Février 2011 - Cockpit, sonde d'incidence et éprouvettes

Travaux hangar:
  
 Bonne journée de travail aujourd'hui où j'ai bien avancé pour les carénages d'emplanture. Papa a démonté le volet gauche pour le réparer et le tableau de bord pour le modifier.

On a décidé de changer une nouvelle fois la disposition du tableau:
 comme prévu, le Flight 2 prend la place de l'horizon électrique, mais le TC3 prend la place de la bille-aiguille. Le but est de conserver le compte tour bien plus lisible que sur le Flight2, et de supprimer l'aiguille parfaitement inutile et bien plus lourde. Il faudra placer une bille à la place de l'avertisseur de décrochage, ce dernier se déplacera à droite de l'inter.
Autre modification, on supprime le voltmètre peu lisible, lourd et devenu inutile avec le Flight2. De plus ce n'est pas un paramètre qui se surveille constamment. La place libérée doit pouvoir être occupée par un horizon de secours électrique MGL. Le problème c'est que ça reste un peu cher:


L'allégement total du tableau doit nous permettre de ne pas modifier la suspension qui s'est avérée insuffisante auparavant, et de juste changer les cylindre-blocs.

Commandes de volet:
J'ai pesé une barre de commande de volets à 372 g. Le diamètre intérieur est de 14 mm. J'ai trouvé un site qui vend des tubes de carbone pas trop cher (voir pièce jointe). La rupture en traction est de 2200 MPa. Dans le document que je t'envoie, le diamètre ext est de 14, intérieur de 12 ce qui donne 1 mm d'épaisseur, comme le tube en acier actuel.
Une fois le tube en acier coupé, on peut donc enfiler le tube en carbone à l'intérieur.
Je voudrais que tu vérifies mes calculs, je trouve un résultat surprenant pour la charge en rupture du tube en traction (même si c'est plutôt en compression qu'il va travailler).
Pour moi 2200 MPa = 2200 N/mm2
La surface de la section vaut 41 mm2
la traction à la rupture vaut 90000 N, soit 9 tonnes! Tu confirmes?

D'après mes autres calculs, on peut gagner 200g par barre, soit 400g au total et ça coûte 42 euros tout compris, livré à domicile soit encore 105 euros du kilo gagné !
C'est pas forcément cher si l'on compare à d'autres choses...et en plus les occasions de gagner du poids ne sont pas si nombreuses quand on a déjà supprimé certains instruments lourds et peu utiles et refait les pièces composites (capots, carénages) en carbone.

éléments de calcul:
densité acier = 7,5
longueur de tube à remplacer: 70 cm par barre
diamètre barre acier 16/14
masse de 2 m de tube carbone = 110 g

prix 19,90 ht + 15 de transport



Roulette de queue:

Mail à papa pour les essais de matériaux en vue de remplacer la lame de train arrière par une en composite pour gagner du poids:

as tu une suggestion pour la taille des éprouvettes?
Il me manque de l'UD verre que je vais trouver à Antibes.
Je vais faire des éprouvettes verre, carbone, kevlar, et carbone/kevlar et cela pour les 2 types de résine (époxy et polyester). En effet je ne crois pas que le polyester soit aussi mauvais que Didier le dit. Comme ça on pourra vérifier.
L'éprouvette carbone/kevlar aura donc deux couches de natures différentes, le carbone sur le dessus et le kevlar en dessous pour la lame de train, pour que le carbone travaille en compression et le kevlar en traction.
Le kevlar est mauvais en compression mais excellent en traction et en plus il amortit les vibrations et il est plus léger que le carbone.

Papa:
je suggère une lame de 15cm de long, 2 cm de large et 2mm, ce qui représente une forme assez voisine de ce qui existe actuellement.
Pour ce qui est du sandwich hétérogène, ne pas oublier que la lame est élastique et donc que les contraintes en compression peuvent très bien se retrouver côté kevlar.
Il faudra prévoir de bonnes marges, d'autant que la forme réelle (coudée 2 fois) amène certainement des risques de délamination aux coudes.


