Conception et réalisation

de l’aile du planeur " Jade ", 

modèle réduit de compétition F3i

(Fiche de Synthèse : document fourni au jury en résumé du dossier, pour la présentation)

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   La catégorie F3i est un règlement de compétition, inscrit au code de la FAI, définissant une catégorie de planeur modèle réduit. L'intérêt du F3i réside dans les deux épreuves en vol imposées, de vitesse et de durée, qui sont radicalement différentes.

   L’objectif de ce PIR (Projet d'Initiation à la Recherche) est de créer une aile de planeur modèle réduit spécifiquement adaptée à ce règlement. Notre démarche a donc été la suivante :

Le but est ensuite de concourir en compétition F3i avec un planeur complet, avec succès si possible.

I. Détermination du cahier des charges et de la formule globale.

1. Panorama de la catégorie F3i.

  • Le règlement en bref.
  • Le règlement de compétition F3i est très précis et complet, vous le trouverez en annexe. Les grandes lignes, qui dimensionnent le planeur, sont ici résumées :

  • Le f3i à l’heure actuelle.
  • Un " état des lieux " du F3i à l’heure actuelle a été réalisé. Ainsi :

    2. Cahier des charges.

    On peut considérer que le contrat à remplir est résumé par :

    Ainsi, une faible charge alaire et un fort Cz sont recommandés. L'allongement devra être aussi grand que possible, dans la mesure où les contraintes mécaniques et les qualités de vol le permettent.

    On peut résumer le contrat à remplir par : maximiser V sous la pente avec

    Une forte charge alaire et un faible Cx sont indispensables. Il ne faut pas non plus oublier la nécessité de réaliser des virages sous fort facteur de charge, ce qui demande un bon Cz et une bonne résistance mécanique.

    3. Performances transcrites dans le plan allongement- charge alaire :

    Les différents points du cahier des charges ont été traduits en terme de relations entre l’allongement l et la charge alaire . On peut ainsi tracer des lignes de niveau dans le plan, de la façon suivante :

    En bleu (lignes horizontales) des iso vitesse, en vert, la frontière supérieure des domaines , pour différents Cz. En bleu épais et en fuchsia, les charges alaire maximales liées au règlement.

    Il est notable que les allongements paraissent indéfiniment favorables. Il a été choisi de considérer un critère de qualité de vol pour borner le plan (un taux de roulis minimum admis).

    4. Choix des paramètres globaux.

       Il a été choisi de prendre comme référence le JCH, qui fait bonne figure dans la catégorie : pour aller plus vite, tout en gardant des performances comparables en durée (position dans le réseau de courbes vertes), une charge alaire plus forte et un allongement plus grand ont été visés.

       En travaillant à masse maximale, on donc gelé un allongement l autour de 17,5, et une charge alaire dans les 6kg/m².

    Pour garder une bonne épaisseur à l’emplanture (contraintes mécanique), les cordes restent comparables, et c’est l’envergure qui est augmentée. De la maîtrise de la flexion, et surtout des couplages flexion/torsion en virage, dépendent les performances lors des virages sous forte charge de l’épreuve de vitesse.

     

    II. Une aile en réponse au cahier des charges.

       Les grandes caractéristiques de l’aile ayant été gelées, il reste maintenant à déterminer l’aérodynamique précise de l’aile répondant le mieux au cahier des charges fixé.

    Il a été choisi d’utiliser un code de ligne portante (programme sous Windows), en conjonction avec Xfoil. Ce dernier est une " soufflerie numérique " 2D, qui a pour avantage de très bien modéliser les effets de la viscosité aux nombres de Reynolds rencontrés. Ainsi l’aile a été développée en tant que " voilure " à part entière.

    1. Problématique.

    On doit, tout en maximisant la portance, chercher à " chasser " la traînée autant que possible.

    Sachant :, on va en fait chercher à optimiser l’aile en au moins deux points de vol.

