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Les hélices : présentation

L'Avion N°3 transformé (roues pivotantes), dans l'atelier d'Ader en 1898.

Il n'existe aucune photo connue de l'Avion N°3 avant cette date: Secret Militaire...

Photo détourée (sans arrière plan), issue vraisemblablement d'une des éditions de "L'aviation militaire".

Dans l'édition consultable (ci-dessous), il y a cette photo page 345.

http://www.archive.org/details/laviationmilitai00ader

Téléchargeable ici : Clément Ader, l'Aviation militaire, 1913 (clic gauche, ouvrir ou enregistrer)

Page 29 l'avion est vu de face.

Pour faciliter le détourage de cette photo, des feuilles de papier étaient disposées sur le bord de fuite des ailes.

"Au temps de Clément Ader", ANAE, 1994, p25.

A cette époque, les retouches photo étaient déjà d'usage courant, pour rendre par exemple, les portraits plus flatteurs.

Elles donnaient aussi le moyen de fabriquer de "fausses" images en particulier pour les cartes postales.

Un agrandissement éclairci de la vue de face, montre Ader dans son poste de pilotage en 1898.

Icare N°134, page 83.

Icare N°134, page 114. En 1898, pales détériorées de l'essai de Satory de 1897.

Les pales ont souffert, sans être totalement brisées. Jean Forestier estime que l'origine de ces dégats pourrait être une "salade" de pales entre les deux hélices engrenantes et souples sans contact avec le sol (les pointes sont intactes).

Pale d'hélice gauche après restauration.

Vue de face, au Musée, après restauration. Seule l'hélice gauche de l'avion à été restaurée complètement.

Sur cette vue, prise au Musée après restauration, on voit que la roue arrière n'est plus commandée comme en 1897. Le gouvernail reste la seule commande de direction au sol. Cette disposition est identique à celle des chariots de supermarché dont on peux apprécier la rigueur de la trajectoire...

Il est peu probable qu'avec cette transformation l'Avion N°3 ait été seulement capable de rouler droit, même en utilisant sa commande différentielle de puissance.

De toute façon il n'a pas essayé...

On observe encore que le gouvernail est beaucoup trop près du sol.

Les hélices : documentation

En décembre 1988, Pierre Lissarrague consacrait 20 pages aux hélices d'Ader dans le numéro 52 de Pégase.

Hélice droite partiellement restaurée, remise en forme dans un moule sans démontage des barbes (p.20)

Vue de côté hélice droite avant restauration, le "déplumage" et les déformations sont importants après 90 ans (page 3)

Le calage de la pale du fond tente de s'approcher de 90° !!!

Dans "Au temps de Clément Ader" (Académie de l'Air et de l'Espace, 1994), René Hirsch consacre 9 pages à la question des hélices, (pages 79 à 88) et Pierre Lissarrague 4 pages (Pages 131 à 134).

Dans Icare N°134 de 1990, Pierre Lissarrague qui qualifie cette hélice d'extraordinaire, reprend en le simplifiant son article de Pégase, page 68 à 73.

Dans le principe, il n'avait pas tort d'employer ce qualificatif très flatteur pour cette hélice car son dessin était très moderne pour son époque et même beaucoup plus tard, jusqu'à l'apparition de l'hélice Chauvière.

Voici en vrac, quelques images d'hélices anciennes....

A gauche, en 1883, l'hélice du dirigeable électrique des frères Tissandier.

http://cnum.cnam.fr/CGI/fpage.cgi?4KY28.23/277/100/432/0/0

Gaston Tissandier est le fondateur, en 1873, de la revue La Nature, entièrement numérisée par le CNAM.

http://cnum.cnam.fr/CGI/redir.cgi?4KY28

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Au centre, l'hélice de l'Antoinette de 1909.

http://www.hydroretro.net/etudegh/antoinette.pdf

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A droite, hélice du premier dirigeable Santos-Dumont (1898).

http://www.hydroretro.net/etudegh/machines_volantes_santos-dumont.pdf

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A gauche, Demoiselle Santos-Dumont, 1907. A droite, Demoiselle à hélice Chauvière en 1909.

Cette hélice fut une révélation technique fulgurante, son sens de rotation est à gauche.

On trouvera dans cette page une très belle étude sur les "héliciers français".

http://www.hydroretro.net/etudegh/heliciersfrancais.pdf

Malheureusement pour lui, Ader créa un monde infranchissable entre la beauté du dessin de son hélice et sa fonctionnalité, en raison d'un mode de réalisation totalement invraisemblable.

Nous allons voir ça.

Une petite partie des textes de Pierre Lissarrague va nous servir de support pour aborder ce chapitre qu'il commence, fort justement, par un comparatif des hélices de l'époque afin mettre en valeur les qualités de l'hélice d'Ader.

Dans la suite de son texte il explique assez longuement comment Ader a, selon lui, bâti la théorie de son hélice.

Les hélices : technologie

Sur l’avion N°3 bimoteur chacune des hélice est entraînée en prise directe par un moteur.
Les axes des hélices sont parallèles entre eux et à l'axe longitudinal de l'appareil comme à l'axe de référence du fuselage, matérialisé par le dessus du plancher du poste pilote.

Les hélices tournent en sens inverses: elles sont supra-convergentes, de cette façon, en cas de panne d'un moteur, le couple de renversement du moteur restant concourt à rétablir l'équilibre.

Les disques des hélices se recouvrent partiellement, ce qui a obligé à construire des pales différentes (vues de profil), bien entendu le pas et la forme des pales sont les mêmes, mais adaptés au sens de rotation.

Un arbre plus long d'un côté aurait été plus simple... Mais qu'est ce que je raconte ...! Le mot simple n'existait pas dans le vocabulaire d'Ader...

Pour limiter la charge du disque, Ader a choisi des hélices quadripales.

Il a recherché la robustesse sous le poids minimum et le réglage automatique du pas en fonction du couple, ce réglage se fait grâce à l'élasticité en torsion du longeron de pale, sans aucune commande particulière au pilote.

