Histoires d'empennage (Part 1) !

«Comment dimensionner un empennage ? »

Thierry Platon
17/02/2011

Cette question m'a été quelques fois posée et j'avoue avoir été quelque peu embêté pour y répondre précisément.

Mis à part un rappel classique sur le volume de stab, mon conseil a d'abord été … de s'inspirer de ce qui marche !
Des paramètres comme la longueur du bras de levier, la surface du stab et la surface de dérive ont bien évidemment leur importance, mais quel est le lien précis entre ces paramètres et les différentes fonctions que l'empennage doit assurer? Comment et sur quels critères dimensionner au mieux ces différents éléments? Comment par exemple choisir le volume de stab ou la surface de la dérive ?

Voici une suite d'articles dont le but est moins de donner quelque recette miracle, que de proposer un certain nombre d'axes de réflexions conduisant à mieux appréhender les différentes fonctions de l'empennage (stab et dérive) et la façon dont celui-ci influe sur le comportement du planeur.

Parmi les sujets qui seront abordés on trouvera en vrac les points suivants :

Avant d'aborder le premier thème, rappelons que l'empennage doit essentiellement assurer 3 fonctions. Celles-ci concernent aussi bien l'axe de tangage que l'axe de lacet :


Nous aborderons chacune de ces fonctions, mais pour commencer voici quelques réflexions concernant les questions d'équilibre longitudinal et de choix du volume de stab.

Equilibre longitudinal et Volume de Stab

Le choix du volume de stab lors de la conception d'un planeur peut paraitre quelque chose de plus ou moins empirique. La règle générale dit qu'il faut choisir un volume de stab compris entre 0.3 et 0.6. Mais pourquoi choisir une valeur plutôt qu'une autre (elles varient du simple au double !)? Et quelles sont les conséquences de ce choix ? N'y a-t-il pas une valeur plus précise à adopter en fonction des caractéristiques de la machine ou de son utilisation?

Pendant longtemps je me suis posé ce genre de question sans vraiment trouver de réponse. Puis j'ai résolu approximativement le problème en calculant le Cz de stab dans un fichier Excel et en cherchant par itérations à réduire ce Cz. Mais je suis de ceux qui aiment bien les approches analytiques globales, elles ont à mon sens le grand mérite de mettre clairement en évidence les paramètres fondamentaux d'un problème. J'ai donc continué à travailler sur la question …

L'article ci-joint Volume de stab optimum propose une approche analytique et une formule relativement simple permettant d'optimiser le volume de stab. L'objectif est d'assurer un comportement sain du planeur dans tout son domaine de vol, et plus particulièrement de garantir la plus grande marge possible vis-à-vis d'un éventuel phénomène de décrochage du stab que ce soit en vol ventre ou en vol dos.

Les formules présentées ont été intégrées dans le fichier ci-joint Centrage + Volume de stab qui en facilite l'utilisation. Outre les calculs de centrage et de Vlongitudinal développés dans de précédents articles, ce fichier permet désormais le calcul du volume de stab optimum ainsi que l'analyse du Cz de stab dans tout le domaine de vol.

Pour les modélistes pressés (ou ceux qui n'apprécient guère la compagnie des équations) voici quelques points essentiels à retenir :

- La formule proposée donne des résultats tout à fait cohérents avec les règles usuelles (volume de stab compris entre 0.3 et 0.65).

- La valeur précise du volume de stab optimal dépend essentiellement du profil de l'aile et plus particulièrement du rapport Cm0 / (Cz max + Cz min) .

- Les profils de F3K ou de vitesse semblent nécessiter de faibles volumes de stab. Inversement les profils de voltige nécessitent des volumes de stab plus élevés. Il reste cependant difficile de définir une règle générale liée à la seule courbure du profil ou au type de profil. L'utilisation de la formule proposée reste donc tout à fait conseillée pour définir correctement le volume optimum.

- La valeur du volume de stab n'est généralement pas très critique mais pourrait le devenir dans certains cas (planeur de voltige, profil stab de type " planche ", profil d'aile de forte épaisseur)

- Pour un profil d'aile donné, la valeur du volume optimum dépend aussi des allongements de l'aile et du stab : les faibles allongements nécessitent de plus grands volume de stab

- Le Cz de stab est maximal lorsque le planeur est en limite de domaine de vol (c'est à dire en limite de décrochage en vol ventre ou en vol dos) et lorsque le planeur est centré neutre.

- Inversement, sur nos planeurs, un léger centrage avant a généralement tendance à réduire la charge du stab

- Le principal enseignement à retenir de cette étude est que le profil du stab doit être d'autant plus tolérant que le profil de l'aile est épais. Ceci est en général le cas sur les grands planeurs pour lesquels on a tout à fait intérêt à choisir de " vrais profils " pour le stab. Inversement les petits planeurs qui utilisent souvent des profils de faible épaisseur relative, peuvent alors se contenter d'un stab à " profil planche " sans grand risque pour leurs qualités de vol.

Avant d'aborder la lecture de cet article je recommande vivement la lecture sur Planet Soaring des différents articles concernant le centrage afin de se remettre en tête les notions d'équilibre et de stabilité longitudinale d'un planeur :

Le volume de stab étant choisi il reste ensuite à fixer la longueur du bras de levier arrière. Cette question sera examinée dans un prochain épisode …..

A suivre !

 

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