitera les systèmes de
graissage, vérins … tous ce qui est caché). (voir
aussi, plus loin ci-après, le § « La sécurité et les dispositifs de
sécurité »). |
3)
un vrai VTOL tout terrain, si
possible |
-
à décollage et à atterrissage vertical. -
VTOL sur tout terrain, si possible plat (champ, prairie, route, rue …). Suggestions
pour sa réalisation : -
Utilisation d’un solution « rotor coaxiale » contra-rotative (voir
pré-projet). Ce point VTOL tout terrain, est important. |
4)
maniable, grande
manœuvrabilité |
-
facile et très agréable à piloter. -
aussi facile à piloter qu’un paramoteur. -
très maniable, d’une grande manœuvrabilité (effet gyroscopique maîtrisé). -
prise en main des commandes faciles, soit par : a)
des
commandes sur les bras du sièges, comme sur le Jetpack ou le Ludion, b)
une
« barre de contrôle », comme avec le Gen-H-4 et le Ka-56. c)
Ou
encore, une barre de contrôle, en forme de demi-trapèze de deltaplane, parce
que ce type de trapèze est très facile à piloter. -
précis dans ses manœuvres : a)
on atterrit exactement là où l’on veut atterrir, b)
déplacement latéral G ó D précis, c)
pouvoir suivre précisément les lignes blanches d’un terrain de football. d)
stationnaire stable _ V = 0 stable … pendant au moins 5 mn. e)
taux de roulis – 45° G à + 45° D : < 3 secondes (basculement
rapide, en évitant un effet gyroscopique trop important). f)
éventuellement, possibilité de vol arrière pendant 1 mn. g)
la taille des pales pourrait être de 2 mètres comme sur le GEN-H-4. Ce point sur la manœuvrabilité et la maniabilité est très
important. |
5)
ergonomique |
-
commandes ergonomiques non fatigantes : a)
pas d’effort « déraisonnables » à faire pour actionner, pousser,
incliner les commandes … b)
éventuellement, proposer une position de repos pour le bras, la main pendant
un vol stable, horizontal (place pour reposer le bras et la main). - le tableau de bord doit être facile à lire et avec le minimum nécessaire, au niveau instrument, pour garantir la sécurité du pilote. Par exemple, on pourrait trouver les instruments suivant, sur le tableau de bord : a) jauge essence (avec alarme
sonore et visuelle), b) température moteur, c) alarme niveau
d’huile (si moteur à 4 temps), d) compte-tour moteur, e) compte-tour
rotor, f) un niveau à bulle, pour vérifier la verticalité de l’ensemble
avant le décollage, g) le coupe-circuit, h) un bouton pour la balise
lumineuse anti-collision … et les instruments de vol : i) variomètre, j) altimètre, k) compas … -
ce tableau de bord ne doit pas gêner le pilote, pour s’asseoir dans son siège
(sellette) ou le quitter rapidement. Suggestions : a)
Par exemple, comme celle du « sustenteur » individuel US Jetpack. b)
Positions des commandes et commandes proches de celles d’un hélicoptère : -
la commande pour monter ou descendre (le « collectif ») sera tenue
de la main gauche. -
la commande pour modifier l'assiette (inclinaison) de la machine (le
« cyclique ») sera tenue par la main droite. -
« l’anti-couple » sera commandé, à partir de sa sellette, montée
sur pivot, par le basculement du corps du pilote à droite si l’on veut
tourner à droite, et à gauche, si l’on veut tourner à gauche (comme avec
certains parapentes). c)
On pourrait tout aussi bien imaginer des commandes (souples ?), comme
dans l’idée du « Fantacoptère » (une commande vers le moteur,
l’autre vers la tête de rotor _ voir le dossier du pré-projet) et qui ne gêne
pas la visibilité du pilote, vers l’avant et latéralement (ou encore autre
solution : une tige ou tringle de commande, en matériel dur _ aluminium
_, mais arquée ?). |
6)
Autonomie 2h rayon
action 150km |
-
d’au moins 2 heures. - rayon action 150 km. |
7)
Charge utile, plafond |
-
Selon le modèle et la puissance du moteur, pouvoir soulever un homme : a)
de 60 à 80 kg, b)
de 80 à 100 kg, c)
de 100 à 120 kg, et
aussi bien sûr tout l’engin (avec sa structure), à une altitude de 5 à 10 m,
(maximum de 500 m), pour une vitesse de déplacement horizontal de 60 km/h (à
100 km/h). -
Et plus tard un homme et une femme de 40 à 80 kg. -
Il y aurait plusieurs modèles (3 ou 4) et plusieurs motorisations (3 ou 4). -
le 1er modèle prototype serait pour un homme de 60 à 80 kg. -
Le plafond idéal d’un tel engin serait de 1700 à 2000 m. |
8)
vent |
-
pouvant voler avec un vent de face ou latéral maximum de 40 km / h. -
y compris si possible, avec un vent de 40 km/h en rafale ( !). Note : les consignes aux
