Du bon usage des volets et autres snapflaps

Du bon usage des volets et autres snapflaps

3^ième et dernier épisode : Les secrets du snapflap

Le snapflap (couplage profondeur=>volet) est le réglage le plus délicat à maîtriser. La programmation de nos radios incite souvent à simplement choisir un coefficient de mixage profondeur => volet, or le problème peut s’avérer plus complexe que ce simple choix.

En utilisant les résultats établis dans les 2 premières parties de ce dossier ("volet et performance" en juin 2007, "volet et équilibre" en septembre 2007) nous proposons une mise en équation du mixage snapflap. Les résultats obtenus avec cette approche peuvent constituer un guide fort utile pour la recherche des "bons réglages" lors des essais en vol d’un nouveau modèle.

Pour ceux que les calculs rebutent, nous proposons également une méthode de réglage simplifiée qui ne nécessite aucun calcul et permet au moins d'éviter les pièges les plus classiques.

A quoi sert le mixage snapflap ?

A cette question une des réponses les plus fréquentes est la suivante :

-" le snapflap permet de réduire le rayon de virage mais il ne faut pas trop en mettre car si les volets augmentent la portance du profil, ils augmentent aussi la traînée"

Sans être complètement erronée cette réponse reste cependant un peu trop approximative pour permettre une maîtrise correcte des réglages.

En vérité nous avons vu dans la première partie de ce dossier que le principal intérêt des volets n'était pas seulement d'augmenter la portance du profil mais surtout d'en diminuer la traînée aux forts Cz. En conséquence l’objectif du couplage snapflap n'est pas uniquement de permettre des virages plus serrés mais aussi et surtout de réduire la traînée du planeur en virage (que ceux-ci soient serrés ou non). De façon plus générale il faut retenir que l’intérêt essentiel du snapflap est de réduire les pertes d’énergie (et donc de vitesse) au cours des évolutions sous facteur de charge. D’où l’utilité du mixage snapflap dans les courses de vitesse (F3F, F3B, …) mais aussi en voltige.

En reprenant l'exemple du profil TP73 déjà utilisé, le graphique ci-dessous montre que si l'on exécute un virage à Cz.profil=0.65 il est tout à fait souhaitable d'avoir +5° de volet (courbe verte). On gagne ainsi plus de 20% sur la traînée du profil ! (nota : compte tenu de la traînée fuselage + empennage et de la traînée induite de l'aile, le gain sur la traînée globale du planeur est en réalité sensiblement moins important).

Ce graphique montre également que pour voler en ligne droite à Cz=0.1 le meilleur Cx sera obtenu avec un braquage nul (courbe rouge). D'où l'idée de coupler les volets à la commande de profondeur pour avoir un braquage de volet en accord avec les évolutions du planeur : manche au neutre le planeur est en ligne droite, le Cz est faible et les volets sont à 0°; manche tiré le planeur est en virage, le Cz est élevé et les volets sont baissés de 5° voire plus.

Le gain apporté par le snapflap n’est pas limité au gain sur la traînée du profil. En effet, nous avons vu que l’utilisation des volets permet, à fort Cz, de maintenir l’incidence de vol à une faible valeur. Il y a donc également réduction de l’incidence du fuselage et réduction de sa traînée. Il en est de même pour l’incidence et la traînée du stab (dans le cas d’un stab à volet).

Les courses 60 pouces constituent d'excellentes occasions d'observer le gain apporté par le mixage snapflap. Il arrive parfois de voir 2 planeurs identiques (2 PRODIJ par exemple) se "tirer la bourre" et suivre tous deux exactement la même trajectoire (avec les mêmes rayon de virage), à cette différence près que l'un d'eux prend systématiquement 1 ou 2 mètres d'avance à chaque sortie de virage. L'écart se stabilise ensuite pendant la ligne droite, mais le même scénario se reproduit à la base suivante. Au bout de 20 bases l'écart est devenu conséquent et la victoire facilement acquise.

