INTRODUCTION : 18 CAPOTS ET LES EXPERIENCES AU CEAT J ai participé à la réalisation de 18 capots ; tous ont volé sauf deux : un capot A01qui a été essayé en soufflerie à l échelle 1 et le dernier en construction sur l Oceanair sn15 de Charles Bieswal. Tous ces avions sont motorisés par des moteur Lycoming. L origine des cette expertisese situe en 1977 quand les constructeurs Wassmer, SOCATA et Avions Robin ont demandé en cœur des études pour comprendre le fonctionnement de la ventilation des moteurs et le coût en traînée de cetteventilation. L équipe de bureau d études de l Aérospatiale Avions basée à Chatillon (les ex Nord Aviation) s est vu confier la maitrise d œuvre de l étude gérée par Michel Lazareff et Michel Colomban. En étant muté au CEAT (Centre d essais Aéronautique de Toulouse) en été 1978, j ai mis les mains dans le cambouis en étant en charge des essais en soufflerie échelle 1 avec un vrai moteur. Les études se sont terminées en 1982 : le CEAT avait réalisé et essayé 4 capots, DR400, A01, A03, A05, deux hélices ainsi que 5 échappements à des vitesses de 144 km/ à 260 km/h. le moteur était réglé du plein gaz aux puissances faibles avec un réglage possible de la richesse. Il faut dire aussi que de nombreuses variantes de cloisons internes et d étanchéité des compartiments furent essayées en 7 campagnes dans la soufflerie S5 et au point fixe. J ai gardé tous les rapports d essais ; ils existent toujours au CEAT mais ils deviennent difficiles à retrouver.le capot A03 a volé sur un DR400 et le capot A05, très original a volé sur le prototype X4 des Avions Robin en donnant des résultats extrêmement bons. La photo 1 montre le capotage A03 en essai à la soufflerie S5 du CEAT en 1979. La traction de la nacelle est mesurée avec une très grande précision par les trois mats émergents de leurs carénages rouges. http://jean-paul.vaunois.fr Page 1
Le couple du moteur est mesuré par un couplemètre : le cadre moteur, une cloison en aluminium pleine de 10mm d épaisseur) et le GMP, l hélice le capot étaient montés sur un roulement à bille horizontal. Le débit interne de ventilation était mesuré après un étalonnage au point fixe par la différence de pressions entre le compartiment haut et froid et celui du bas et chaud. A cette époque, les analyseurs moteurs n existaient pas et toutes les mesures RPM, PA, CHT, EGT, pressions étaient des mesures spécifiques. Les capots A03 et A05 sont des créations personnelles. J avais lu dans les rapports de la NASA les résultats des entrées d air cylindriques de 1975 que Lopresti a repris à son nom sur un Mooney et ensuite sur les Piper. Pour le capotage A05, je n ai pas retenu ce principe des entrées d air rondes de la NASA car les deux sections d écoulement aux dessus des cylindres avant sont de forme plutôt rectangulaire: passer du rond au rectangle me paraissait une transformation de l écoulement avec une perte d énergie. Je connaissais le Concorde où l on passe du rectangle au rond. Je me suis inspiré du GrummanCougar. Le capotage A03 est beaucoup plus sophistiqué que celui du Cougar. La SOCATA, pour le TB10, devait dans la même période s inspirait du Grumman AA1 devenu par la suite Tiger. http://jean-paul.vaunois.fr Page 2
LE REFROIDISSEMENT DES MOTEURS EST UNE SOURCE DE TRAINEE TRES FORTE Le refroidissement du moteur et des échappements est assuré par de l air capté en amont, mais aussi par l air du carburateur (ou du bloc d injection) qui traverse le carter d huile pour refroidir l huile. Ne posez pas à un expert en refroidissement la question «est ce que votre moteur est bien refroidi?». Ce type de question, vous ne la posez pas à votre poissonnier «est que votre poisson est comestible?». La bonne question est combien le refroidissement coute en traînée ou en énergie quand un ventilateur est actionné par la puissance motrice. Une des raisons pour lesquelles Citroën a abandonné les refroidissements à air est le prélèvement énergétique énorme du ventilateur à grande vitesse. Cette captation d un débit très important est la source d une traînée importante estimée à 10% de la traînée de l avion pour un DR400 standard. La traînée de refroidissement est grosso modo proportionnelle à la section de sortie de l air de refroidissement: donc vous vous baissez et vous observez la section de sortie: comparer le Rallye et TB10. La section de sortie doit se voir comme un aérofrein de même surface déployée à l extérieur. Le paragraphe précédent ne traite que de la traînée de refroidissement au sens scientifique, c'est-à-dire des pertes d énergie des tubes de courant d air qui traversent le capot pour le refroidissement. Il y a encore 11% de traînée due à l intégration de la motorisation: mettre un moteur Lycoming dans le nez de l avion ne permet pas une traînée faible comme un nez de planeur. On distingue : La traînée de la forme abrupte 