pilotes, fournies aux pilotes, indiqueraient qu’il est interdit de voler
au-delà de cette limite. Si possible. Résister à un tel vent, reste malgré tout un vœux
pieux. |
9)
facile à monter ou démonter |
Opération
de montage/démontage facile et rapide en moins de 10 mn, si possible. |
10)
facile à transport et à ranger. |
-
transportable facilement dans ou sur sa voiture (par exemple sur son toit). -
facile à ranger dans son garage ou sa maison. -
50 cm de diamètre et 3, 5 m de long maximum, quand l’engin est replié. [2] -
les pales sont démontables comme sur le Ka-56. Par exemple, elles seraient
vissées (ou enfichables puis « cliquables ») sur la tête du rotor,
puis solidarisé solidement par une goupille _ ou clavette _ avec un fil de
sécurité (pour éviter qu’en rotation, elles puissent se dévisser de la tête
du rotor). |
11)
facile à mettre en œuvre. |
-
démarrage par lanceur manuel, comme celui d’une tondeuse (ou bien
électrique ?). -
utilisation de carburants automobile (indice d’octane 95UL ou 98UL). -
utilisation d’huile de synthèse moto (par ex. pour moteur 2 temps …). |
10)
d’entretien facile |
Aéronef
de peu d’entretien (contrairement aux hélicoptères classique) : a)
pièces très bien calculées. b)
voire pièces surdimensionnées, pour éviter leur usure et leurs remplacements
trop fréquents. c)
pièces faciles à démonter et remonter. d)
graissage facile du moteurs et des pièces en mouvement (nécessitant un
graissage). e)
entretien qu’on pourrait faire soit-même (sans avoir à passer pour la f)
vérification des 50 heures de vols, par une société spécialisées dans
l’entretien d’hélicoptère). f)
le moteur sera un moteur classique thermique à piston, g)
on exclut les solutions avec turbine à gaz, les turbojets miniaturisés … [3] Ce point est important pour la fiabilité de l’engin donc pour la
sécurité du pilote. |
12)
Spécification techniques diverses |
-
vitesse de rotation du rotor principal ~ 800 à 900 tr/mn (comme sur le
GEN-H-4 ou plus lent, jusqu’à 500 tr/mn, si c’est possible, pour diminuer
l’effet gyroscopique (?)). -
si un asservissement électronique lié à une « centrale inertielle »
commandant des micro-vérins hydraulique agissant sur le
« collectif » était nécessaire (pour la fiabilité et la
« pilotabilité » de l’appareil, il devrait être
« débrayable » par son pilote (question de sécurité à étudier). -
l’appareil devrait être muni d’un airbag, situé en dessous, pour contrer
toute chute vers le sol. -
grande durée de vie (plusieurs milliers d’heures). |
13)
Autres études à réaliser impérativement |
-
réduire tous les vibrations (pas de vibration),
pour éviter usure des pièces. -
Tout doit être d’une qualité irréprochable, -
Tout (y compris le moteur) doit tourner comme le moteur d’une Rolls Royce,
sans vibration. -
étudier et éliminer tous les risques d’effet de
résonances intempestifs. -
réduire son bruit, par l’étude du rotor et l’utilisation d’un moteur
silencieux et utilisation d’un pot d’échappement (un bon silencieux) très
performant. |
14)
construction avec les matériaux du marché, si possible. |
-
on essayerait de faire en sorte que l’aéronef ne soit construit qu’avec des
matériaux disponibles sur la marché (par exemple, tête de rotor existante ou
ayant déjà fait l’objet de plan et ayant déjà été construite. Pièces en
carbone, Dural, acier inox déjà disponibles : tringleries, guignols, bras de commandes,
renvois d’angles, tout accastillage possible … déjà disponibles sur le
marché. -
et si l’on doit faire réaliser (à façon) des nouvelles pièces, que cela soit
si possible, des pièces non coûteuses (ou bien par des lycées techniques). |
15)
Prix de vente public |
-
< 30 000 Euros (< 200 000 FF) TTC. (prix de commercialisation). |
16)
pas de surfaces « blessantes ». |
-
aucun élément blessant qui puisse couper, entailler la housse et le pilote. -
tout doit être rond, arrondi et poli. |
17)
coût du prototype |
-
le coût du démonstrateur (prototype) muni d’un moteur Hirth 7302, pour un
homme de 70 kg, ne devrait pas dépasser les 45100 € (~ 300000 FF). |
Note : ultérieurement, si ces
développements arrivaient à leur terme, on pourrait imaginer une solution
bi-places (pouvant soulever 2 hommes d’un total de 200 kg) beaucoup plus
puissante Là, le trépieds avec des roulettes s’imposerait, sans conteste ! Puis, un préchauffage du moteur, pour
démarrage par temps très froids (-30 °C).