Ce comportement s'explique de façon très simple: un des planeurs a un mixage snapflap parfaitement réglé, traîne moins en virage et sort de virage avec une vitesse très légèrement supérieure. Grâce à ce supplément de vitesse il gagne un peu de terrain sur son adversaire juste après la sortie de virage. Pendant le reste de la ligne droite les deux planeurs sont en lisse dans des configurations identiques et leurs vitesses se stabilisent toutes deux à la même valeur, l'écart entre les 2 machines reste donc constant jusqu'à la base suivante !

Trouver le bon réglage?

Trouver le bon réglage de snapflap n’est cependant pas chose facile et nombreux sont les pilotes à avoir éprouvé quelques déboires. Si un réglage correct améliore les performances en virage, un mauvais réglage peut tout au contraire dégrader très fortement les performances du planeur et faire beaucoup plus de mal que de bien.

L'erreur la plus fréquente consiste à régler le planeur en lisse puis à simplement ajouter un couplage profondeur=>volet sans modifier le débattement de la profondeur. Le résultat est en général catastrophique : la vitesse de tangage est certes augmentée et le rayon de virage diminué, mais le planeur a tendance à se freiner en évolution et tout particulièrement au sommet des boucles. Tout le contraire de ce que l'on souhaitait ! Pire encore contre toute attente, alors que le Cz max du profil est en principe augmenté par le braquage des volets, le planeur peut montrer une tendance à déclencher en virage serré! Pour remédier à ce comportement la réaction classique consiste à réduire le débattement des volets. Il n'y a alors plus d'effet nuisible mais il n'y a quasiment plus d'effet du tout ni positif ni négatif ! D'où de fréquents commentaires du genre :

-"Ce profil n'accepte pas les volets"

-"Les volets ne servent à rien et n'apportent que de la traînée supplémentaire"

- "il ne faut jamais mettre plus de 2mm de snapflap"

- etc…

Ce qu’il faut savoir c'est que le bon réglage dépend quasiment plus du choix du débattement de la profondeur que de celui des volets. Voici quelques règles pratiques qui permettent d’obtenir un réglage satisfaisant dans le cas d’un planeur F3F et d’un simple mixage linéaire:

1) Un réglage correct nécessite de définir précisément 3 paramètres :

- la position des volets manche au neutre (a priori position « vitesse » pour un F3F)

- la position des volets manche en butée

- le débattement max de la profondeur manche en butée

2) Le choix de la position neutre des volets a été traité dans la première partie de ce dossier (volet et performances) : en analysant l’effet des volets sur les polaires du profil on choisit la position de volet qui donne le meilleur Cx pour des Cz de l'ordre de 0.1 et un Re de l'ordre de 400k à 500k. Sur les modèles du commerce cette position est en général correctement définie dans les réglages proposés par le fabricant.

3) Dans la mesure du possible les volets seront commandés par un mixage du type "position manche profondeur => volet" et non par un mixage du type "position servo profondeur => volet". Le trim profondeur est alors sans aucun effet sur les volets. Ce choix permet par ailleurs d'utiliser le « dual rate » pour le réglage de la profondeur (avec ou sans ballast par exemple). Si votre radio ne permet pas ce type de mixage, le réglage du débattement profondeur devra être ajusté en agissant sur les valeurs de butées profondeur (travel adjust).

4) Le débattement max des volets doit également être choisi en analysant l'effet des volets sur les polaires du profil. On choisira un braquage qui correspond à un Cz optimum d’au moins 0,7. Dans le cas où vous ne disposez pas des polaires du profil (ce qui est le cas général sur les planeurs du commerce) je conseille pour un planeur F3F de partir sur une valeur forfaitaire correspondant à un braquage positif d’au moins 5° par rapport à la position "neutre" définie plus haut. Un peu plus si le profil est à faible courbure (MG06), un peu moins si cette courbure est plus élevée (S7012, MH32).

5) Contrairement à ce que nous sommes tous tentés de faire, le réglage fondamental à ajuster en vol n'est pas celui des volets mais celui du débattement profondeur manche en butée. Pour ce réglage on utilisera suivant les cas soit le dual rate profondeur, soit le réglage de débattement max (voir plus haut).

6) Pour les premiers réglages choisir si possible une journée où la portance de la pente est moyenne et les ballasts inutiles. Vous aurez ainsi un réglage "moyen" que vous pourrez éventuellement adapter par la suite aux conditions plus faibles et surtout plus fortes (avec ballast) ou encore avec vent de travers.

