De l’utilisation des volets en voltige

Du bon usage des volets et autres snapflaps

1ère partie : volets et performances

Thierry Platon
11/06/2007

Les volets sont un excellent moyen d'améliorer la polyvalence et les performances d'un planeur en élargissant son domaine de vol (vol dos, vol à fort Cz, vol de vitesse,…). Leur utilisation est particulièrement indiquée dans les disciplines exigeant un domaine de vol étendu comme les compétitions F3B, F3F, F5B ou encore la voltige.

Les bons réglages sont cependant assez délicats à définir, et en cas de mauvais choix il est très facile d’obtenir des résultats tout à fait inverses de ceux souhaités... Il n'est donc pas inutile d’analyser en détail le fonctionnement des volets afin de mieux appréhender leur réglage.

Cet article est prévu en 3 parties :

- dans un premier temps nous nous intéresserons aux effets aérodynamiques des volets et au choix des braquages de volet qui optimise des performances comme la finesse, la vitesse de chute, ou la vitesse

- la seconde partie sera consacrée à l’effet des volets sur l’équilibre et la stabilité du planeur

- pour finir nous nous appuierons sur les résultats précédents pour essayer percer les mystères du mixage snapflap.

Effet aérodynamique des volets

Les polaires et les courbes données en exemple dans ce chapitre sont celles de "TP73 60 inches", un profil de 8% d’épaisseur spécialement étudié pour le 60 pouces, les courbes sont tracées à Re=250000 avec des volets à 30% de la corde.

En première approche, le braquage des volets en positif (vers le bas) se traduit par les effets suivants :

Effets des volets sur Cz

- une augmentation de portance et donc un décalage de la polaire vers les forts Cz (vers le haut). Dans le cas illustré ci-dessous le braquage des volets de 5° fait gagner environ 0.15 point de Cz

- Cette augmentation de Cz se traduit bien sûr par un décalage vers le haut des courbes Cz= f(alpha). Mais l’effet des volets peut tout autant être interprété comme un décalage des courbes vers la gauche, c’est à dire comme une diminution de l’angle d’incidence à portance nulle Alpha0 : sur TP73 à Re=250000, Alpha0 passe de -1.5° à-4.5° lorsque l’on braque les volets de 5°. A cette modification d’Alpha0 est également associée une diminution de l’incidence de décrochage qui passe de 10.5° à 8.5° (voir figure)

Effet des volets sur Cm

- Une augmentation du couple piqueur, donc un Cm plus négatif. Ainsi qu'un léger changement de la pente de la courbe Cm=f(alpha) sur lequel nous reviendrons (cette variation de Cm à des conséquences sur l’équilibre du planeur).

Les effets sont bien sûr inverses dans le cas d’un braquage en négatif, c'est-à-dire vers le haut.

Effet des volets sur le Cx

Traduire l'effet des volets par une augmentation du Cz est certes très intuitif, mais je trouve bien plus pertinent d’imaginer cet effet comme une variation de Cx pour un Cz donné:

- au dessus d’un certain Cz (que l’on pourrait appeler Cz-volet), le braquage des volets

en positif se traduit, par une diminution de Cx et donc un gain en traînée

- pour les Cz inférieurs à Cz-volet, on constate au contraire une dégradation du Cx et donc une augmentation de la traînée

- Pour un braquage donné il existe une valeur optimale de Cz (notée Cz.opt) pour laquelle le Cx est minimum (Cx.opt)

L’examen de la figure ci-dessus montre que pour un braquage volet de 5° sur TP73 :

- Cx.volet = 0.45 (lorsqu’on vole au-dessus de cette valeur on gagne en traînée)

- Cz.opt = 0.65 (à ce Cz la traînée du profil est minimale)

- Cx.opt = 0.0081 au lieu de 0.0105 (soit à Cz=0.65 une réduction de plus de 23% de la traînée du profil si on utilise les volets au lieu de rester en lisse, il serait dommage de s'en priver !!!)

Il apparaît ainsi clairement qu'une bonne utilisation des volets doit être directement liée aux caractéristiques du profil et au Cz de vol.

Polaire virtuelle

En traçant pour différents braquages la courbe enveloppe Cz.opt = f(Cx.opt ), il est possible de définir une sorte de « polaire virtuelle avec volet » qui suppose pour chaque Cz l’utilisation optimale des volets. La figure ci-dessous montre un gain potentiel très important entre la polaire en lisse (courbe rouge) et la polaire virtuelle avec volet (courbe noire).