Pour
réaliser ce cahier, on s’orientera alors vers les solutions type hélicoptère
(voire mieux contra-rotorique / contra-rotatif _ c’est à dire à rotor coaxial). L’avantage de la voilure tournante est leur
plus faibles sensibilité à la turbulences, contrairement aux autres solutions
ultra-légères motorisées (delta avec moteur auxiliaire, paramoteur ...).
Des
questions aussi importantes que :
a)
l’effet
gyroscopique (avec son moment d’inertie) pouvant provoquer des comportements
imprévus, lors des changements de direction et d’assiette (en tangage, en
roulis et en lacet). Comment le limiter (par exemple, par l’augmentation de la
longueur des pales, pour en diminuer leur vitesse angulaire et la diminution de
leur poids par l’utilisation de matériaux de haute technologie _
carbone) ?
b)
la
rotation involontaire possible en lacet. Comment la limiter … surtout dans le
cas de la solution « rotox coaxial » ?
c)
la
stabilité en l’air et en vol (comment éviter les effets de « marsouinage»,
de « twist », de rotation involontaire en lacet ? …),
d)
Le
problème est le vent latéral sur les dérives (surtout s’il atteint 40 km/h en
latéral, provoquant un vol en crabe et une correction de dérive importante).
Peut-être pour la sécurité de tels engins (a) faudra-t-il
supprimer les dérives (et gouvernes) et b) ajouter des « systèmes
asservis », des « centrales inertielles » avec gyroscopes et
accéléromètre pour assurer ou renforcer la stabilité de ces aéronefs en vol, et
contrer le couple, et réaliser l’anti-couple ( ?). L’idée ici est que
le système asservi électroniquement, teste les données du gyroscope, et contre
automatiquement le couple, par une légère action sur le « collectif »
et l’inclinaison des pales du rotor du haut _ ce qui complexifiera
alors d’ailleurs la réalisation du rotor contra-rotatif (rotor coaxial). Si on envisage un tel système embarqué, il faudra qu’il soit
très léger et miniaturisé (comme celui de certaines fusées) et très fiable
(voir doublé) [4].
e)
Sinon,
il faudra sûrement envisager des pales très rigides carbone, pour la solution
contra-rotative etc. …
f)
Selon
la puissance du moteur, on doit pouvoir soulever un homme de 60 à 80 kg, de 80
à 100 kg, de 100 à 120 kg, et aussi le poids du moteur (en fait de tout l’engin
avec sa structure), à une altitude de 5 à 10 m, pour une vitesse de déplacement
horizontal de 60 km/h. Quels poids total et donc quelque puissance et donc quel
moteur choisir ?
Pièces |
Description / commentaires |
1)
Tête de rotor coaxiale |
Tête
de rotor du Kamov Ka-56 (est-il relativement disponible ? … à voir). Peut-être
une tête spéciale ? |
2)
Pales du rotor x 4 |
Pales
du Kamov Ka-56 (~ 3 m de long en carbone) (dispo. : idem … à voir). |
4)
Moteur à piston |
Pour
le prototype et un homme de 60 à 80 Kg, prévoir un moteur de 40 Hp minimum
(voir liste de moteur à la fin de ce document (+)). |
5)
Sellette, réservoir |
Sellette,
réservoir du paramoteur Adventure F2 (version carbone). Pour
le taffetas en fibre de carbone, voir le site http://carb.com/ |
6)
Housses de transport |
Voir
housses voiles et mâts bateaux Décathon (ci-dessous) pour housse engin /
aéronef et housses pales. |
7)
Support trépied |
Support
trépied serait en tige dural 700 x 12 mm, poids 2 kg (ou carbone ?) (avec
ses 2 roulettes). Repliable en vol et lorsque l’appareil est rangé. |
8)
La dérive |
Si
solution avec dérive : imaginer une dérive en partie transparente, avec
une ossature en carbone et une toile en Tedlar D 100 microns (Dupont de
Nemours), comme pour l’avion US à pédale le Dedalus. Si
solution sans dérive : mise au point d’un système de contrôle de
l’anti-couple par une centrale inertielle gyroscopique (solution chère). |
8bis)
Centrale inertielle |
Centrale
3DMGX1 (74,6 gr), MicroStrain Inc.,
310 Hurricane Lane, Suite 4 http://www.microstrain.com/3dm-gx1.aspx
Revendu
en France par :
DPS, BP 75, 63802 Cournon Cedex, France, Contact: Georges Dejou, Tel.:
+33 (0)4 73 69 35 30, Fax: +33 (0)4 73 84 24 07, Email: dps.dejou@wanadoo.fr, Web: http://www.dps-mesures.com La
SAGEM Défense (°) fabrique des centrales inertielles embarquées pour
hélicoptères. |
9)
Accastillage, tringlerie, câbles … |
A
étudier |
10)
Servo-moteurs |
Hispano-Suiza
fabrique des Servo-moteurs puissants pour l’aviation. |
11)
