Racer Club

Pourquoi équilibrer les gouvernes ?

Le règlement technique des racers F 1 précise, dans son paragraphe 4.2 :

« Les ailerons doivent être équilibrés dynamiquement à 100%.

Au lieu de cela, un équilibrage statique à 100% avec un contrepoids à l’extérieur du centre de gravité de l’aileron est accepté. Toute autre méthode d’équilibrage doit être soumise à l’acceptation du comité technique. »

Cette exigence, qui n’est pas justifiée dans le texte, prend sa source dans les années 20, quand les avions ont commencé à atteindre puis dépasser 200 km/h.

A cette époque, de nombreux accidents inexpliqués sont survenus à des appareils de constructeurs déjà expérimentés. Ces accidents présentaient tous les mêmes caractéristiques : les appareils se désintégraient en vol, et le très petit nombre de survivants mentionnaient tous de légères vibrations s’amplifiant brutalement jusqu’à la destruction partielle ou totale de l’appareil. Le renforcement des structures, la diminution des jeux dans les commandes et leur rigidification permettaient de repousser le phénomène, mais ne le faisait pas disparaître.

Ce sont les travaux théoriques entrepris dans la plupart des pays qui ont permis de découvrir la cause exacte de ces accidents. En français on la nomme « couplage aéro-élastique » ou, en utilisant le terme anglo-saxon, « flutter« .

Flutter et aéro-élasticité
Flutter et aéro-élasticité

La solution recommandée par tous les services techniques des grands pays aéronautiques fut très longue à s’imposer, car elle impliquait d’alourdir les appareils en ajoutant des lests aux gouvernes afin des les équilibrer par rapport à leurs charnières. Les constructeurs, qui menaient alors un dur combat contre le poids pour améliorer les performances, refusèrent pour la plupart d’ajouter du lest.

L’aviation constituait alors un domaine hautement stratégique, et les bagarres théorico-techniques mêlées d’intervention politique furent homériques. Tout cela a été parfaitement relaté dans le livre « l’histoire des essais en vol » paru aux Editions Larivière (hélas épuisé). Une petite indication des solutions aurait pu être soupçonnée, car certains avions étaient totalement réfractaires au flutter malgré toutes les survitesses que les pilotes pouvaient leur infliger. Le Bréguet XIV, celui des premiers temps de l’Aéropostale, était de ceux là. La raison en était que la liaison par biellettes entre les ailerons supérieurs et inférieurs se faisait par des guignols placés en avant des ailerons. Le poids de ceux-ci et celui de la biellette constituait un lest d’équilibrage.

Mais revenons à une explication sommaire de l’aéro-élasticité.

Pour commencer, nous supposerons que l’aile de notre appareil est relativement souple en flexion et infiniment raide en torsion.

Illustration du flutter
Illustration du flutter

Sur la figure ci-contre, la section d’aile représentée au centre est supposée voler en régime équilibré. Si elle vient à recevoir une rafale verticale ascendante elle se lève, en entraînant son aileron. Comme le centre de gravité de ce dernier est placé en arrière de la charnière, il va prendre un petit retard inertiel qui augmente son incidence et accroît l’effet de la rafale par augmentation de portance. Comme pour tous les plans aérodynamiques, cette portance augmente en raison du carré de la vitesse de l’appareil.

Lorsque l’aile atteint sa flexion maximum, elle repart dans l’autre sens, l’aileron amplifiant la vitesse et l’amplitude du mouvement descendant et ainsi de suite jusqu’à rupture.

Il va de soi que le phénomène n’apparaît qu’à certaines conditions. Il dépend :

  • de la vitesse de l’écoulement local,
  • de la raideur en flexion de l’aile,
  • du poids relatif des ailerons,
  • de la raideur des commandes, et de leur jeu,
  • des fréquences propres de chaque élément (souvenez-vous de la troupe qui passe au pas cadencé sur un pont) et de leurs capacités d’amortissement.

Bref, le problème est extrêmement complexe, et les tentatives pour le régler en augmentant la rigidité des pièces se soldent toujours par le même résultat : on augmente la vitesse à laquelle le phénomène apparaît, mais on ne le supprime pas. A noter que toutes les gouvernes, surfaces et accessoires plongés dans l’écoulement peuvent être affectées par le flutter.

La solution la plus simple consiste à amener le centre de gravité de la gouverne ou de l’élément mobile sur ou en avant de l’axe de charnière.

Ce modèle de flutter est extrêmement simplifié et l’on peut en imaginer de nombreux autres sans faire intervenir de surface additionnelle. Il suffit d’imaginer par exemple une aile très souple en torsion dont le centre de gravité est placé en arrière du centre de torsion (en cas très fréquent). A la rafale positive, non seulement l’aile fléchit vers le haut mais elle subit une torsion positive qui augmente l’incidence et amplifie la perturbation. Le même phénomène peut s’envisager avec un empennage monobloc. Là encore la solution est d’amener par des lests le centre de gravité du plan en avant du centre de torsion ou de l’articulation. A ces modèles simples on peut ajouter l’effet aérodynamique du déplacement des centres de poussée en fonction de l’incidence.

Résumons : pour limiter les risques de flutter, il faut des ailes et empennages raides en torsion, des commandes rigides et sans jeu, et il faut équilibrer tous les plans mobiles au moins en statique.

La roulette encastré dans l'étambot de la dérive. La taille des charnières donne confiance.
La roulette encastré dans l’étambot de la dérive. La taille des charnières donne confiance.

L’accident survenu au BKSUT Évolution lors de la démonstration de Nevers de 2005 est probablement dû à un phénomène d’aéro-élasticité. Pour diminuer encore la traînée parasite, la roulette arrière a été encastrée dans l’étambot de la dérive. La taille des ferrures de charnières écarte la possibilité d’une rupture statique.

Le prolongateur du Shoestring, compagnon d'écurie du BKSUT : 30 cm !
Le prolongateur du Shoestring, compagnon d’écurie du BKSUT : 30 cm !

En revanche, le recul important du centre de gravité par rapport à son axe – dû au poids de la roulette et de sa fourche – laisse envisagé un flutter de dérive. Elle a été vue par des témoins s’arracher en vol, et le pilote dit avoir ressenti de forte vibrations moteur. Compte tenu de la taille du prolongateur d’hélice un dés-alignement après la vibration et l’arrachement est hautement probable.

A suivre…