5% La traînée parasite de 4% due aux trous, les boulons et la découpe du cône, les pieds de pales, la trappe à huile et autres trappes, la sortie de l échappement et les tuyaux de l échappement à l extérieur, surtout pour les silencieux, les écopes, les jonctionnements, les fuites, les systèmes de démontage,les attaches du capot, la succion pas suffisante sur les lèvres des entrées d air. La perte de 2% de rendement d hélice du fait de la proximité de ce gros capot. En 1978, l intégration d un moteur Lycoming sur une DR400 coutait plus de 20% de la puissance installée. Pour vous, j ai compté la traînée en Scx exprimé en cm². Pour le DR340,homologué au CEV en 1968 : La traînée totale de l avion en vol plein gaz à est de 4500cm² (256km/h et 970kg) La traînée de refroidissement est de 450 cm² soit 10% de la poussée du GMP!Cette valeur inclut la poussée du jet de refroidissement; que le jet soit froid ou chaud ne change pas significativement sa poussée (effet dit effet stato).le montage du CEAT était une nacelle selon la photo 1 ; nous n avions pas eu l idée de mettre le train avant. Donc la fuite dans le haricot de passage du train avant a une traînée qui n a pas été mesurée ; c est environ 40 cm². http://jean-paul.vaunois.fr Page 3
La poussée de l échappement est estimée à 120 cm² soit 2.5% de la poussée totale. La traînée de la formeavant en référence d un nez de planeur est de 245cm² La traînée parasite des besoins accessoires de l installation est de 220cm² Le bilan négatif d interaction entre l hélice et la cellule a été mesuré:traînée de 100cm² La traînée interne de refroidissement est la somme sur l axe de l avion des efforts aérodynamiques sur les formes internes du capotage de l entrée d air à la sortie selon le schéma suivant. Dans la suite du paragraphe, on va suivre les pertes de charge, c est-à-dire comment l air amont va se faire déposséder d une partie de son énergie de pression et cinétique, la pression totale. Le chemin est selon le schéma-tableau 2: 0 Le plan 0 à l amont 1 Le plan 1 au col de l entrée d air 2 Le plan 2 dans le compartiment froid haut 3 Le plan 3 en sortie des ailettes des cylindres 4 Le plan 4 à la sortie de l air de refroidissement On appelle coefficient de débit, le rapport entre la vitesse V1 dans l entrée d air au col et la vitesse amont V0 ou Vp ou TAS. Pour un coefficient de 1, la section de l entrée d air est égale à la section de captation de l air en amont. Pour un coefficient de débit de 0.5, la section de l entrée d air est le double de celui de captation en amont. «Suivez le guide : nous sommes actuellement au plan 0, avec la vitesse Vp=V0=Va=Vitesse air de l avion. Nous allons voyager avec une colonne de fantassins ; le volume d air, dont la mission est de refroidir le moteur et ses accessoires chaque seconde, et qui va rentrer dans le capotage est de 1 m³, sa section de passage est de 140 cm² au plan 0, sa vitesse est de 256km/h, la pression totale est 1044 mb et la température extérieure est de 40 C. Il s allonge sur une colonne de 71 m. Il fait très chaud aujourd hui. «En arrivant près du capot la colonne se tasse et le tube de courant s élargit, la pression totale est toujours de 1044 mb. A la traversée du plan de l hélice, l hélice distribue 90 coups de pied au derrière de certains d entre nous : alors la pression totale de la colonne augmente à 1050 mb. «A la traversée du col de l entrée d air, la vitesse diminue vers 126 km/h avec toute la force de notre pression totale. C est là que commence le laminage et la perte de notre énergie. «Alors, nous nous éparpillons dans un grand compartiment ; la vitesse tombe à 36 km/h soit un doux zéphyr et la pression du jet de notre colonne s évanouit dans le compartiment : la pression totale tombe à 1042 mb. http://jean-paul.vaunois.fr Page 4
«Maintenant commence le véritable travail, virer de 90 vers le bas et se faire laminer par les chaudes ailettes, nous faire aspirer par les compagnies de devant qui quittent le capotage. Certains d entre nous ont profité des trous de l étanchéité sur les côtés pour fuir vers des sorties plus faciles : devant vers le cône afin de ressortir immédiatement du capot, vers le bas par la courroie de l alternateur, entre le capot et les joints d étanchéité, dans les trous de tôles D autres ont participé au refroidissement en passant dans le radiateur d huile ou en soufflant sur les magnétos, les systèmes de carburant, la batterie. Le passage total entre les ailettes est de 160cm² : la vitesse accélère à 234 km/h et dans cet étroit venturi nous perdons 26 mb de pression totale et les cylindres nous ont échauffés à 105. «Nous prenons un peu de repos dans ce vaste volume sous le moteur où nous nous traînons à 4 km/h. Nous rejoignons nos camarades fuyards qui ont gardé leur température. Nous partageons avec eux nos calories, ce qui nous permet de refroidir un peu. «Il faut penser à sortir maintenant, mais notre pression totale n est que de 1018 mb alors que nous devons nous lancer dans une masse d air sous le capot avec une pression statique de 1013 mb. Il faut ouvrir toutes les issues pour sortir : les sorties d air dédiées, le haricot de la jambe de train, les côtés latéraux au maître couple du capot où la pression statique n est que 1010 mb. Certains d entre nous en sortant horizontalement participent avec leur force du jet vers l extérieur à pousser l avion.» Le schéma-tableau 2 suivant donne les caractéristiques du débit de refroidissement aux différents plans de passage. http://jean-paul.vaunois.fr Page 5