Système asservi + vérins agissant sur le collectif |
A
étudier Des
sociétés fabriquent des micro-vérins : Fluid
Automation Systems S.A.,
rte de l'Etraz 126, CP 256, CH-1290 Versoix, Suisse, Téléphone: + 41 22 775
10 00, Fax: + 41 22 775 10 01 TPlus
propose des micro vérins inox : TPLUS Cholet, 146, bd de Strasbourg
49312 Cholet Cedex tél.
02 41 58 36 05 / fax 02 41 71 08 33, http://www.tplus.fr/
|
12)
études agencement |
Etudes
d’agencement entre le différentes parties, hélicoptère plié ou déplié. Réalisation
de maquettes en bois d’agencement (pour cette étude). |
13)
Calculs théoriques |
a)
Poussée,
b)
moment
d’inertie, c)
calcul
de résistance des matériaux d)
rotor coaxial spécial (avec ses commandes : cyclique, collectif,
anti-couple) … A
étudier dans écoles d’ingénieurs, instituts de technologie … Utilisation
de logiciel, pour le calcul du domaine de vol, comme Mathlab / Simulink. |
Etc
… |
|
(°) Sagem Défense Sécurité SA, Le Ponant
de Paris, 27, rue Leblanc 75512 PARIS CEDEX 15
Tel: +33 1 40 70 63 63 . Fax: +33 1 40
70 66 40, Web: www.sagem-ds.com .
Sagem est la seule société au monde qui
maîtrise, au sens de la propriété industrielle comme de la technologie, la
quasi-totalité des technologies gyroscopiques connues : gyrolasers, gyroscopes
vibrants, gyroscopes à suspension dynamique, gyroscopes à suspension électrique,
gyroscopes à fibre optique et, pour mémoire, les gyroscopes flottants ...
Tous ces capteurs gyroscopiques sont utilisables pour des stabilisations d’attitude (gyrostabilisation), d’un véhicule (hélicoptère …) par actions sur les commandes de vol. Dans ce type d’utilisation, les performances des capteurs restent moyennes, bien que le rapport performances/prix soit élevé. Quand les performances des gyroscopes atteignent "la classe de 0,01 degré/heure de dérive", et mieux, on est dans le domaine de la navigation inertielle, qui permet au véhicule porteur de connaître en permanence sa position géographique (et sa vitesse et attitude) de manière entièrement autonome : c’est ce que fournissent les centrales inertielles. Elles équipent souvent, avec des performances modérées (mais en conservant le rapport performances/prix), les hélicoptères.
Déplacement, inclinaisons :
Pour le déplacement horizontal, en vol,
de l’ensemble engin - pilote, celui-ci dépendra de la légère inclinaison du
collecteur de la tête de rotor. Pour ce qui est de la rotation de l’ensemble
par rapport à l’axe vertical, on peut imaginer un aileron vertical (dérive)
dans le dos du pilote, qui par son « incurvation » (sa courbure), soit
à gauche, soit à droite, permet de défléchir le flux d’air vertical, allant du
haut vers le bas, provenant des rotors, soit vers la gauche, soit vers la
droite (voir schéma ci-dessous).
Figure 1 : Explications :
1) voiture tournante contra-rotatives, avec 4 pales d’hélicoptère ou d’autogire
en carbone, dural ou composite, 2) tête de rotor (au milieu) contrarotative
(coaxiale), avec son frein, 3à charnière pour la dérive, 4) volet vertical
directionnel (la dérive), 5) 2 manettes sur le tableau de bord, l’une pour le
rotor (le collecteur) et son inclinaison, l’autre pour l’orientation bâbord (G)
et tribord (D) de la dérive, 6) le moteur, 7) charnière pour le volet
complémentaire de la dérive (8), 8) volet complémentaire de la dérive orientant
le flux d’air vertical provenant du rotor, orientation, selon son inclinaison
(G ou D), l’air à gauche ou à droite (ce qui permet de tourner dans le plan
vertical et de contrer tout effet de couple ou « d’auto rotation » _
dans le sens giration sans fin sur son axe vertical comme une toupie) _ voir
son rôle dans la figure 3. 9) fils en nylon ou carbones, pour la commande de la
dérive et aileron. 10) trépied (ce trépieds pourrait repliable en vol et pour
le rangement de l’aéronef pour son transport). 11) sac à dos souple (en toile
de parapente), placé dans le dos de la sellette, pour transporter des affaires.
Figure 2 : Explications :rôle
de ce volet additionnel sur le flux d’air venant du roto : 1) latitude de
déplacement et d’orientation de ce volet additionnel, 2) orientation du flux
d’air venant du rotor, selon l’orientation du volet additionnel. Le tableau de bord est semblable à celui
décrit dans la solution n°1 (autogire).
