Rêve 2700 | Un conte sans queue

Ceux qui ne l'ont pas encore fait voudront peut-être lire la première partie de cette série , puis continuer avec cet article — Ed.

Dans cette deuxième partie du voyage, je vais vous guider à travers les principaux défis de conception aérodynamique d'un planeur sans queue. De nos jours, plusieurs outils de calcul sont à la disposition de l'amateur et - avec un certain effort - il est possible d'effectuer une validation préliminaire d'un concept, minimisant le risque d'un accident de vol inaugural. Les outils de dynamique des fluides computationnelle (CFD) sont aujourd'hui beaucoup plus faciles à utiliser et un poste de travail à domicile peut fournir des résultats utilisables et qualitatifs. Cependant, cela demande beaucoup de temps et de dévouement. J'ai passé des nuits interminables à rafraîchir mes connaissances sur la CFD et à peaufiner les modèles de calcul, mais cela a bien porté ses fruits lorsque vous pouvez voir votre conception "voler" dans un environnement virtuel.

Optimisation de la conception des ailes dans XFLR5

La plupart de la conception aérodynamique de l'aile a été réalisée à l'aide de XFLR5 (voir Ressources ci-dessous). C'est un outil merveilleux pour essayer différentes configurations et effectuer des comparaisons. Ma première tentative de conception visait à se rapprocher le plus possible d'une distribution de portance elliptique, car je voulais optimiser l'efficacité. Dans cette configuration, des winglets ont été placés aux extrémités des ailes, pour optimiser davantage l'aile et donner une stabilité latérale.

Le choix du profil de section d'aile a nécessité de nombreuses itérations. La décision doit être basée sur plusieurs facteurs : il doit s'agir d'une bonne section pour un faible nombre de Reynolds (qui pour cette conception varie de 50 000 à 400 000), doit avoir un maximum décent C l , et un faible coefficient de moment ( C m ) . Un C m plus élevé nécessitera une torsion d'aile plus élevée pour atteindre la stabilité souhaitée. Le nombre de Reynolds (Re) est adimensionnel et peut être décrit comme le rapport entre les forces d'inertie et les forces visqueuses. Plus le Re est bas, plus l'effet visqueux de l'air est élevé. Un faible Re conduit généralement à un risque plus élevé d'écoulements séparés et de bulles laminaires. Cela peut produire de mauvaises caractéristiques aérodynamiques.

Le choix final s'est porté sur une section développée par Thorsten Lutz, le TL-54 . Cette section d'aile offre un bon maximum C l , un C d assez faible et un faible coefficient de moment de portance nulle ( C m0 ).

XFLR5 a été largement utilisé à ce stade pour optimiser la torsion et la forme en plan de l'aile. Cet outil permet de tester différentes configurations et de faire des comparaisons, en modifiant plusieurs paramètres. Je n'entrerai pas dans tous les détails des calculs XFLR5 , car cela a déjà été publié dans l'ancien RCSD dans divers excellents articles. Tous les paramètres aérodynamiques ont été optimisés, y compris un calcul de stabilité approximatif.

À ce stade, j'étais assez satisfait de la conception de l'aile et j'étais prêt à commencer les dessins de construction.

La distribution d'ascenseur en forme de cloche

Quand j'étais sur le point de figer le design, j'ai découvert Albion Bowers et ses expériences avec le Prandtl-Dmotif. En un mot, les études d'Albion démontrent que, pour une charge utile donnée, la distribution de portance qui donne la traînée induite la plus faible et le poids structurel le plus faible est celle en forme de cloche. Et, à ne pas négliger, cette répartition de la portance donne l'avantage d'un mouvement roulis-lacet coordonné, résolvant l'un des plus gros problèmes que nous ayons toujours eu sur les ailes volantes, le couplage roulis/lacet défavorable. Pour mieux l'expliquer, une entrée de roulis d'aileron vers la gauche produira d'abord un moment de lacet vers la droite, rendant la manœuvre de virage quelque peu non coordonnée. J'étais tellement enthousiasmé par cette étude que j'ai décidé de modifier mon aile en conséquence et de l'essayer. Avec quelques suggestions venant d'Albion Bowers, un peu de soutien venant de Marko Stamenovic, le groupe Facebook Horten Flying Wing Believers (voir Ressourcespour les liens vers tout cela) et encore une longue série de simulations XFLR5 , je suis sorti avec ma conception finale de l'aile !