plan 0 plan 1 plan 2 plan 3 Plan4 Moteur 160 hp en amont Au col des entrées d air avant les ailettes du Lycoming dans le capot bas La sortie Vitesse de l air en m/s 71 36 100 6 36 Q débit en kg/s 1.23 1.23 1.23 1.23 1.23 Section en cm² 142 2 fois 140 cm² 100 1676 279 Volume en m³ 1 1 1 0.9 0.6 Longueur de la colonne en m, 71 36 36 Pt pression totale mb 1044 1050 1042 1018 1018 pression dynamique q en mb, 31 8 62 0 8 Température en C 40 40 45 105 100 Schéma-tableau 2Valeurs caractéristiques de l air de refroidissement aux différents plans capot de type A03 Il y a beaucoup de commentaires à faire sur ce tableau 1. D abord, tuons une idée fausse. Ce n est pas l entrée d air qui régule le débit, mais la section de sortie comme le fait le robinet de votre lavabo. Note importante : avec une ventilation naturelle (c est-à-dire sans hélice) et une pression très basse dans le capotage du bas, l air ne pourrait pas sortir du capotage avec le bon débit. Heureusement l hélice force la pression totale, sinon il n y aurait pas de refroidissement possible. Les avions à propulsion arrière ont besoin en général d un ventilateur. 2. De plus l hélice permet de réguler le débit de refroidissement entre le besoin en montée et le besoin en croisière. Selon les exigences de Lycoming, il faut à peu près le même débit en ces deux points de contrôle, car on accepte un maximum de 260 C pour la température des cylindres en montée, et seulement 235 C en croisière. Sans hélice, un débit naturel de 1.22 kg/s en croisière ne serait que de 0.71 kg/s en montée, soit un débit très insuffisant pour refroidir le moteur. Le débit serait donc insuffisant en montée. L hélice réalise cette régulation en pulsant le débit de refroidissement selon la figure3. On voit que le débit réel est très supérieur au débit minimal des spécifications de Lycoming. Ceci est le fait des fuites et du besoin de refroidir plus que le moteur : magnétos, radiateur d huile, capot bas, échappements http://jean-paul.vaunois.fr Page 6
1,6 1,4 1,2 débit en kg/s 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 débit de refroidissement type TB9 débit sans hélice SPEC LYCOMING MONTEE SPECLYCOMING CROISIERE 100 120 140 160 180 200 220 240 Figure 3 mesure au CEAT débit naturel de refroidissement en kg/s sans hélice dans le capotage A03 et débit avec hélice, 2500 RPM, de pas 66 pouces fonction de la vitesse en km/h. 3. Les essais en souffleries5 du CEAT ont permis de redécouvrir le dessin d un capotage pour un bon fonctionnement du refroidissement. Des mesures de pressions ont été faites au-dessus (et seulement au-dessus) du capot du DR400 entre le capot et la distance 1.01m de l axe hélice, 20 mm derrière l hélice à S5 CEAT. L intégrale de ces pressions selon la figure4 représente la traction de l hélice. q/q0 >1 signifie que l hélicepousse. http://jean-paul.vaunois.fr Page 7
Figure 4 pressions dynamiques (q est la pression Pitot derrière l hélice en rotation et q0est la pression dynamique du vol, celle du Badin de l avion) mesurées à S5 CEAT à 20 mm derrière l hélice, capot DR400, en montée (symboles ronds ) et en croisière (symboles croix +). On voit sur cette mesure que la répartition des pressions en croisière est assez uniforme, bien que l extrémité de l hélice soit un peu déchargée. Par contre, la répartition en montée est vilaine : http://jean-paul.vaunois.fr Page 8
Peu de pression dynamique près du cône Pas de traction en extrémité des pales C est d après cette mesure unique, que j ai proposé en 1982 de mettre les entrées d air de refroidissement au-delà de 400mm de l axe afin que ces entrées récupèrent de la pression dynamique pour traverser les cylindres plus facilement. Avec le capot A03 de l image 1, j avais commis une réalisation élégante, efficace mais qui demandait un grand cône. La DGAC a permis des études d optimisation de cette traînée de refroidissement. Voici quels furent les choix technologiques du capot A03: Le cône est de grand diamètre, de 0.360 m ; les performances des pieds de pales de l hélice sont négatives en croisière. L hélice donne une couronne propulsive audelà d un diamètre de 0.4 m. Un grand cône permet un effilement du