Les hélices ont 2,82 m (2,88 m d'après René Hirsch) de diamètre, (2,6 m sur l'Eole). Le calage de construction correspond à un pas d'environ 2 mètres. Au régime moteur de 400 tr/mn, cela donne une avance théorique de 13,3 m/s (48 km/h), la vitesse de vol étant probablement un peu inférieure.

Chaque pale pèse environ 750 grammes et l'hélice entière avec ses tiges et boulons environ 3,3 kg.

Les pales d'hélice sont conçues comme des plumes d'oiseau (avec des barbes). Le longeron de pale correspond au canon de la plume.

Propulseur de l'Avion N°3

Pale d'hélice de l'Avion N°3. Plan original du Laboratoire Ader (Mai 1898). Il s'agit d'un dessin "d'identification", il a été obtenu en developpant la pale sur une feuille du plan. La surface de la pale est donc plus large que dans un dessin "en élévation". Chaque barbe est représentée par un trait : le nombre total est exactement reproduit (230).

La fixation des pales sur les arbres d'hélice

Appelé "tige" par Ader, le longeron de chaque pale est fixé sur l'arbre moteur par deux boulons de 6mm et deux tirants fixés en arrière.

Les arbres moteurs sont creux (diamètre 42 mm, épaisseur 1,5 mm) et les "oreilles" de fixation hélicoïdales sont taillées dans la masse avec un pas à gauche et un pas à droite. Pierre Lissarrague dit que les vis sont faites au tour et que les "oreilles" sont formées dans leurs filets uniquement à la main (donc à la lime...). Il ajoute : beau tavail d'ajusteur...

On remarque que le pas des pales est donné une fois pour toute par l'inclinaison des longerons fixés sur les "oreilles" inclinées.

Dessin issu des cahiers d'atelier. "Ader inventeur d'avions", page 302.

Il n'y avait rien d'étonnant dans cette conception : Plus compliqué cela n'était pas possible...

Le dessin de Paul Simonet : beau travail de dessinateur. A droite, effectivement, beau travail d'ajusteur...

Les longerons

D'épaisseur et de courbure variable, différents pour chaque hélice, les longerons sont faits de cinq matériaux: bambou, liège, peuplier, bois d'orme, le tout recouvert de 10 couches de soie en moyenne, davantage au pied de pale, collées à la colle animale comme les autres boiseries de l'avion.

En haut, pale d'hélice gauche restaurée. En bas, pale d'hélice droite restaurée partiellement, on voit des fentes entre les barbes mais la forme est redevenue correcte. Les disques des hélices se recoupent en partie, les longerons de l'hélice droite ont été déportés en avant pour éviter que les hélices se heurtent.

Les hélices passaient néanmoins trop près l'une de l'autre, c'était négliger les effets vibratoires et gyroscopiques qui n'ont pas manqué de se produire lors de l'essai de Satory comme l'explique Jean Forestier cité plus haut.

Longeron gauche en cours de restauration, débarrassé de ses couches de soie.

Violet, semelle en bambou. Jaune, liège. Rouge, à gauche peuplier, à droite bois d'orme.

Au dessus du point rouge, trou de fixation des tirants.

Pierre Lissarague explique que la fabrication des 8 longerons, ont demandé, d'après les cahiers d'atelier d'Ader, 1900 heures de travail réparties entre 7 ouvriers et 3 mois de calendrier. Avec "l'emplumage" (que nous allons voir), le vernissage et les quelques pièces mécaniques, on peut estimer le temps de fabrication de ces 2 hélices prototypes à près de 2500 heures.

"Couvercle" de longeron de pale.

Icare N°134, page 70

Ader apporte le plus grand soin à l'étude du longeron, pièce maîtresse de l'hélice. Cela le conduit à dimensionner la section du longeron et surtout les sections des semelles, en bambou refendu. Ces "couvercles" ont, au plus fort (à hauteur de l'amarre) une épaisseur de 2 mm et une largeur de 30 mm et, en bout du longeron, une épaisseur de 0,7 mm et une largeur de 2,5 mm.

Quant au longeron complet, y compris l'âme en liège et le marouflage de soie, il passe de 27 mm de hauteur et 32 mm de largeur, au maître-couple, à 2 mm et 2,5 mm, en bout de longeron.

Le bambou séduit très vite Ader par sa ténacité: il l'adoptera pour les "couvercles" des longerons, mais aussi pour le dos des barbes des nervures. Mais les gros bambous n'offrent des fibres continues que sur des longueurs limitées par les nœuds de la tige, soit environ une trentaine de centimètres.

Pour obtenir des longueurs de 1,45 m exigées pour l'Avion N°3, il va falloir mettre au point une technologie, d'autant plus compliquée que seule la partie dure, du côté extérieur de la tige, présente les caractéristiques de résistance maximale et que ce matériau est difficile à coller.

Le bambou très utilisé dans les débuts de l'aviation (Demoiselle) sert en 2011 à faire des clôtures. Déchéance...

Sur ces tiges refendues coté creux, la flèche indique un nœud.

Ader a donc été obligé de mettre au point une méthode précise et de créer tout un outillage pour extraire des tiges de bambou les lames de bois recherchées, puis de les dresser, de les mettre en forme et de les assembler pour en faire des bandes de 1,8 mm d'épaisseur et de 11 mm de largeur, en bandes allant jusqu'à 1,65 m de long.

Ces bandes sont ensuite empilées et collées en blocs jusqu'à une épaisseur de 35 mm environ (en trois opérations successives), on utilisait pour cela un moule ayant la forme du longeron de pale, vu par-dessus. L'ensemble est tenu sous presse et chauffé dans un tunnel spécial, pour que la colle très épaisse ruisselle. On laisse sécher à fond, plusieurs jours.

Puis, à la scie à ruban, on découpe dans le bloc bien sec, des tranches qui, après mise à l'épaisseur définitive, fourniront les "couvercles" d'une pale.

Vues sur leurs tranches sur ce croquis, les bandes de 11mm de large et d'épaisseur 1,8mm sont collées à plat. Pour bien préciser l'action, la découpe à la scie se fait parallèlement au plan de cette image....

