Racer Club

Les recettes pour aller vite

Les règlements actuels de course aux pylônes limitent tous considérablement la puissance que l’on peut installer sur les appareils. Cette limitation est provoquée par l’imposition d’un modèle de moteur et par une limitation stricte des modifications que l’on peut lui apporter.

En Formule 1 le moteur, imposé est le Continental O-200, dont la puissance nominale est de 100 cv à 2700 t/mn. En Formule V, c’est le moteur VW 1600, autrefois monté sur les minibus VW et donné par le constructeur de Stuttgart pour 50 cv à 4200 t/mn.

En restant scrupuleusement dans les limites des modifications autorisées dans les deux classes, on peut atteindre 145 cv à 3800-4000 t/mn pour le Continental et 65 cv à 4500 t/mn pour le VW. Le travail de mise au point moteur, que les Anglo-saxons appellent « blue printing », consiste essentiellement à équilibrer toutes les pièces, à appairer celles qui vont par couple, à équilibrer les quatre compressions, polir les conduits d’admission et d’échappement et assurer les jeux optimum aux pièces mobiles. A titre d’exemple, la tolérance de faux rond sur les paliers de vilebrequin doit être de zéro, les bielles sont équilibrées et appairées au gramme près ainsi que les pistons et axes de piston.

Pour aller vite il faut de la puissance ; pour aller vite il ne faut pas la gâcher
Pour aller vite il faut de la puissance ; pour aller vite il ne faut pas la gâcher

Il va de soit que l’hélice, qui est souvent montée sur un prolongateur assez long (nous verrons pourquoi dans le paragraphe trainée) sera aussi scrupuleusement équilibrée que les pièces mobiles du moteur.

Le refroidissement et la lubrification jouent un rôle essentiel pour développer la puissance sans détruire le moteur. Comme celui-ci est refroidi par air, le maintien de la température optimum n’est pas facile, d’autant que les courses ne font que dix tours d’un circuit de 5 km que les plus rapides parcourent à presque 400 km/h (soit 7 minutes et demi à pleine puissance). Les équipes de course s’arrangent pour que le moteur de l’appareil atteigne la température optimum en milieu de course. On commence un peu froid et on finit un peu chaud !

Transmission de la puissance : l’hélice

La puissance est transmise par l’intermédiaire de l’hélice, qui est un des éléments les plus critiques en matière de racer. En effet, les concepteurs se trouvent coincés entre des exigences très contradictoires :

  1. Les réglements interdisent tous les hélices à pas variable, les hélices métalliques (fatigue du métal) et les réducteurs.
  2. Les départs ont lieu au sol en formation appareils arrètés.
  3. Au plan aérodynamique, on sait que le rendement des hélices baisse considérablement au-dessus d’un nombre de Mach en bout de pale de 0.8 (soit 340 *0.8 = 272 m/s ou 980 km/h).
  4. Pour obtenir la puissance, on est contraint de faire tourner les moteurs à relativement haut régime.

En considérant ce qui a été mentionné au chapitre puissance sur les régimes moteurs, le point 3 conduit automatiquement à limiter le diamètre des hélices à 1.37 m pour les Formule 1 et 1.20 pour les Formule V et Formule RSA.

L’expérience aérodynamique indique qu’à l’approche d’une vitesse sonique, pour diminuer la traînée, il faut diminuer l’épaisseur relative des profils et utiliser des ailes en flèche. Toutes proportions gardées cela s’applique également aux hélices. Le bois ne permet hélas pas de descendre en dessous d’une épaisseur de 12-15 % en extrémité de pale, c’est pourquoi la plupart des racers de premier plan utilisent des pales soit totalement en composite soit en bois marouflé composite. La matrice est en epoxy et les fibres en carbone. La raideur en torsion des pales est primordiale pour conserver le pas, son évolution et éviter des risques de vibrations aéroélastiques (flutter) qui peuvent être catastrophiques. Le marouflage ou le drapage des peaux extérieures avec des tissus carbone en biais est à cet égard remarquablement efficace.

On peut penser que l’hélice doit être adaptée pour que le moteur délivre sa puissance maximum en palier ligne droite. L’expérience prouve qu’il faut rester un peu en deça et adapter le pas de l’hélice pour que la puissance maxi soit atteinte à la vitesse correspondant au milieu du virage. Cela facilite la réaccélération à la sortie du virage et permet de reprendre plus rapidement la vitesse de palier en ligne droite. Avec un tel réglage, on prend un léger surégime en fin de ligne droite suivante.

Pour finir, il faut que l’hélice puisse délivrer une traction statique suffisante pour assurer un décollage en sécurité dans la meute et aborder le premier pylône en bonne position, la première étant naturellement la plus confortable !

Les racers étant en perpétuelle évolution au plan aérodynamique, et les conditions de température et de pression changeant à chaque course, il est intéressant de choisir des hélices à pas réglable au sol si le règlement de course l’autorise.