capotage, il réduit ainsi la traînée de la forme du capotage. De plus le grand cône écarte les entrées d air, ce qui rend plus fermes les coups de pied de l hélice au débit de refroidissement, la pulsation de l hélice. Lorsque l on enlevait le cône au CEAT, la traînée augmentait de 200 cm² sans modification du débit interne. Les entrées d air classiquesdu capot A03 sont du type Grumman, mais elles sont dotées de lèvres d un dessin soigné, comme un bord d attaque d aile, afin de favoriser le contournement de l air externe (traînée possible de 100 cm²). Les entrées d air sont de sections rectangulaires, de façon que les jets soient à plat audessus des cylindres ; elles sont assez hautes pour laisser au moins 380 cm² libres au-dessus des premiers cylindres. Elles sont à coefficient de débit de 0.5 (418 cm² soit 2 fois 11 cm de haut et 19 cm de large). On notera que la section de l entrée d air est le triple de celle en amont. Ce choix est nécessaire pour éviter les pertes des jets après les entrées d air. Elles sont équipées chacune d un diffuseur court à l intérieur du capotage avec des angles de 6 pour favoriser la récupération de pression avec un taux de diffusion de 1.35. Dans la soufflerie S5 du CEAT, il a été facilement possible de mesurer la traînée de refroidissement de multiples configurations à iso-température du cylindre le plus chaud. On définit la traînée de refroidissement comme la différence de traînée entre le capot ventilé sans hélice et le capot avec l entrée d air fermée et carénée. La traînée de refroidissement du DR340 est mise à 450 cm². Il y a 40% de fuite dans le modèle du tableau (tableau2). Les fuites sont très coûteuses en traînée ; les principales sur le DR400 sont : la fuite dans le haricot de passage du train avant les fuites de droite et gauche entre les capots supérieurs et inférieurs la fuite entre le capotage et le cadre avant qui traîne pour 1% de la traînée avion! http://jean-paul.vaunois.fr Page 9
Si on réalise une très bonne étanchéité à l intérieur du capot, il faut ventiler l intérieur du capot du bas avec de l air frais. Le capot du haut est étanché par une cloison transversale qui empêche l air de retourner vers le cône. Ce dispositif a été conçu par le CEAT et essayé avec succès en essais en soufflerie au CEAT. Photo 4 Cloison transversale du capot A03 Ce dispositif a fait l objet d essais en vol sur un TB10 de l ENSICA : il a rapporté +6 mb dans le compartiment du haut et -15 C sur les tempé ratures ; ce qui se valorise par un gain de 1.5 km/h sur la vitesse de croisière. Je n ai pas pu convaincre les Avions Robin et la SOCATA de l installer sur un avion de série. En ce qui concerne les réalisations industrielles, on la trouve sur les avions US : les Lancair, sur le nouveau Cessna 182, les CIRRUS et les Diamond... http://jean-paul.vaunois.fr Page 10
Cloisons transversales pour CESSNA 182 Photo 5 Cloison transversale du capot du CESSNA 182 Le débit de 1.22 kg/s constaté sur le DR400 en soufflerie n est que la somme du débit nécessaire demandé par Lycoming (0.65 kg/s) et les fuites. Sans fuite il est possible de réduire le débit de refroidissement à 0.8kg/s et de réduire la traînée de refroidissement à 110Scm². Le CEAT a montré qu avec ces principes, on pouvait réduire fortement la traînée de refroidissement. Les principes ont été installés en partie sur les DR400 récents qui vont aussi vite que leurs ancêtres en dépit de la cabine agrandie et du pot d échappement conçu pour réduire le bruit. Grâce à une excellente étude des élèves de l ENSICA, il a été montré que la traînée d un moteur, refroidi par un radiateur adapté à l aéronautique, est beaucoup plus faible que lorsqu il est refroidi par les ailettes. Avec le radiateur, ils ont mesuré et calculé une traînée interne de 200 cm². La traînée du refroidissement se mesure approximativement par la mesure de la section : la traînée est celle d un aérofrein de même surface déployé sous le fuselage : plus la section est grande, plus la traînée de refroidissement est forte. Ce n est pas un hasard, cela se démontre par le théorème d Euler. Ainsi beaucoup peuvent trouver les entrées d air du capot A03 harmonieuses. Nous avons pu voir dans la soufflerie que le compromis simplicité, performance, efficacité du http://jean-paul.vaunois.fr Page 11
refroidissement était excellent ; merci,grumman pour l idée, nous avons pu faire mieux! Ce capot A03 a été mesuré positivement : les 20% de pénalité de l intégration motrice sont devenus 10% avec une configuration réglée pour donner les mêmes températures que le montage initial du DR400 de 1978 d après les mesuresde traînées sans hélice. On mesure9.5% de gain d après les rendementsavec hélice en puissance de croisière, mais cette puissance de croisière n a été possible qu en 1982 pour le capot A03 et le capot A05 quand la soufflerie est devenue capable d atteindre 70 m/s. Le rendement en croisière pour le DR400 avait été fait en similitude avec une puissance réduite. 10% de gain me parait la vraie valeur. http://jean-paul.vaunois.fr Page 12