Je suppose (sans preuves), que de ces bandes de 11mm on ne pouvait tirer que 2 ou 3 "couvercles" de 2mm au maximum, en raison des irrégularités du matériau, de la largeur de découpe de la scie et de la difficulté de travailler des lames aussi fines d'épaisseur variable sur 1,65 m de long.

La description de toutes les opérations aboutissant à la construction d'un longeron, occupe trente cinq pages d'un des cahiers d'atelier (Journal des bois et charpentes, Vol. 2). Nous ne pouvons donner ici qu'un fac-simile de l'une de ces pages, à titre d'exemple.

Sur lequel il doit être bien difficile, même sur l'original, de comprendre quelque chose.

Il fallait donc 4 moules en tout : 2 pour la découpe et 2 autres pour coller les éléments de longerons.

Les "barbes"

Ader a choisi de constituer la pale par la juxtaposition de petites nervures collées les unes aux autres (environ 230 au bord d'attaque, inclinées sur le longeron de 60°, et autant au bord de fuite, inclinées à 45° sur le longeron).

Chaque nervure est composée à l'extrados d'une arête en bambou de 1 x 1 mm, s'amincissant à 0,4 mm au bord de fuite.

Le profil de la nervure est donné par deux flancs en " papier-toilé", collés sur le dessus de l'arête en bambou. Le papier-toilé est fabriqué préalablement par Ader à partir de papier Japon épais, très fibreux, sur lequel il colle une mousseline de coton.

Une fois sec, ce papier a l'aspect un peu raide d'un parchemin.

La nervure est collée sur le côté du longeron, par deux petits rabats des flancs, sur 1,5 cm de hauteur en moyenne. L'arête en bambou vient s'appuyer sur l'angle du longeron à l'extrados et lui transmet les efforts de compression.

Icare N°134, page 70

Sur son dessin de coupe de la pale, Pierre Lissarrague triche instinctivement sur le biseau du longeron qui en réalité était beaucoup moins prononcé, comme le montraient d'ailleurs ses propres tracés à propos des "couvercles" (ci-dessus) déjà trop marqués. Dans son livre "Premiers envols" (1982), la photo qu'il présente page 99, d'une vue de dessous, avant toute restauration, ne montre aucun biseautage mais seulement le léger arrondi dû aux couches de soie.

Bien visible sur un agrandissement.

Il est vrai que cet angle "pointu" était bien ennuyeux à dessiner...

Sur cette même page 99, on voit "l'état de surface" obtenu avec ce système de barbes (vues de dessous).

Le résultat est plutôt "rugueux" ...

Un dessin des cahiers d'atelier (Ader inventeur d'avions, page 304)

Cliquer pour voir l'image entière.

Pierre Lissarrague poursuit:

Toutes ces barbes, inclinées sur l'axe du longeron, sont collées entre elles et sur le longeron. Le dessin des nervures vise à donner un profil d'extrados semblable à celui de l'aile (mais un peu moins creux): c'est la "courbe  universelle" d'Ader.

"Il est probable que la forme arquée du longeron joue un rôle de limiteur de rotation vers le petit pas, à défaut de butées mécaniques".

Sur la figure 6, l'angle indiqué de 60° n'en fait que 30.... Les 60° sont mesurés par rapport à la verticale.

Dans tous ses articles, Pierre Lissarrague était absolument convaincu qu'Ader avait appliqué des raisonnements mathématiques et rigoureux dans ses construction, en bon ingénieur qu'il était comme il disait.

Pourtant, il raconte que d'après les notes d'Ader, les nervures se sont recroquevillées dès la sortie du moule et qu'Ader à suivi cette déformation pendant deux mois. Le bord de fuite s'était abaissé de 14mm en moyenne.

La pratique bousculait la théorie...

Voici un autre exemple de rigueur théorique, pratiquement impossible à maîtriser:

Pour établir le calage des profils le long de la pale, Ader a dessiné un diagramme, très classique, portant en abscisse des distances proportionnelles à la longueur des circonférences décrites par chaque profil de la pale, et en ordonnée, l'avance par tour qui doit être la même pour tous les profils. Une construction géométrique simple donne les calages.

Fig.9 - Angles d'incidence et de recul (recul: l'air "fuit" sous la pale et n'avance pas autant qu'on s'y attendrait)

Fig.8 - Diagramme des calages des profils théoriques et "préalables".

Ces pas préalables apparaissent en traits tiretés sur notre diagramme de pas. En principe donc, lorsque la pale sera chargée à 10Kg (40Kg de traction pour l"hélice entière), les calages effectivement réalisés devraient rejoindre les pas théoriques.

En rouge, j'ai relevé des calages entre 12° (minimum en charge) et 30° (à l'arrêt). En vert, l'angle de 18,7° c'est celui du "centre d'action au 1/3" (centre de poussée général de la pale). La flèche bleue c'est le dessin d'un profil dans sa trajectoire. Tout cela donne une idée des angles que Pierre Lissarrague a représenté... Si j'ai bien compris ...!

L'élasticité des pales en torsion a été mesurée par Ader à partir de la valeur de la traction au point fixe de l'hélice de l'Eole (une trentaine de kilos), et le résultat extrapolé aux hélices de l'Avion N°3 , de même dessin mais un peu plus grandes (donc environ 40 kilos).

Sur un banc, il a placé une pale d'hélice horizontalement, et l'a chargée de dix kilos pour représenter la force aérodynamique qui lui revient. La déflexion au bord de fuite a été mesurée pour une dizaine de profils le long de la pale. Désirant conserver les calages théoriques en vol, Ader, à la construction, a décalé les profils.en sens inverse de l'effort, d'une quantité égale à celle trouvée lors de la mesure en statique. C'est ce qu'il appelait les "pas préalables" (à l'arrêt).

Cet essai qui a été refait au Musée en 1988, a permis de constater des anomalies dans l'élasticité de ces pales. A voir plus loin avec les essais dynamiques.

