FR2572053A1 - Structure destinee a la realisation du vol battu du plan superieur d'un ornithoptere bi-plans a l'aide de la force musculaire - Google Patents

Abstract

LE PLAN INFERIEUR RIGIDE CONSTITUE LA CELLULE-HABITACLE DANS LAQUELLE LE PILOTE EST ALLONGE A PLAT VENTRE PAR L'INTERMEDIAIRE D'UN HAMAC. LE PLAN SUPERIEUR SOUPLE QUI ASSURE LA PROPULSION EST RELIE, EN SON CENTRE DE POUSSEE, AU PLAN INFERIEUR PAR L'INTERMEDIAIRE D'UNE CANNE A HAUT MODULE D'ELASTICITE. LES HAUTEURS ET DISTANCE ENTRE LES DEUX PLANS SONT FONCTION DES RAYONS DE COURBURE BC ET LONGUEUR CD DE LA CANNE DE LIAISON INTER-PLANS. L'ABAISSEE DE L'AILE SUPERIEURE EST ACTIONNEE PAR LA TRACTION EXERCEE SUR LA CANNE EN 2; CETTE TRACTION EST REALISEE PAR UN FILIN DONT LA TENSION EST PRODUITE PAR LA POUSSEE ANTAGONISTE DES PIEDS ET DES MAINS PRENANT APPUI RESPECTIVEMENT SUR LES ETRIERS ARRIERES ET LE GUIDON AVANT SOLIDAIRES DE CE FILIN. LA PREMIERE ABAISSEE D'UNE SEQUENCE DE VOL BATTU EST REALISEE A L'AIDE DU POIDS DU PILOTE QUI, JUSQUE-LA EN APPUI EN E DURANT LE VOL A VOILE, PASSE ALORS EN SUSPENSION SUR LA CANNE EN 4. LA REMONTEE DE L'AILE SE FAIT PAR SUPPRESSION DE LA TENSION DU FILIN EN RAMENANT BRAS ET JAMBES EN SEMI-FLEXION. UNE TELLE STRUCTURE EQUIPEE DE VOILURES PERMET DE SE DEPLACER DANS L'ESPACE, INDEPENDAMMENT DES SITES OU SE PRODUISENT LES ASCENDANCES, GRACE A LA PROPULSION ET LA SUSTENTATION PRODUITES PAR LE VOL BATTU.

Description

La structure représentée en coupe sur la figure I est destinée à la réalisation du vol battu du plan supérieur d'un ornithoptere bi-plans à l'aide de la force musculaire.

Le type de vol pratiquable avec une telle structure équipée de voilures est, d'une part celui des planeurs ou deltaplane utilisant les ascendances thermiques ou dynamiques, d'autre part des séquences de vol battu qui produit la sustentation et la propulsion permettant de conserver un cap choisi indépendamment des sites où se produisent les ascendances. Les caractéristiques aérodynamiques seront essentiellement fonction de la géométrie des voilures (celles qui sont représentées en pointiliés sur les fisures sont destinées essentiellement à la compréhension du montage). Elles sont multiples et peuvent être adaptées à l'utilisation souhaitée, au relief, à l'aérologie locale ..., en conservant la même structure, telle la gamme des modèles de bicyclettes.Enfin, et pour un même modèle, une variation de- la géométrie au sol et/ou en vol peut être envisagée par I'aérodynamicien en utilisant la colonne vertébrale de liaison inter-plans comme gaine technique pour y faire passer des câbles agissant sur le plan; la force d'actionnement de cette variation étant la même que celle décrite pour le vol battu: l'extension et la semi-flexion des bras et des jambes.

Le rendement de ce type de vol est fonction de l'amplitude et de la fréquence de battement, celles-ci variant à l'inverse de la vitesse horizontale; des surfaces profil et incidence de l'aile et de la vitesse de déplacement vertical de chacune de ses parties; enfin de la différence de pression que le plan exerce sur la masse d'air durant le temps de l'abaissée et celui de la remontée.