En utilisant la méthode préconisée par le rapport 640 du NACA, le calcul d’une hélice optimum pour un racer F RSA prévu pour voler à 260 km/h avec 60 cv donne pour un facteur d’activité de 90, un diamètre de 1,20 m et un pas de 22° à 75 % du diamètre. L’abaque indique un rendement propulsif de 86.5 % à comparer au maximum de 87.5 % que l’on peut espérer avec une hélice bois. Le même calcul pour un F 1 de 145 cv à 3800 t/mn volant à 400 km/h indique une hélice de 1.38 m pour pas de 31° à 75 % du diamètre et un rendement identique.

On voit donc qu’en dépit de leur petit diamètre les hélices de racer sont parfaitement adaptées à leur régime de vol : à fond, à fond, à fond ! Le tableau est moins brillant si l’on vérifie l’adaptation aux basses vitesses pendant le décollage par exemple.

Traînée

C’est elle qui gâche la puissance !

Sous peine de ne pas comprendre précisément ou se font les pertes, il faut séparer la traînée en fonction de ses différentes origines :

  • traînée induite,
  • traînée de profil,
  • traînée parasite (traînée de frottement + traînée d’interaction),
  • traînée de refroidissement.

Traînée induite

Commençons par la traînée dûe à la portance de l’appareil, dite traînée induite.

Cette traînée est directement proportionnelle au poids apparent et à l’incidence. Si en ligne droite à très haute vitesse (faible incidence), elle ne constitue qu’un faible pourcentage de la traînée globale, en virage elle augmente considérablement du fait de l’incidence nécessaire à son équilibre.

La seule solution pour la réduire est d’augmenter l’allongement de l’aile. Cette traînée induite est finalement entièrement tributaire d’une quantité que l’on nomme « charge à l’envergure ». Il va de soit qu’augmenter l’envergure compromet la solidité du longeron puisque, à surface et profil équivalent, son épaisseur diminue alors que sa longueur libre augmente. C’est cependant la solution la plus efficace pour augmenter les performances. Avec les technologies actuelles, (composite carbone) on peut dépasser 6.50 m d’envergure alors que le Cassut standard ne dépasse pas 5 m.

Cependant un calcul rapide permet de constater qu’une fois lancés, les racers volent à une incidence – donc un Cz – relativement faible. Typiquement, pour un F 1 tournant à 400 km/h de vitesse proppre, le Cz est de 0.1 en ligne droite et .35 en virage. Pour un F V ou F RSA c’est entre 0.16 et .32 pour une vitesse propre de 260 km/h.

La trainée induite est donc relativement faible, puisqu’elle dépend de l’incidence et donc du Cz. L’avantage d’allongements élevés => à 6 n’est donc vraiment important que dans la phase d’accélération initiale, quand le racer vole encore à incidence relativement importante (c’est à dire dans le premier tour).

Traînée de profil

Elle est générée par le frottement de l’air sur l’aile. Elle dépend de la forme du profil et de sa capacité a conserver un écoulement laminaire sur la plus grande partie possible de sa surface.

De manière très grossière, l’écoulement reste laminaire tant que la vitesse de l’écoulement augmente le long du profil. Pour que la vitesse augmente régulièrement, il faut que la pente à la surface du profil augmente ou plus simplement que l’épaisseur du profil augmente ! Dès que l’épaisseur diminue, la vitesse de l’écoulement baisse et celui-ci devient turbulent. Si la pente du profil diminue trop brutalement, il se produit même des décollements catastrophiques du point de vue de la traînée. Les profils dit laminaires ont donc une forme très particulière avec un maître couple très reculé.

Profil NACA
Profil NACA

De par leur forme, l’écoulement ne reste laminaire que dans une plage étroite d’incidences. Cette plage caractéristique apparaît sur la polaire de ces profils sous la forme d’une « bosse laminaire » matérialisant la baisse de traînée. Au-delà et en deçà, le profil ne présente pas d’avantage par rapport à ses congénères plus classiques. Il est curieux de constater que les racers n’ont recouru que très tardivement au profils laminaires modernes (Nemesis en Amérique et BKSUT en France).

Polaire NACA 65212
Polaire NACA 65212

Les gens du vol à voile, pour qui la traînée est le souci constant, ont trouvé le moyen de déplacer la bosse laminaire à la demande grâce aux volets de courbure. Les volets de courbure n’ont jamais été utilisés en course comme on les utilise en planeur. Pourtant, avec la moitié des courses parcourues en virage sous un facteur de charge entre 3 et 4 g, les variations de portance – donc d’incidence – dans un rapport équivalent justifieraient pleinement leur usage.

Traînée parasite

Comme son nom l’indique, elle est constituée de toutes les autres traînées : fuselage, empennages et trains viennent immédiatement à l’esprit, mais on oublie de parler d’un élément important qui est la traînée d’interaction.

En effet les problèmes d’écoulement que l’on étudie en deux dimensions dans le cas des profils sont en réalités des écoulements à trois dimensions. Chaque fois que deux surfaces – donc deux écoulements – se croisent, ils interagissent en provoquant localement des accélérations ou des décélérations. Ces perturbations génèrent non seulement de la traînée, mais elles peuvent provoquer des transitions laminaires turbulentes sur une grande partie des surfaces qui les environnent.