Le tableau de bord serait posé sur un
tube en dural, arqué, devant le pilote. Il se serait relié que d’un seul côté à
l’aéronef, et pourrait s’ouvrir, vers le haut, afin de pouvoir laisser passer
facilement le pilote (sinon, l’ensemble pourrait s’ouvrir et s’écarter pour
laisser passer un gros pilote. Ensuite le « système » se
« refermerait », en position verrouillée, avec un cliquet (ou bien
maintenu en place par la gravité), sur une des « poignées du
fauteuil » _ voir plus haut). Les commandes de vol et le tableau de bord
devraient être particulièrement bien étudiée au niveau de l’ergonomie _ prise
en mains, fatigabilité de la main et du bras, facilité de manœuvre .. Sur
le tableau de bord on trouverait un compte-tour du moteur, un autre pour le
rotor, une jauge à essence, un compas, une température moteur, une alarme de
niveau d’huile, un bouton coupe-circuit électrique (bien visible en rouge), un
niveau à bulle etc.
Le transport et le stockage :
Selon la longueur calculées des pales, on pourrait alors ranger soit l’ensemble « sellette – moteur – tête rotor – pales repliées » dans une camionnette ou sur le toit d’un véhicule (posé sur une échelle, elle-même posée sur la galerie d’un véhicule). Sinon, pour protéger les pales lors de leur transport, elles seront rangées dans de grandes et longues housses rembourrées (au total 4 housses pour les 4 pales). En plus pour protéger tout l’ensembles durant le transport, une autre housse, munie d’un zip en faisant tout le tour, de très grande dimension, rembourrée, permettra de couvrir la partie moteur / siège-sellette, pour le transport, et contre les intempéries ou l’humidité (et enfin une housse pour envelopper le tout). Une bande rembourrées pour protéger la partie tête de rotor. Toutes ces housses et bandes sont fermées par des scratchs ou des bandes scratchs. La grande housse devrait être très solide (résistante à la déchirure amorcée) et munie d’au moins 6 solides poignées. Adventure, pour les pales des hélices de ses paramoteurs, fournit des housse de pales rembourrées très solides et légère. Et pour son paramoteur F1, Adventure fournir une sorte de sac ou sacoche de transport rembourrée (tissu épais), très solide, munie de forte poignées très solides. L’idéal serait que la housse extérieure soit étanche comme un sac de canioning ou de spéléologie.
Note :
le constructeur de vélo hollandais Jansen fournit pour le vélo pliant
« Renault Sport » une housse très solide (mais non rembourrée).
L’idée d’une housse extérieur pour la protection de l’ensemble pendant son
transport est mieux qu’une ogive de transport de l’ensemble en aluminium ou en
composite (ou en polyesther etc. …).
Durant le transport, le(s) robinet(s)
d’essences seront fermés (à voir la compatibilité de ces derniers robinets,
avec la sécurité en général _ lors du transport, en vol etc …)..
Le caractère repliable des pales du
rotor, peut rendre la tête du rotor encore plus complexe à réalisée et donc
encore plus chère, surtout si elle est un prototype (quel prix ? 2500
Euros ? aucune idée pour l’instant) [5].
Figures 5 & 6 rangement et le transport du « scoot-air » : 1) housse rembourrée un peu plus longue que la longueur des pales (> 4 m), 2) tête de rotor avec ses articulations pour le repliement des pales le long de l’engin (pour son transport), 3) l’engin, 4) les pales repliées et regroupées ensemble pour leur transport, 5) rubans scratchs pour refermer et fixer la housse sur la plate-forme de transport (ici une échelle de 4 m de long), 5) l’échelle, 7) la galerie de toit suffisamment solide pour supporter l’échelle et le « scoot-air » (40 kg), [ 8 et 9) chiffon et lampe rouges de signalisation sur la route ].
Fig.
2 : Les 2 trépieds, de chaque côté, se replieraient ainsi le long des
flancs latéraux de l’appareil, en vol ou rangé.
Pour pouvoir replier facilement les
pales dans la housse, il faudrait a) que la partie bloc moteur – siège – réservoir
soit fin (peu épais) dans le sens de l’axe sagittal (c’est à dire dans l’axe
qui passe d’avant en arrière) _ ce qui contribuerait alors à un centre de
gravité bas _ et b) que la tige coaxiale conduisant à la tête de rotor soit
longue.
S’inspirer de a) la housse pour voile
(Décathlon) (à Gauche) et de la housse pour mâts (à droites),
Pour c) la housse de la partie moteur,
et d) de la housse pour ranger chacune des pales.
Sinon, on pourrait aussi inventer des housses ultra-légères en double couche Mylar ou Tedlar « aluminisées » de 100 micron, dont la double couche est « fourrée » / garnis de 400g/m² de Quallofil 7 (fibre Dupont de Nemours).
Les housses pourraient emportées en vol,
roulées (en spirale) comme un tuyau à incendie dans un un sac comme celui-ci
(sac de transport de housse à ski Salomon), qu’on poserait (et collerait) avec
de grands scratch, dans le dos de l’engin :
La sécurité et les dispositifs de sécurité :
Il y aurait au moins 7 dispositifs
principaux de sécurité :
Ø la
longueur des axes en rotation, ne devrait pas dépasser 40 cm de long,
Ø des
« cylindres-blocs » en élastomère de haute technologies seraient disposés
à toutes les sources de vibrations.
