Aéromodélisme RC

Techniques et conception

La mise au point et le réglage des aéromodèles

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Sommaire général

Auteur : Philippe Kauffmann

Version initiale : 15 mai 2008

Dernière révision : 10 septembre 2011

Photos : constructeur ou auteur, sauf mention contraire

Sommaire

Positionnement du centre de masse selon l'axe de tangage

Calcul du foyer aérodynamique et de la corde moyenne des ailes avec Nurflügel

Point neutre d’un aéromodèle

Choix de la marge de stabilité

Positionnement des éléments de l’aéromodèle

Mesure de la position du centre de masse

Positionnement vertical du centre de masse

Équilibrage en roulis

Choix du V longitudinal

Neutre et débattements

Neutre des ailerons

Neutre de profondeur

Neutre de direction

Débattements

Exponentiel et "dual rate"

Motorisation

Motorisation électrique

Moteurs à explosion

Dimensionnement de l'hélice et autonomie

Le calage du ou des moteurs

La forme d'un aéromodèle contribue à sa personnalité, mais certains choix comme le dimensionnement de la motorisation et divers réglages y contribuent encore plus. On peut même dans certains cas métamorphoser un modèle. Il est même un réglage essentiel qui détermine si le modèle est pilotable ou non : le positionnement du centre de masse, aussi appelé centrage. Tous ces points sont abordés ci-après.

Positionnement du centre de masse selon l'axe de tangage

Le positionnement longitudinal du centre de masse appelé aussi centrage est le réglage impératif et principal d’un aéromodèle. L'expérience montre que certains débutants décollent avant de l'apprendre. Après ils collent…

Le chapitre "La contrôlabilité et la stabilité" explique d'un point de vue théorique la relation entre la stabilité d'un modèle et la position du centre de masse par rapport au point neutre du modèle. Il est utile de se référer à cette explication pour comprendre la suite, c'est-à-dire l'application pratique ci-après.

Le but est de placer le centre de masse à l'endroit idéal par rapport au point neutre. Trop avant le modèle est lourd à piloter et trop arrière il devient instable. Le centre de masse doit être typiquement placé 0 à 8 % en corde moyenne d'aile devant le point neutre du modèle. Il faut donc connaître ce point neutre (déterminé à partir du foyer des ailes et les caractéristiques de l’empennage) et la corde moyenne des ailes. Une fois la position idéale du centre de masse connue, la position réelle qui doit coïncider est dans un premier temps déterminée par calcul en fonction de la masse et la position de chaque élément de l’aéromodèle, puis vérifiée par mesure directe sur le modèle après construction.

Ces calculs et mesures peuvent être réalisés de plusieurs façons.

· Si on a un kit et que le fabricant donne la position du centre de masse, il suffit de suivre ses recommandations et il n’y a rien à calculer (sauf éventuellement pour le principe).

· Par contre, si certains éléments sont inconnus, le mieux est d’utiliser « Aérocalc » qui permet de trouver successivement le foyer, le point neutre et les centres de masse idéal et réel en fonction des mesures et caractéristiques de l’aéromodèle fournies au logiciel.

· Si on ne souhaite pas utiliser « Aérocalc », on peut aussi faire les calculs à la main en s’aidant des formules fournies au chapitre "La contrôlabilité et la stabilité" et en s’appuyant sur Nurflügel, PREDIMRC ou un autre logiciel d’aérodynamique.

Dans tous les cas, pour faire les calculs il faudra successivement :

• déterminer le foyer aérodynamique et de la corde moyenne des ailes,
• calculer le point neutre de l’aéromodèle,
• choisir la marge de stabilité et en déduire la position idéale du centre de masse,
• déterminer le positionnement des éléments mobiles du modèle pour obtenir le positionnement voulu du centre de masse,
• vérifier sur l’aéromodèle achevé la position du centre de masse obtenue.

Calcul du foyer aérodynamique et de la corde moyenne des ailes avec Nurflügel

Le chapitre "Détermination des ailes avec Nurflügel" indique comment introduire la géométrie des ailes du modèle concerné pour obtenir la corde moyenne, la position du foyer par rapport au bord d'attaque à l'emplanture et bien d'autres valeurs. Les figures 1 et 2 montrent les résultats obtenus en fonction de la forme des ailes dans le cas d'un avion de début SuperMiss (Miss 3 axes) de Scorpio.