Dans l'image ci-dessous, vous pouvez voir l'évolution du design.

Et voici la distribution locale des ascenseurs que j'ai obtenue dans des conditions réduites :

Je suis tombé amoureux de ce design, pour plusieurs raisons :

• Il n'y a plus de raison d'implémenter des winglets. Ils sont très agréables, mais leur emplacement en bout d'aile génère de fortes charges sur l'aile, et un risque accru de flottement.
• Ailettes verticales situées à l'endroit où se trouve le noyau d'enroulement du vortex vers le bas. Théoriquement, une aile volante avec BSLD, n'a pas besoin d'ailerons pour la stabilité. Néanmoins, si vous voulez un bon contrôle latéral, vous avez besoin d'une certaine forme de gouvernail quelque part. Pas vraiment indispensable pour un modèle RC à l'échelle, mais si votre objectif est d'en construire un à grande échelle, pensez à l'autorité de contrôle du lacet lors des décollages et des atterrissages.
• Les bouts d'ailes sont déchargés, ce qui permet une structure d'aile plus légère.

Une autre particularité que je voulais essayer, ce sont les volets neutres en tangage : si l'extension des volets est correctement positionnée contre le point neutre de l'aile (NP), nous ne devrions pouvoir obtenir aucun moment de tangage lorsque les volets sont sortis.

Optimisation de la conception de la nacelle du fuselage

Comme vous pouvez le reconnaître dans le premier article, la section transversale du fuselage est assez grande, si on la compare à ce qui serait vraiment nécessaire pour un modèle radiocommandé. Cela vient du fait que je souhaitais accueillir un vrai pilote sur l'avion grandeur nature, en gardant également suffisamment d'espace pour le moteur électrique et les batteries, le train rétractable et divers accessoires. Par conséquent, j'ai décidé de dessiner le fusible à pleine échelle, puis de le réduire au modèle à l'échelle 1: 5.

Dans la perspective d'un planeur à grande échelle, davantage d'exigences doivent être prises en compte :

• Intersection du longeron d'aile avec le fuselage : vous avez besoin de suffisamment d'espace pour accueillir les jambes de pilote, le longeron d'aile et les systèmes de contrôle
• Les bouts d'ailes doivent être suffisamment hauts au sol, pour ne pas se poser lors des décollages et des atterrissages (n'oubliez pas que nous avons une aile en flèche)
• Fuselage à rationaliser en tenant compte de l'angle d'assiette de l'aile, pour minimiser les séparations de flux
• La jonction fuselage / aile doit être optimisée pour réduire la traînée d'interférence et à nouveau la séparation potentielle
• La visibilité du pilote ne doit pas être fortement limitée par l'aile
• Assez d'espace pour les engrenages rétractables
• Étant un planeur à moteur électrique, nous avons besoin d'espace pour le compartiment de la batterie

Au cours du développement, j'ai pu exécuter des simulations CFD, ce qui m'a permis d'optimiser le mélange de l'aile avec le fuselage. En l'exécutant sur un poste de travail à domicile, vous ne pouvez pas vous attendre à des miracles, mais il était néanmoins très intéressant de mettre en évidence certains défauts de conception potentiels.

En ce qui concerne la traînée aérodynamique, l'un des pires ennemis vient des gradients de pression défavorables. Vous n'avez généralement aucun problème jusqu'à ce que le flux d'air sur une surface s'accélère : cela produit un flux stable et potentiellement laminaire. Sur ce modèle réduit, en considérant une vitesse d'assiette d'environ 10 m/s, on obtient Re = 300.000 sur le fuselage. Pour un Re aussi bas et si la finition de surface est suffisamment lisse, un écoulement laminaire est susceptible de se produire, ce qui est bien, mais en même temps, il y a un risque plus élevé d'obtenir une bulle de séparation laminaire, ce qui est mauvais. À l'inverse, un nombre Re plus élevé produira moins de problèmes de séparation, mais très probablement un écoulement turbulent.