Sur ce dernier point, les formes de l'aile durant le battu seront fonction de sa structure meme. Diverses solutions peuvent etre envisagées selon cette structure conçue par l'aérodynamicien: - I) Aile creuse rigide constituée d'un intrados et d'un extrados; l'effet recherché sera obtenu en faisant des trous dans l'extrados: lors de l'abaisséess la masse d'air sera normalement comprimée par la face intrados, alors qu'à la remontée une partie de l'air pénétrera par les trous de la face extrados. Le profil de la coupe des trous sera tel qu'il orientera l'air absorbé vers l'ar riàre du plan, une fente entre intrados et extrados, le long du bord de fuite, permettant à l'air de s'échapper.

- 2) Aile mince souple: une barre articulée en son centre et dans un seul sens, disposée sur le dessus de l'aile, rigidifie le plan durant l'abaissée et lui permet de se replier durant la remontée, tel un U renversé. Cette poids ce peut d'ailleurs donner "l'effet extrados" si elle est disposée le long du bord d'attaque et si sa section est choisie en conséquence.

- 3) Une solution plus simple consiste à utiliser une forme concave dans les deux sens,telle une ombrelle, se terminant par un bord de fuite légèrement convexe et flexible agissant comme les rémiges de l'oiseau.

Cet aspect de la différence de pression sera définitivement résolu par des géomatériaux laissant passer l'air dans un seul sens.

Dans le vol battu de l'oiseau, la vitesse de déplacement vertical de l'aile n'est pas la meme en tous ses points: pratiquement nulle au niveau de l'épaule, elle est maximum à son extrémité. On désigne souvent les deux premiers tiers en partant de l'épaule d'aile passive et le dernier tier d'aile active. L'expression de la portance variant avec le carré de la vitesse traduit d'ailleurs cette observation sur'les parties de l'aile de l'oiseau.

Les ornithopteres inspirés de la structure de l'oiseau, une cellule sur laquelle s'articulent deux ailes, peuvent etre analysés de façon identique. Par ailleurs la solution adoptée dans ces appareils en vue de résoudre un des aspects du vol, celui du décollage, par l'utilisation d'un vélo sur lequel le pilote est assis, grève la suite du vol par un maître-couple générant une traînée importante; indépendamment de la mécanique nécessaire à la transformation du mouvement pour le battement des ailes après décollage. Ce type d'ornithoptère, ou aviette, a été conçu par sa nécessité d'une grande vitesse de décollage et par le désir d'utiliser au mieux la force musculaire humaine située, dans une analyse parcellaire, dans les membres inférieurs.

La solution adoptée ici pour la réalisation du vol battu musculaire prend en compte deux aspects d'amélioration du rendement: - i) Un plan dont toutes les parties se déplacent à la même vitessegrertica-le, entièrement actif au sens décrit précédemment.

- 2) Le potentiel de puissance dans l'architecture longilignedu corps humain:
- par sa charpente: la colonne vertébrale et le tronc,
- de solides points d'appui aux extrémités de cette poutre: les hanches
et les omoplates,
- des prolongements articulés permettant un raccourcissement et un allon
gement dans l'axe: les membres inférieurs et supérieurs.

Le travail est produit par une poussée antagoniste des membres inférieurs et supérieurs dans cet axe principal et sur les appuis indiqués. De plus, les muscles qui travaillent en excentrique dans cette extension-étirement ont un meilleur rendement qu'en isométrique ou en concentrique: respectivement 15% et 26%. Enfin la totalité de la force est appliquée en un seul point.

Du point de vue psychomoteur, et ce n'est pas le moindre élément à prendre en compte quand on connaît l'investissement psychique dans le mouvement, ce geste est sans aucun doute profondément instinctif chez l'homme puisqu'il est déjà réalisé au cours de la vie utérine (dans la recherche d'un point d'appui ou après l'avoir ressenti une première fois lors d'une attitude de la mère?).

La réalisation technique consiste en une cellule dans laquelle le volateur-pilote est allongé à plat ventre, les bras et les jambes semi-fléchies.