Figure 1 : géométrie des ailes du SuperMiss

Figure 2 : Forme des ailes du SuperMiss

En cliquant sur la case "Werte" on obtient immédiatement la corde moyenne qui est de 200 mm et la position du foyer aérodynamique qui est située à 50,4 mm du bord d'attaque à l'emplanture. Certains esprits malicieux feront remarquer qu'un logiciel n'est pas vraiment indispensable pour trouver le foyer et la corde moyenne d'ailes rectangulaires. C'est vrai, mais Nurflügel devient très utile pour des ailes trapézoïdales, et indispensable pour des ailes de forme plus complexe.

Point neutre d’un aéromodèle

Le point neutre du modèle dépend des positions et géométries des ailes et de l'empennage horizontal. Le panneau « Construction – stabilité - autonomie» dispose d’un cadre « Eléments de stabilité » qui permet d’entrer le foyer et la corde moyenne des ailes pris dans Nurflügel et obtenir directement le point neutre dans la case « Centre de masse idéal » à condition d’avoir choisi 0 pour la marge de stabilité (voir figure 3).

Figure 3 : panneau "Construction – stabilité - autonomie" d’Aérocalc

Choix de la marge de stabilité

Pour définir la position du centre de masse il ne reste plus qu'à choisir la marge de stabilité. La valeur de 5 % est assez universelle. Si on veut plus stable on augmente la marge (jusqu'à 8 % pour un avion de début), si on veut plus maniable on diminue la marge (marge idéale de 3 à 4 % pour un avion d'acrobatie, voire 0 % en 3D). Si l'avion à des ailes hautes (qui augmentent la stabilité) on diminue la marge de 1 à 2 %.

Une fois la marge de stabilité choisie et renseignée (3 % dans le cas de la figure 3), on obtient la position à choisir pour le centre de masse (CM) idéal à partir du bord d'attaque des ailes en partant de l'emplanture.

Positionnement des éléments du modèle

Une fois la position idéale du centre de masse trouvée, il ne reste plus qu'à le placer effectivement à cet endroit, soit en déplaçant des éléments mobiles comme l’accumulateur de propulsion après la construction et en vérifiant la position obtenue, soit en calculant avant la construction la position à donner aux éléments à l’aide de le panneau "Construction – stabilité - autonomie" d’Aérocalc. Nous allons présenter ici cette seconde méthode.

Le principe consiste à mesurer à l'aide d'une balance la masse de chaque élément du modèle ainsi que la position de son CM par rapport au bord d'attaque des ailes à l'emplanture (une valeur négative signifie que l'élément est devant le bord d'attaque à l’emplanture). Une fois toutes les valeurs entrées dans Aérocalc (voir figure 3), on obtient la masse du modèle et la position réelle théorique du CM. Si la valeur idéale n'est pas la valeur réelle, il n'y a qu'à déplacer des éléments jusqu'à ce que le résultat soit satisfaisant. Une solution alternative consiste à avancer ou reculer les ailes si c’est possible.

N. B. : le cas du SuperMiss est intéressant car on s'aperçoit très rapidement qu'il est impossible d'obtenir un bon centrage sans rajouter du plomb, même en plaçant tout au maximum à l'avant. Cela vient du fait que le modèle − comme bien d’autre modèles − a été conçu pour recevoir un moteur à balais et des batteries CdNi bien plus lourds que les brushless et LiPo actuels.

Mesure de la position du centre de masse

Une fois la position du CM calculée et les éléments mis en place, il faut la vérifier. La meilleure méthode pour mesurer la position du CM dépend de ses propres préférences, de son matériel et de la forme du modèle. Certains aiment bien pendre le modèle au bout d'une ficelle par un crochet fixé dans les ailes et vérifier qu'il est à plat. D'autres préfèrent glisser une tige cylindrique sous le fuselage en la décalant jusqu'à obtention de l'équilibre. C’est plus facile à réaliser avec une cale triangulaire, mais elles sont plus difficiles à trouver. Dans certains cas on est obligé de le faire avec le modèle sur le dos, mais ça ne change rien à la mesure.