La charge, sur l'arrière de la pale, avec des récipients remplis de grenaille de plomb, réalise une torsion et donc une diminution du calage.

La flèche indique un coin en polystyrène qui comble l'épaisseur du longeron à l'avant.

Dessin de Pierre Lissarrague d'un angle de calage.

Je trouve que ce dessin n'est pas conforme à la réalité. Certes, le longeron est redevenu carré comme il se doit, mais le profil n'est pas vraiment l'image du réel, le calage de 6° parait faible (12° minimum sur son diagramme), et le longeron qui n'est pas assez haut "disparait" dans le vent...

Ce qui ne semble pas être pas le cas dans la réalité.

En effet, sur les photos, on remarque que le longeron dépasse assez largement sous le profil (intrados, photo de gauche, hélice droite). Cependant, cette vue de dessous ne donne aucune idée de l'ampleur du dépassement.

Accessoirement, les longerons débordent aussi un peu sur l'avant des pales (photo de droite, hélice droite, prise en 1898), où l'on voit des ombres significatives. Cette image est un agrandissement de la photo "avion plié" en 1898 visible ci-dessus.

Une photo du bord d'attaque de la pale après restauration, donne des indications plus nettes.

Cette image très significative de l'excroissance du longeron sous le profil est un agrandissement (et une rotation de 90°) d'une pale de l'hélice gauche de l'avion plié après restauration en 1990 (visible ci-dessus).

La flèche rouge montre l'important dépassement du longeron, la flèche verte montre le bord d'attaque de faible épaisseur.

Plus près de l'axe de rotation le longeron reste plat et épais avec un profil de boite à chaussures....

On voit la même chose ici, sur les deux hélices, avec agrandissement et rotation de l'image ci-dessous.

Flèches rouges et bleues: longerons. Flèches jaunes: déformations après essais.

Commes ces photos sont prises à peu près dans le plan de rotation des hélices, on peut voir que ces longerons proéminents font partie du bord d'attaque sur la plus grande partie de sa longueur !

D'après ce dessin de Pierre Lissarrague présenté plus haut, avec un calage à zéro on peut dire que le "profil" d'intrados est déjà très contestable (malgré le biseautage erroné), mais avec 7,64° de calage par exemple, l'air doit se "débrouiller" comme il peut pour suivre le dessous du bec puis passer l'obstacle....

Quoique, il ne faille jurer de rien, parfois l'aérodynamique présente des curiosités inattendues...

Sur les dessins des cahiers d'atelier (Ader inventeur d'avions, page 303), c'est encore pire (4 mars 1898).

Cliquer pour voir l'image entière.

On se demande pourquoi Ader n'a pas fait partout ses "barbes" de la bonne hauteur par rapport au longeron.

C'est incompréhensible.

Seul le dernier 1/3 extérieur de la pale semble bénéficier d'un profil correct.

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Avec ses barbes inclinées et "trouées", avec son longeron qui déborde, que devient la pureté du "profil universel" ?

Difficile à dire, mais nous allons voir que ces hélices étaient pourtant capables de fournir une traction convenable.

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En 1988 et 1989, quand j'ai eu ces pales sous les yeux, j'étais très loin de pouvoir remarquer tous ces détails...

Dommage.

Après ces schémas et explications de Pierre Lissarrague, j'éprouve des frémissements de terreur en imaginant d'avoir à fabriquer les 3680 "barbes" de ces hélices, sans compter celles des réparations...!

Déjà, le mode de construction d'une seule "barbe" en dépit de mon extrême puissance de réflexion (...), me laisse dubitatif, car je ne vois pas très bien (et même pas du tout...), comment on peut se débrouilller pour placer le "parchemin" d'entoilage, assez raide, théoriquement non développable, sur une tige courbe d'aussi faibles dimensions....

Au Musée, le processus de restauration a consisté à "désemplumer" les longerons de l'hélice gauche, enlever le marouflage en soie ancien et à le refaire à neuf en fibre de verre-époxy, dans un moule spécial assurant son "bon" vrillage, enfin, à ré-emplumer les longerons avec les blocs des barbes anciennes, remettre celle-ci en forme (dans le moule ci-dessous) et réparer les manques. L'hélice droite a seulement été remise en forme dans un autre moule.

 

A gauche, construction du moule, les gabarits sont en place.

A droite, moule achevé, recouvert de fibre de verre époxy.

Si j'avais à le faire, je trouverais que le temps de fabrication de ces hélices estimé à 2500 heures par Pierre Lissarrague serait sous-estimé... Alors que c'est tout de même 18 mois à 35h/semaine...

Les essais dynamiques de l'hélice restaurée

En décembre 1988, toujours dans Pégase, page 14, pour parler des essais en cours au Musée, Pierre Lissarrague commence ainsi:

Tout ce qui est présenté ci-dessus découle d'une étude soigneuse des documents originaux d'Ader (cahiers d'atelier ou notes) et aussi de l'examen des hélices de l'Avion N°3, conservées entières et intactes, jusqu'à ce jour.

On ne peut manquer d'être impressionné par l'ingéniosité des solutions adoptées pour résoudre un problème bien difficile: le premier décollage d'un avion dans le monde.

Pourtant, aucun autre constructeur d'hélice n'a utilisé la moindre des "solutions ingénieuses" imaginées par Ader...

Dès 1982, ayant pu intéresser M. Hirsch à l'étude en cours au Musée de l'Air, nous avons procédé à un certain nombre d'essais partiels, demandés par cet éminent spécialiste des hélices, pour lui fournir quelques données numériques indispensables pour étayer les calculs qu'il a menés selon les méthodes mathématiques les plus modernes.

Ces résultats ont été obtenus grâce à un banc de mesure fabriqué à l'Atelier Industriel de l'Air de Clermont-Ferrand en association avec le Centre d'Essais des Propulseurs de Saclay, le Centre d'Essais assurant l'équipement du banc pour les mesures (traction, couple et nombre de tours).

Le moteur de 15 KVA, environ 20 ch (comme l'avion), était régulé pour maintenir le nombre de tours constant.

