Comment bien concevoir un avion-hélicoptère VTOL/ ADAV ?

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Re: Comment bien concevoir un avion-hélicoptère VTOL/ ADAV ?




par Christophe » 01/11/22, 11:14

Le P180 j'en ai parlé y a quelques jours...sa particularité est d'avoir 30% (je crois) de la portance qui est créé par le fuselage !

Les pipistrel sont aussi très bons au niveau aéro et finesse : https://www.pipistrel.fr/

Ce sont des avions à l’allongement de quasi moto planeur (ils en fabriquent aussi), il existe une version électrique qui doit fonctionner bien mieux que le feu e-Fan d'Airbus...

Screenshot 2022-11-01 at 11-13-38 Stage-Velis-electro-scaled.jpg (Image JPEG 2560 × 1008 pixels).png
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Re: Comment bien concevoir un avion-hélicoptère VTOL/ ADAV ?




par Christophe » 01/11/22, 11:20

Et si le, ton, VTOL a une vitesse sol pas très importante (< 150 km/h), il faudra envisager le multiplan...

Même si y a des choses à redire (surtout à la fin de la vidéo où ils transportent une voiture...), cette configuration me semble pas mal pour des petits trajets à vitesse réduite :

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Re: Comment bien concevoir un avion-hélicoptère VTOL/ ADAV ?




par Remundo » 01/11/22, 11:47

en effet Christophe, j'envisage un bi-plan, mais original. :idea:

d'ailleurs j'allais en parler bientôt des bi-plans,

et puis plus tard des tourbillons en bout d'aile.
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Re: Comment bien concevoir un avion-hélicoptère VTOL/ ADAV ?




par Remundo » 01/11/22, 15:09

Quelques mots sur les avions bi-plans (et plus généralement multiplans)

Le principe est de multiplier les ailes, à l'extrême comme ci-dessous

avion_quadriplan.gif
avion_quadriplan.gif (41.26 Kio) Consulté 1095 fois


Pour des raisons techniques au début de l'aviation, le bi-plan se popularisa, comme le premier avion des frères Wright était un biplan :

Wrightflyer.jpg
Wrightflyer.jpg (346.34 Kio) Consulté 1095 fois


Les bi-plans ont un succès populaire aux Etats-Unis, mais aussi en Italie comme par ex cet exemplaire du Fiat CR. 42 Falco

avion_biplan_falchi.jpg
avion_biplan_falchi.jpg (41.01 Kio) Consulté 1095 fois


Certains autres concepts envisagent des multiplans longitudinaux comme le SE 200 de SE Aeronautics celui-ci :

avion_triplan_longitudinal.jpg
avion_triplan_longitudinal.jpg (23.18 Kio) Consulté 1095 fois



Les avions bi-plans ont l'avantage d'avoir une meilleure portance et des décollages plus faciles, ils sont même appréciés en voltige, pour leur manoeuvrabilité, ou bien pour le folklore car certains s'aventurent sur les ailes en plein vol.

Une autre caractéristique est que les ailes sont plus courtes, donc fléchissent moins. De plus elles sont souvent rigidifiées par des treillis.

MAIS les avions multiplans présentent des traînées plus importantes, leur finesse est plus médiocre. En particulier avec les ailes aubanées, ils surconsomment en croisière. Il faut veiller à ce qu'une aile ne crée pas de turbulences dégradant la portance de l'autre.

Dans une approche ADAV/VTOL toutefois, ça n'est pas une possibilité à exclure pour faciliter la transition de vol hélicoptère -> avion qui appelle de la portance à faible vitesse horizontale.

En complément sur les configurations d'ailes d'avion :
L'Avionnaire
Wikipedia
La Formule Mignet
Présentation des dispositifs hypersustentateurs
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Re: Comment bien concevoir un avion-hélicoptère VTOL/ ADAV ?




par Remundo » 01/11/22, 17:04

Christophe a écrit :Le P180 j'en ai parlé y a quelques jours...sa particularité est d'avoir 30% (je crois) de la portance qui est créé par le fuselage !

C'est quelque chose qui m'intéresse aussi.

le fuselage "têtard" apparaît comme un bon compromis entre pénétration dans l'air et portance générée.

fuselage_tetard.gif
fuselage_tetard.gif (35.27 Kio) Consulté 1080 fois


de plus selon cette page de interaction.free.fr, ce genre de profil aurait des vertus pour maintenir un écoulement laminaire autour du fuselage, et donc réduire la traînée.

