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Gossamer Condor

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

Le Gossamer Condor est le premier avion à énergie musculaire qui a été capable de remporter le Prix Kremer[1] en 1977.

Sommaire

[modifier] Le Prix Kremer

Le Prix Kremer (Kremer Prize) était un défi posé par l'industriel Anglais Henry Kremer en 1959. Ce défi offrait 50 000 livres (86 000 USD) à la première équipe capable de faire voler un avion à énergie musculaire sur un parcours de 1.6 km en forme de huit. Les premières tentatives d'avions à énergie musculaire qui ont suivi avaient conduit à des engins bien profilés mais trop lourds ou trop rapides, demandant trop de puissance au pilote. Au cours de l'été 1976, Paul MacCready (américain) et sa société AeroVironment ont relevé le défi organisé par la RAeS (Royal Aeronautical Society).

[modifier] Conception

Sachant que le pilote ne peut fournir plus d'un demi cheval (environ 400 W), les calculs préliminaires montraient que l'engin devait voler à très faible vitesse. La charge alaire doit être alors être inférieure à 1.3 kg/m², ce qui conduit, avec un allongement supérieur à huit, à une aile d'environ 30 m d'envergure. Ancien modéliste confirmé, Paul MacCready commence par réaliser en août 1976 un modèle réduit de 2.40 m d'envergure, avec une aile haute rectangulaire contrôlée en tangage par un plan canard. Le modèle manque de stabilité en tangage, il faut agrandir le plan canard.

[modifier] Mise au point

Le premier modèle à l'échelle un, très simple également (pilote non caréné, aile rectangulaire à simple surface), commencé début septembre à Pasadena (Californie) est terminé en 10 jours, et essayé sur place sur un parking, sans pilote.

La construction se poursuit à Mojave Airport (toujours en Californie). Le tout premier vol (3 novembre) ne dépasse pas quelques secondes; deux jours après, au troisième vol, la structure d'aile se casse. La structure ultra légère de l'aile manque de rigidité, elle se déforme trop. Un deuxième tube est rajouté, ainsi que des câbles supplémentaires pour maintenir le tout. Le premier vol correct mais encore très insuffisant (40 secondes) a lieu à la fin décembre 76, avec Parker (le fils de MacCready) comme pilote, léger mais peu puissant.

L'avion est peu stable et très sensible au vent; les crashes sont fréquents, mais à très basse vitesse les dégâts sont limités; les reconstructions sont rapides grâce à la grande simplicité de la structure. A la mi-janvier MacCready arrondit le bord d'attaque de l'aile; le temps de vol (avec le coureur cycliste Greg Miller comme pilote) monte à plus de deux minutes. Mais l'avion demande toujours trop de puissance au pilote; par ailleurs il manque de stabilité de route. Diverses surfaces verticales ont été rajoutées, sans succès. Fin janvier le plan canard est rendu mobile en inclinaison, ce qui permet enfin de diriger l'avion. Le 29, le vent est trop fort, les ailes cassent; le moral de l'équipe est au plus bas.

[modifier] Autres challengers

Pendant ce temps, l'équipe japonaise du professeur Kimura (Nihon University) progresse beaucoup. Ils ont déja réalisé plusieurs avions (Linnet, Egret); leur Stork A a volé 600 m en mars 76 et leur dernier engin, le Stork B, a réussi à voler 4 minutes en janvier 77, mais sans faire de virage. Le temps presse pour MacCready.

[modifier] Technique de virage

A partir de février, commence la tentative laborieuse du contrôle en roulis. Le virage sur un avion classique suppose d'incliner l'avion pour ne pas déraper.