7) Le réglage du snapflap dépend du centrage. En conséquence on ne commencera à régler le snapflap que lorsque le planeur aura au préalable été correctement centré.

8) L'objectif est d'obtenir, manche en butée cabré, un planeur qui sort de virage avec la meilleure vitesse possible. Cependant estimer la vitesse en sortie de virage n'est vraiment pas facile et reste très subjectif. Voici quelques points auxquels il convient d'être attentif :

- le manche doit être réellement en butée (même si la portance de la pente permet un vol plus performant sans tirer à fond !)

- ce que l'on cherche à obtenir c'est bien la meilleure vitesse de sortie de virage possible, ce n'est surtout pas le rayon de virage minimum, ni même le temps minimum passé en virage. Il faut éviter de se laisser influencer par ces 2 paramètres, et ceci n’est pas facile …

- l'objectif est de percevoir le fameux "effet rebond", celui qui fait que le planeur semble ressortir de virage plus vite qu'il y est entré. Le vent de travers peut aider, quand on a le bon réglage on doit alors bien percevoir le "rebond" du côté au vent et surtout bien sentir que le planeur "se freine moins" du côté sous le vent.

Le bon réglage est assez précis (à quelques % près d'après Fast Pedro).

9) On obtient très souvent des débattements profondeur nettement plus faibles que ceux normalement utilisés en lisse. A titre d’exemple, certains 60 pouces correctement réglés n’utilisent que 2 à 3mm de débattement profondeur (alors qu’il lui en faut plus du double en lisse).

Cette diminution du débattement profondeur est due à l’effet habituellement cabreur des volets. De la même façon qu’en vol horizontal l’abaissement des volets nécessite le plus souvent une correction à piquer, l’utilisation des snapflap en virage nécessite de diminuer l’action à cabrer de la profondeur.

10) Manche en butée cabré, le planeur ne doit donner strictement aucun signe de décrochage dynamique. Le moindre petit flottement est signe qu’il faut réduire le braquage profondeur. Attention, si on a trop de profondeur le snapflap rend le planeur plus sensible au décrochage dynamique, on testera donc la butée du manche avec circonspection…

Un des avantages non négligeable de cette méthode est de mettre le planeur à l’abri de tout décrochage dynamique. Ceux qui ont déjà eu l’occasion de tester ce genre de figure involontaire apprécieront…

11) Le bon débattement de la profondeur est aussi celui qui permet au planeur d’enchaîner le maximum de boucles possible manche en butée.

12) Lorsque vous aurez fait ce premier réglage avec une certaine valeur de volet vous aurez forcément envie de voir ce que ça donne avec un peu plus ou un peu moins de volet. Un braquage de volet plus important est souvent utile en cas de vent de travers pour exploiter au mieux l’effet de rebond dans le virage « au vent ». Il faut alors savoir que pour chaque nouveau débattement de volet il faudra reprendre le réglage de la profondeur selon les critères indiqués ci-dessus. Au plus le braquage des volets est grand, au plus le planeur pourra tourner serré, mais au plus le réglage profondeur devra être précis et soigné. Les erreurs de réglages sont alors plus chères !

Ces séances de réglages sont longues et fastidieuses mais constituent la meilleure façon d'apprendre à bien connaître son planeur. Alors, dernier conseil, n'oubliez surtout pas de noter les résultats de vos essais sur un petit carnet, celui-ci vous sera certainement fort utile.

La théorie du snapflap

La méthode de réglage décrite ci-dessus présente l’avantage de ne nécessiter aucun calcul et de n’utiliser qu’un classique mixage linéaire. On peut cependant se demander si l’utilisation de mixages par courbe à points ne permettrait pas d’optimiser encore plus les performances de nos planeurs. La réponse à cette question demande à aller plus loin dans l’étude théorique du mixage snapflap.

En utilisant la formule du Vlongitudinal généralisée (voir « volet et équilibre » septembre 2007), nous allons étudier le cas d'un planeur exécutant un virage dans le plan horizontal (on suppose la vitesse constante). Comme dans les études précédentes on considère ici le cas d'un planeur à stabilisateur pendulaire intégral sur lequel la cambrure variable est utilisée sur toute l'envergure de l'aile. Le Vlongitudinal du planeur représente donc aussi la position de la gouverne de profondeur.

