Article paru dans ULMiste n°3, octobre 2010

 

On enlève le haut ou pas ?

 

En vol libre, il y a près de 20 ans qu’on ne se pose plus la question de savoir si on retire ou non le mât et toute la câblerie supérieure des ailes delta. En ULM, la solution est retenue depuis plus de dix ans, notamment outre-Atlantique, sur des ailes simples surfaces aux performances modestes. Depuis 3 ans environ, la mode est à voler sans mât sur des ailes motorisées dites de performance. Ne s’agit-il, justement, que d’une mode ? Y a-t-il un réel intérêt ? Y aurait-il des risques ? Tentons de répondre par des éléments factuels, en vulgarisant au maximum des notions qui restent encore du domaine de la recherche, toutes voilures souples confondues.

 

Pierre-Jean le Camus

 

Qu’est-ce qu’une aile delta ?

 

C’est une voilure souple (et non pas “rigide” comme le dit l’arrêté ULM de 1998), de la famille des ailes volantes. Les variations du centre de gravité, provoquées par le pilote ou induites par la masse d’air et la gravité, entraînent des déformations de la voilure souple et des tubes de structures. La voilure travaille sur les tubes, par variations des lobes des deux demi ailes et du profil. Les tubes eux-mêmes se déplacent et se déforment, l’un par rapport à l’autre via leurs jonctions mobiles, mais aussi en élasticité : en fonction de la vitesse, de l’incidence, de la charge alaire et de la turbulence, les tubes de bord d’attaque travaillent en flexion vers le haut, le bas ou l’arrière. C’est un peu inquiétant au premier abord, mais bien entendu le tout est largement dimensionné et certifié par des tests sérieux et, surtout, le temps. Voilà plus de 30 ans que la formule fonctionne.

 

Vrillage

 

Le vrillage de l’aile permet d’assurer la stabilité sur tous les axes. Bien sûr, la stabilité tangage et roulis sont également imputables au centre de gravité bas qui “pendule” sous son point d’accroche et la stabilité de route est également grandement améliorée par la flèche, qui est l’angle formé par les tubes de bord d’attaque. Rappelons qu’il s’agit ici d’une vulgarisation. Nous comprenons également, à l’observation de l’illustration ci-dessus, que le vrillage entraîne une variation de la “portance utile”. Plus l’incidence globale est faible, moins les bouts de plume portent et inversement. Ainsi, aux fortes incidences, les bouts d’ailes retrouvent de la portance et le décrochage commence par le centre de l’aile, dont l’incidence est toujours plus importante. C’est ici, notamment, que la déformation élastique des tubes, sous la charge, permet un amortissement efficace de l’abatée.

Le vrillage est obtenu par le travail sur les éléments cousus de la voilure et fourreaux de lattes. En vol droit stabilisé, à la vitesse de compensation et en conditions parfaitement calmes, ceci suffit, dans la théorie comme dans la pratique, à maintenir le vrillage d’une aile delta. Toutefois, vu que nous voulons aussi voler quand ça brasse, nous tirer des bourres entre potes et faire des virages, montées, descentes, ressources et autres manœuvres raisonnables imposées par le vol en lui-même, il faut pouvoir brider la forme et le vrillage de l’aile et lui posant des butées. Nous venons de voir que sous facteur de charge positif au moins égal à 1, la butée est donnée par la voile en elle-même.

C’est en négatif que les choses se gâtent. C’est pourquoi l’idée de poser des câbles de rappel a été trouvée très vite, dans l’histoire du delta. Ces derniers maintiennent le vrillage face aux efforts en négatif, ainsi que la bonne tenue du profil, afin que le réflex du profil, donc son rappel au neutre en tangage, soit nécessaire et suffisant. En bout de plume, les efforts sont repris par un tube sensiblement horizontal dit “cale de vrillage”, remplacé, sur certaines ailes, par une corde de rappel (au-dessus, donc). Cette cale de vrillage est soit enfermée dans la structure de l’aile, soit extérieure. Dans cette dernière configuration, on constate qu’en vol de croisière stabilisé, etc., tout ça, cette cale ne sert à rien. Pour faire un bilan d’étape, tout le chni collé sur l’extrados d’une aile delta ne sert qu’en négatif, ainsi, nous l’allons voir, qu’aux hautes vitesses et faibles incidences. Il est important de noter ici que sans vrillage une aile delta souple ne vole pas, en tous cas n’a pas de stabilité.