. Le montage initial de spoilers (destructeurs de portance) ne marche pas, la perte de portance est trop forte; le pilote n'a pas de réserve de puissance pour compenser.
. La technique de vrillage de l'aile utilisée par les Frères Wright ne marche pas non plus : la traînée de l'aile extérieure au virage vrillée positivement est trop forte, ce qui induit du lacet inverse, l'avion tourne dans le mauvais sens.
. Installer des ailerons serait compliqué, fragile et trop lourd. L'aile n'est pas prévue pour, et de toute façon, c'est comme le vrillage, ça ne marcherait pas (à cause du lacet inverse).

Les caractéristiques inhabituelles de cet engin (vitesse très faible et grande envergure) font que, en virage, le mouvement de rotation modifie beaucoup les vitesses en bout d'aile. La vitesse de l'aile extérieure au virage augmente, celle de l'aile intérieure au virage diminue, et sa portance également. Pour compenser, il faut donc augmenter son incidence avec un vrillage positif (2° sera la valeur retenue). La mise en virage sera finalement obtenue de façon totalement inhabituelle par couplage de l'inclinaison latérale du plan canard et du vrillage (en sens inverse du sens normal) de l'aile.

[modifier] Shafter Airport

A la mi février, l'équipe déménage sur le terrain moins venté de Shafter près de Bakersfield en Californie. Le Gossamer Condor va changer de configuration et perdre sa simplicité initiale; l'aile est modifiée : moins de surface, plus d'allongement (12.8 au lieu de 8.3), flèche arrière pour respecter le centrage. Le profil redessiné par l'aérodynamicien Peter Lissaman est maintenant à double surface, le bord d'attaque est arrondi; un nombre plus élevé de nervures permet de mieux respecter le profil de l'aile. La mise en tension à chaud (sèche cheveux) supprime les nombreux plis du revêtement de l'aile. La traînée est plus faible, la puissance demandée est de l'ordre de 220 W : le 6 mars, l'avion vole cinq minutes, plus que le Stork B. Mais la technique de virage n'est toujours pas au point. Un gouvernail est testé, sans succès. Fin mars, le virage avec un vrillage d'aile classique demande trop d'effort. Le 5 avril, le virage est enfin réussi en couplant l'inclinaison du canard avec un vrillage de l'aile en sens inverse.

[modifier] "Reverse warping" (vrillage à l'envers)

Tout le secret est là : utiliser le vrillage de l'aile pour avoir du freinage différentiel et donc du lacet induit et non pas pour incliner l'avion. Le 7 avril, premier vol (réussi) du nouveau pilote.

[modifier] Le pilote

Brian Allen a été embauché comme pilote, pour 3 dollars de l'heure. Il a 22 ans, il est cycliste amateur et pilote de deltaplane. Le pilote pèse 62 kg, soit presque le double du poids de l'avion. Il est assis en position légèrement sur l'arrière dans un carénage situé sous l'aile. Il agit sur un manche qui commande le tangage et le lacet par modification du calage et de l'inclinaison latérale du plan canard. En virage, il agit également sur un levier qui vrille l'aile arrière. Le 11 avril, un virage en vol est réussi, mais l'effort est encore important. Au cours d'un essai le 16 juillet, une aile est pliée par la turbulence d'un avion d'épandage agricole, mais l'avion se pose doucement, sans trop de mal. L'avion est réparé, une fois de plus; le 19, il vole 5 minutes et 15 sec. Le 29 juillet, nouveau plan canard. Le 4 aout l'avion vole 7 minutes. Le 6 aout, crash. Reconstruction, nouveau fuselage mieux caréné, plus léger. Installation d'une gaine d'arrivée d'air pour le pilote.

[modifier] Le prix

Les premiers essais officiels ne réussissent pas : le 6 aout, l'avion se crashe après une avarie du système de commande; le 20 août l'avion fait le parcours mais n'atteint pas l'altitude imposée par le règlement du Prix Kremer (3 mètres). Même chose le 22 août, toujours à cause du vent. Le 23 août 1977, Brian Allen parcourt enfin le circuit imposé en 7 minutes 25 secondes, à une vitesse moyenne de 17 km/h. Il aura fallu non pas un mois et demi comme prévu initialement de façon plutôt optimiste, mais une année de réflexion, d'essais, de crashes, de réparations et de profondes modifications (au moins une douzaine) pour réussir à voler assez longtemps et à contrôler la trajectoire. Le 30 novembre toute l'équipe est reçue à Londres par la RAeS pour la remise du Prix; MacCready pense déjà à relever le nouveau défi Kremer : la traversée de la Manche.