6. Les deux jeux de pales doivent être a) distant l’un de l’autre d’au moins 30 cm de distance b) en matériaux très rigide, afin d’éviter que ces 2 jeux puisse rentrer en collision.
7. une jauge à essence très fiable.
Une longue période en banc de test
permettraient de simuler et d’induire les couples et les effets gyroscopiques
anormaux. Toutes les pièces, en particulier en mouvement, devront être testées
au banc d’essai (tests de fatigue, de vibration, de charge etc …) au moins 500
à 800 heures.
Toutes les pièces que cela soit sur les
modèles de tests et d’essais ou de pré-série seront marquées (gravées) avec un n° d’identification unique, si
possible « infalsifiable », afin de permettre la vérification du fait
que la pièce est bien d’origine où qu’elle a bien été changée, au bout de tant
d’heure, comme les spécifications constructeur l’indiquaient ou l’imposaient.
Toutes les sources de dangers sont
repérés par un autocollant triangulaire jaune de danger, spécifiés selon les
normes internationales pour signaler tout danger. Les pales seront peintes
d’une alternance de couleurs jaune et orange fluo.
Hormis de sauver des vies, nous
recherchons, par ces précautions, à obtenir l’agrément F.A.A. et toutes les
autorisations de vol.
Voir aussi le chapitre 12 « La sécurité, l’immatriculation et l’homologation » du dossier du pré-projet.
Modèle |
Constructeur |
Puissance CH (et Hp) (°) |
Poussée statique |
Poids Kg (°) |
Commentaires |
MZ 34 |
Black Hawk (?) |
32 hp (32,42 Cv) |
200 lbs 90,7 kg |
59 lbs 26,7 kg |
$5995.00 US /
$4995 US |
SD RDM 125 |
???? |
32 HP (32,42 Cv) |
138 lbs 62,59 kg |
55 lbs (24,94 kg) |
$5595.00 US |
Black Devil |
Black Hawk ? |
25 hp (25,33 Cv) |
165 lbs 74,84 kg |
54 lbs 24,5 kg |
$ 4995 US |
M25-Y |
Cors’Air (It) |
25 cv à 7200 rpm (tr/mn) (24,675 Hp) |
|
55 Lbs 24,94 kg |
$5950.00 US |
Koenig ? |
Koenig ? |
24 HP (24,31 Cv) |
|
|
3 cylindres radial, $5800 Us (son
constructeur en aurait arrêté la fabrication). |
MZ 100 (+) |
Black Hawk ? |
22 hp (22,29 Cv) |
125 lbs 56,69 kg |
50 lbs 22,67 kg |
$ 4795 US |
SD RDM 100 |
???? |
22 HP à 9000
trs (22,29 Cv) |
120 lbs 54,43 kg |
24 kg (53 lbs) |
$5275.00 US |
D330 |
JPX (Fr) |
20 CV à 6500 tr / mn (19,74 Hp) |
70 kg hélice standard |
15.5 kg |
http://www.jpx.fr/
, 2421.20 Euros |
b) Moteurs d’ULM (ou
micro-hélicoptères ULM) :
Modèle |
Constructeur |
Puissance CH (et Hp) (°) |
Poussée statique |
Poids Kg (°) |
Commentaires |
Rotax 503 |
Rotax |
45,6 hp |
|
31,7 Kg |
2 T, 45 Hp @ 6500 rpm, à air |
Rotax 582 |
Rotax |
65 Hp |
|
37.3Kg
à 41,8 kg |
2 temps, refroidissement à eau |
Hirth 7302 |
Göbler Hirth |
55 Hp |
|
34,1 kg |
2 temps, refroidissement à air |
Hirth 2706 |
Göbler Hirth |
65 Hp |
|
73 lbs à 79 lbs |
2 temps, refroidissement à air |
Hirth 3203 |
Göbler Hirth |
65 Hp |
|
73 lbs à 79 lbs 33,11 kg à 35,8 kg |
2 temps, 65Hp @ 6300 rpm, refroidissement à air (+). |
HKS 700E |
HKS aviation |
60 hp |
|
49,1 à 55 kg |
4 temps (2 cyl). |
AeroTwin 65 |
AeroTwin |
65 Hp |
|
95
lbs / 43 kg |
4 temps |
(+) nu : 73 lbs / 33,1 kg. Avec
ventilateur de refroidissement, démarreur électrique et l'échappement : 79
lbs / 36 kg La boîte de vitesse
facultative ajoute 19 livres / 8,6 kg.
Ces moteurs _ malgré
leur poids (non idéal) _ pourraient correspondre à nos besoins, au niveau
puissance et donc poussée (voir annexe 20 ci-dessous). Tous ces chiffres
devront être re-vérifiées. Le moteur idéal serait celui qui développe 55 Hp et
ne pèse que 30 kg ou moins.