Le plaV nférieur est constitué de deux ailes, fixées de part et d'autre de cet habitacle et pouvant etre démontées pour le transport. Le plan supérieur, également démontable, est relié en un point (B),situé au bas du dos de l'habitacle, par une canne qui y pénètre pout ressortir en (A) (ceci dans le cas où le plan supérieur est situé en avant du centre de gravité, l'inverse étant possible: la canne pénètre en (A) ressort en (B) et la courbure est inversée).Le rayon de courbure (BC) et la longueur (CD) de la canne définissent les hauteur et distance relatives du plan inférieur par rapport au plan supérieur (un réglage au sol et/ou une variation de la surface alaire résultante des deux plans peut etre obtenu par une canne dont le segment (CD) serait raccourci, réduisant l'avancée du plan supérieur: ce segment serait en deux parties, la partie avant ayant un diamètre extérieur égal au diametre intérieur de la partie arrière dans laquelle elle coulisserait). Une portion indépendante de cannB est ri'ée en (1) et prend appui en (2) sur le dessus de la canne principale.Enfin, à L'autre extrémité, côté liaison (3) avec le plan supérieur, on trouve une pièce rapportée en (D), courbe, le long de laquelle la platine de fixation avec le plan peut coulisser. La longueur et la courbure de cette pièce sera fonction:
1) des incidences minimum et maximum souhaitées de l'aile supérieure durant
le vol à voile,
2) du maintien de l'incidence de calage de cette aile durant l'abaissée et la
remontée de la canne en vol battu; en d'autres termes, cette pièce sera
fonction des profil et surface de l'aile qu'elle supporte (v. Fonctionnement)
Les fonctions des couples de liaison le long de la canne durant le vol battu sont représentées sur la figure 3: (I) articulation permettant d la portiande canne de s'abaisser et de remonter
au point (2), (2) liaison permettant à la canne principale de coulisser en avant et en arriere (3) permettant à la platine sur laquelle est fixée l'aile de coulisser en avant
et en arrière (à noter que la section de cette pièce courbe est telle, ovoïde
par exemple, que la platine ne puisse osciller dans le plan horizontal), (D) articulation destinée à permettre la sortie d'une configuration de vol
dite de "piqué". En débloquant cette articulation-ressort, la partie cour
be remonte, l'assiette normale de vol est rétablie par l'amorçage d'une
ressource provoquée par la variation positive de 11 incidence de l'aile,
alors que le restant vue l:a-reil, pilote compris, est encore en piqué.

Les caractéristiques essentielles de la canne de liaison, outre un faible poids, sont une grande résistance à la rupture et un haut module d'é plasticité: on utilisera par exemple des matériaux composites de résines et de fibres (verre,carbone,bore , Kevlar ,.,.), cette technique permettant d'obtenir, par la disposition et le choix des fibres, des zones de plus ou moins grande élasticité directionnelle pour un même produit.fini. Cette souplesse dé fabrication répond également à l'exigence de l'adaptation, pour la structure décrite ici, à toute nouvelle forme d'aile et notamment aux variations de poids de l'une à l'autre.

Les dispositifs intérieurs de l'habitacle sont: - un hamac, dans lequel le poids du pilote repose, accroché en (4) ou soutenu
dans la zone (E) (voir Décollage).

- un filin fixé en (4) pénètre dans la coque au niveau du nez où se trouve
une roulette de renvoie Ce filin est guidé par des roulettes, fixées sur
la face intérieure du dos le long de l'axe longitudinal, jusqu'à la queue
de l'habitacle. A cette extrémité se trouvent des étriers, solidaires du
filin, dans lesquels reposent les pieds du pilote; ces étriers peuvent cou
lisser longitudinalement dans des rails d'une trentaine de centimètres avec
une position de blocage correspondant au maintien de l'horizontalité de la
canne. A hauteur des mains, un guidon est également fixé au filin par une
portion de filin.A noter qu'au point (4) se trouve un petit tambour sur le
quel est enroulé une partie du filin qui ne se déroule que lorsque la canne
a franchi l'horizontal durant la remontée du battu: prolongeant ainsi le fi
lin pour permettre la totale remontée sans nécessiter une flexion complète
des jambes et des bras.

