Projet Libellule / Dragonfly Project

 

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.

 

1          Spécification techniques préliminaires

 

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 40 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 40 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 40 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).

 


 

2          Question préliminaires à aborder sur la solution hélicoptère

 

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 ?

 

3          Matériaux, fournitures disponibles sur le marché

 

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
Williston, VT 05495 Usa,
Tel. : 1.800.449.DVRT(3878) (gratuit aux Usa) / tel. : 1.802.862.6629 / fax : 1.802.863.4093. Prix aux USA : $1495.00 !

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

http://www.fas.ch/

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.


 

4          Spécifications techniques détaillées

 

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 :

 

  1. la possibilité « d’autorotation » avec une tête de rotor permettant de faire varier le pas des pales.
  2. Le doublement des moteurs, si possible de 20 à 30 CH chacun.
  3. Un second réservoir de secours, rempli de nitrométhane d’indice d’octane 130, pour augmenter momentanément la puissance du moteur restant de 25 %, le temps de se poser.
  4. Un airbag.
  5. Pour éviter les vibrations :

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.


 

5          Liste des moteurs du marché envisagés

 

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

http://www.paramotor.com/

$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

http://www.jpxitalia.com

$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.

 

6          Etudes et réalisation de certaines parties

 

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/

 

7           Les difficultés techniques du projet

 

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.

 


 

8          Planning des tâches

 

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) :

 

 

9          Bibliographie et logiciels

 

[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.