Note : bien sûr dans le choix du
moteur, il faut tenir compte de son sens de rotation.
(°) conversion : 1 lb/lbs (livre(s)) = 0,453592 kg, 1 Ch / Cv = 0,736 Kw, 1 Hp (Usa, Uk) = 0,7457 KW. 1 Ch = 0,987 Hp.
(+) http://www.litetouchfilms.com/paramotors_bh_3specs.htm
Le
« scoot-air » _qu’on pourrait encore appeler la
« Libellule » _,
muni
ici d’une autre configuration pour son empennage (ici une double dérive),
avec
son trépieds qui serait muni de 2 petites roulettes en caoutchouc comme sur le
Ka-56.
Pour réduire les coûts d’études et de réalisations de certaines parties, on pourrait les confier comme projet d’études techniques, de certaines écoles (Ingénieurs, Instituts de technologie, collèges techniques …), par exemple :
a) Pour la partie calculs théorique (poussé, moment, …) :
Ecole Nationale Supérieure de l'Aéronautique et de l'Espace (SUP'AERO)
10 av Edouard Belin
31400 TOULOUSE
Tél. standard : 05 62 17 80 80 / Fax : 05 62 17 83 30 / Tél.: 05.62.17.80.00 / Site : www.supaero.fr
Association Sup'Aéro, 35 r Le Marois 75016 PARIS ,
Tél.: 01 40 71 09 09 / Fax : 01 40 71 04 81 / 01 40 71 07 81 e-mail : association@supaero.org
M. Moretti (délégué général).
a) études et réalisation de pièces mécaniques de précision :
Le Lycée d’Ugine qui peut fabriquer des
pièces mécaniques de précision (du « décolletages ») :
Lycée René Perrin, 41 r René Perrin
73400 UGINE
Tel.: 04 79 37 30 55 / fax : 04 79 37 57
78 / chef des travaux : 04 79 37 32 34
http://www.ac-grenoble.fr/ugine/site/btsprod/avion/avion.htm
b) Pour la partie rotor contrarotatif
et mécanique de vol (voir l’anti-couple électronique) :
Les élèves du CNAM (Conservatoire national des arts et métiers - http://www.cnam.fr ) ont déjà réalisés des drones hélicoptères contra-rotatifs : http://www.cnam.fr/recherche/actu/actu.htm
AéroDRONES : http://www.aerodrones.com/ , Mail : contact@aerodrones.com
Contacter :
Hubert FORGEOT, président de AéroDRONES.
Tél : + 33 (0) 6 61 54 83 71, Mail : hubert.forgeot@aerodrones.com
c) Pour la partie centrale inertielle et
système asservi :
Nicolas Petit,
Centre Automatique et Systèmes, Ecole Nationale Supérieure des Mines
de Paris, 60, bd Saint-Michel, 75272, PARIS CEDEX 06, France,
http://cas.ensmp.fr/~petit/site-oiseau-np/main.htm
Institut National Polytechnique de Grenoble : http://www.inpg.fr/
Institut
National des Sciences Appliquées de Strasbourg : http://www.insa-strasbourg.fr/
Les difficultés techniques du projet Même si tous les composants
(moteurs, pales, tête de rotor coaxial … et matériaux) existent sur le
marché, les difficultés d’un tel projet ne sont sûrement pas à
minimiser. En effet, si l’on choisit la
solution d’un micro-hélicoptère à double rotor coaxial, sans dérive (aileron)
et sans queue, pour des raisons de poids et de compacité, alors elles seront,
nombreuses. Car il y aura déjà résoudre le difficultés suivantes : 1) La conception, la réalisation, le test du système d’anti-couple
automatique (dans ce cas sorte de « pilotage automatique » comme
celui existant sur de gros hélicoptère mais miniaturisé pour ce
micro-hélicoptère) ou semi-automatique ou manuel, 2) L’élaboration d’un système, de commandé différentiel (par
micro-vérins ou biellettes) du collectif du rotor du haut et du rotor du bas,
3) Toute la partie calcul théorique, en particulier, sur la partie
« système asservi » (calcul de fréquence de retour à l’état
d’équilibre du « système amorti » etc …). 4) L’embrayage pour permettre le mode de fonctionnement en
« auto-rotation ». 5) Les problèmes de vibration et de fréquences de résonance. 6) Etc … Si l’on veut de
l’auto-roration, il faudrait alors un masse d’inertie plus importante pour
les pales, ce qui est au détriment de la légèreté. De même, selon les auteurs
de l’ouvrage [2], la rigidité des pales nécessaires pour (imposée par) un
système de rotofr coaxial, serait au détriment de la manoeuvrabilité de
l’engin. Faire des pales démontables
pourrait être au détriment de l’amortissement des vibrations induites par les
pales (à étudier). Donc, on peut supposer que
ce projet ne sera pas simple, et qu’il nécessitera des aides importantes (et
que ce projet peut être difficilement réalisable dans la cadre d’une
construction amateur). Etant donné le caractère intrinsèquement risqué de
l'application, des tests en banc (test de charge, de vibration, …), des
travaux de certification seront nécessaires, dont le coût ne peut être
envisagé qu'en présence d'un programme avéré, avec budget réservé et
quantités substantielles en perspective. |
Notes diverses :
si cet appareil était aussi précis au niveau pilotage et
aussi compact que l’auteur l'imagine, et bien que cela ne soit pas le but de
l’auteur .... ce dernier pense qu’il pourrait avoir aussi des applications
militaires pour les commandos parachutiste ou de marine.
