8-1 Cellule (motoplaneurs)
Cellule
La cellule d'un aéronef est l'ensemble des composants, à l'exclusion du moteur et de l'instrumentation de bord. L'ensemble des composants de la cellule permettent de répondre à tous les besoins du vol : écoulement aérodynamique, résistance, contrôle de la trajectoire, emport de passagers, déplacement au sol...etc. Suivant la volonté du concepteur du planeur, ce dernier peut être optimisé pour le vol lent, le vol rapide, ou encore pour les vols écoles. Les connaissances détaillées ici permettent au pilote de comprendre le rôle de chaque composant, aussi bien au sol (visite technique pré-vol) qu'en vol (technique de pilotage...)
Ailes
L'aile a pour rôle principal de générer de la portance. L'avant arrondi de l'aile est appelé bord d'attaque et l'arrière effilé le bord de fuite. La surface du dessus de l'aile est appelée extrados et la surface du dessous est appelée intrados.
L'aile se compose de la demie-aile gauche et la demie-aile droite. Ces demie-ailes sont amovibles, attachées l'une à l'autre par une ou deux clefs d'aile, elles emprisonnent le fuselage et s'y accroche par 4 pions qui supportent les éfforts. Chaque demie-aile abrite également un certain nombre de commandes telles que des ailerons, des aérofreins et éventuellement des volets. De plus, il peut y avoir des réservoirs de carburant, ou d'eau (ballasts). De nos jours, les extrémités de l'aile (le saumon) incurvées vers le haut sont appelée winglet et augmente les performances. En dessous du saumon, un patin ou une petite roulette permet de protéger l'aile lorsqu'elle frotte au sol.
La structure essentielle d'une aile se compose :
- d'un longeron qui supporte les efforts
- de nervures qui donnent la forme du profil d'aile.
- d'un revêtement non-travaillante (toile) ou travaillante (matériaux composites)
- d'un système de connexion et d'attache au fuselage (Pions et clefs d'aile).
Vocabulaire d'une demie-aile. Le même vocabulaire est utilisé pour tous les autres composants aérodynamiques avec profils (empennages, hélice...).
Structure d'une demie-aile simple.
L'aile doit supporter les efforts statique de portance et de trainée, et leurs variations lors du braquage des ailerons, des volets et des aérofreins. Plus difficile à appréhender, elle doit aussi avoir une certaine rigidité en torsion, ce qui influe fortement la vitesse maximum de l'aéronef, car plus l'aile est rigide et plus le phénomène néfaste de flutter (résonance entre la flexion et la torsion : le flutter) surviendra à une vitesse élevée.
Fuselage
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Le fuselage contient le cockpit, le train d'atterrissage, et éventuellement le Groupe Moto Propulseur. De solides pions d'ancrages permettent de porter le fuselage entre les deux demie-ailes. Le fuselage se prolonge vers l'arrière (poutre de queue) pour servir de point d'ancrage aux empennages, relativement loin du centre de gravité de l'aéronef. Le fuselage peut contenir un réservoir de carburant.
Structure d'un fuselage simple
La structure essentielle d'un fuselage se compose :
- de cadres et de lisses formant une structure
- d'un revêtement non-travaillante (toile) ou travaillante (matériaux composites)
- d'un système de connexion et d'attache des ailes et de l'empennage horizontal (Pions).
- du train d'atterrissage
- du Groupe Moto Propulseur et les éléments pour le mettre en œuvre (carburant...)
Le fuselage doit supporter les efforts lié à la charge utile (pilote, bagage), les efforts de traction du moteur (ou du câble de remorquage/treillage) et les efforts aérodynamiques des empennages. Ces derniers peuvent être très important à haute vitesse, le braquage des commandes est d'ailleurs limité à un tiers du débattement total au delà d'une certaine vitesse. Au niveau du train d'atterrissage, le fuselage doit être renforcé pour supporter la charge de l'aéronef lorsqu'il touche le sol et qu'il roule au sol.
Cockpit
Le cockpit ou poste de pilotage désigne l'espace réservé au pilote, son copilote. Il contient toutes les commandes et les instruments nécessaires au pilotage de l'appareil. Pour s'adapter à la taille du pilote, le siège ainsi que les palonniers peuvent être réglables. Dans le cas contraire des cousins spécifiques peuvent être utilisés. Le pilote est sanglé au siège par une ceinture de sécurité à déverrouillage rapide contenant 4 points (2 ventrales et 2 bretelles). Les planeurs de catégorie A (Acrobatique) disposent obligatoirement d'un cinquième point entre les jambes.
Les commandes de vols sont identifiés par des couleurs. Le rouge est réservé aux commandes d'urgences comme par exemple le largage de la verrière pour l'évacuation en vol. Une commande de couleur rouge ne doit normalement pas être manipulée en situation normale. Un cas particulier existe dans le cas où la commande d'ouverture normale de verrière (couleur blanche) est la même que la commande de largage de la verrière (couleur rouge), la couleur de la commande sera alors rouge.
Description d'un cockpit simple. Noter la couleur normalisée des commandes. Les commandes non représentées (train d'atterrissage, volets de courbure, réglage palonnier...) sont de couleur noire.
Le planeur est conçu pour voler avec un pilote d'une certaine masse (généralement entre 70 et 110kg parachute inclus). Si le pilote est trop lourd, il n'a pas d'autre choix que de maigrir ! mais si il est trop léger, des masses additionnelles appelée vulgairement geuses peuvent être utilisées. Deux types de masses existes : Une masse à placer sous le pilote (de l'équivalent de ce qu'il manque au pilote pour atteindre la masse minimum) ou des masses prévues par le constructeur placées à l'avant du cockpit (la masse à ajouter est alors plus faible car le bras de levier par rapport au centre de gravité est plus grand).