Une méthode originale consiste à utiliser deux balances (les balances de ménage d'une capacité de 5 kg à la précision du gramme se trouvent maintenant à partir de 10 €), une placée sous le train d’atterrissage principal (en intercalant une planchette) et l’autre sous le train secondaire (ou la béquille, ou le fuselage, en cas d’absence de train secondaire). On mesure le poids supporté par chacune des balances, et par une simple règle de trois on déduit la position du centre de masse par rapport à la position des points d’appui sur les balances.

Positionnement vertical du centre de masse

Le positionnement vertical du centre de masse est souvent négligé. Il a pourtant son importance. Placé bas sous les ailes, il augmente la stabilité en vol normal et la diminue en vol dos. Il est courant de choisir une marge de stabilité diminuée de 2 % pour des ailes très hautes (par rapport au centre de masse) et de 1 % pour des ailes hautes pour compenser cette augmentation de stabilité.

Evidemment, pour un avion d'acrobatie, de quelque type que ce soit, on placera le centre de masse à même hauteur que le point neutre (situé sur les ailes) afin de ne pas diminuer la stabilité en vol dos. Dans le cas d'un modèle 3D, on aura même intérêt à aligner le centre de traction de l'hélice, le centre de masse et le point neutre afin de rendre le "torque roll" plus stable (car plus aucun couple n’est généré quelque soit la position angulaire du modèle dans l’espace).

Équilibrage en roulis

Lorsqu'une aile est plus lourde que l'autre, il est difficile d'empêcher le modèle de s’incliner d'un côté ou de l'autre. Le réglage du neutre de la commande des ailerons n'est pas suffisant car la correction varie avec la vitesse. Il faut donc équilibrer les ailes en ajoutant des éléments lourds (clous, billes de plomb, etc.) dans le saumon de l'aile la plus légère jusqu'à obtenir l'équilibre. La mesure de l'équilibre se fait idéalement en suspendant le modèle par un crochet fixé dans l'emplanture et en ajoutant des petites masses jusqu'à ce que le modèle ne penche plus latéralement.

Choix du V longitudinal

Le V longitudinal est le réglage en incidence de l’empennage horizontal par rapport à l’incidence de portance nulle des ailes. Le calcul précis de cet angle est assez délicat. S’il est mal choisi, la gouverne de profondeur ne sera pas au neutre en vol rectiligne à vitesse standard. A la limite, le neutre ne sera plus réglable dans toute la plage de vitesses du modèle. Le calcul précis de cet angle impose l’utilisation de Javafoil (voir chapitre « La soufflerie numérique Javafoil »).

Le principe est le suivant :

· On choisit la vitesse de référence (voir au chapitre « Domaine de vol des aéromodèles ») qui est la vitesse de croisière normale qui ne demandera aucun trim à cabrer ou à piquer.

· On entre dans Javafoil les paramètres des ailes et des empennages.

· Dans la carte « écoulement » on se cale à l’incidence de la vitesse de référence trouvée dans le panneau « polaire » (voir figure 4).

· On cherche le calage de l’empennage qui lui confère une légère portance négative.

· Il n’y a plus qu’à relever le V longitudinal trouvé et le reporter dans le panneau « Caractéristiques – réglages » d’Aérocalc. On ajoutera éventuellement jusqu’à 0,5° pour tenir compte de l’augmentation d’incidence induite par le fait que les ailes n’ont pas un allongement infini.

Figure 4 : écoulement et déviation de l’air autour d’un empennage

N. B. : typiquement, l’incidence des ailes en vol à la vitesse de référence est d’environ 3°. L’utilisation de cette valeur comme valeur de V longitudinal est le plus souvent acceptable sans autre mesure ou calcul et permet un réglage satisfaisant du neutre dan toute la plage des vitesses de vol.

Neutre et débattements

Un modèle vole très rarement droit avec les gouvernes dans l'alignement exact des surfaces aérodynamiques. De plus, dans le cas de la commande de profondeur, la position de la gouverne définissant un vol rectiligne dépend de la vitesse. Il convient par conséquent de régler le neutre de chaque commande de la façon suivante :

Neutre des ailerons

Le neutre doit bien évidemment être réglé de telle sorte que l'aéromodèle n'ait pas tendance à basculer d'un côté ou de l'autre en vol. Le premier réglage doit se faire dès le premier vol lorsqu'on est arrivé à l'altitude de sécurité. Après le vol il sera judicieux d'ajuster la longueur des tringles de telle sorte que la commande de neutre puisse être ramenée au centre pour un vol rectiligne.