Par exemple, avec un tel engin, partant
d'un sous-marin, un commando pourrait pénétrer rapidement dans une territoire
étranger ou ennemi, et atteindre et frapper rapidement un objectif normalement
inaccessible puis se replier tout aussi rapidement.
On peut imaginer le planning suivant (ordonnancement) des tâches:
N° ./ étape |
Description |
1 |
Calcul de poussée |
2 |
Se procurer des pales ultra-légères en
carbone. |
3 |
Calcul du moment et de l’effet
gyroscopique |
4 |
Se procurer : a) tête
rotor coaxial contra-rotatif légère (ou la fabriquer. Dans ateliers
mécaniques d’Hispano-Suiza à Colombes). b) moteur
Hirth 7302 ou un Rotax 503, c) réducteur
à plateau et à courroie de la bonne dimension, d) « arbres »
transmettant la force, en tubes de carbone. |
5 |
Fabriquer une version du
« scoot-air » sans électronique (et sans dérive ou juste avec une
dérive verticale pour l’anti-couple). Cette version doit être très simple
(°), facile à entretenir, avec le minimum possible de pièces mécaniques en
mouvement (1). Avec comme but d’obtenir un anti-couple,
purement mécanique (c’est à dire manuel sans assistance électronique). Faire ces tests en chambre close (2). |
6 |
Si l’anti-couple mécanique (à action
manuelle), ne serait pas suffisante, on passerait alors à un anti-couple
régulé et commandé électroniquement. Mais tout doit rester simple, aussi
simple que possible, au niveau de l'électronique embarqué. |
|
A compléter |
(2) Au début des tests, on peut imaginer une sorte de "cordon
ombilical" (comme celui des voitures télécommandées d'enfants) contenant
de multiples fils électriques ... pour les commandes, les capteurs ... ou
encore des câbles de commandes et pour tester l'appareil en statique (d'abord,
test de l'anti-couple électronique et asservi ou non par servo-mécanisme. Tout
l’appareil, avec son rotor avec ses pales, est placé sur un plateau tournant
monté sur roulement à bille .... munis des capteurs de contraintes. Puis on
démarre l'appareil.
(1) Préférer une solution simple facile à entretenir, par exemple, une solution avec un moteur Hirth 7302 ou un Rotax 503, avec l'arbre de force placé verticalement vers le haut (Pour réaliser cette solution verticale, en discuter avec les constructeurs), et un réducteur à courroie. Le but étant de réduire le nombre de pièces en mouvement.
(°) Une solution de type hélicoptère "Djin" risque
d’être complexe à réaliser.
On utiliserait des moules en aluminium, pour réaliser les pales en fibres de carbone et Kevlar.
Comme sur le GEN-H-4, on
utiliserait un moteur électrique de contrôle de lacet, dont la vitesse de
rotation est modulable selon une manette située à côté du pilote. Par contre,
la tête de rotor, permettant la commande de pas variable (collectif), serait
plus complexe (comme sur les Kamov) :
[1] "Helicopter Theory" de Wayne
Johnson , Dover Publications
(octobre 1994, 1089 pages).
[2] L’hélicoptère, théorie et pratique, P. Lefort et J. Hamann,
Ed. Chiron, 1999.
[3] logiciel Mathlab & simulink for Windows R2006a, (avec sa
licence).
[1] Les meilleurs spécialistes de l’Inconel en France, sont les chercheurs du centre de recherche d’EDF Renardière.
[2] Ces tailles sont indicatives., du moment que l’appareil sera facile à transporter et ranger. Pour cela, on étudiera la forme et l’agencement de certaines parties, s’il ne faut pas déplacer le pot d’échappement, les filtres à air …
[3] On n’est pas fermé à toutes les idées. Mais les turbines sont des appareils complexes et difficile à entretenir (à part peut-être ( ?) la turbine « Daemon »). Et leurs 24000 tours/mn supposent une usure rapide et des changements régulier de pièces. Ils sont aussi gourmands en carburant. Mais ils démarrent facilement par temps très froid.
[4] Sagem, av Gros Chêne 95610 Eragny-sur-Oise , fabrique des centrales inertielles embarquées 01.34.30.50.50.
[5] Pour en maîtriser le coût, plutôt que de la faire réaliser en France, on pourrait envisager de la faire réaliser par la société russe Kamov, spécialiste des hélicoptères contra-rotatifs et dont l’usine se trouve dans la banlieue de Moscou.