Empennages horizontal et vertical
Les empennages situés à l'extrémité arrière du fuselage sont utilisés pour la stabilité du vol et pour le contrôle autour de deux des trois axes. Un empennage se compose d'une partie fixe et d'une gouverne permettant d'agir sur la trajectoire. Dans certains cas, il n'y qu'une seule grande partie mobile que l'on appel alors empennage monobloc. L'empennage horizontal est utilisé pour la stabilité longitudinale autour de l'axe de tangage, l'empennage vertical est utilisé pour la stabilité et le contrôle autour de l'axe de lacet. L'empennage horizontal est amovible dans le but de pouvoir transporter le planeur en remorque.
L'empennage horizontal peut être classique et fixé à la base de la dérive au niveau du fuselage, ou conçu comme un empennage en T et fixé en haut de la dérive. Une forme plus rare est l'empennage en V, dans laquelle deux surfaces de stabilisation et de contrôle inclinées fonctionnent ensemble comme gouvernail et profondeur. La trainée d'un tel montage est plus faible mais la construction et le pilotage est complexe.
Empennage en "V". Siren C.30S Edelweiss, au Musée régional de l'air d'Angers-Marcé (France)
Empennage horizontal classique, monté sur le fuselage.
Empennage horizontal en "T", monté en haut de l'empennage vertical
La structure des empennages reprend les principes de construction d'une aile. L'empennage vertical peut contenir un système pour lester la queue du planeur (avec de l'eau ou avec des masses en plomb) pour ajuster le centrage de l'aéronef. Seul l'empennage horizontal se démonte dans le but de placer le planeur en remorque.
Les empennages génèrent des efforts qui vont permettre de stabiliser et diriger le planeur. La poutre de queue est fortement sollicitée car elle transmet l'ensemble des efforts au reste du planeur. Aussi, l'empennage horizontal ne permet pas de manipuler l'aéronef au sol et le pilote devra s'interdire d’exercer des efforts importants sur ce dernier.
Gouvernes de vol et de contrôle
Une gouverne est une surface mobile permettant de diriger l'aéronef. A chacun des 3 axes est associé une gouverne, actionnée par une commande dans le cockpit :
- Axe de tangage : Gouverne de profondeur actionnée par le manche d'avant en arrière
- Axe de roulis: Les ailerons actionnés par le manche de droite à gauche
- Axe de lacet : Gouverne de direction actionnée par les palonniers
Ces gouvernes sont construites selon les mêmes principes que la voilure et les empennages (longeron, nervure, revêtement...). Elles sont reliées à l'aéronef par un axe d'articulation, et actionnées par une commande. Le concepteur s'arrange pour l'effort nécessaire pour actionner la gouverne soit compatible avec l’effort que peut fournir un humain : ni trop fort, ni trop faible.
Aussi, une gouverne doit absolument être stable dans l'écoulement et ne jamais se mettre à osciller d'elle-même. Cette condition est rempli lorsque le centre de gravité de la gouverne est situé en avant de son articulation. Le constructeur de l'aéronef peut recourir à des contrepoids placés à l'avant de la gouverne pour y parvenir. Il faut veiller à conserver cette condition, notamment lors des petites réparations sur une gouverne. Le constructeur limite parfois l'ajout de masse au bord de fuite d'une gouverne à seulement quelques grammes !
Techniques de construction
Les planeurs sont fabriqués selon plusieurs techniques qui sont nées de l'histoire et des avancés technologiques. Les premières techniques se basaient sur une structure solide qui assure la résistance de la cellule, recouverte d'une peau qui assure l'écoulement aérodynamique optimal. Il s'agit notamment des structures en bois recouvertes de toile, ou en tubes d'aciers recouvertes de toile. Est arrivé ensuite les peaux rigides : une mince feuille de contreplaqué ou d'aluminium remplace la toile. En plus de participer à la résistance (ce qui permet d’alléger la structure), la peau rigide permet le respect des profils malgré les efforts aérodynamiques qui s'exercent. Enfin, l'avènement des matériaux composites ont permit l'élaboration de structure monocoque (ou presque!) : la peau seule est capable d'absorber les efforts nécessaire et il n'y a quasiment plus de structure. De telles structures quasi-monocoques sont réalisées avec des matériaux composites : l'addition de tissus résistants (à base de fibre de verre, de carbone, d'aramide...) noyées dans une résine (souvent de la résine époxy pour les planeurs). La haute résistance des matériaux composites permet de concevoir des ailes mince. La fabrication dans un moule permet la mise en forme très précise de la peau. Les performances sont alors optimales.
Afin de concevoir les planeurs les plus légers possible, la science des tissus est poussée au maximum. Le tissus lui-même peut être composé de fibre de verre, de fibre de carbone ou d’aramide, de différentes grosseurs, et tissé suivant différentes armures. Le nombre de couches de tissus superposés et leur orientation dans le moule est un paramètre ajustable pour répondre aux besoins. Enfin, une peau conçu en structure sandwich permet d'augmenter encore la résistance.
Tissus de verre (blanc) et tissus de carbone (noir).
Tissus en aramide (plus connu sous le nom de Kevlar).
Structure en sandwich.
Les premiers planeurs étaient construits avec une structure en bois entoilée
Structure bois recouverte de toile, Métallique recouverte de toile, métallique recouverte de tôle metallique, semi-monocoque, monocoque
Assemblage par rivet, soudure, vis (freinage des vis)
Principes de transmission de l’effort du pilote
- Câbles
- Commandes rigides
- Hydraulique
- Électrique
- forces et faiblesses