Neutre de la profondeur

Le cas de la profondeur est plus compliqué car au décollage et à l'atterrissage il convient de caller le neutre de profondeur à cabrer et à pleine vitesse à piquer. Seulement à la vitesse nominale de vol, le modèle doit voler sans tendance à monter ni piquer avec le neutre au centre. Le réglage doit se faire comme pour les ailerons dès le premier vol à l'arrivée à l'altitude de sécurité.

Neutre de la direction

Le neutre de la direction est à la fois moins critique et plus difficile à régler que les autres. Il faut déceler si le vol est désaxé, c'est-à-dire fuselage pas tout à fait vers l’avant mais légèrement sur le coté, ce qui n'est pas toujours évident. Il faut ensuite déplacer le neutre de direction dans le sens qui diminue le vol « en crabe » et modifier en même temps le neutre des ailerons pour éliminer la tendance à virer induite par le changement de réglage du neutre de direction. Il peut être nécessaire de répéter et affiner la correction plusieurs fois avant d’obtenir un résultat parfait.

N. B. : bien souvent, on se contente de régler le neutre de direction de telle sorte que la gouverne soit dans l’alignement de la surface fixe de la dérive.

Si on a un modèle "2 axes", cet axe correspond aux ailerons et doit donc être réglé comme tel.

Débattements

Les débattements se règlent de façon à obtenir la sensibilité désirée sur chaque axe. Dans le cas d'un kit ou d'un ARTF le mieux est d'utiliser les débattements recommandés. Dans le cas où il n'y a pas d'indication ou dans le cas d'un modèle réalisé soi-même, il faut procéder par tâtonnements. Le meilleur débattement dépend aussi bien du type de modèle que du pilote. Typiquement, un débutant utilisera un débattement faible car il n'est pas précis aux commandes. Au fur et à mesure des progrès et de l'amélioration de la précision du pilotage il aura intérêt à augmenter les débattements, car un débattement fort permet de réagir plus vite et réaliser des figures plus serrées. C'est avant tout une question de "feeling" comme disent les anglo-saxons.

N. B. : un débattement fort exige d’être plus précis aux manches, ce qui nécessite un certain entraînement, mais facilite le pilotage « dynamique ».

Exponentiel et "dual rate"

Dans le cas de modèles à très fort débattement (modèles d'acrobatie et pour le 3D) il devient difficile d'avoir un contrôle précis en ligne droite (et donc au voisinage du neutre). Dans ce cas il devient intéressant sur les axes de roulis et de tangage d'ajouter de l'exponentiel si la radiocommande en dispose, ce qui est le cas de tous les modèles hormis ceux de très bas de gamme. La fonction "exponentiel" ne change pas le débattement global de la gouverne concernée, mais diminue la sensibilité près du neutre tout en l'augmentant en bout de course. L'effet exact dépend du degré d'exponentiel (entre 0 et 100 %) et du modèle de radiocommande car l'effet n'est pas standardisé. Toutefois, il ne faut pas abuser de l'exponentiel car alors les gouvernes deviennent trop brutales en bout de course.

N. B. : certains évitent même l’exponentiel autant que possible et préfèrent s’entraîner à être plus précis au manche au voisinage du neutre sans diminuer la sensibilité dans cette zone afin de conserver une précision suffisante lors des figures nécessitant un fort débattement.

Par ailleurs, la sensibilité des gouvernes augmente considérablement avec la vitesse. Avec les modèles ayant une grande plage de vitesse, la sensibilité peut à la fois être trop faible à l'atterrissage et au décollage, et trop forte à la vitesse maximale. Dans ce cas, il faut avoir recours au double débattement appelé en général "dual rate" qui permet par l'intermédiaire d'un interrupteur de passer d'un débattement fort à un débattement faible et vice-versa. La mise en œuvre et le réglage dépend du modèle de radiocommande. Le "dual rate" est bien pratique aussi pour les modèles 3D avec le gros débattement pour l'acrobatie débridée et le petit débattement pour le vol normal.

N. B. : de nombreuses radios haut de gamme disposent de « phases de vol », avec un réglage du neutre, exponentiel, débattement et mixage propre à chaque phase de vol. Cette fonction peut donc remplacer le « dual rate ».