UN ECHAPPEMENT ACCORDE L ECHAPPEMENT ACCORDEKESACO? A l ouverture de la soupape d échappement, il y a une onde de pression qui parcoure le tuyau d échappement à la vitesse du son élevée puisque les gaz d échappement sont chauds. L onde de pression atteint un volume de détente et alors par un processus aérodynamique classique, une onde de dépression remonte vers la soupape qui va aspirer un peu des gaz dans le cylindre si toutes les combinaisons se font bien. Le cylindre se vidange mieux. Je n ai pas fait de calculs savants et faux. J ai fait équiper la nacelle de la photo 1 de 4 tuyaux d échappement de longueur 1.80m et d un moulinet. Note : le moulinet est une hélice avec un petit diamètre et une grande corde. Il permet de refroidir le moteur au point fixe à la puissance maximale. La société qui a vendu le moulinet au naïf Vaunois de 1978 a pensé avoir fait une bonne affaire, car le moulinet était une forme pour un O360 de180hp et le moyeu était percé en O320. Il était inutilisable pour un essai de réception sur un banc moteur d une société de maintenance. Mais il a été idéal pour nos essais : il donnait 2550RPM avec le O320 ce qui simule le régime de montée du DR400 pas fixe. Le samedi 3 avril 1982, deux fonctionnaires seuls dans le CEAT ont coupé tous les 15 minutes, 10 cm d échappement de 1.80 à 0.3 m Les mesures étaient faites aussi très régulièrement plein gaz, plein riche. On connaissait le couple par la vitesse de rotation du moulinet étalonné et par un couplemètre. Les essais furent interrompus quelques minutes, le temps de récupérer d une intoxication au monoxyde de carbone. Nous avons pu survivre et aboutir aux résultats étonnants du graphe 6. La mesure avec le moulinet est en principe plus précise mais le moteur semblait avoir quelques des passages en grande forme et un peu d anémie parfois. J ai conclu de cela qu il fallait faire un pot accordé avec 4 tuyaux de longueur 700mm, règle valable pour une rotation de 2500RPM. A 2700RPM, il faudrait faire des tubes plus courts. Le pot accordé a été fabriqué, testé, mesuré en soufflerie au CEAT en 1982. Un pot accordé cela veut dire: Le moteur tourne rond, Les EGT sont groupées donc meilleure consommation. Le(s) tube(s) de sortie orienté(s) vers l arrière avec 1à 2% de poussée Il faut protéger thermiquement sous le plancher car il y a des éclatements de gaz d'échappements qui chauffent les structures. Cette longueur de 700mm choisie pour le pot du CEAT dépend de la vitesse de rotation du moteur. Cet accord peut permettre de gagner 7% de couple par rapport à http://jean-paul.vaunois.fr Page 13
un échappement très court, soit 80 RPM au décollage pour un avion équipé d une hélice à pas fixe. Ce pot a volé 500h sur F-PTRA de la photo 10. Le plancher était protégé,par une plaque horizontale suspendue avec de l'air de refroidissement du moteur à l'intérieur et des gaz d'échappement à l'extérieur. Graphe 6 Couple du moteur O320D2A en fonction de la longueur des échappements. Le couple théorique du O320 est de 416m*N http://jean-paul.vaunois.fr Page 14
Photo montage 8 STC Aerotec pot accordé pour TB9, TB10, J ai conçu pour la société Aerotec qui est DOA, un pot assez voisin de celui du pot en Y du CEAT. Ce pot fait l objet d un STC en cours pour les TB9, TB10 et TB20 ; Il est associé avec d autres modifications. LE RENDEMENT DES ECHAPPEMENTS Dans la soufflerie du CEAT, nous avons pu mesurer selon le tableau 1.6.3.2.2-1 la performance de cinq pots d échappement dont deux avaient été montés à des milliers d exemplaires sur des avions. L hélice est une Sensenich 74 DM 66-2 de pas fixe 66 inch Le moteur Lycoming O320 D2A est plein gaz, la vitesse d essai est de 144 km/h, valeur de montée pour un avion de cette puissance Le RPM résultant de l équilibre couple moteur = couple hélice est d environ 2390 RPM ; il varie selon le rendement de l échappement. La puissance réelle absorbée par l hélice est mesurée par un couplemètre qu il a fallu corriger car cette mesure était affectée par un effet Ct de l hélice.les mesures comparatives d un échappement à l autre restent très précises. La correction de la puissance est incertaine mais les mesures sont répétitives. http://jean-paul.vaunois.fr Page 15