 

Roulis

 

Le roulis d’une aile delta se pilote par déplacement du centre de gravité. En vol droit stabilisé, les deux lobes de l’aile sont identiques. Lorsque l’on déplace le centre de gravité vers la droite, l’incidence des deux demi-ailes varie, la structure tubulaire se déforme et provoque un “gonflement” du lobe droit. Il en résulte que le profil gauche s’aplatit, accélère, crée un déséquilibre de portance : un virage, coordonné en roulis et lacet quand l’aile est correctement dessinée. Les cordes de rappel travaillent d’elles-mêmes, soit par leur tension, soit parce qu’elles sont montées sur une poulie au mât. Plus la surface alaire est importante, plus ces déformations de lobes seront sensibles et inversement. On comprend également que la stabilité en roulis est “automatique”, puisque, barre lâchée, l’aile va travailler toute seule et revenir à plat d’elle-même, en amortissement. Jusqu’à un certain point, évidemment.

 

Bon alors, si on enlève le haut ?

 

Après que les tous premiers deltaplanes aient volé sans cordes de rappel, qu’on ait ensuite compris qu’il les fallait, puis progressé dans la compréhension globale de la mécanique de vol de ce nouvel engin qui n’était pas encore enseigné dans les écoles d’ingénieurs et commence à peine à y être abordé dans certains pays, on imagina, pour retirer de la traînée, donc gagner en rendement, qu’il était possible de voler sans rien au-dessus. C’est le constructeur allemand Guggenmos qui sauta le pas le premier, en construisant ce qui préfigurait l’aile rigide actuelle (autre sujet, restons sur les ailes souples). Puis le fabriquant français Ellipse, qui produit actuellement les ailes pour DTA, sortit dès 1988 le Virus, une aile sans mât à haubans inférieurs rigides, qui était, dans sa forme, ce que les ailes sans mât pour ULM sont actuellement. En 1995, le constructeur Dijonnais La Mouette, en collaboration compétitive avec les Australiens Moyes, mit au point l’aile Topless, dont le nom devint en anglais le terme générique pour désigner les ailes sans mât, au grand dam de la concurrence. La grande nouveauté était que les haubans inférieurs rigides retenus par Ellipse laissaient place à des transversales autoporteuses en carbone. En effet, en usage en libre, les haubans en alu ajoutaient du poids, mais aussi, rendaient le vol en conditions turbulentes (la règle en libre), passablement inconfortable, du fait de l’absence de déformations des bords d’attaque entre leur liaison centrale et la jonction avec ces haubans. Ce phénomène est à noter, car il concerne aujourd’hui les ULM à ailes sans mât, qui pour des raisons de tenue à la charge ne peuvent pas employer les transervsales autoporteuses.

 

La tenue du vrillage de l’aile en négatif et le réflex du profil sont assurés par des “balestrons”, sortes de grandes cales de vrillage, dont les efforts sont répartis entre 3 ou 5 lattes par des lattes parallèles au bord de fuite. Ainsi, on se retrouve avec une aile dont la stabilité n’a rien à envier aux autres et roule ma poule, tout le monde est content! Mais cette solution n’est pas sans poser quelques problèmes. En virage, la déformation des lobes est limitée par les balestrons. Il est donc plus facile de faire voler une aile sans mât de petite surface qu’une plus grande. Plus la surface alaire est importante, moins les balestrons peuvent assurer leur fonction, puisque leur hauteur sera limitée par la nécessité d’assurer des déformations suffisantes en virage. Mais, par ailleurs, plus l’aile est petite, plus elle volera vite, ce qui pose aussi quelques soucis. En libre, un certain nombre d’ailes, certes en faible proportion, ont basculé sur le dos par l’avant, engendrant un tumbling irréversible. Ce dernier consiste en une rotation sur l’axe de tangage dont il est très difficile de sortir en libre et quasi impossible au moteur avec un chariot suspendu sous l’aile. Ces événements surviennent aux incidences dites critiques, donc proche de limites faibles et fortes. Dans un cas, en vol rapide, une rafale descendante soudaine génère un irréversible basculement vers l’avant, dans l’autre un décrochage suscite une brusque abattée puis un passage sur le toit, généralement dissymétrique. Ces phénomènes furent suffisamment préoccupants pour que les constructeurs se penchent sur la question, leur finalité n’étant pas de fabriquer des veuves, bien qu’en libre le parachute soit une sorte de norme.

