ⓘ Gossamer Condor

                                     

ⓘ Gossamer Condor

Le Gossamer Condor est le premier avion à énergie musculaire qui a remporté le prix Kremer, le 23 août 1977 près de Bakersfield.

Cet exploit historique a fait connaître Paul MacCready et sa société AeroVironment qui ont développé par la suite dautres engins à énergie musculaire, puis solaire et électrique, de plus en plus sophistiqués, et qui est aujourdhui spécialisée dans la conception et la production de drones avions sans pilote humain à bord.

                                     

1. Le prix Kremer

Les prix Kremer prizes sont une succession de défis lancés à partir de 1959 par lindustriel anglais Henry Kremer. Le premier défi offrait 50 000 £ 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 "8". Les premières tentatives davions 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 lété 1976, lingénieur américain Paul B. MacCready, Jr., son collaborateur en chef Peter B.S. Lissaman et léquipe de la société AeroVironment Inc. ont relevé le défi organisé par la RAeS Royal Aeronautical Society.

                                     

1.1. Le prix Kremer Conception

Sachant quun athlète de haut niveau peut au mieux fournir une puissance denviron 400 W sur une longue période, les calculs préliminaires montraient que lengin devait voler à très faible vitesse. La charge alaire doit alors être inférieure à 1.3 kg/m², ce qui conduit, avec un allongement supérieur à huit, à une aile denviron 30 m denvergure. Ancien modéliste confirmé, Paul MacCready commence par réaliser en août 1976 un modèle réduit de 2.40 m denvergure, à aile haute rectangulaire, contrôlé en tangage par un plan canard. Le modèle manquant de stabilité en tangage, il faudra agrandir le plan canard.

                                     

1.2. Le prix Kremer Mise au point

Le premier modèle à léchelle 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 daile se casse. La structure ultra-légère de laile manque de rigidité, elle se déforme trop. Un deuxième tube est ajouté, ainsi que des câbles supplémentaires pour maintenir lensemble. Pour ce nouveau modèle, le premier vol, correct mais encore très insuffisant 40 s, a lieu à la fin décembre 1976, avec Parker le fils de MacCready comme pilote, léger mais peu puissant.

Lavion 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. À la mi-janvier, MacCready arrondit le bord dattaque de laile ; le temps de vol avec le coureur cycliste Greg Miller comme pilote monte à plus de deux minutes. Mais lavion demande toujours trop de puissance au pilote ; par ailleurs, il manque de stabilité de route. Diverses surfaces verticales ont été ajoutées, sans succès. Fin janvier, le plan canard est rendu mobile en inclinaison, ce qui permet enfin de voler en ligne droite. Le 29, le vent est trop fort, les ailes cassent ; le moral de léquipe est au plus bas.

                                     

1.3. Le prix Kremer Autres challengers

Pendant ce temps, léquipe japonaise du professeur Hidemasa Kimura université Nihon progresse beaucoup. Elle a déjà réalisé plusieurs prototypes Linnet, Egret ; leur Stork a volé 600 m en mars 1976 et leur dernier engin, le Stork B, a réussi à voler 4 minutes en janvier 1977, mais sans faire de virage. Le temps presse pour MacCready.

                                     

1.4. Le prix Kremer Aéroport de Shafter

À la mi-février 77, léquipe 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 ; laile est modifiée: moins de surface, plus dallongement 12.8 au lieu de 8.3, flèche arrière pour respecter le centrage. Le profil redessiné par laérodynamicien Peter Lissaman est maintenant à double surface, le bord dattaque est arrondi ; un nombre plus élevé de nervures permet de mieux respecter le profil de laile. La mise en tension à chaud sèche-cheveux supprime les nombreux plis du revêtement de laile. La traînée est plus faible, la puissance demandée est de lordre de 220 W: le 6 mars, lavion vole cinq minutes, plus que le Stork B. Mais la technique de virage nest toujours pas au point. Un gouvernail est testé, sans succès. Fin mars, la technique de virage par vrillage de laile demande trop deffort. Le 5 avril, le virage est enfin réussi en couplant linclinaison du canard avec un vrillage de laile en sens inverse.

                                     

1.5. Le prix Kremer Technique de virage

À partir de février commence la mise au point laborieuse du contrôle en roulis. Le virage sur un avion classique suppose dincliner lavion pour ne pas déraper.

  • Le montage initial de spoilers destructeurs de portance ne fonctionne pas, la perte de portance est trop grande ; le pilote na pas de réserve de puissance pour compenser.
  • Installer des ailerons serait compliqué, fragile et alourdirait trop lappareil. Laile nest pas prévue en conséquence, et de toute façon, tout comme le vrillage, cette solution ne conviendrait pas à cause du lacet inverse.
  • La technique de vrillage de laile utilisée par les Frères Wright ne fonctionne pas non plus: la traînée de laile extérieure au virage vrillée positivement est trop forte, ce qui induit du lacet inverse, lavion tourne dans le mauvais sens.