La puissance théorique du moteurest calculée d après le régime, la température de l air carburé et la pression d admission selon les méthodes de Lycoming. On appelle rendement d installation du moteur le rapport entre la puissance mesurée et la puissance théorique que pourrait délivrer le moteur avec une installation aussi efficace que celle de Lycoming. Les pots avec de bonnes performances de rendement doivent se rapprocher du rendement de100%. Il est possible que les rendements soient tous un peu faibles du fait de l incertitude de la correction effectuée sur le couple mesuré. pot rendement Delemontez 93% 4 tubes 91% Bi-tube2 en 1 93% pot série 88% pot CEAT Y accordé 95% Tableau9, rendements de 5 échappements mesurés en soufflerie au CEAT Le «bitube», Le «bitube» est un échappement long et libre ; il a un bon rendement. Je n ai gardé de ce bi-tube que de photos Le pot Delemontez, il a un excellent rendement. Le «Delemontez» est le pot des premiers DR300 et DR400 en deux parties pot gauche et pot droit que l on retrouve aussi sur le D140 Mousquetaire. Il est le mieux conçu pour avoir une poussée de 2% de la traction de l hélice des jets d échappement dans l axe qui s ajoute au rendement ci-dessus. D après cette mesure de très bon rendement et sa forme pour pousser dans l axe de l avion, on peut en déduire qu il est difficile de faire mieux en terme de performances et rendement. Le pot «CEAT Y» Le pot «CEAT Y 893» est un échappement accordé dans un pot de détente transversal prototype du type TB9. Ce type de pot va délivrer peu de poussée de jet car la détente a eu lieu dans le pot transversal. Il a été essayé en vol et mesuré sur le F-PTRA; il réduit le bruit de 3.5 db(a) ( chapitre 10 survol à 2500 m après le décollage avec mesure d l altitude atteinte) en référence du pot DR300. L essai était basiquement un essai back to back où les deux pots DR300 et pot en Y ont été montés et mesurés dans la même matinée. De plus un DR300 de 160hp a fait les mêmes mesures de bruit et de performances. http://jean-paul.vaunois.fr Page 16
http://jean-paul.vaunois.fr Page 17
LE CAPOTAGE DU DH251 N 8 F-PTRA Je devais améliorerle dessin des capotages avec les entrées d air du DH251 F-PTRA sur la photo10. Non seulement il faut écarter les entrées d air, mais il faut aussi séparer «la bonne air fraîche» de l écoulement paresseux le long du cône et du capot par un creux. Je ne suis pas à l origine de cette découverte car je l ai trouvé dans un essai de la NASA des années 1975 qui avait installé des entrées d air latérales cylindriques sur un PIPER. Un excellent résumé se trouve dans le SAE paper 770467. Depuis, tous les avions récents utilisent ou bien le dessin de la NASA de 1977 réintroduit sur le Mooney par Lopresti en 1982, ou bien un dessin plus optimisé comme celui du Diamond. Photo 10 JODEL DH251 sn8 rendant visite à Delemontez, terrain de Marennes. profil NACA 43013.5 avec un capotage optimisé, IO320 avec pot accordé. A la masse en vol de 800 kg, vitesse maximaleest de 270 km/h et vitesse d approche est de 90 km/h. Construction ACATRA Gervaise Lambert Vaunois Maury Rivaud Oswald J ai essayé de faire mentir ceux qui pensent que l optimum aérodynamique est beau, en dessinant en 1997, pour le F-PTRA de la photo 10, des entrées latérales avec un creux entre le cône et les entrées pour séparer l air de faible pression totale de celui de haute pression totale pulsé par l hélice. Ainsi les lèvres sont minces pour ne pas trop diminuer la visibilité. Le F-PTRA a des entrées d air à coefficients de débit égal à 1 mais elles sont équipées de deux longs diffuseurs internes, ceci est probablement unique au monde pour un moteur Lycoming ; on devine le diffuseur de gauche sur la photo 5. Ceci a pour objectif de diminuer la traînée externe du capot. Ces entrées d air, ainsi que la captation pour le carburateur pousse à son paroxysme la découverte de figure 4. ; on place les entrées d air à 500 mm de l axe de l hélice et 40 mm derrière l hélice pour récupérer la pression dynamique due à l hélice. En montée : http://jean-paul.vaunois.fr Page 18
Le capot est en pression, il faut de l étanchéité pour ne pas avoir de fuites et la pression se récupère sur le jet de sortie du capot, dans l axe. En hiver, le moteur est trop froid, il faut un volet de capot. La puissance en montée à 160 km/h est augmentée de plus de 1.3% par la pression dynamique récupérée sur la captation du bas, ce qui est bon à prendre pour la puissance du moteur. La boîte du carburateur ou du filtre du bloc fuel est «gonflée» par la pression dynamique, et l air chaud du capot bas ne peut plus rentrer dans la boite. Avec un avion Part 23, on doit pouvoir voler avec 38 C au niveau de la mer (voir le tableau1.) Une température de 38 (100 F) au niveau de la mer, cela est très «chaud» pour le capot du bas ; il y a un besoin de ventilation spécifique du capot du bas. Les débits de fuite du compartiment haut et froid peuvent faire l affaire, mais c est un gaspillage de 62 mb. Dans le F-PTRA, il a été installé une captation dédiée à la ventilation du volume sous capot du bas avec deux jets de 2.5cm*6 cm prélevés sur la captation du bas dirigés vers les parties très chaudes comme la résine du capotage très près des échappements (on échappe ainsi au matelas de protection thermique à coller sur le composite résine/verre). Le F-PTRA est un avion unique et il n a pas été possible de mesurer la traînée du refroidissement La photo ci dessous a été prise lors du vol direct Tamanghasset-Oran, 7.6h de vol équipage Vaunois Pellegrin. Nous n étions pas limités par la quantité de carburant mais par le temps de vol possible entre le lever du soleil et le coucher du soleil. Quel est l avion CNRA qui a fait le tour du Sahara? La photo en vol du tableau de bord de la photo 11 illustre parfaitement les performances du F-PTRA. http://jean-paul.vaunois.fr Page 19