Les ailes delta de vol libre sont équipées d’un système nommé “overdrive”, qui permet de jouer sur la tension des transversales, donc la flèche, les lobes, le vrillage, etc. Le but de cet appendice est d’améliorer les performances en transition, lorsque le pilote circuite d’une ascendance à une autre et doit aller vite sans dégrader sa finesse. On transite tout tendu (aile “plate”), on monte en thermique tout détendu (aile lobée), car la tension du système donne une aile assez pointue à piloter car raide et passablement instable. On observa, sur les ailes accidentées, que tous les éléments travaillant à la stabilité en tangage, balestrons et autres lattes, avaient tenu. Il convient également de préciser que sur quelques-unes de ces ailes, les pilotes avaient modifié les réglages des balestrons, qu’ils avaient redescendu pour récupérer de la maniabilité tout tendu. On note également que les pilotes qui jouent de l’overdrive avec parcimonie et ne chatouillent pas les hautes et basses vitesses n’ont aucun problème. C’est donc aux extrémités de plage que le problème se pose. Solution : brider l’aile. Mais le vol libre étant par nature une activité de compétition, avec les éléments d’abord, avec soi-même, puis, surtout, avec les autres, il fallait, pour rester dans le peloton de tête, trouver la ou les solutions qui permettraient de conserver les excellentes performances de la formule, en augmentant la sécurité. Diverses solutions ont été testées, jusqu’à ce qu’un consensus s’établît autour du stabilisateur horizontal placé au bout de la quille. Il s’agit d’une sorte d’empennage en matériaux composites qui vient reprendre les éventuels efforts en négatif sur amorce de bascule. Exactement comme sur un aéronef de formule Blériot : aucune portance (voire même de la “déportance”), mais de la traînée stabilisatrice. Aucun constructeur ne l’impose, mais certains le proposent, voire le recommandent, pendant que d’autres affirment, avec des arguments qu’il faut entendre, que cela ne sert à rien. En tous les cas, tous les constructeurs du vol libre sont d’accord pour dire qu’une aile sans mât n’est pas à mettre entre toutes les mains.

 

En retirant le mât et les câbles au-dessus de l’aile, on retire de la traînée. Or, si c’est bien précisément le but vu que cela génère une augmentation du rendement de près de 10%, ce qui en libre est conséquent, cette traînée est également bénéfique à la stabilité d’une aile delta telle qu’elle est conçue de nos jours. Avec la vitesse, qui agit à son carré sur la traînée, la tension des cordes de rappel augmente et améliore la stabilité, en augmentant le rappel au neutre. Pendant ce temps, les efficaces balestrons restant inertes, le moment de rappel au neutre ne varie pas, toutes choses égales par ailleurs.

Il existe une solution pour ne pas se mettre en danger avec une aile sans mât: ne pas aller chatouiller de trop hautes vitesses et rester loin des limites basses, surtout en conditions turbulentes.

 

Au moteur ?

 

En ULM, la théorie ne varie pas. La pratique, si. Notre domaine de vol n’est pas le même qu’en libre. Nous avons moins l’impératif de voler dans des conditions limites, nous n’avons pas d’overdrive mais sur les ailes sans mât rapides, nous sommes dans une configuration qui correpondrait à un overdrive tendu. Néanmoins nous ne cherchons pas la vitesse pour la vitesse et en vol, nous ne jouons pas tellement avec les limites du décrochage. Par ailleurs, nous avons l’obligation légale de respecter scrupuleusement le manuel d’utilisation et les limites qui y sont indiquées : basses vitesses, hautes vitesses, assiette et inclinaison. Ce, en fonction des conditions, bien entendu. La plupart des actuelles ailes étant limitées à moins de 140 km/h en conditions turbulentes, on reste loin des limites de vitesses hautes revendiquées ou avérées.