Pour bénéficier de tous les avantages de cette "polaire virtuelle" il convient que les volets soient en permanence positionnés de manière optimale pour chaque valeur du Cz de vol. Malheureusement ceci n'est pas forcément facile à obtenir…

A cette polaire virtuelle on peut associer d’autres courbes dont l'analyse est également intéressante:

Courbe Braquage-Volet = f(Cz.opt)

Cette courbe doit nécessairement être associée à la polaire virtuelle définie plus haut. Elle définit le braquage qui minimise la traînée du profil pour un Cz de vol donné (et à un Reynolds de vol donné). On remarque un replat au milieu de la courbe, cette non linéarité est plus ou moins prononcée suivant les profils et les Reynolds. Nous verrons dans la 3^ième partie de cet article que cette non linéarité a des conséquences sur le mixage snapflap optimal.

Courbe Alpha0 = f(braquage volet)

Lorsqu’on utilise les volets, le décalage de l’angle d’incidence à portance nulle alpha0 a une influence essentielle sur l’équilibre du planeur et sur la compensation à mettre à la profondeur. Alpha0=f(braquage volet) sera donc également utilisé dans les calculs de mixage snapflap . On remarque que la variation est quasiment linéaire, la pente de la droite dépend de la dimension de la corde des volets et du Reynolds de vol.

Courbe Cm= f(braquage volet)

On constate encore ici que le Cm varie de façon quasiment linéaire avec le braquage des volets. Curieusement la pente de cette droite ne dépend pratiquement pas de la dimension de la corde des volets. Tout se passe comme si le Cm était essentiellement lié à la direction de l’écoulement aérodynamique au bord de fuite du profil.

La valeur du Cm a une influence importante sur l’équilibre du planeur, elle influe donc sur la compensation profondeur volets sortis ainsi que sur le débattement profondeur à adopter lorsqu’on utilise un mixage snapflap. Ce sujet sera traité dans les parties 2 et 3 de cet article.

courbe Alpha=f(Cz.opt):

Lorsqu'on utilise les volets il n'y a pas besoin de donner une forte incidence au profil pour obtenir des Cz élevés. Ce sont alors les volets qui permettent d'obtenir la portance souhaitée, l'incidence de vol reste relativement constante.

Le graphique ci-dessus montre que pour un domaine de vol compris entre Cz= -0.4 et Cz=1, l'incidence varie entre -5° et +8° si le profil est utilisé en lisse, mais que cette incidence reste entre -1.° et +1° si on utilise les volets de manière à optimiser le Cx.

Outre le gain sur la traînée du profil, l’utilisation des volets permet donc aussi de maintenir une faible incidence au niveau du fuselage et d’en limiter la traînée aux forts Cz de vol. Ce gain n’est pas négligeable en particulier pour les fuselages volumineux, il n’est cependant pas pris en compte dans les calculs présentés plus loin car, outre les difficultés de calcul, il n’intervient pas directement sur le choix du braquage optimum des volets.

Le réglage des volets.

Pour beaucoup de pilotes le réglage des volets reste un sujet plein d’incertitude. S’il est assez facile de dégrossir le problème par quelques essais en vol, le doute ne manque pas de se manifester dès qu’il s’agit de régler finement un modèle pour la compétition ou tout simplement pour en tirer le maximum: est ce que je n’ai pas un peu trop de volet ? Ou au contraire est-ce que je ne serais pas un peu plus performant avec un peu plus de volet ? Disposer d’une approche théorique fiable serait une aide non négligeable qui permettrait de conforter le pilote dans ses choix.

Les questions qui se posent le plus fréquemment sont les suivantes :

- quel est le braquage optimum des volets pour le vol à finesse max?

- quel est le braquage optimum pour le vol à Vzmin?

- de combien doit-on relever les volets pour le vol de vitesse?

- comment régler le snapflap?

- etc …

Excepté pour le vol de vitesse, la seule analyse des polaires issue de X-foil ne permet pas de définir le réglage idéal. L’allongement de la voilure doit notamment être pris en compte car la traînée induite a une influence importante sur les performances du planeur en fonction du Cz (finesse ou Vz min) et donc sur le braquage optimum des volets. Il en est de même de la traînée de l’empennage et du fuselage. Définir de façon théorique les meilleurs réglages passe donc par le calcul de la polaire du planeur complet.

Le fichier Excel ci-joint (réglage volets) aidera à trouver les bonnes réponses en fonction des caractéristiques du profil et de la géométrie du planeur.