Sur le Dream 2700 , il semble que nous ayons un problème de séparation potentiel à l'arrière du fuselage. Laissez-moi vous expliquer la physique à l'aide de quelques images :

Dans la zone surlignée en bleu, la vitesse d'écoulement est proche de zéro, et c'est un signe clair de séparation des flux, également mis en évidence par le flux chaotique dans cette région. Cela est dû à la mauvaise récupération de pression, causée par le changement brusque de section transversale dans cette zone. De plus, comme on peut le voir sur la photo suivante, l'aile produit un fort flux énergétique, de haut en bas et de l'extérieur vers l'intérieur. La forte courbure au bas du fuselage crée un flux d'énergie faible avec peu de possibilités de le maintenir attaché à la surface. Pratiquement, j'ai conçu un "générateur de vortex diffusant" parfait. L'une des raisons est liée à la nécessité de positionner l'hélice loin du sol lors du décollage et de l'atterrissage : c'est la raison principale pour laquelle la courbure de la fusée est très douce en partie haute, et très prononcée en partie basse.

Malheureusement, ces résultats n'étaient disponibles qu'après la fabrication du fuselage, je vais donc devoir m'en tenir à cela. Pendant les essais en vol, j'essaierai d'effectuer des visualisations expérimentales de flux pour confirmer ce phénomène.

En tout cas, je suis assez satisfait de l'assemblage aile/fuselage, où l'analyse CFD n'a pas montré de problème particulier.

Un phénomène très intéressant est mis en évidence dans les images ci-dessous. Les ailes balayées sont caractérisées par un flux croisé, une composante du flux d'air allant de la racine à la pointe. Cela se produit sur l'extrados de l'aile, générant une détérioration de la couche limite vers les bouts d'aile. Dans cette conception spécifique, le flux transversal est plus évident avant d'atteindre les ailettes verticales, et moins évident des ailettes aux pointes : les ailettes verticales agissent comme des clôtures d'aile, réduisant le flux transversal aux pointes. La torsion négative aux pointes contrecarre le flux croisé, ainsi que les ailettes.

Dans une dernière image, il y a quelque chose d'un peu drôle. Vous êtes-vous déjà demandé d'où venaient la portance et la traînée ? Eh bien, l'analyse CFD aide à visualiser la portance et la traînée de manière très intuitive. Dans les images suivantes, les zones rouges représentent les volumes à haute pression, tandis que les zones bleues représentent les volumes à basse pression.

Et ceci m'amène à la fin de la partie II du conte sans taille. La prochaine partie à venir le mois prochain dans le Nouveau RCSD sera consacrée à la construction, où je partagerai toutes les étapes du processus, avec des photos et des vidéos.

Permettez-moi de terminer avec le rendu du Dream 2700 complet , avec le schéma de couleurs final que j'utiliserai.

©2022 Dominique Bosco

Ressources

• XFLR5 : Un outil puissant pour la conception préliminaire par Francesco Meschia. — « XFLR5 est un outil d'analyse des profils aérodynamiques, des ailes et des avions fonctionnant à de faibles nombres de Reynolds… »
• On Wings of the Minimum Induced Drag: Spanload Implications for Aircraft and Birds par Albion Bowers et al — «Pendant près d'un siècle, la théorie de la ligne portante de Ludwig Prandtl reste un outil standard pour comprendre et analyser les ailes d'avion. L'outil, a déclaré Prandtl, indique initialement que la charge d'envergure elliptique est le choix d'aile le plus efficace… "
• Flying Wing Designer : Un outil pour créer votre propre modèle d'aile volante par Marko Stamenovic. — "C'est pour les personnes qui veulent faire un modèle RC volant et qui sont déjà un peu plus profondes dans la connaissance des ailes volantes..."
• Horten Flying Wings Croyants sur Facebook. — Ce groupe est une bonne source d'inspiration : « Placez votre travail Horten ici et parlez du lacet positif au lieu du lacet contraire. Parlez de la légèreté du longeron, parlez de la belle apparence, parlez du test que vous avez fait… »
• AeroDesign.de par Hartmut Siegmann. — "L'aérodynamique, la conception, l'agencement, la construction, la construction, le développement et l'optimisation des modèles de vol conventionnels et des ailes volantes est vraiment une chose intéressante..."