Il y a eu des accidents avec des ULM à ailes sans mât. Nous t’épargnerons un inventaire à la Prévert, mais sache que pour préparer ce papier, nous les avons listés et observés de près. Il apparaît que, comme en libre et sans événement extérieur n’ayant aucun lien avec l’absence ou non de mât, rester dans une enveloppe de vol raisonnable protège de l’incident, à la lumière des accidents observés. Les accidents sans événement extérieur ont lieu suite à d’imprudentes manœuvres radicales du pilote, comme lorsqu’il y a un mât. Reste à savoir si l’absence de mât change la donne aux limites du domaine de vol et là, la théorie et les vingt années d’expérience du delta libre ne permettent pas de répondre catégoriquement par la négative.

Pour avoir également échangé avec un certain nombre de concepteurs, en libre et au moteur, nous pouvons donc affirmer, quitte à froisser, que les limites du domaine de vol sont mal connues, car difficiles à explorer. Dans un grand nombre de pays, tout aéronef est certifié, avec plus ou moins de rigueur. Ainsi, les ailes delta doivent passer une batterie de tests avant de pouvoir être commercialisées. Laissons de côté les querelles d’experts pour savoir qui propose le meilleur service de tests et restons sur ce qui est commun à tous, les hautes vitesses. En Allemagne, pays dont les tests, initialement destinés aux ailes de vol libre, permettent l’homologation dans la plupart des pays du monde, on ne peut pas tester les ailes à plus de 130 km/h et -15° d’incidence (minimum requis), pour cause de manque de puissance et de stabilité du véhicule test. En Grande-Bretagne, on peut monter à plus de 160 km/h. A ce jour, à notre connaissance, seul Pegasus a testé le QuikR à ces vitesses. Par ailleurs, ces tests ne reconstituent qu’une simulation de vol stabilisé en ligne droite uniquement. Et en conditions calmes : impossible de reconstituer la convection à quelques mètres du sol. Les ailes testées passent l’examen avec succès, mais, encore une fois, on ne peut affirmer que ces tests suffisent à explorer l’entièreté du domaine de vol, que ce soit avec ou sans mât.

 

Bon, alors ?

 

En conclusion, le parallèle avec l’aile delta de libre, proposé ici pour poser un contexte historique et technique, ne tient pas bien longtemps. Le domaine de vol utile n’est pas le même, nous n’avons pas d’overdrive, le centre de gravité et la charge alaire ne nous sont pas communs, etc. En revanche, nous volons plus vite, potentiellement.

Par ailleurs, nul ne peut imaginer qu’aucun constructeur ne prendrait le risque de mettre sur le marché une aile dont lui, expert, ne serait pas sûr à 100%. Avec les limitations qu’il pose lui-même, qui ne servent pas qu’à se décharger d’une quelconque responsabilité en cas de gag. Comme pour les autres ailes, il appartient donc à chacun de respecter le domaine de vol de sa machine pour s’assurer du plaisir et de vieux jours.

 

Reste à savoir pourquoi toi, pilote de pendulaire, tu tiens absolument à aller vite. Mais cette question-là n’aura jamais de réponse. Aucun constructeur n’a de sa propre initiative imaginé un pendulaire qui ne saurait plus rien faire que voler vite, au détriment des basses vitesses, de l’agrément, de la sécurité aux limites. D’autres ne se plient pas à tes dictats et se contentent d’enlever le mât sans retirer de surface, ce qui, techniquement, n’est pas forcément plus simple, nous l’avons vu.

 

A chacun de voir s’il peut ou doit voler sans mât ou non. Vu le domaine de vol des pendulaires, on ne peut affirmer, contrairement au libre, que le simple fait de voler sur une aile sans mât ne soit réservé qu’à des pilotes d’expérience. Ce sera fonction des ailes, comme avec les autres. Il est certain que le gain de rendement ne peut être ignoré. Si l’on s’accorde autour du chiffre de 8% généralement admis (essentiellement à hautes vitesses), l’aile sans mât permettra de voler avec une moindre puissance. Donc, soit avec un moteur plus petit, soit avec moins de gaz. Imaginons un pilote qui vole 50 heures par an à 12 litres à l’heure, soit 600 litres par an. A moteur, surface, charge et vitesse (élevée) égale, une aile sans mât lui offre donc la possibilité de baisser sa consommation de 48 litres par an, soit une soixantaine d’Euros. Son aile sans mât lui ayant été facturée environ 1500€ de plus que son équivalent à mât, il lui faudra 25 ans pour retomber sur ses pieds...

 

A ce prix-là, il pourra replier son aile sur son chariot et entrer dans des hangars aux ouvertures basses.