A gauche, le banc décapoté, à droite, en fonctionnement.

Entre deux essais , Jean-Claude Guyot examine la tenue des pales qu'il a restaurées.

Pierre Lissarrague (de dos) explique le déroulement de l'expérience.

Malgré la qualité de la restauration, le bord de fuite, à gauche, et très irrégulier.

Agrandissement et rotation de cette pale verticale.

Bleu, bord d'attaque, rouge, longeron, vert, barbes arrières et bord de fuite.

Séquence de vues de profil de l'hélice en rotation à 400 tr/mn.

 
 
 
Hélice à l'arrêt
 
Rotation 2 mn
 
Rotation 5 mn
 
Rotation 15 mn

Il est facile de constater que l'hélice "s'efface" rapidement, Pierre Lissarrague indique qu'entre la première et la dernière vue les pales ont tourné d'à peu près une vingtaine de degrés !

Après l'arrêt de l'hélice le calage était encore en retard d'une dizaine de degrés par rapport au calage avant l'essai.

Le "fluage" en rotation et l'hystérésis au retour à l'arrêt étaient confirmés.

Résultats des mesures.

Deux séries de mesures ont été faites. La première en date du 13 octobre 1988 et la seconde le 9 décembre.

Les résultats sont assez difficiles à décrypter d'après les textes dont je dispose:

- Dans Pégase de décembre 1988, Pierre Lissarrague indique un créneau d'une semaine à partir du 12 octobre. Plus loin il indique que le premier jour des essais la caméra rapide est tombée en panne et que le couplemètre qui fonctionnait mal n'a été réparé que le lendemain après l'arrêt des essais. Il dit que la puissance n'a été mesurée que sur un seul point a un moment où l'hélice tournait depuis 20 mn : avec une puissance absorbée de 8 cv, la traction était de 33 Kg à 400 tours/mn soit près de 4 Kg/cv ce qui était excellent.

Au début de l'essai, il indique 40 Kg et la veille 51 Kg à 350 t/mn, sans mesure de puissance.

- Dans Icare N°134 de 1990, Pierre Lissarrague indique une traction de 47 Kg pour une puissance de 5,9 cv à 350 t/mn. Au cours d'un autre essai prolongé sur 20 mn à 400 t/mn, la traction passe de 50 Kg à 33 Kg et la puissance de 6,5 cv à 3,2 cv.

Les essais ont été interrompus quand certaines "barbes" ont commencé à se décoller.

- En 1994 dans "Au temps de Clément Ader", René Hirsch donne les chiffres suivants au milieu d'une série de calculs:

Pour l'essai du 13 octobre, à 400 t/mn, la traction varie de 43 à 33 Kg après 28 mn de fonctionnement (pas de puissance mesurée).

Pour l'essai du 9 décembre, toujours à 400 tours, les résultats sont d'environ 43 Kg pour 6,6 cv de puissance en valeurs initiales. Pas d'autres valeurs indiquées.

On notera que d'après Pierre Lissarrague, pour une traction de 33 Kg, la puissance varie de 8 cv à 3,2 cv. Il doit y avoir une erreur quelque part.

Il dit aussi que les tractions mesurées semblent bien correspondre à ce que recherchait Ader, environ 40 Kg par hélice.

Dans le flou de ces mesures, comme ces 40 Kg semblent correspondre à environ 6 cv, on peut considerer que la puissance du moteur était surabondante avec ses 20 cv. C'est curieux.

Le pas variable.

Voici une autre bizarrerie que Pierre Lissarrague accepte sans sourciller, il écrit page 22 dans Pégase:

"On peut seulement dire, que l'hélice Ader réalise réellement le pas variable annoncé par lui, mais sans que l'on sache encore sa valeur exacte".

Comme l'indiquait sa première phrase de la page 5 : Ader veut réaliser une hélice adaptée à toutes les vitesses, donc à "pas variable" et cela de façon automatique.

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La notion de pas variable en aviation est facile à comprendre: L'avion décolle à petit pas pour avoir le maximum de puissance de traction, puis il passe au grand pas pour atteindre une vitesse de croisière économique et sans sur-régime.

Ce site explique parfaitement les raisons techniques et toute les complexités du pas variable :

http://www.aero-hesbaye.be/dossiers/hlpv/hl.html

Ce qui est gênant avec l'hélice d'Ader, c'est que son "pas variable" n'en est pas un, car il fonctionne à l'envers...!

Comme cela ne semblait pas perturber Pierre Lissarrague, alors c'est sans doute moi qui ne comprends rien....

En fait dans l'esprit d'Ader, au démarrage, l'hélice devait "s'effacer" pour passer au petit pas, puis en vol de croisière son élasticité devait la faire revenir au grand pas.

Pierre Lissarrague explique cette idée dans Icare page 72.

Il est aisé d'imaginer que si la résultante aérodynamique se trouve en arrière de l'axe de torsion de la pale (le longeron), plus le couple résistant sera fort, plus la pale s'effacera en diminuant le pas; ce qui est le cas du point fixe, ou du décollage, où l'effort est maximum.

En revanche, il est plus difficile d'apprécier l'effet de la force centrifuge. Le retour vers le grand pas, lorsque l'effort diminue (en croisière ou si l'on réduit la puissance), doit être assuré par l'effet de ressort antagoniste que joue le liège.

Celui-ci est un matériau cellulaire, à cellules fermées contenant de l'air.

La structure hétérogène d'une "planche" de liège coupée à la scie...

En somme il s'agit d'un ressort pneumatique. Le seul ennui du liège est que les parois des cellules ne sont pas totalement étanches; lorsque l'on comprime le liège, l'air qui y est enfermé se comprime bien, mais, très lentement, il fuit à travers les parois.

L'effet de ressort est perturbé et se traduit, comme on a pu le constater, par un "fluage" lent de la pale qui, sous l'effort, va de plus en plus vers le petit pas et au retour vers le grand pas tarde à y revenir totalement: le mouvement présente de l'hystérésis.