Photo 11d Alex Pellegrin : tableau de bord du F-PTRA au FL125, en Algérie route sur ORAN. On peut lire de gauche à droite Vi= 200km/h ; RPM 2740 ; FL125, Plein Gaz : manette au tableau; richesse adaptée; cap Nord 335 ; PA 600 mb; 7h36TU donc début de vol à la masse maximale de 1040 kg ; OAT=-0.5 C; Fuel Flo w, on ne peut pas lire le débitmètre à droite mais il devait être à 27.5l/h Soit une TAS, vitesse air de 241km/h et une consommation de 11.5l au 100 km. Pour arriver à cette performance, il a fallu un moteur à injection de 160 hp, un échappement accordé avec poussée de l échappement dans l axe, une captation dynamique de l air du moteur destinée au bloc fuel, une ventilation moteur optimisée, une réduction de la traînée de la cellule et de l aile : pas de karman aile-fuselage, aération des pilotes par entrées d air NACA, toile de la voilure collée sur des chapeaux de nervure de 60 mm, bords d attaque revêtus de CP jusqu à 400 mm de corde intrados et extrados, verrière frontale avec un saute-vent et autres petits raffinements aérodynamiques. LA PRISE D AIR DU BLOC FUEL OU DU CARBURATEUR La prise d air pour la combustion du carburant (carburateur, bloc d injection ou turbomoteur ne pose pas un problème de traînée externe, 20 cm² pour le DR400 avec le tuyau d échappement, c est un détail qui se range dans la traînée parasite. Mais la récupération de «la bonne air fraiche» pour le fonctionnement du moteur joue http://jean-paul.vaunois.fr Page 20
beaucoup sur la puissance du moteur en fonction linéaire de la pression d admission et en rapport inverse de la température ( K). Il y a u n peu de traînée interne. En ce qui concerne l entrée d air du bloc d injection, il faut copier celle des turbomoteurs comme l ATR ; c est-à-dire une entrée près des pales capable de récupérer de la pression totale. Il y a la possibilité de prendre 26 mb en montée en plus de la statique soit une augmentation de 3% de la puissance du moteur en référence d un moteur qui ne capte que la pression statique. Contrairement à son apparence, la prise du DR400 capte peu de pression dynamique ; elle est trop loin de l hélice et pas assez détachée du capotage : elle doit être avancée pour mieux capter de la pression dynamique. De même l entrée d air du bloc d injection du TB20 ne doit capter probablement que la pression statique. Ceci a été réalisé et mesuré sur le capotage du F-PTRA comme le montre la photo 10. http://jean-paul.vaunois.fr Page 21
LE CAPOTAGE A05 DU CEAT : AVIS AUX AMATEURS Avec les Avions Robin nos avions envisagé de réduire les entrées d air à une entrée d air unique basse comme cela s est vu sur le Piper Saratoga dans une ancienne version. L entrée d air unique doit pourvoir : Au refroidissement du moteur et du radiateur d huile A l alimentation en air du bloc fuel après la traversée du filtre A la ventilation des parties chaudes du capotage comme les parties composites trop proches de la source de chaleur des échappements Au refroidissement des équipements magnétos, batterie,... A l aération des pilotes en air frais Au chauffagede la cabine et audésembuage. http://jean-paul.vaunois.fr Page 22
Photo 12, capot A05 en noir, ayant volé avec succès sur le prototype X4 des Avions Robin L entrée d air est particulièrement basse avec un axe de l ellipse de l entrée à 580 mm sous l axe de l hélice Le capot A05 de la photo 12 a été mesuré en soufflerie avec le moteur de 160hp. Je ne fus que moyennement satisfait. Sur le plan des performances, on avait encore gagné 2% grâce à une traînée parasite particulièrement réduite et un effilement des formes maximal. Cependant il y avait des défauts: Il n y avait pas la place pour mettre un filtre à air Les volumes chauds étaient vraiment très chauds avec endommagement du composite. Le rendement de pression au dessus du moteur n était pas aussi bon que celui du A03 car le conduit intérieur comportait un étranglement de 500cm² qui se révéla insuffisant. Les Avions Robin on fait voler ce capot A05 sur un avion prototype X4 avec un moteur Lycoming O235. Les résultats furent excellents. Il faut dire aussi que j ai découvert au cours de ces études et de ces essais en vol que le moteur Lycoming O320 D2A est particulièrement difficile à traverser. Les 285 cm² de l entrée et le conduit de 500cm² se montrèrent bien adaptés à ce moteur O235 de 118hp. La planche 13 schématise ce que j envisage pour une prochaine réalisation avec un moteur Lycoming O320 D2A de 160hp. http://jean-paul.vaunois.fr Page 23