Fonctionnement:
Le volateur-pilote, équipé d'un harnais du type vol couché de deltaplane, est attaché à la coque par une ceinture de sécurité dont l'enrouleur est fixé sur la face intérieure du ventre de la coque, sous l'extrémité avant du hamac. La partie femelle de la ceinture est fixée sur le harnais à hauteur de la taille et dans le dos. Au moment du décollage, le pilote tire sur la partie mâle qu'il encliquète dans la partie femelle, la sangle passant entre ses jambes et à l'intérieur du hamac.

Le décollage se fait en courant face au vent, le tronc. fléchi partiellement dans l'habitacle. L'appareil est maitenu à la distance des bras tendus en avant, la ceinture de sécurité est déroulée au maximum. L'aile supérieure est rapidement portée par la masse d'air. Le pilote se trouve alors dans la situation d'un coureur qui prendrait appui des deux mains tendues en avant sur un véhicule le précédant: position favorable à une prise de vitesse par la forte projection du corps n'entraînant pas de désequilibre grâce à l'appui indiqué.Une fois le vent relatif nécessaire acquis, le décollage proprement dit est réalisé par un plongeon dans l'habitacle, supprimant ainsi la force qui maintenait à distance l4aile du pi1te la ceinture en s'eroútant tire le pilote à l'intérieur du hamac.

Le poids du corps provoque immédiatement la première abaissée de l'aile: le hamac étant à cet instant en suspension au point (4), par la suppression de la zone d'appui (E) avant le décollage (compression d'un ressort par exemple). L'appareil m monte et surtout, prend de la vitesse, confortant ainsi la portance dans ce moment critique. Puis la zone d'appui (E) est rétablie par le pilote (libération du ressort), le poids de suspension en (4) est supprimé et la canne fait sa première remontée avec l'aile. Le pilote commence l'exercice du vol battu et prend de l'altitude.

L'abaissée de l'aile se fait par une traction vers le bas de la canne, au point d'application (2). Cette traction est provoquée par la tension du filin agissant au point d'attache (4). La force nécessaire à cette tension est produite par la poussée antagoniste des pieds et des mains prenant appui respectivement sur les étriers arrières et le guidon avant.

Dans ce mouvement d'abaissée, et de par le profil de l'aile, le point de liaison (3) glisse en avant, conservant ainsi l'incidence de calage grâce à la courbe de compensation. Ce phénomène d'avancée -relative à la vitesse de l'ensemble- lors de l'abaissement d'un plan dont le bord avant est plus épais que le bord opposé est connu: il est provoqué par l'échappement des filets d'air vers l'arrière, d'où le nom de bord de fuite, propulsant le plan en avant. Cet effet diminue avec l'augmentation de la vitesse horizontalede l'appareil: dans ce cas l'amplitude du battement, nécessaire à la propulsion et à la sustentation, diminue également et l'équilibre devrait être réalisé.

La remontée de l'aile s'opère par une semi-flexion des bras et des jambes. La tension sur le filin aisi supprimée, la canne, par son élasticité, remonte. Pendant cette remontée le point de liaison (3) fait le parcours inverse et l'incidence est toujours maintenue.

Durant une séquence de vol battu, l'amplitide maximum sera obtenue progressivement, chaque nouvelle extension du corps faisant gagner quelques de grés supplémentaires par la part d'énergie restituée sur l'extension précédente.

L'entretien du battu ne devrait demander qu'une faible puissance. On pourra envisager un dispositif (évoqué pour le décollage) permettant d'utiliser le poids du corps pour déclancher la première abaissée de toute séquence de vol battu.

Les commandes de pilotage doivent permettre de virer et de régler l'incidence qui agit sur la profondeur du vol. Les dispositifs seront ceux connus dans d'autres aéronefs: volets sur les bords de fuite des deux ailes du plan inférieur, actionnés par câblerie, les poignées de commande étant sur le guidon dans l'habitacle. Dans l'hypothese d'une trop grande inertie de réponse -compte tenu de l'avancée du plan supérieur et de sa surface importante- on pourra agir sur la géométrie de ce plan et ceci en fonction même de sa structure.

Ces modifications seront obtenues par des câbles passant dans la canne et actionnées par la même force que celle utilisée pour l'abaissée de l'aile mais agissant sur d'autres points d'application: - La variation d'incidence, positive ou négative, sera obtenue par déplacement volontaire de la liaison (3) respectivement en avant et en arrière.