Encore une fois, personne n'a jamais réalisée une hélice dotée de cette étrange conception, c'était une vue de l'esprit, une réalité impossible.

Sans vraiment l'avouer, Pierre Lissarrague en avait conscience quand il écrivait qu'il était "impressionné par l'ingéniosité des solutions d'Ader", car il ajoutait :

"Mais le concept si exceptionnel - même de nos jours - d'une performance obtenue en jouant sur la seule flexibilité des matériaux, rend difficile de porter un jugement sur le degré de réussite du programme visé".

La conclusion de Pierre Lissarrague, c'est que la durée "du vol de 300 m" n'a pas dépassée 20 s, que la durée du "décollage" n'a pas excédé 30 s (je touve cette valeur invraisemblable), et que le temps de chauffage au ralenti ne compte pas.

Dans ces conditions, il estime que la traction effectivement utilisée était largement suffisante.

En dehors de la durée de "décollage", ce raisonnement parait correct.

Deux pales vues de dessous après l'accident de Satory du 14 octobre 1897.

Tourterelles

Septembre 2011

Mes "poulettes" du jardin, séduites aux graines de tournesol, laissent des plumes.

Neuves, en parfait état de marche. Je ramasse et je regarde sans savoir pourquoi.

Puis le message passe, alors elles sont examinées, phographiées, mesurées.

Et là, je crois comprendre la démarche d'Ader avec ses hélices, suivez-moi...

- Ader était intimement persuadé que le modèle animal de la chauve-souris était un merveilleux moyen pour réaliser le vol mécanique.

- Ader était intimement persuadé que le modèle animal le plus sûr pour réaliser une pale d'hélice était de copier servilement toutes les formes et toutes les dispositions de la plume des oiseaux.

Comme la nature avait tout inventé, il suffisait de suivre aveuglément ses lois.

Pour lui, l'athée, dans la démesure de son orgueil, sa mission serait de faire éclater la vérité de l'Etre Suprème qu'il ressentait dans son entendement.

Sa démarche n'était pas scientifique, elle était mystique.

Une "pale" de tourterelle

Cela ne prouve rien, mais il est curieux de constater qu'en superposant la photo d'une pale (chapitre les "barbes"), flèche verte, longeron vert, avec la grande plume du milieu de "Septembre 2011", flèche rouge, longeron noir, on obtient comme par miracle une superposition parfaite des longerons sur la plus grande partie de leur longueur....

Leurs épaisseurs elles aussi manifestent une très bonne concordance !

Certes, les dimensions sont différentes et le longeron d'Ader avait été redressé à son extrémité, mais voici tout de même des coïncidences très étranges, d'autant plus que si l'on regarde bien le bord d'attaque il se superpose exactement lui aussi au bord de la plume....

Stupéfaction.

Il est difficile de prétendre que la position de ce longeron par rapport à la largeur totale est identique (sauf au croisement des deux bords de fuite..) mais étant donné la différence de forme, la divergence est loin d'être catastrophique !

Surtout que la mise à l'échelle a été instinctive et que je n'ai pas trié 50 millions de plumes pour faire ça, mais seulement cinq...!

De tourterelles exclusivement, pas de vautours dans la jardin...

Le vrillage de la plume

Sur cette image de mes gros doigts, verrait-on aussi une pale Ader ?

Non, non, c'est encore une plume, avec son vrillage naturel soigneusement élaboré...

Coïncidence...

Les angles de barbes

Rappelons nous que les angles des "barbes" adoptés par Ader étaient de 30° pour le bord d'attaque et de 45° pour le bord de fuite. Mesurés sur plusieurs plumes, voici des mesures d'angle. Au centre on trouve 33° pour l'avant et 52° pour l'arrière, mais j'ai aussi un angle de 47° pour l'arrière et puis un angle de 40° pour l'avant...

On remarque que les barbes ne sont pas droites, cela ne facilite pas les mesures.

Si j'avais été à la place d'Ader, je crois que j'aurais choisi 30° pour l'avant et 45° pour l'arrière, pas d'objection ?

Elles sont trop fortes mes tourterelles !!!

Mais vous n'êtes pas obligé de me croire...

Les hélices en plume

Dans Wikipedia en anglais on trouve les détails de construction du modèle de Launoy et Bienvenu de 1783.

http://en.wikipedia.org/wiki/Helicopter

In 1783, Christian de Launoy, and his mechanic, Bienvenu, made a model with a pair of counter-rotating rotors, using turkey flight feathers as rotor blades, and in 1784, demonstrated it to the French Academy of Sciences.

En 1783, Christian de Launoy et son mécanicien, Bienvenu, ont fait un modèle avec une paire de rotors contra-rotatifs, en utilisant des plumes de dinde comme pales de rotor et en 1784, l'ont présenté à l'Académie des Sciences française.

A gauche, l'intéressante machine de Mikhail Lomonosov, 1754 : http://en.wikipedia.org/wiki/Helicopter

Une troublante démonstration actionnée par un mouvement d'horlogerie.

http://en.wikipedia.org/wiki/Mikhail_Lomonosov

Au centre, dessin visible dans la page ci-dessous. Image de droite, réplique du Musée de l'Air

http://www.museoscienza.org/english/departments/air_transport_helicopter.asp

Launoy et Bienvenue, La navigation aérienne, Gaston Tissandier, 1886.

http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k2155076/f113.image

L'Aéronaute, 1877, Launoy et Bienvenue

http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k5702520s/f4

L'Aéronaute, 1877, George Cayley

http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k5702520s/f7

On peut supposer qu'Ader avait eu connaissance des expériences de Launoy, Bienvenue et Cayley.

Les hélices de la maquette

Guy Tachet ayant un jour, imprudemment, décrété devant témoins que "les maquettes devraient toujours voler avec des hélices maquette à l'échelle de la maquette", il dut pour ne pas perdre la face, assumer toutes les conséquences de cette affirmation et faire des hélices maquettes fonctionnelles.

Au fil des études préliminaires, il devint plus prudent en ajoutant incidemment le préfixe "semi" devant le mot "maquette"...