Plan 1 142 cm² Plan 4 de sortie 150 cm² Schéma 13 principes du fonctionnement d un capot de type A05 Une captation d air basse de 600cm² voire 700cm² multifonction. Un filtre en V de surface minimale pour ne pas obstruer la veine d air Une veine d air centrale divergente et devant atteindre 700cm² de section de passage. Cette veine d air froid centrale a des parois avec une étanchéité avec les bavettes souples en silicone la séparant des compartiments chauds droit et gauche Le bas du capot et la cloison pare-feu servent de paroi à la manche à air. Une cheminée verticale qui a une section plus grande que 700cm². La cheminée verticale ventile les équipements de la table arrière du moteur et ceux fixé au cadre 1. Le volume sous la couronne et au dessus de l entrée ne permet pas d installer un pot d échappement collecteur transversal. Les tubes d échappement seront du type DR300 avec sortie vers l arrière incliné à 23 mais avec 4 tubes d échappement accordés. Il n est pas possible aussi d installer une jambe de train de type DR300 qui viendrait créer des fuites : toujours le haricot du train avant. Un grand volet de capot Un joint autobloquant en équerre pour l étanchéité capot/cadre moteur http://jean-paul.vaunois.fr Page 24
CONCLUSION Certains tiennent pour un fait accompli et inévitable que le Rallye et son successeur le TB9 ont des performances moyennes alors que le DR400, et les avions US récent croisent comme des fusées. Dans ces 24 pages, j ai expliqué les bons choix à faire pour l intégration aérodynamique des moteurs et le dessin des échappements. Ces résultats étaient tous acquis fin 1982. Les DR ont un peu évolué, les TB sont quasi conformes aux dessins d origine de 1979. Je suis certain que l application qui sera faite par le STC d Aerotec permettra au TB9 d emmener l hélice de 64 pouces du DR400-Dauphin 4! Quand j ai quitté le CEAT en 1983, j ai donné l accord pour envoyer une partie de mes documents à un demandeur US dont je ne me suis pas soucié de l identité. Est une coïncidence si on retrouve sur le Lancair l ensemble de mes recommandations? Mais je dois avouer que le la soufflerie au vol, il y avait un pas énorme que j ai franchi avec la construction amateur, les amis de l ACATRA et la construction du F-PTRA au CQR. La soufflerie S5 avec son vrai moteur et les vraies vitesses de vol étaitparfaite : elle a permis en peu de temps de mesurer des détails inaccessibles au vol. Mais le challenge du vol se situe dans la durée et la sécurité. Les finitions au scotch ne sont plus possibles pour des dizaines d heures de vol. J ai découvert rapidement le besoin de contrôler la température du capot bas car on l a vu dans le tableau 2, 105 C en ISA+23 C est beaucou p trop pour le composite. Les solutions d isolation ne m ont jamais satisfait ; les petits jets d air froid résolurent parfaitement le problème : c est une solution légère, robuste et gratuite. Nous avons réglé cet avion comme un avion Part23. Dés le début des essais en vol en 2001, l huile était trop chaude. J ai entendu alors les incompétents venir donner des conseils et me dire que ce capot original ne pouvait pas fonctionner, qu il était source de traînée en se moquant des «ingénieurs d Airbus». Je me suis battu longtemps contre ce problème, diverses modifications, dont l utilisation d un radiateur à 9 éléments, ont donné satisfaction. 150 heures de vol plus tard, 2 cylindres sur 4 étaient criqués et les compressions étaient inacceptables. Il devenait évident que celui qui avait révisé notre moteur en 1998 nous avait volé nos cylindres quasi neufs et rares (moteur O320 A2A) pour les remplacer par des cylindres hors cotes avec une belle peinture : les fuites des gaz d échappement à l intérieur du cylindre échauffaient l huile! Le problème de l amateur est qu il achète son moteur beaucoup trop tôt, certainement pour se donner un évènement irréversible dans son processus.. Nous achetâmes alors un O320D2A, nous sommes revenus au radiateur du DR300à 7 éléments; j ai découvert alors que ce moteur D2A était plus difficile à traverser. Les entrées d air étant à coefficient de débit égal à 1, il a fallu les agrandir pour avoir plus de pression dans le compartiment du haut. Mais elle est grande la satisfaction de voir l avion monter à Vi=90km/h plein gaz avec les températures fixées dans le vert. Le blog http://jean.paul.vaunois.fr/ Auteur du livre expliquant les performances des JODEL http://jean-paul.vaunois.fr Page 25
"L aérodynamique de l'avion subsonique expliquée aux oiseaux" En vente www.volez.com ou tel 01 49 74 69 62 http://jean-paul.vaunois.fr Page 26