- Concernant les virages, supposons un plan mince tel qu'il s'enroule sur luimême, comme un rouleau de papier calque par exemple, s'il n'était maintenu par des règlettes plates pouvant glisser sur le dessus de sa surface. Si ces règlettes sont disposées à l'arrière du centre du plan, fendu sur une vingtaine de centimètres dans l'axe de la canne, et si l'une d'elle glisse dans le plan vers l'avant, on obtiendra une demi aile de surface moindre que l'autre, dont une partie du bord de fuite sera "cornée", réalisant une portion de cône qui déclenchera le virage.

L'atterrissage se fait comme en deltaplane, par un arrondi face au vent, en dégageant les pieds des étriers et en les laissant pendre, prets au contact avec le sol. Le cabré de l'aile interrompant le vol sera obtenu en poussant des mains contre les parois du nez de l'habitacle: le centre de gravité recule légàrement, l'aile prend une incidence positive qui s'accentue rapidement par la remontée de la canne qui n est plus maintenue par la tension du filin, les étriers ayant été dégagés de leur position de blocage dans les rails.

Les développeménts ultérieurs devraient portés sur un point particulier de sécurité: le décollage et l'atterrissage à vitesse horizontale nulle ou très réduite. L'appareil pourra etre équipé d'un rotor (escamotable ou servant de plans de gouvernes après décollage). Sa rotation sera produite au décollage par un ressort à spirale (ou tout autre dispositif permettant de stocker de l'éner- gie de la régénérer et de l'entretenir) préalablement remonté. Dàs que le pilote sera allongé il entretiendra la rotation du rotor et/ou le remontage du ressort par la meme force utilisée pour la remontée de l'aile, tel un yo-yo ho rizontal! Au moment de l'aterrissage, la rotation sera déclenchée par le même dispositif remonté au cours du vol.

L'utilisation d'un tel appareil pourrait être la même que celle qui est faite de la bicyclette: randonnée, déplacement(en dehors des grands centres urbains,à moins d'equipements adéquats), sport, compétition. Plus généralement, pour faire un TOUR-EN-L'AIR. Le tourisme local en famille peut tout à fait être envisagé, le pilotage de l'appareil étant réalisable par des enfants ou des personnes âgees de par la position de vol qui reste efficiente tout au long de la vie. La fatigabilité devrait être faible par l'allongement dans le hamac en position semi-fléchi, entrecoupé d'étirement: le repos n'étant qu'un changement de position.

A partir de données biomécaniques spécifiques à la position de vol, on pourra définir un certain nombre de grandes classes humaines à chacune desquelles correspondra, pour un modèle d'appareil donné, des caractéristiques de fabrication adaptées: tant en ce qui concerne la surface alaire, le coefficient d'élasticité de la canne, le volume de la cellule,etc.... La diffusion de l'appareil sera à la mesure de la précision apportée dans son adéquation à la physiologie du volateur. Les outils d'aide à la conception et à la fabrication par ordinateur, issus du savoir-faire professionnel, devraient permettre d'affiner cette adéquation.

La réalisation de ce projet fait appel, c'est évident, à des compétences pluridisciplinaires en aérodynamique; ergonomie, mécanique, matériaux, informatique (CFAO et simulation de soufflerie). La synergie capable de réunir les hommes et organismes spécialisés dans ces domaines peut venir des nombreuses ouvertures laissées à toutes "additions" par cette longue description.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1) Structure d'ornithoptere bi-plans destinée à la réalisation du vol battu

de son plan supérieur, caraC-LariSée en ce que la seule et unique liaison inter

plans est aussi cellX ntra~n- l'abaissée et la remontée de l'aile.

2) Dispositif slon la revendication 1,}caractérisé en ce que le point de

liaison avec le plan supérieur est tel -confondu ou proche de son centre de poussée- que la vitesse verticale est la meme en chacun des points de l'aile durant son abaissée.

3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la totalité de la force déployée est appliquée en un seul point de la canne de liaison.

4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie

courbe rapportée à l'extrémité delta canne maintient l'incidence de calage de

l'aile durant l'abaissée de cette canne.