On note que dans ce cas l'angle (entre le plan longitudinal du planeur et le rayon de courbure) et l'angle de roulis sont complémentaires.

On rappelle que la portance P est définie par : P = .

Soit le Cz de vol en virage, et le Cz en vol rectiligne avant virage.

La vitesse de vol est définie par la relation :

Avec (on néglige ici l'influence de la traînée)

Les équations d'équilibre permettent d'écrire:

P² = ( et

D’où l'on déduit et

Soit en remplaçant V par sa valeur en fonction de :

Cette formule définie de façon générale le rayon de virage en vol horizontal.

et étant complémentaires on en déduit :

En assimilant le Cz de l'aile au Cz du planeur complet (on néglige notamment la portance stab), la formule du V longitudinal généralisé peut s'écrire :

Etant donné que le Cz souhaité en virage et le Reynolds de vol définissent un braquage de volet optimum qui minimise la traînée du profil et que ce braquage détermine aussi la valeur des paramètres et , cette formule permet de définir les lois de mixage profondeur=f(braquage - volet) qui optimisent les performances du planeur en virage.

Quelques exemples

Ces exemples sont issues de l’étude d’un planeur 60 pouces équipé du profil TP74. Voici la courbe de mixage Volet= f(profondeur) calculée pour un Reynolds de vol de 250k. Les essais en vol ont montré que les valeurs de débattements volet et profondeur n’étaient pas complètement idiotes puisque j’ai effectivement obtenu un débattement profondeur de l’ordre de 3mm pour 8mm de débattement des volets en suivant la procédure indiquée plus haut.

Comme on pouvait s’y attendre la courbe optimale de mixage n’est pas linéaire. La forme de cette courbe dépend de nombreux paramètres : profil, centrage, charge alaire, volume de stab, bras de levier arrière, corde des volets, etc ...

Influence du profil

Voici la courbe obtenue pour le même planeur équipé d’un profil MH43 en place de TP74 (même géométrie, même charge charge alaire=30g/dm², et même centrage neutre).

Avec MH43 comme profil apparaît la fameuse courbe de mixage avec « zone morte » parfois préconisée comme courbe de mixage snapflap. On comprend donc que l’utilisation de cette forme de courbe doit être adaptée au profil utilisé. En particulier le palier devra être plus ou moins horizontal suivant le profil employer. Un calcul des courbes à partir des paramètres, etdonnés par X-foil est indispensable pour faire le bon choix.

On constate aussi que pour les Cz négatifs la courbe devient carrément verticale. Sur ce planeur il serait ainsi recommandable d’exécuter les virages dos avec les seuls volets sans utiliser la profondeur. J’avoue être un peu sceptique quant à ce résultat, et ne pas avoir vérifié si ceci était pertinent, mais les pilotes adeptes du « 4 axes » pourront éventuellement confirmer l’intérêt de la chose sur des planeurs du même type… ?

Toujours est-il que j’ai depuis longtemps constaté sur mes planeurs de voltige l’intérêt d’avoir une zone morte ou à faible pente lorsqu’on commence à tirer sur la profondeur, ainsi que l’intérêt de mettre les volets en négatif très rapidement dès que l’on pousse sur le manche.

Influence du centrage

Du fait du terme apparaissant dans la formule, un centrage légèrement avant tend à rendre la courbe plus linéaire.

Les courbes précédentes étaient calculées pour un centrage neutre. Voici la courbe obtenue pour le profil MH43 et une marge statique de 3%, c'est-à-dire un centrage avancé de 5mm.

L’allure est globalement la même mais la courbe est plus linéaire et s’étale sur une plus large plage de braquage profondeur. Il faut (+5 mm,-1.3 mm) de braquage profondeur au lieu de (+3.8mm,-0.8mm)

Influence de la charge alaire

La charge alaire a une influence inverse à celle du centrage. Lorsque la charge alaire augmente les débattements profondeur doivent être réduits.

Si l’on ballaste le planeur avec 250g pour passer la charge alaire de 30g/dm² à 40g/dm², alors il faudrait réduire sensiblement le débattement profondeur de (+3.8mm,-0.8mm) à (+2.1mm,-0.4mm).