Aidé par ce mot, Guy imagina avec patience les astuces et substituts capables d'assurer les fonctions prévues sans trop s'écarter du modèle et en conservant la majorité des qualités esthétiques.

Après la mise au point de ces hélices fonctionnelles, Guy fit deux pales maquettes, pour démonter que c'était possible.

J'avais toujours été réticent qu'il passe tellement de temps pour faire ce genre de travail et la suite des essais m'a donné raison, mais c'était son choix...

Le texte de Guy Tachet

Alain me passe le relais estimant que le responsable de ce "morceau" de l'Avion avait le devoir de s'en expliquer...

En fait, il ne semble pas très raisonnable de prétendre qu'il fallait obligatoirement réaliser des hélices maquettes fonctionnelles. Et pourtant si l'on regarde les immenses hélices de l'Avion N° 3 on voit qu'elles sont disposées pour souffler une grande partie de la surface de la voilure : cet avion est un "Stol" avant l'heure !

Pour se rapprocher au maximum des conditions de vol du réel, il paraissait souhaitable de faire des hélices maquettes et fonctionnelles.

Ces hélices sont-elles réalisables ?

Question capitale, car Ader estimait dans une de ses notes que "l'hélice est la partie la plus difficile de l'appareil". Si un jeune modéliste ne peut que rester perplexe devant ces formes arachnéennes qui ne lui rappellent en rien ses "APC" nouvelle mode, un vieux modéliste formé par le "vol libre" voit de suite l'analogie avec les hélices utilisées par les modèles à moteur caoutchouc dits "Wakefield" depuis les années quarante, dont les caractéristiques sont:

- Utilisation à régime lent. Le moteur à vapeur l'est aussi : 400-500 tr/mn.

- Grand diamètre relatif. C'est aussi le cas sur l'Avion N° 3.

- Grande surface de pale réalisée avec une souplesse étudiée pour obtenir une certaine déformabilité à l'effort assurant un pas variable automatique. L'objectif d'Ader était le même.

- Équipées avant 1940 d'un dispositif de roue libre pour réduire la traînée pendant le vol en plané, elles ont depuis bénéficié de pales repliables dans le même but. Les pales de l'hélice de l'Eole étaient repliables, c'est encore une invention à porter au crédit de Clément Ader.

Ces analogies bien considérées, le coup me parut jouable... cependant il restait encore des obstacles de taille

- Les hélices d'origine font 2,82 m de diamètre, elles ont un régime d'utilisation d'environ 400 tr/mn. En tenant compte de l'effet d'échelle mais aussi de la dimension des hélices maquette (47 cm de diamètre) leur régime d'utilisation peut se situer entre 1500 et 2000 tours/mn.

- Je ne me sens pas les aptitudes de Watteau pour reproduire sur les huit pales les 230 barbes en ton sur ton... il faudra trouver une solution moderne...

- Comment déterminer le pas des pales alors que leur mode de fixation ne donne aucune latitude de réglage ? Une erreur de calage peut transformer le variateur et les moteurs en usine d'incinération en moins de 30 secondes...

Faut-il espérer ce résultat par le calcul ? Je n'y ai jamais cru vraiment, d'autant que l'autre jour à Meudon, devant la soufflerie désaffectée, un ingénieur de Sup'Aero nous expliquait qu'elle avait beaucoup servi à vérifier par ses mesures des calculs trop souvent approximatifs... et puis Einstein est mort et moi je suis au pied du mur...!

En privilégiant le "fonctionnel" sur la "maquette", les hélices seront donc "semi-maquette" et les pieds des pales seront à calage réglable avec une rotation sur... 360° !

Moyeu de l'hélice gauche.

Alors... Y a plus qu'à ?

Eh bien pas tout à fait, car ces deux hélices n'ont en commun qu'un air de famille et tous leurs éléments de base sont différents

- Elles sont contrarotatives, toutes les pièces sont symétriques.

- L'hélice droite recouvre partiellement celle de gauche par un déport de ses pales obtenu par des longerons contre-coudés. On peut penser qu'il aurait été plus simple de décaler son moyeu vers l'avant grâce à un bec et un arbre moteur plus long...

- Les moyeux font partie intégrante des arbres de transmission dont ils constituent une excroissance. Les oreilles de fixation des tirants de pieds de pales sont découpées dans des pas inverses et taillées dans la masse, j'ai profité de l'option "semi" pour en simplifier le dessin.

De ce qui précède nous pouvons conclure à la faisabilité de ces deux hélices similaires et différentes, mais... au point de vue complexité, c'est le "pied"...

La documentation

Là, aucun problème, la meilleure des sources, c'est l'original, Pégase N° 52: En 20 pages extrêmement denses d'informations, le général Lissarrague nous en dévoile tous les secrets de conception, construction et rendement.

- Les visites à Meudon: l'hélice gauche en fin de restauration était encore démontée. J'ai pu relever directement sur les pièces d'origine les patrons des longerons et des pales à l'état rénové et faire toutes les photos nécessaires.

C'est à cette occasion que j'ai fait la connaissance de Jean Claude Guyot, modéliste de longue date à l'Aéro Club des Cigognes. Il a pris une part capitale dans la rénovation de l'Avion N° 3 et en particulier des hélices dont il a reconstruit une partie des pales.

Si un jour vous contemplez l'Avion N°3 dans la Grande Galerie du Musée (1993...), pensez qu'un modéliste bénévole a pris une part importante dans cette œuvre difficile de restauration !

La construction

Simple dans son principe, elle est illustrée par deux photos. Pour une fois commençons par la fin !

1 - L'hélice gauche terminée est vissée sur un moignon d'arbre, tournant bien perpendiculairement dans la platine de montage.

2 - L'hélice droite en cours de finition est installée de la même manière, l'entre-axe correspond à celui des deux "becs" soit 424 mm. Autour des hélices sont répartis les éléments de base nécessaire à la réalisation des deux types de pales.