Selon moi il faut aplatir un peu le bas du fuselage "têtard" et ramener la queue en position basse pour améliorer la portance.

En l'absence d'hélice en nez d'avion, arrondir davantage le nez aussi pour améliorer le Cx tout en augmentant le volume en cabine.

corps_moindre_trainee.png
corps_moindre_trainee.png (179.49 Kio) Consulté 926 fois


Pour en savoir plus sur les corps de moindre traînée
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Re: Comment bien concevoir un avion-hélicoptère VTOL/ ADAV ?




par Christophe » 01/11/22, 17:58

Oui tu veux ré-inventer le planeur quoi... :mrgreen:
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Re: Comment bien concevoir un avion-hélicoptère VTOL/ ADAV ?




par Christophe » 01/11/22, 18:01

Remundo a écrit :et puis plus tard des tourbillons en bout d'aile.


Suffit de fermer le biplan... 8)
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Re: Comment bien concevoir un avion-hélicoptère VTOL/ ADAV ?




par Remundo » 01/11/22, 18:42

c'est prévu aussi :idea:
Christophe a écrit :Oui tu veux ré-inventer le planeur quoi... :mrgreen:

non, un ADAV, pas spécifiquement un planeur

Mais comme l'ADAV a pour vocation de voler en croisière comme un avion, certaines inspirations du planeur peuvent être là.

Par contre pas l'envergure du planeur qui est un handicap en atterrissage (grosse surface nécessaire au sol).

Il faut aussi un volume de cabine convenable, le planeur néglige ça en général.
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Re: Comment bien concevoir un avion-hélicoptère VTOL/ ADAV ?




par Remundo » 01/11/22, 22:38

Quelques mots sur les ailettes anti-tourbillons

En bout d'aile surviennent des phénomènes amusants, mais néfastes pour la progression de l'avion. Ce sont les tourbillons marginaux.

Il faut d'abord expliquer l'origine de ce phénomène : l'aile progresse en fendant l'air, mais le dessous de l'aile a une pression supérieure au dessus de l'aile.

tourbillons_marginaux.jpg
tourbillons_marginaux.jpg (31.34 Kio) Consulté 1004 fois


Ainsi marginalement, des particules d'air contournent le bout d'aile de l'intrados vers l'extrados. La vitesse de l'aile et le caractère turbulent de l'écoulement engendrent alors des tourbillons.

Même un petit avion génère des tourbillons notables

tourbillon_de_sillage.jpg
tourbillon_de_sillage.jpg (348.09 Kio) Consulté 1004 fois



Une parade pour diminuer des tourbillons de sillage est de recourber le bout de l'aile pour rendre difficile le chemin aux particules de fluide ; cela donne des ailettes (ou ailerettes selon le terme français), mais le terme anglosaxon winglet est le plus connu.

winglet_attenuation.jpg
winglet_attenuation.jpg (29.58 Kio) Consulté 1004 fois


voici quelques idées de winglets

differents_winglets.jpg
differents_winglets.jpg (20.2 Kio) Consulté 1004 fois


ces tourbillons de sillage sont loin d'être négligeables et dissipent une partie de l'énergie propulsive des aéronefs. Pire, ils déstabilisent des avions traversant le tourbillon d'un avion précédent et peuvent créer des accidents. Le phénomène est redouté et surveillé dans les aéroports.

Sur le plan aérodynamique, l'ailerette ajoute une petite traînée, mais la diminution du tourbillon finit par être avantageuse. Airbus après avoir longtemps hésité, a doté ses avions d'ailerettes et déclare diminuer la consommation de 3,5%, ce qui est intéressant grâce à un ajout aussi simple en bout d'aile. Boeing bien avant Airbus parlait du même chiffre.

A noter que les bouts de pales des hélices sont aussi touchées par des tourbillons

HeliceTourbillons.png
HeliceTourbillons.png (75.02 Kio) Consulté 1000 fois


et des formes recourbées en bout de pale (raked wingtip) s'efforcent de les diminuer.

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helice_anti_tourbillon.jpg (19.93 Kio) Consulté 1004 fois
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Re: Comment bien concevoir un avion-hélicoptère VTOL/ ADAV ?




par Remundo » 02/11/22, 14:29

La propulsion à hélice


Nous allons commencer par raisonner indépendamment de l'appareil propulsif sur ce qui crée l'avancement.

Le principe est celui de l'action-réaction : toute force exercée par un corps 1 sur un corps 2 engendre simultanément une force réciproque exercée du corps 2 sur le corps 1, égale en intensité et de direction opposée.