Ce fichier est basé sur un calcul simplifié des performances du planeur, il calcule les polaires du planeur complet en utilisant directement les données des polaires profil importées de Profili. Aucune extrapolation ou approximation n’est faite sur les données importées les résultats traduisent donc parfaitement l’influence des polaires issues de X-foil/Profili sur les performances du planeur. Il est ainsi possible de définir des préréglages fiables pour les volets, ceux-ci pourront ensuite être ajustés en vol.

Remarque importante

On notera que l'utilisation du fichier est a priori prévue pour des polaires à Re fixe et donc pour une vitesse fixée du planeur. Les courbes permettent de visualiser, pour cette vitesse, les performances du planeur en ligne droite et en virage ou évolution plus ou moins serré virage. Ce mode de représentation est tout à fait adapté à l’étude des performances en course F3F ou en voltige.

Pour ne pas tirer de conclusion erronée de l’analyse de ces courbes, il convient de vérifier systématiquement que le Reynolds utilisé pour les calculs de polaires est bien cohérent du point de vol souhaité (faible Reynolds pour la gratte, fort Reynolds pour la vitesse ou la voltige). Pour faciliter ce contrôle le fichier de synthèse affiche la vitesse de vol correspondant au Re, ainsi que le Cz de vol en ligne droite.

Une démarche analogue pourrait être développée en utilisant des données de polaires à Re variable (virtuelles ou non). Dans ce cas les courbes seraient représentatives des performances du planeur en vol horizontal sur toute la gamme de vitesse.

Réglage "finesse max"

Pour optimiser la finesse max d'un planeur il est tentant de choisir, sur les polaires issues d’X-foil, le braquage de volet qui donne la meilleure finesse max du profil. Ce choix n'est cependant pas pertinent car, comme signalé ci-dessus, il néglige l'effet de l'allongement limité de l'aile et du Cx induit. Si la finesse max du profil est obtenue à un Cz trop élevé et que l'allongement de l'aile est faible, l’augmentation de traînée induite pour voler à ce Cz risque de masquer complètement le gain en Cx apporté par les volets (on rappelle que la traînée induite varie comme le carré du Cz de vol). Il peut ainsi arriver en cas de faible allongement et de profil très porteur que l'utilisation des volets, même avec un très faible braquage, se traduise par une dégradation de la finesse (ceci peut en particulier être le cas sur des PSS).

L'approche retenue dans le fichier réglages volets consiste à calculer la finesse globale du planeur en fonction du Cz de vol en tenant compte de la traînée induite et de la traînée fuselage+empennage. En traçant les courbes finesse planeur= f(Cz) pour plusieurs valeurs de braquage de volet il est alors possible de choisir la valeur qui donne la meilleure finesse max. Un calcul automatique du braquage optimal à finesse max est également proposé et les données correspondantes affichées dans la feuille de synthèse.

Pour l'utilisation du fichier on se réfèrera à l'onglet "AIDE" qui indique la marche à suivre détaillée.

-Si on recherche la finesse max en gratte, le nombre de Reynolds auquel il faut tracer les polaires est pré-calculé dans la feuille "synthèse" (pré-calcul Reynolds "gratte" pour un Cz forfaitairement choisi à Cz=0.75).

-Si on recherche la finesse max lors d’évolutions en voltige ou en virage serré, on tracera les polaires pour une vitesse de vol (et donc un Reynolds) correspondant à un Cz de l’ordre 0,1 .

La figure ci-dessous donne une idée des résultats obtenus dans le cas d’un planeur 60 pouces de 11 d’allongement utilisant le profil TP73-60 inches

. La finesse maximale à Re=250000 est obtenue pour 4° de braquage de volet. On notera que cette valeur est très différente de la valeur de 8° relevée sur la polaire du profil seul. Ceci confirme que les réglages de volet doivent tenir compte de la géométrie du planeur.

Les figures ci-dessous montrent que le braquage optimal dépend du profil et de l’allongement :

- Sur le même planeur de 11 d’allongement, le braquage optimum sera de 3° si on utilise S7012 comme profil. De façon générale, au plus le profil est porteur au moins le braquage optimum à finesse max est important.

- Pour un même profil, le braquage optimum pourra être de 2° sur un planeur de 8 d’allongement et de 6° pour un planeur de 30 d’allongement. Avec S7012 et un allongement de 16 le braquage optimum est de 4° (voir figure).

Par ailleurs le braquage optimum dépend aussi de la traînée fuselage +empennage. Il est légèrement plus élevé lorsque la traînée fuselage est importante.