3 - La pale ressemble à une plume d'oie dont le "tuyau" est nommé "tige" par Ader. En fait c'est un véritable longeron, par sa forme et sa fonction, qui sera édifié en composite dural-contre-plaqué collé à l'époxy (pièces A, B, C, D).

4 - La pale est construite comme une aile stratifiée de planeur moderne qui ferait... 30 cm d'envergure

Successivement :

- Tracé du contour sur une plaque de roofmat de 5 mm:

- Par ponçage, ce noyau est amené à la forme exacte de la pale à plat.

- Le décor d'intrados des "barbes" est tracé au crayon sur une feuille de modelspan de couleur adaptée grâce à un calque guide (E) et une boîte à lumière.

- Il a bien fallu traiter le problème du décor d'extrados éludé au paragraphe "faisabilité". J'avais une photo de pale rénovée prise bien orthogonalement. Avec quatre tirages collés côte à côte, passés à la photocopieuse couleur au taux d'agrandissement convenable, le tour était joué.

Mais par contre je n'avais pas de photos pour les pales de l'autre hélice. Que faire ? Retourner le négatif au tirage ? Refus de la machine qui n'accepte le négatif qu'à l'endroit... et ce n'est que le lendemain matin pendant la séance de rasage que me revient à l'esprit le vieux truc du miroir...

Une heure plus tard le montage des quatre décors est photographié par "réflexion" et part au tirage... Ça marche mais attention aux déformations à la prise de vue, le "reflex" s'impose.

5 - Les huit tirants de positionnement de l'hélice (2) et les quatre bagues qui permettent la rotation des pieds de pales lors du réglage du pas. Ces bagues sont tout simplement taillées dans deux gros dominos d'électricité coupés en deux, même la vis de blocage est toute prête ! Nous avons tous les morceaux, passons à l'heure de vérité...

La flèche indique une pale "maquette", à sa droite une "semi-maquette".

Le moulage

Le longeron est en légère saillie à l'extrados et plus importante à l'intrados. II faut respecter cette caractéristique majeure des pales... mais dans quel moule ?... et pour faire un moule il faut une pale. Et pourquoi pas une sorte de moule virtuel... souple, qui se moulerait lui-même autour des éléments de la pale ?

Là était la solution, car j'avais le produit miracle, celui qui m'a sauvé la mise lors de la fabrication des roues ultra-légères de l'Arc en Ciel, le fameux "Plastazote".

Y a plus qu'à... empiler sur le tronc de cône de base (pot de fleur !) une feuille de plastazote de 8 mm, puis tous les éléments à assembler soigneusement badigeonnés de résine époxy et efficacement positionnés. Une nouvelle feuille de plastazote sera plaquée sous un contre-plaqué de 7/10 afin de répartir les efforts des élastiques qui assurent la pression.

Et le lendemain vous sortez une pale presque parfaite... Le procédé est totalement artisanal et pratiqué depuis un demi-siècle (à part le plastazote) par les modélistes de vol libre.

Le moulage des pales : Voilà un pot qui produit de curieuses fleurs ! (1) le prototype de la pale maquette fonctionnelle mis en situation, montre comment on obtient creux et vrillage corrects. (2) Le prototype de la pale contre-coudée de l'hélice droite est dans son moule de plastazote.

Agrandissement (laborieux...) de la pale maquette prototype, on voit bien le pied de pale.

Mais...

Pour être tout à fait honnête, après la brève description un peu désinvolte de cette phase capitale, il faut avouer que le "moulage" est le moment le plus difficile de cette réalisation. Il aurait fallu le reste de la revue pour dévoiler toutes les précautions, les trucs et tours de main nécessaires.

De ce fait, nous n'avons même pas abordé des points très importants tels que le moyen pour obtenir un bon état de surface, un démoulage facile, un bon vrillage et dans le bon sens, pourquoi un tronc de cône et pas un cylindre, l'inclinaison de l'axe de pale par rapport à la génératrice (13° dans ce cas) etc... etc...

Rien n'est insurmontable.

Cette description ne prétend pas vous donner tous les éléments pour réaliser ces hélices, son objet serait plutôt de convaincre les jeunes maquettistes qu'aucune difficulté de construction n'est insurmontable... avec du temps et de la patience.

Dans ce cas, plus de six mois ont été consacrés à la documentation, la conception et l'expérimentation des méthodes de construction et la réalisation... Utilisées lors des premiers roulages après réglage du pas, ces hélices se sont révélées très satisfaisantes. Seules les difficultés rencontrées au roulage ont imposé la construction d'hélices en "béton" 100 % dural capables d'encaisser sans dommage les frictions avec la piste.

Aujourd'hui ? (1990...)

- Nous savons faire la pale maquette

- Nous connaissons le pas pour une motorisation donnée.

- Le moyeu n'est qu'un travail de tour et d'ajustage un peu plus élaboré que celui des semi-maquettes. La réalisation maquette et fonctionnelle de ces hélices n'est donc plus un mythe !

Guy n'a fait que deux pales maquette et quand il dit que la fabrication d'un moyeu maquette n'est "qu'un peu plus élaboré", cela reste à prouver, car il est vraisemblable que ce travail doit se révéler franchement épouvantable....

Ici, on voit l'ébauche du moyeu "semi-maquette".

Agrandissement de la pale qui semble "maquette".

Le modèle avait fière allure avec ses grandes hélices.

 

Un seul contact avec la piste fut fatal à certaines pales...

Là encore, on voit bien que le longeron fait partie du bord d'attaque.

Les hélices d'essai

Après les premiers essais de roulage et les vraies difficultés (la construction c'était une plaisanterie...), à quelques jours du départ pour Muret où les modélistes fêtaient le "Centenaire de l'Aviation", je dûs étudier, construire à la volée (calculer avec une brouette...) et mettre au point les hélices en duralumin (épaisseur 1 mm), que voici :

Pour que le pales ne se touchent pas les moyeux sont inversés. Flèche noire, hélice gauche, flèche jaune, hélice droite.

 

 

La page se termine par d'étranges visions d'hélices dans un univers multidimensionnel...

 

 

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