L'avion est exposé depuis au National Air and Space Museum à Washington.

[modifier] Condor et Gossamer

Le nom de l'avion s'explique ainsi : Paul MacCready est un passionné d'aviation et excellent pilote de planeur. Depuis toujours il observe le vol des oiseaux, et particulièrement le vol plané des vautours et des condors (falconidés). Il a remarqué que les vautours de californie arrivent à planer sans effort dans des ascendances faibles, alors que les condors, plus lourds, restent au sol. Il en a conclu que pour avoir une chance de remporter le Prix Kremer, il fallait réaliser une machine de très grande surface portante et en même temps extrêmement légère. C'est ce qui explique le terme "Gossamer", qui désigne une gaze ultra légere, comme le revêtement de l'aile de l'avion.

[modifier] Caractéristiques

Le Gossamer Condor est un avion de configuration canard. La structure est en tubes aluminium de diamètre 50, à épaisseur variable de 0.9 à 0.4 mm pour les ailes; le recouvrement est en film Mylar (un produit Du Pont) ultra fin (13 microns). Nombreux câbles en fil d'acier (corde à piano), diamètre 0.5 à 0.9 mm.

Envergure: 29.25 m
Surface portante de l'aile: 70.6 m²
Surface portante du canard: 8.64 m²
Longueur: 9.14 m
Masse à vide : 31.7 kg
Masse en charge : 94 kg
Charge alaire: 1.33 kg/m²
Vitesse de vol : 4.7 m/s (17 km/h)
Coefficient de portance: 0.96
Hélice diamètre 3.60 m
Régime pilote : 90 tours/minute, transmission 62/52 = 1.19, régime hélice 107 tours
Traînée environ 10 à 15 livres, soit en moyenne 53 N, finesse environ 17
Puissance hélice 250 W, rendement hélice et transmission 0.80, puissance pilote 300 W
Puissance spécifique 4.8 W/kg (puissance pilote/poids pilote)

[modifier] Le succès

Cet exploit historique a fait connaître Paul MacCready et sa société AeroVironment qui ont développé par la suite d'autres engins à énergie musculaire, puis solaire et électrique, de plus en plus sophistiqués :

. le Gossamer Albatross, qui a traversé la manche en juin 1981,
. le Gossamer Penguin, un modèle Albatross modifié pour voler à l'énergie solaire,
. le Solar Challenger, spécialement étudié pour voler à l'énergie solaire (les ailes sont recouvertes de cellules photo-voltaiques).
. la série des Pathfinder-Helios développée avec la NASA pour effectuer des vols de longue durée à haute altitude, à énergie solaire asistée par une énergie embarquée (piles à combustible).

La société AeroVironment est maintenant spécialisée dans la conception et la production de drones (avions sans pilotes) à usage civil ou militaire (observation).

[modifier] Liens

[modifier] Bibiographie et presse

  • Jack Lambie, Jack Lambie tells his story of Gossamer Condor, Aeromodeller, mars 1978.
  • J.D. Burke, The Gossamer Condor and Albatross: a case study in aircraft design, AIAA Professional Study Series, 1980
  • Morton Grosser, Gossamer Odyssey: The Triumph of Human-Powered Flight, MBI Press, 2004; Dover Publications, Inc., 1991; Houghton Mifflin Co., 1981
  • Richard L. Taylor,The First Human-Powered Flight, Franklin Watts, 1995
  • Paul Ciotti, More with Less, Paul MacCready and the dream of efficient flight, Encounter Books, 2002

[modifier] Notes