Conseils pratiques :

Personnellement j’utilise cette valeur de braquage à finesse max pour programmer une phase de vol « gratte » sur la télécommande. Ce choix permet de bonnes perfos sur une assez large plage de Cz (de Cz=0,4 à Cz=0.9 dans le cas du 60 pouces à profil TP73) et le Cz correspondant est assez loin de la valeur de décrochage.

Même lorsqu’on pilote "4 axes" (avec les volets sur le manche des gaz), il est toujours utile et confortable d'avoir un interrupteur commandant la position des volets sur la position finesse max (et si nécessaire sur la position vitesse). En basculant cet inter on est alors sûr de se retrouver dans la configuration la plus performante lorsqu'on lâche les manches.

D’autre part lorsqu'on utilise les volets en position finesse max, les performances peuvent être rapidement dégradées si le planeur vole à un Cz inférieur à Cz.opt (par exemple: pour aller plus vite). En conséquence on n'enlèvera systématiquement les volets pour s’échapper rapidement d'une zone peu porteuse.

Nota :

Les valeurs de finesse max peuvent paraître un peu élevées pour un planeur de 60 pouces. Mais il faut noter qu’il s’agit de courbes tracées à Re constant=250000. Ce Re ne correspond pas à un vol rectiligne pour le Cz correspondant à la finesse max, il s’agit donc d’une finesse en virage et non en ligne droite.

Réglage "vitesse"

Mettre les volets légèrement en négatif permet parfois d'améliorer la vitesse max d'un planeur. Mais attention ceci n'est pas une règle générale et dépend du profil utilisé (comme souvent en modélisme il faut se garder de généraliser un peu trop hâtivement les "bonnes recettes"). Reste à définir le "bon braquage". Voici comment procéder en utilisant très partiellement le fichier Réglage volets :

- Il convient d'abord d'évaluer approximativement le Reynolds de vol pour la vitesse max du planeur. Pour cela dans la feuille "Synthèse" on entrera les paramètres spécifiques au planeur (allongement, charge alaire, corde moyenne,…) et on relèvera la valeur de Reynolds pré-calculé pour une vitesse élevée du planeur (cette valeur correspond à un Cz vol choisi arbitrairement à Cz=0.1).

- On trace ensuite dans Profili les polaires du profil pour ce Reynolds (ou pour une valeur voisine ce n'est pas très critique) et pour différents braquages de volet (par exemple:0°, -1°, -2°, -3°,…)

- Si l'on rentre les données de ces polaires dans les différentes feuilles prévues à cet effet, le fichier détermine alors directement le braquage et le point de vol correspondant au Cx minimum (feuille synthèse). Il n'est cependant pas utile de faire cette opération et on peut directement choisir le braquage qui va bien sur les polaires tracées par Profili (braquage qui donne le plus faible Cxmin dans une gamme de Cz allant de Cz=0 à Cz=0.1 et pour le Reynolds défini plus haut).

Les polaires ci-dessous montrent par exemple qu’avec le profil MH32 à RE=400000 et pour des cordes de volet de 30%, on aura intérêt à relever les volets de 2°. Par contre avec un profil MG06 on ne gagnera absolument rien en faisant cette opération, tout au contraire.

Réglage "Vz min"

Le fichier Réglage volets fourni également des courbes Vz=f(Cz) dont l'analyse permet de déterminer le braquage de volet qui minimise la vitesse de chute du planeur (pour un Re donné). Cette valeur de braquage est affichée de manière automatique dans la feuille de synthèse.

Le graphique ci-dessous donne un exemple des courbes obtenues pour le planeur 60 pouces cité plus haut. Dans ce cas la vitesse de chute minimale est obtenue pour 7° de volet et pour des Cz de vol assez élevés Cz>0,7 c'est-à-dire des vitesses de vol très lente proches du décrochage.

Conseils pratiques

La position Vz min des volets n’est à utiliser que pour spiraler dans la pompe, elle est donc à mettre en œuvre :

- soit en pilotant 4 axes et en programmant cette position comme valeur max de débattement dans la phase de vol « gratte »

- -soit en programmant un mixage snapflap spécifique pour la phase de vol « gratte » Ce mixage devra être réglé de façon différente que pour le snapflap utilisé en voltige ou en vitesse.

On notera que les braquages déterminés de façon automatique peuvent être assez élevés. On les considèrera surtout comme des valeurs maximales à ne pas dépasser. Il convient entre autre de vérifier sur les courbes que la plage de Cz utilisable est suffisamment large et ne se limite pas à une zone restreinte en limite de décrochage.