Ceci est facile à imaginer entre 2 corps solides, mais ça ne se limite pas aux corps solides. Le domaine qui nous intéresse est notamment celui exercée par "la prise d'appui sur un fluide".

On peut prendre appui sur un fluide à condition de l'accélérer vers l'arrière.
Jeter vers l'arrière de la quantité de mouvement va créer par réaction une force qui pousse vers l'avant.

helice_propulsion.jpg
helice_propulsion.jpg (39.3 Kio) Consulté 923 fois


Nous allons raisonner sur la figure ci-dessus, où V0 est la vitesse en amont de l'appareil, et V1 la vitesse en aval de l'appareil noté A.

Pour une tranche de fluide de masse infinitésimale dm qui traverse l'appareil pendant le temps infinitésimal dt, le principe fondamental de la dynamique donne :
eq1.png
eq1.png (7.04 Kio) Consulté 923 fois


En posant Dm = dm/dt le débit massique de fluide à travers l'appareil (en kg/s), on exprime rapidement la force du fluide sur l'appareil
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eq2.png (9.42 Kio) Consulté 923 fois


Cette équation est aussi valable pour une éolienne, une éolienne freinera le fluide avec une vitesse V1 inférieure à V0, au contraire en mode hélice, l'appareil accélère le fluide vers l'arrière et on a V1 > V0

si on enlève les vecteurs, voici l'expression de la force F du fluide sur l'appareil, en réaction à son brassage vers l'arrière.

eq3.png
eq3.png (4.83 Kio) Consulté 923 fois


Au delà des questions aérodynamiques qui ont été déjà évoquées, il faut aussi choisir un système qui a un bon rendement propulsif.

Le rendement propulsif est par principe le rapport entre 2 puissances :
PA : la puissance reçue par l'appareil, qui vaut le produit de la force sur l'appareil par la vitesse V0 de l'appareil
Pcin : la puissance cinétique fournie au fluide entre l'amont et l'aval de l'appareil, qui vaut Dm x (V1²/2-V0²/2)

Voici les formules qui en découlent :
eq4.png
eq4.png (12.58 Kio) Consulté 923 fois


Nous allons essayer d'exprimer très simplement le rendement propulsif de l'appareil en fonction des vitesses :

eq5.png
eq5.png (20.34 Kio) Consulté 923 fois


ainsi il apparaît une formule assez légère : RP = 2 / (1+ V1/V0) qu'il convient d'analyser.

Contrairement à l'intuition, le fait d'accélérer violemment le fluide donnera un rendement propulsif très médiocre, bien que la force de l'hélice sera intense.

Pour fixer les idées, si V1 = 4 x V0, on a RP = 0,4 = 40%, 60% de la puissance de l'appareil est gâchée.

Si V1 = 2 V0 : RP = 0,66 ; c'est mieux mais pas très bon.

Si V1 = V0 : RP = 1 = 100 %, le rendement est idéal... mais il n'y a plus aucune force du fluide sur l'appareil !

Nous somme donc dans un paradoxe ou plutôt un compromis à trouver : pour avoir un bon rendement propulsif, il faut que V1 soit proche de V0, juste un peu au-dessus.

Mais si nous reprenons la force de l'appareil F = Dm x (V1 - V0), on s'aperçoit qu'il va falloir augmenter Dm pour garder de la force.

En terme plus simple, il va falloir brasser beaucoup d'air, mais sans beaucoup l'accélérer.

Et techniquement, cela revient à avoir une grande hélice, qui brasse un gros tube de fluide en l'accélérant mollement.


Nous allons essayer d'exprimer le rendement propulsif à partir de la force alaire F/A : où F est la force de l'hélice et A la section (en m²) brassée par l'appareil.

En préliminaire, on peut exprimer la vitesse V du fluide au niveau de l'hélice en égalisant la puissance qu'elle applique au fluide avec la puissance cinétique récupérée par le fluide.

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eq6.png (19.98 Kio) Consulté 923 fois


en simplifiant les équations par Dm(V1-V0), il vient une formule simple :

eq7.png
eq7.png (3.19 Kio) Consulté 923 fois


La vitesse V locale du fluide sur l'appareil est la moyenne de V1 et V0

Ceci va nous servir pour calculer le débit massique de fluide Dm = A x ro x Vro est la masse volumique du fluide (en kg/m3) :

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eq8.png (26.53 Kio) Consulté 923 fois
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