Interactions aile-fuselage
Interactions aile-fuselage

Ces interactions devraient être étudiées en soufflerie, mais faute de disposer de ce genre de moyen, il existe des règles de bonne conception préalable qui permettent de les minimiser. On considère que lorsque l’angle entre deux surfaces parallèles à l’écoulement est supérieur à 120°, leurs interactions sont faibles, et qu’en dessous de 90° elles sont catastrophiques.

Maître couple
Maître couple

On considère également que lorsqu’on peut augmenter régulièrement la vitesse de l’écoulement, donc garder une pente croissante de la surface par rapport à l’écoulement amont, on minimise les perturbations. Cette propriété a été remarquablement exploitée par Caudron dans les années 30. Tous les avions de la maison avaient le maître couple du fuselage reculé jusqu’au bord de fuite (Simoun, Rafale, etc.). Plus récemment le Banbi de Colomban et le Dieselis de Pennec ont adopté cette solution.

Là où cela devient indispensable, il faut installer des raccords dit Karman, du nom de l’aérodynamicien allemand qui les a popularisés, en n’oubliant pas que ces surfaces supplémentaires augmentent la traînée du seul fait de l’augmentation de la surface mouillée.

Traînée d’empennages

Il est tout à fait recommandé d’installer de vrais profils sur les surfaces stabilisatrices. En effet, outre que les profils « planches » traînent nettement plus aux très faibles incidences où ces surfaces travaillent, ils génèrent des instabilités d’écoulement qui rendent par exemple la commande de profondeur très imprécise. Plusieurs appareils ont été détruits, lors de passages à haute vitesse et basse hauteur, par oscillations induites par le pilote.

D’autre part, la tentation est forte de diminuer les surfaces d’empennages puisqu’elles ne rentrent pas dans la mesure réglementaire de la surface alaire. Ceci conduit hélas à diminuer la marge statique de stabilité et rend le pilotage encore plus pointu, alors que les conditions de la course mobilisent déjà la majeure partie des capacités du pilote. Pour éviter ce genre de dérive, le règlement F 1 impose un centrage maximum arrière à 25% de la corde moyenne, de même que le règlement F V américain. Le nouveau règlement RSA VW impose quant à lui un volume d’empennage minimum, ce qui augmente la plage de centrage mais n’empêche pas le choix d’un centrage arrière pour « augmenter les performances ».

Traînée de refroidissement

Cette traînée est loin d’être négligeable, et pourtant bien méconnue.

Les spécialistes du racer essayent naturellement de la minimiser au maximum. Pour les courses d’hydravion de la coupe Schneider d’avant guerre, les Italiens utilisaient même des moteurs refroidis à eau qui exploitaient comme radiateur le revêtement de l’aile. Dans le cas des F 1, F V et RSA, tous les moyens sont bons pour diminuer cette traînée.

Avant de parler du détail des circuits de refroidissement, il faut connaître un truc important. Dispensés des soucis de consommation – rappelons que les courses durent environ 10 minutes – les pilotes règlent les moteurs très riche, l’excédent d’essence servant à refroidir les cylindres et à diminuer le risque de détonation.

A l’intérieur des capots, les fuites d’air frais sont totalement proscrites. Le plus souvent les moteurs sont pourvus de boites à air totalement fermées. L’air qui pénètre par les ouvertures amont est ainsi totalement consacré au refroidissement des cylindres, du radiateur d’huile et des magnétos qui tolèrent très mal la surchauffe. Le VW nécessite un débit d’air d’environ 800 l/s pour son refroidissement. Il faut prévoir presque le triple pour le Continental 0-200. Il est donc facile, en connaissant la vitesse de vol, de calculer les sections d’entrées de refroidissement, avec la formule : débit = section x vitesse.

L’air est détendu dans la boite à air, sa vitesse diminue, il effectue sa tâche et doit être ré-accéléré avant d’être évacué, sous peine de créer une traînée d’interaction supplémentaire avec l’écoulement externe. Cette ré-accélèration doit être favorisée par des carénages internes.

Bien que l’on puisse également la compter au chapitre des traînées parasites, celle produiite par l’interaction immédiate des pales et du capot ne doit pas être négligée. Le passage des pales à courte distance du carénage moteur produit une pulsation turbulente qui détruit tout espoir d’écoulement laminaire sur la partie avant du fuselage. Pour limiter le phénomène, les concepteurs montent d’immenses prolongateurs sur les vilebrequins : 30 cm sur Nemesis. Avec un tel porte-à-faux, le moindre déséquilibre de l’hélice ou du cône peut conduire, au mieux à des pertes de puissance, au pire à la catastrophe.

Pushy Galore
Pushy Galore

Un seul concepteur, Jim Miller, a utilisé avec succès la disposition propulsive sur sa série d’appareils dérivés du Texas Gem, une aile volante propulsive à hélice carénée dont le dernier modèle, le Pushy Galore, vient d’être mis a la retraite.

A suivre…