Comme pour la finesse on prendra soin de vérifier que le Reynolds pour lequel les polaires sont calculées est bien cohérent du Cz de vol à Vzmin.

Le vol dos

Le fichier Réglage volets peut aussi être utilisé pour déterminer le braquage de volet qui donne la meilleure finesse ou la meilleure Vz en vol dos. Il suffit pour cela d'importer de Profili les données correspondant à des braquages de volet négatifs. L'exploitation doit alors être faite à partir du graphique finesse=f(Cz) car la détermination automatique du braquage optimum ne fonctionne pas dans ce cas.

Pilotage 4 axes

Le pilotage 4 axes consiste à utiliser le manche des gaz pour piloter les volets. Il convient donc que celui-ci soit doté d'un ressort de rappel au neutre. Comme je n'en dispose pas sur ma radio, je me contente d’un mode où je baisse les volets en utilisant le manche des gaz (donc un manche cranté) mais je ne l’utilise que pour l’atterrissage!!! Il n'en demeure pas moins que le vrai 4 axe est un mode de pilotage tout à fait intéressant, il permet a priori d'adapter en permanence la courbure et la portance de la voilure aux conditions de vol.

Si le mixage volet=>profondeur est réglé de façon à conserver l'attitude du planeur quelle que soit la position des volets et si le planeur et centré neutre, on peut alors dire que le manche de droite sert à piloter la portance du planeur (et donc sa vitesse en vol horizontal) et que le manche de gauche sert à piloter la trajectoire de façon quasiment indépendante.

Le pilotage 4 axes est a priori utile lors des prises d'altitude, soit pour gratter et spiraler dans la pompe (sur le ventre, mais aussi sur le dos!) en optimisant le taux de monté, soit pour gagner de l'altitude de façon dynamique en transformant en altitude la vitesse acquise au ras de la pente (restitution à finesse max face au vent ou enchainement de renversements de part et d'autre de la pente). En voltige proprement dite le manche des volets permettra à un pilote trop gourmand de soutenir un planeur qui manque de vitesse en sortie de figure…Les plus habiles pourront essayer d'optimiser l'effet des snapflaps en diminuant légèrement la courbure dans le haut des boucles ou au contraire d'accentuer cette courbure en bas des boucles carrées.

Il me semble par contre fort délicat de chercher à remplacer complètement le mixage snapflap en conjuguant soi-même en permanence profondeur et volets pendant l'exécution de figures de voltige. Comme nous le verrons plus loin il y a alors de grands risques de faire plus de mal que de bien.

Pour le réglage de ce mode de vol on choisira des débattements de volet correspondant au débattement optimum à Vz min (pour le vol ventre et pour le vol dos).

Réglage "atterrissage"

Je ne vais pas traiter ici de l'utilisation du mixage "crocodile" (volets fortement baissés et ailerons relevés) dont l'efficacité fait vraiment merveille, mais plutôt du cas des planeurs fullspan (ailerons sur toute l'envergure faisant également office de volets) pour lequel il existe 2 écoles: les pilotes qui préconisent de relever les volets et ceux qui préfèrent les baisser.

La méthode « aileron relevé a de nombreux adeptes mais personnellement je préfère les baisser fortement avec une commande proportionnelle sur le manche des gaz (qui sert ainsi de manche d'AF).

Lorsque le planeur est en approche avec une pente assez prononcée, le Cz de vol est très faible (entre 0 et 0.1). La figure ci-dessous montre que si l’on baisse fortement les volets on se retrouve alors dans une zone de la polaire où la traînée est très élevée (plus élevée que si on relève les volets de la même valeur). Il ne faut pas hésiter à aller jusqu’à 15 ou 20° de braquage vers le bas.

Il est alors possible de prendre des pentes de descente assez prononcées sans que le planeur accélère …. il ne reste alors qu'à négocier l'arrondi final! Les ailerons fullspan demeurent tout à fait efficaces avec ce réglage si on prend soin de prévoir un différentiel important dans ce mode de vol (en roulis un aileron se relève mais l'autre ne se baisse pratiquement pas).

Seule précaution à retenir : si vous êtes amenés à enlever les volets pour "remettre les gaz", le faire en douceur en conservant la pente de descente de manière à éviter tout décrochage.

Après cet atterrissage tout en douceur nous pouvons attendre tranquillement l’épisode suivant :

Volets, équilibre et stabilité…