Les caractéristiques de cet engin sont inhabituelles:

  • la masse de lengin est très faible par rapport à sa surface ; par rapport à un avion classique, la masse de lair quil faut mouvoir pour accompagner tout mouvement de la voilure nest pas négligeable. Cette masse qualifiée de "masse apparente" dépend de la surface considérée ; elle est beaucoup plus faible pour un mouvement de lacet aile en vue frontale que pour un mouvement de roulis aile vue en plan ;
  • la vitesse très faible et lenvergure très grande font que, en virage, le mouvement de rotation lacet modifie beaucoup les vitesses en bout daile. La vitesse de laile extérieure au virage augmente, celle de laile 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.
                                     

1.6. Le prix Kremer "Reverse warping" vrillage inversé

La mise en virage sera finalement obtenue de façon totalement inhabituelle par couplage de linclinaison latérale du plan canard et du vrillage en sens inverse du sens normal de laile. Tout le secret est là: utiliser le vrillage de laile non pas pour incliner lavion mais pour obtenir un freinage asymétrique et donc un virage à plat. Le 7 avril, premier vol réussi du nouveau pilote.

                                     

1.7. Le prix Kremer Le pilote

Bryan Allen en, âgé de 24 ans, a été embauché comme pilote en avril 1977, pour 3 dollars de lheure. Il est cycliste expérimenté et pilote de deltaplane. Le pilote pèse 62 kg, soit presque le double du poids de lavion. Il est assis en position légèrement sur larrière dans un carénage situé sous laile. Il agit sur un manche qui commande le tangage et le lacet par modification du calage et de linclinaison latérale du plan canard. En virage, il agit également sur un levier qui vrille laile arrière.

                                     

1.8. Le prix Kremer Mise au point finale

Le 11 avril 1977, un virage en vol est réussi, mais leffort est encore important. Au cours dun essai le 16 juillet, une aile est pliée par la turbulence dun avion dépandage agricole, mais lavion se pose doucement, sans trop de dégât. Il est réparé, une fois de plus ; le 19, il vole 5 min et 15 s. Le 29 juillet, nouveau plan canard. Le 4 août, lavion vole 7 min. Le 6 août, crash. Reconstruction, nouveau fuselage mieux caréné, plus léger. Installation dune gaine darrivée dair pour le pilote.

                                     

2. Le prix

Les premiers essais officiels ne réussissent pas: le 6 août, lavion se crashe après une avarie du système de commande ; le 20 août, lavion fait le parcours mais natteint pas laltitude imposée par le règlement du prix Kremer 3 mètres. Il en va de même le 22 août, toujours à cause du vent. Le 23 août 1977, Bryan Allen parcourt enfin le circuit imposé en 7 min 25 s, 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, dessais, 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 léquipe est reçue à Londres par la RAeS Royal Aeronautical Society pour la remise du prix. Un Monument de lÉtat de Californie est érigé au Champ de cet événement. MacCready pense déjà à relever le nouveau défi Kremer: la traversée de la Manche.

Celle-ci sera réussie le 12 juin 1979 par Bryan Allen avec le Gossamer Albatross, un autre avion à pédales conçu par Paul MacCready et Peter Lissaman.

Le Gossamer Condor est exposé depuis au Smithsonian National Air and Space Museum à Washington.

                                     

3. Condor et Gossamer

Le nom de lavion sexplique ainsi: Paul MacCready est un passionné daviation et excellent pilote de planeur. Depuis toujours, il observe le vol des oiseaux, et particulièrement le vol plané des vautours et des condors. 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. Cest ce qui explique le terme "Gossamer", qui désigne une gaze ultra-légère, comme le revêtement de laile de lavion.

                                     

4. Caractéristiques

Le Gossamer Condor est un avion de configuration canard. La structure est en tubes daluminium de diamètre 50, à épaisseur variable de 0.9 à 0.4 mm pour les ailes ; le recouvrement est en film polyester Mylar un produit Du Pont ultrafin 13 µm. Nombreux câbles en fil dacier corde à piano, diamètre 0.5 à 0.9 mm. Un anémomètre à hélice est placé entre le plan canard et les ailes.

Envergure: 29.25 m 96 ft Surface portante de laile: 70.6 m² ; surface portante du canard: 8.64 m² Longueur: 9.14 m ; hauteur: 5.49 m Masse à vide: 31.75 kg 70 lb ; masse totale en vol: ~ 94 kg Charge alaire: ~ 1.33 kg/m² Vitesse de vol: ~ 4.7 m/s ~ 17 km/h ~ 10.6 mph Coefficient de portance: 0.96 Diamètre de lhélice propulsive: 3.60 m Régime pilote: ~ 90 tr/min ; transmission par une longue chaîne, rapport: 62/52 = 1.19 ; régime hélice: ~ 107 tr/min Traînée: ~ 46 à 69 N, soit en moyenne 52 N 5.2 kg; finesse: ~ 17 Puissance hélice: ~ 250 W ; rendement hélice et transmission: 0.80 ; puissance pilote: ~ 300 W Puissance spécifique: ~ 4.8 W/kg puissance pilote/masse pilote.

                                     

5. Bibliographie

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