Comment bien concevoir un avion-hélicoptère VTOL/ ADAV ?

[Remundo]

ce qui nous intéresse est d'extraire le rapport V1/V0 de cette dernière formule, voici donc :

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Et cette expression injectée dans le rendement de propulsion RP aboutit à

eq10.png (6.31 Kio) Consulté 1211 fois

Le rendement de propulsion n'est bon que si la force alaire (F/A) est minimale.

Ce qui correspond bien à ce qu'on disait juste avant : il faut brasser une grande surface.

Pour être plus précis, voici les calculs publiés sur interaction.free.fr

charge_alaire_Rp.gif (248.67 Kio) Consulté 1211 fois

sur cette même page, vous pourrez lire l'inadéquation des turboréacteurs sur beaucoup de petits avions. Si ces turboréacteurs ont certes une poussée forte, leur charge alaire est énorme, ce qui dégrade considérablement le rendement et en fait des gouffres à carburant.

Même de gros avions ont intérêt à garder de grandes hélices... ce qu'a bien compris le Tupolev TU 95, un turbopropulseur, entraîne des hélices contra-rotatives de 5,6 m de diamètre à un régime de 750 t/mn, et leur fournit une puissance de 11185 kW (soit 15207 ch).

Toutefois les turboréacteurs sont plus adaptés en haute altitude.

Et les hélices ne peuvent pas être agrandies à l'infini, sous peine d'avoir des écoulements supersoniques en bout de pales., et même des turbulences fortes en subsonique.

Ici le domaine de vol d'un ADAV/VTOL est plutôt à des vitesses et altitudes modérées (X00 km/h, X000 m) avec nombre entier X pas trop grand.

On retiendra de tout cela donc qu'il ne faut pas être "violent" pour nos applications aéronautiques légères.

[Christophe]

Pourquoi crois tu qu'il y a 2 hélices sur un Dragonfly ? https://dragonfly-paramotor.fr/

Pour justement augmenter la surface brassée donc le rendement propulsif avec une même garde au sol...en plus d'améliorer leur efficacité (arrivé d'un air laminaire) et d'avoir une machine 0 couple. Ces 3 points sont la première conclusion des études préliminaires du projet de 2017...

Mais y a encore peu de gens qui comprennent ça...dur d'éduquer les gens habitués à voler avec des horreurs (erreurs ?) aéronautiques !

Sinon la théorie de l'écoulement des hélices, c'est la théorie de Froude pas Bernouilli...même si elle en est dérivée...

Si tu t'intéresses aux hélices et aux ailes, Remundo, j'ai une licence Heliciel https://heliciel.com/ et 2 ou 3 soft gratuits qui te seront utiles...que je dois retrouver au fond de mon pécé !

Y a déjà AirfoilTools : http://airfoiltools.com/

[Remundo]

J'étais sûr que ça te plairait;

II y a une convergence entre ton paramoteur Dragonfly et mes idées d'ADAV multirotor.

C'est de l'aéronautique légère à hélice et on veut de bons rendements énergétiques.

donc pour tes grandes hélices, je valide à 100%, mais tu avais fait le job avant moi je crois

[Christophe]

Oui je crois aussi

Il y a beaucoup de convergences dans les bonnes études aéronautiques tu sais...mais entre l'étude et la pratique il y a des années...tu verras si tu te lances concrètement dans ce projet...

J'aurais pu mettre plus d'hélices (je me suis arrêté à 8 dans les études ) mais c'est plus d'envergure, plus d'encombrement au sol, plus de risques de panne, une régulation plus complexe, plus de câblages...etc etc...donc 2 c'est le meilleur compromis...d'après moi...

Puis faut pas trop perturber le cerveau des pilotes...

[Remundo]

La question DU rotor, et aussi DES rotors

L'hélicoptère monorotor a longtemps eu de grandes difficultés à voler.

Ce gros rotor pose des problèmes mécaniques :
M1) le contre-couple sur le châssis
M2) le couple gyroscopique (qui sera abordé au prochain message)

et aérodynamique !
A) portance différentielle entre les pales attaquant le vent et les pales fuyant le vent.


Le problème M1 en vertu de l'action/réaction, amène l'hélicoptère à tournoyer sur lui-même, il est possible de créer un contre-couple en plaçant un rotor de queue, comme expliqué par notre Jamy national :

Ce rotor de queue est utilement mis à profit pour contrôler le lacet de l'hélicoptère et peut-être intéressant pour manoeuvrer l'appareil plus facilement même si n'y pas de contre-couple à compenser .


Le problème aérodynamique A était une grande épine à résoudre : en effet lorsque l'hélicoptère avance dans le fluide, la pale attaquant l'air vers l'avant génère beaucoup plus de portance que la pale fuyant l'air (vers l'arrière). Si les pales sont réglées sur la même incidence, cela génère un couple de roulis (l'hélico a tendance à faire un tonneau).

Une solution, coûteuse mais indispensable, a été de créer des rotors très complexes avec des pales à incidence variable contrôlées par un plateau cyclique

Le plateau cyclique peut :
* faire varier le pas des pales identiquement [Collectivement], ce qui permet des mouvement haut/bas de l'hélicoptère en fonction du bilan entre la portance des pales et le poids de l'appareil

* faire varier différentiellement [cycliquement] le pas des pales : ce qui permet à l'hélicoptère, en mouvement horizontal, d'être plus stable en ne générant pas de couple de roulis.