La motorisation

Le dimensionnement de la motorisation doit être bien choisi ; trop fort on alourdit le modèle, trop faible on n’obtient pas les performances désirées. La figure 5 montre le panneau "Propulsion électrique" destiné à permettre le choix de la propulsion électrique ; il existe un panneau équivalent "Propulsion thermique" pour les aéromodèles propulsés par voie thermique. Pour exploiter correctement ces panneaux on aura intérêt à comprendre le contexte théorique et donc à lire ou relire d'abord le chapitre "Propulsion".

Il faut en premier lieu décider de la plage de vitesses désirée (voir le chapitre "Domaine de vol des aéromodèles"). Une plage de vitesse de 3 est standard. Il faut ensuite remplir les autres champs du panneau (se référer au chapitre Aérocalc et à la documentation du logiciel).

Figure 5 : panneau « propulsion électrique »

Motorisation électrique

Il faut commencer par choisir un moteur a priori, vérifier les résultats qu'il donne, et selon qu'il est trop ou pas assez puissant en choisir un plus adapté jusqu'à trouver celui qui convient le mieux.

Moteurs à explosion

Dans le cas d'un moteur à explosion on procède de la même façon que pour un moteur électrique en partant d'un moteur d'environ 2,5 cm³ par kilogramme de modèle. On indique ensuite la puissance et le régime maximal dans les cases prévues à cet effet.

Dimensionnement de l'hélice et autonomie

Les panneaux de motorisation d’Aérocalc proposent l’hélice la mieux adaptée. Mais le choix des hélices étant limité et leur « activité » variable d’un modèle à l’autre, on devra souvent faire des essais avec des hélices un peu plus petites et un peu plus grandes, avec un pas un peu plus faible ou plus grand que la valeur donnée par Aérocalc, afin de trouver l’hélice qui convient le mieux.

N. B. : lors du choix du diamètre de l'hélice il faut faire très attention, car c'est elle plus que le moteur qui définit la puissance prise au moteur.

· Une hélice trop petite sera non seulement bruyante mais de plus dangereuse pour un moteur thermique à cause du surrégime potentiel, alors qu’elle soulagera un moteur électrique.

· A l’opposé une hélice trop grande protégera un moteur thermique en calmant ses ardeurs excessives, alors qu’elle risquera de griller un moteur électrique par surcharge et donc surchauffe.

Le panneau « Construction – stabilité – autonomie » permet d’obtenir un temps de vol approximatif en fonction de la capacité du réservoir de carburant ou de l’accumulateur de propulsion en renseignant les champs du cadre « autonomie ». Le temps de vol donné ne pourra être que très approximatif, puisque tout dépend de la façon de voler : vite ou lentement, avec ou sans figures acrobatiques. Néanmoins, la valeur fournie pourra servir de guide pour choisir la taille de l’accumulateur de propulsion ou la taille du réservoir.

N. B. : la modification de la taille du réservoir ou de l’accumulateur de propulsion modifie la masse de l’Aéromodèle, ce qui impose de relancer tous les calculs après un changement de masse pour obtenir des temps de vol corrects.

Le calage du ou des moteurs

Si sur un aéromodèle le moteur est parfaitement aligné avec la direction d’avancement et qu’on augmente subitement la puissance, l’aéromodèle aura une forte tendance à monter (augmentation de la portance) et à virer à gauche (embardée au décollage à cause du couple moteur). Pour éviter cette tendance, il faut impérativement caler le moteur 2,5° à 5° vers le bas et environ 2,5° vers la droite (pour une hélice normale tournant dans le sens inverse des aiguilles d’une montre regardée de l’avant).

Les valeurs de calage idéal varient significativement d’un modèle à l’autre. Les valeurs suggérées ne sont donc qu’un point de départ. Il faudra retoucher ces deux valeurs jusqu’à l’élimination de la tendance à grimper ou descendre et à virer lors des changements de puissance en faisant des essais successifs.

Dans le cas d’un modèle bimoteur ou multi-moteur, l’idéal est de faire tourner la moitié des moteurs dans un sens et l’autre dans l’autre sens, ce qui supprime le couple d’hélice et ses multiples effets nuisibles. Il n’y a alors plus besoin de décalage angulaire latéral des moteurs. Malheureusement, la majorité des moteurs à explosion ne tournent que dans un sens, et de plus, il est souvent difficile de trouver des hélices tournant un sens inverse (retourner une hélice ne marche pas…) ; cette solution n’est donc pas toujours envisageable.