     

    2. Détermination de la forme en plan.

    L’aile a été déterminée en plan grâce au programme de corde moyenne. Le résultat du processus est le suivant (voir dossier) :

    Une aile non vrillée, avec une distribution de corde quasi elliptique (plus large au saumon) et une distribution de flèche particulière.


    Optimisation des débattements des volets du point de vue de la trainée induite (distribution de portance), pour Cz=0,6.

     

    On concilie ainsi des exigences liées à la distribution de portance (facteur d’Oswald), aux considérations mécaniques (passage d’un longeron), et d’autres visant à éviter les très petits Reynolds aux saumons.

    La présence de deux volets le long du bord de fuite permet en quelque sorte d’adapter artificiellement le vrillage en fonction du point de vol.

    3. Création de profils 2D.

    C’est le poste qui a le plus été creusé. A partir d’une référence, le HQ2/09, et d’un profil original, le MG-08, deux profils ont été spécifiquement créés pour ce problème, en utilisant Xfoil.

    Le point de départ est le suivant :

    Il apparaît expérimentalement qu’un profil résistant bien aux petits Reynolds et " marchant bien aux volets "doit avoir un extrados aussi peu courbé que possible, derrière un maître couple avancé (27 à 35% de la corde), avec un intrados peu creusé au bord de fuite.

    Le but recherché était d’obtenir un profil avec un plus faible Cx que le profil de référence, mais dont on puisse récupérer les qualités de Cz max par une utilisation judicieuse et efficace des volets.

    Ainsi, le maître couple du profil de référence a-t-il été avancé, et le bord de fuite retravaillé, tandis que le bord d’attaque était conservé. D’après Xfoil, on peut espérer un gain, avec l’utilisation de la courbure variable.


    ms1,9/8,7

    Epaisseur relative : 8,7%, cambrure max : 1,95%

    (profil courant)

    Ms2/9.5

    Epaisseur relative : 9,5%, cambrure max : 2%

    (profil d’emplanture)

    De nombreuses courbes, calculées sous Xfoil, dans des configurations différentes, sont disponibles en annexe du dossier.

     

     

    III. Dimensionnement et construction de l’aile.

    L’aile a donc été figée sous la forme suivante :

    Envergure

    3810mm

    Surface

    83.6dm²

    Allongement

    17.4

    Profils

    MS 9,5/2, MS 8,7/1,9, MG 06.

    Il a été choisi de réaliser cette aile en composite, au laboratoire structure de l’école.

    1. Dimensionnement des éléments de l’aile.

    L’aile à été dimensionnée en flexion, pour une accélération de 20g. Le calcul s’est déroulé en deux étapes :

    Les moment à l’emplanture calculés sont de l’ordre de 360N.m, et le carbone pultrudé admet une contrainte maximale élevée, de l’ordre de s max = 1500 Mpa .

    Les masses en jeu dans les deux cas étaient assez prohibitives pour passer tous les efforts. La solution technique retenue a été intermédiaire : une peau travaillante partout, avec en plus pour la zone proche de l’emplanture, un longeron partiel reprend les efforts qui y sont concentrés.

    2. Réalisation de l’aile.

    Les ailes sont stratifiées dans des moules, sous vide.

    Les étapes de la construction ont été :

    • Fabrication des moules (au nombre de 4), en mousse recouverte d’un pli de tissus de verre.
    • Découpe des noyaux de mousse, par la méthode du fil chaud.
    • Fabrication du longeron.
    • Stratification des ailes dans les moules.

    Malheureusement, nous n’avons pu aller au bout de la dernière étape de la construction, à savoir la stratification des ailes proprement dites. Cela n’est que partie remise, et le travail sera terminé à partir du mois de septembre.


    Remerciements particuliers :

    Du laboratoire d’aérodynamique : Du département de mécanique du vol : Du laboratoire de mécanique :

    Les modélistes, pour leur expérience et leurs discussions constructives :


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