Ce résultat est assez surprenant car s’il parait tout à fait normal que la charge alaire ait une influence, son impact sur le réglage profondeur semble un peu élevé. Cet aspect mérite d’être vérifié, à suivre…

Que se passe-t-il en cas de mauvais réglage ?

La figure ci-dessous illustre, dans le cas de notre planeur 60 pouces, différents cas de réglage pour un débattement de volets de 6°.

- le réglage A est le réglage idéal. Le débattement de la profondeur est tel que le Cz de vol correspond exactement au Cz optimal pour 6° de volet.

- le réglage B correspond au cas (très classique) où le débattement profondeur est trop important (et dans notre exemple il suffit d’avoir un débattement profondeur de 4.7mm au lieu de 3.8mm !) Le Cz de vol est alors plus élevé, le virage donc plus serré mais la traînée sera aussi sensiblement plus importante, au total l'énergie perdue en virage pourra être nettement plus grande qu'en A.

- le réglage C correspond au cas ou le débattement profondeur est trop faible. La dégradation de la traînée est moindre mais le rayon de virage est aussi plus grand.

Ces différents réglages correspondent à environ 0.9 mm d’écart sur le réglage de la profondeur. On voit ainsi qu’une faible erreur sur le choix du débattement profondeur peut avoir une influence très sensible sur la performance du planeur.

Ce type de graphique montre également que les profils et la forme de leurs polaires avec volet ont une influence importante sur la facilité de réglage :

- des polaires arrondies et larges comme celles de MH43 facilitent les réglages. Ce type de profil s'avère aussi plus tolérant aux différents types de virage.

- des polaires pointues et étroites comme celle de RG15 à 8% d’épaisseur présentée ci-dessous, demandent un réglage très précis pour espérer obtenir le gain escompté en virage horizontal. Une petite erreur pourra faire perdre tout le bénéfice du couplage snapflap.

Snapflap et Voltige

Le snapflap permettant de mieux conserver l'énergie du planeur lors d'évolutions sous facteur de charge, son utilisation en voltige est éminemment recommandable. Deux points spécifiques à cette utilisation sont malgré tout à signaler.

1) Les équations du snapflap ont été établies pour un planeur en virage dans le plan horizontal : pour un rayon donné le Cz est constant pendant tout le virage. Il en va différemment dans le cas d'un looping, ou plus généralement dans le cas d'évolutions dans le plan vertical. L'effet de la pesanteur, qui s'ajoute ou se retranche à la portance de l'aile, fait que pour exécuter une boucle parfaitement ronde il faut plus de Cz au bas de la boucle qu'à son sommet. Ceci a 2 conséquences :

- un snapflap bien adapté en bas de la boucle ne peut pas l'être également à son sommet. Les profils tolérants au réglage du snapflap seront donc avantagés.

- Au bas de la boucle le bon réglage nécessite un peu plus de volet que dans le cas du virage horizontal. Cette option de réglage est à recommander compte tenu du fait que c'est à forte vitesse et donc au bas de la boucle que le planeur perd le plus d'énergie.

2) Par définition un réglage correct du snapflap conduit à avoir un débattement profondeur qui ne permet pas d'atteindre l'incidence de décrochage du profil. En conséquence, si le snapflap est parfaitement réglé, il devient impossible de réaliser des tonneaux déclenchés dignes de ce nom. Au mieux les déclenchés sont très mous, au pire ils deviennent carrément impossibles. Pour cette raison on utilise souvent un interrupteur pour supprimer le snapflap lors de l'exécution de ces figures.

Une solution plus élégante et plus pratique consiste à utiliser une courbe de mixage avec saturation du snapflap comme celle présentée ci-dessous. A partir d'une certaine position du manche les volets ne bougent plus alors que le braquage profondeur continue d'augmenter. Il devient alors possible en mettant le manche en butée d'atteindre l'incidence de décrochage et de réaliser de magnifiques tonneaux déclenchés. Le pilotage des figures "normales" se fait dans la première plage de débattement du manche (entre les points A et B). Je recommande vivement cette solution qui évite d'avoir à se préoccuper de la position des interrupteurs.