Un article de vulgarisation sur ce sujet


Mais comme on ne peut pas incliner/ajuster infiniment les pales, cela limite la vitesse horizontale de l'hélicoptère. 300 km/h est la limite usuelle.

Explication à partir de 14 minutes :

A noter qu'un hélicoptère expérimental est parvenu à 472 km/h, mais il commence à ressembler à ... un avion, avec des petites ailes et des hélices tractantes pour compenser les problèmes aérodynamiques du rotor...

C'est l'Eurocoptère X3

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Une originalité de ce VTOL, plus hélicoptère qu'avion, est qu'il n'a pas de rotor de queue. Le contre-couple du rotor est compensé par une poussé différentielle entre les 2 hélices gauche-droite.

La machine n'a pas besoin de rotor de queue anti-couple, cette fonction étant assurée par une différence de poussée entre les deux hélices de propulsion. Combinant la vitesse d'un avion et la souplesse d'un hélicoptère, en particulier au décollage, le X3 a effectué son premier vol le 6 septembre 20101 au départ des installations de la Direction générale de l'Armement française sur la base aérienne 125 Istres-Le Tubé. Le 12 mai 2011, le X3 a atteint 430 km/h durant plusieurs minutes4.

Votre Webmestre Christophe appréciera, car son paramoteur Dragonfly utilise aussi cet aspect "poussée vectorielle" pour améliorer cette fois les virages.

[Christophe]

Ce qu'il ne faut surtout pas faire :

Mais bon ce genre de merdes inutiles, ça fait bander sur les réseaux sociaux...

ps: y a des choses quand même intéressantes à voir dans la vidéo...sur les passages au ralentit...j'en dis pas plus je vous laisser chercher...

[Remundo]

Le couple gyroscopique, ses origines, comment l'annuler ?

de façon générale, un objet lourd lancé à grande vitesse n'aime pas changer sa trajectoire. Si l'on a l'audace d'essayer, pour toute accélération imposée à l'objet, celui-ci oppose une force F = masse x accélération.

Alors quid des objets en rotations ?

les objets en rotation emportent dans un mouvement circulaire une multitude de petites masses. Si l'on s'avise de vouloir changer l'axe de rotation de l'objet, cela revient à perturber le cercle où évolue chaque petite masse.

Donc l'objet va réagir et appliquer un couple gyroscopique qui s'oppose à la rotation imposée de l'extérieur

L'objet rotatif tourne par rapport à un bâti, qui lui même peut pivoter par rapport au sol.

On a donc deux vecteurs rotations :

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En appelant I le moment d'inertie du rotor, ces 2 rotations combinées créent le couple gyroscopique :

eq12.png (6.2 Kio) Consulté 1023 fois

Concrètement, c'est le produit vectoriel qui intervient. L'hélicoptère en lacet n'induira pas de couple gyroscopique, mais le roulis et le tangage induiront des nouveaux couples tournant autour d'axes à 90° du plan formé par les 2 vecteurs rotation.

Ces couples peuvent déstabiliser l'appareil, ou a minima être gênants, forçant à le manœuvrer plus doucement.

Pour annuler les effets gyroscopiques, il faut plusieurs rotors, au moins 2 contrarotatifs et de même direction

Du point de vue mathématique, si on a une multitude de rotors 1, 2, 3....

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Pour annuler le couple gyroscopique, il faut annuler la quantité entre parenthèses, soit :

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En général, les rotors sont par paires, raisonnons sur 2 rotors :

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Et bien souvent pour des raisons de symétrie, les rotors sont également dimensionnés, leur moment d'inertie est le même, il vient l'équation très simple, pour chaque paire de rotors :

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traduit en langage simple : ils tournent à la même vitesse, mais en sens opposés.


Plusieurs possibilités techniques :
* les hélices contrarotatives sur un même axe (mais mécaniquement compliqué)

helices_contrarotatives_train_planetaire.gif (11.94 Kio) Consulté 1018 fois

c'est encore pire pour les hélicoptères à rotors contrarotatifs coaxiaux...

* les hélices contrarotatives implantées sur différents axes parallèles (plus simple !)
comme le CH47 Chinook

* une solution approximative : le bi-rotor engrenant contrarotatif en V

comme les Kaman K-Max

les drones multirotors se prêtent particulièrement à des hélices contrarotatives à axes parallèles et distincts.

A noter sur la dernière vidéo de Christophe : le prototype Chinois XPeng destiné à porter une voiture a choisi une approche "quadcopter", avec 4 unités contrarotatives à double-hélice.

le Dragonfly de Christophe possède 2 hélices contrarotatives qui améliorent la manœuvrabilité du parapente.

[Christophe]

Couple gyro ? kézako ? Connais plus !

ps: regarde cette nouvelle page https://dragonfly-paramotor.fr/comparat ... lectrique/

[Remundo]

Sur le site Dragonfly de Christophe
un accident de paramoteur à cause de l'effet gyroscopique...

Les 2 hélices d’un Dragonfly sont contrarotatives et annulent entièrement les effets du couple moteur.

Le couple moteur peut être à l’origine de graves problèmes sur un paramoteur, comme le montre la vidéo suivante :

[Remundo]

et pour conclure ce dimanche aérien...

Une petite vidéo "top 10" de jolis avions légers, plutôt bien conçus dans l'ensemble.

conso typique : 15L/h
vitesse typique 200 km/h
autonomie typique : 1500 km.