Nota : la courbe présentée ci-dessus est valable pour les profils classiques. Pour les profils symétriques la courbe est bien sûr elle-même symétrique mais le principe de la saturation reste le même.

Pour régler cette courbe je recommande d'utiliser le dual rate profondeur :

- En position faibles débattements, on règle la partie snapflap de la courbe (entre les points A et B) en suivant la procédure décrite au début de cet article.

- En position forts débattements on règle le débattement maximum de la profondeur manche en buté de façon à permettre des déclenchés à la fois vifs et consommant le moins d'énergie possible (points C et D).

- Pour finir on adapte l'exponentiel profondeur pour avoir les "bonnes sensations".

Snapflap et vol thermique

Peut-on utiliser le snapflap en permanence y compris pour gratter ?

Cette question, souvent posée, contient une petite ambiguïté et appelle une réponse en deux temps:

- oui le snapflap peut être utilisé en gratte

- mais le réglage correspondant a toutes les chances d’être différent de celui adopté en position "vitesse" ou "voltige"

La stratégie de réglage peut par exemple être la suivante:

- Sur la position "gratte" les volets sont baissés dans la position "finesse max" (voir « volet et performances »). Ce qui permet a priori de parcourir le maximum de distance à la recherche de la pompe tant désirée

- Une fois celle-ci trouvée on peut l'enrouler en positionnant les volets de façon à avoir le meilleur taux de montée possible. Le snapflap peut fort bien être utilisé dans ce but.

Il faut cependant remarquer que dans l'équation du snapflap rappelée ci-dessous, le Cz en vol horizontal est alors assez élevé (de l'ordre de =0.5)

En conséquence le terme, qui est très voisin de 1 en vol de vitesse, devient alors sensiblement plus faible. Le débattement profondeur doit donc être réduit.

A titre d'exemple, voici ce que devient dans la position "gratte" la courbe de mixage optimale calculée pour le planeur 60 pouces étudié plus haut.

- Manche au neutre les volets sont baissés de 3mm (3°) et la profondeur et à -1mm (compensation à piquer).

- Manche à Cabré les volet sont baissés de 10mm (10°) et la profondeur est à +1.3mm soit un débattement total de la profondeur est de 2.3mm.

Limitations

Si les résultats de calculs présentés ci-dessus recoupent assez bien la réalité, leur degré de précision est loin d'avoir été évalué dans toutes les configurations et avec tous les types de planeur. On peut noter que les valeurs de débattement profondeur paraissent parfois plus faibles que ceux réellement utilisés….Est ce par manque de précision des calculs, ou simplement parce que nous n’osons pas utilisé de forts débattement de volet avec de faibles débattements profondeurs ?

Parmi les limitations et les approximations qui pourraient entacher la représentativité des résultats on retiendra au moins les 4 points suivants:

- L'approche dite "théorie du Vlongitudinal généralisée" se contente de superposer les résultats de la théorie de la ligne portante en vol horizontal (calcul de l'équilibre du planeur) avec la prise en compte du rayon de courbure de la trajectoire. La réalité est peut-être un peu plus complexe que ça.

- La marge statique est supposée indépendante du Cz de vol, ce qui n’est généralement pas le cas compte tenu de légères variations de la position du Foyer

- Les aspects purement dynamiques (moment d'inertie du planeur) ne sont pas pris en compte

- Le calcul des courbes de snapflap utilise les polaires issues de souffleries numériques (X-foil ou autre) dont la représentativité dépend entre autre du domaine de Reynolds considéré.

Conclusion

Cette saga sur l'utilisation des volets s'achève. En la commençant j'étais loin de penser que j'irai aussi loin dans la formulation mathématique des différents aspects liés au Vlongitudinal et à l'équilibre des planeurs. Dans son état actuel cette approche me parait suffisamment novatrice pour être publiée, j'attire malgré tout l'attention sur le fait que certains aspects restent encore à valider. Cette approche ne permet sans doute pas de calculer de façon parfaitement fiable les réglages d'un planeur, mais elle permet certainement d'orienter efficacement la recherche des bons réglages.

Et maintenant que j'ai jeté le doute sur vos réglages de snapflap ….

Je vous souhaite d’excellents vols pour cette année 2008.