Moi:
ok, bien reçu pour les dimensions, pour ta réflexion sur les sandwichs, je suis pas très calé mais je suppose que si la lame vibre, c'est la que le kevlar risque de travailler en compression?
 L'intérêt du kevlar, entre autres, c'est que justement il est sensé amortir les vibrations. On peut peut-être intégrer du kevlar au milieu pour bénéficier de cet effet et faire un sandwich carbone/kevlar/carbone, les fibres au milieu sont celles qui travaillent le moins ?

Papa:
Réflexions sur la mesure d'incidence

Pour calculer le détail des circuits de traitement des pressions, j'ai dû me livrer à un petit calcul très instructif, que voici:
On suppose les choses suivantes:

1- Pd=1/2 Ro. V².a     a angle d'attaque sur la sonde que je suppose indépendante du profil pour être tout à fait libre. Ça peut être par exemple une sphère avec 2 trous placés symétriquement par rapport à la direction a=0.  Pd est la pression différentielle.

2- 1/2RoV²S.Cz =Mg            qui détermine la vitesse de vol,

3-  Cz=k(a-a0)                        où a0 est l'angle de portance nulle (par rapport a l'axe de sonde).

Pour un régime de vol stabilisé, (2 satisfait) on peut éliminer la vitesse, ce qui nous donne:
            Pd=(a/(a-a0)).Mg/k.

On voit que la dépendance avec a n'est pas linéaire et reste faible (asymptote), notamment si a est au voisinage des grands  angles.
Si a est petit c'est pire encore en linéarité, et c'est moins intéressant.
Par contre Pd dépend directement de la masse.

Si j'ajoute qu'en manœuvre, (ou en turbulence) les écarts à l'équilibre font apparaître transitoirement le terme en V², j'ai un doute sérieux sur la validité du principe.

Qu'en pensez vous?

 Moi:
Mais Papa, on est bien d'accord là dessus, c'est d'ailleurs pour cela que je critiquais la réalisation du mec dont Julien voulait s'inspirer. Le principe même ne fonctionne pas en l'état, l'incidence mesurée ne peut pas être une variable de la masse.
 Nous devons donc faire deux mesures de pression:
-une mesure de pression différentielle  Pd=1/2 Ro. V².a = P2-P1
-une mesure de pression dynamique Pdyn=Ptot-Ps =1/2 Ro. V² avec les pressions du badin et de l'altimètre qui arrivent au tableau. En fait cela revient à faire deux mesures de pression différentielle.

Il faut ensuite que notre module calcule Pd/Pdyn qui donne bien l'incidence.

Sur le schéma ci-dessous, voilà la réalisation d'une sonde sphérique. Le but de l'expérimentation en soufflerie est de déterminer la position idéale des prises de pression sur un bord d'attaque d'aile, de façon à ce que la plage de fonctionnement soit centrée sur les points où la pression statique locale moins la pression statique à l'infini change de signe; c'est ici que la pente, c'est à dire la variation de pression en fonction de l'incidence est la plus forte et la plus linéaire.

Après un contact téléphonique des plus constructifs, nous sommes finalement d'accord, la donnée paradoxale, c'est que la pression différentielle ne dépend que du poids apparent de l'avion et ne varie qu'au gré du facteur de charge. En effet, la portance est égale à la différence de pression entre l'intrados et l'extrados de l'aile multipliée par sa surface. On voit bien que cette portance doit être sensiblement la même (au facteur de charge près) quelle que soit la vitesse si l'on veut équilibrer le poids et que l'avion vole. La Pd mesurée est donc une grandeur sensiblement constante (au facteur de charge près) et est proportionnelle à la masse avion. Elle vaut en fait k.Cz.V² car:

                                             M.g.n = ½.Ro.S.Cz. V²       n=facteur de charge

Pour obtenir le Cz, et donc l'incidence, il faut diviser la Pd par la pression dynamique Pdyn, qui est la seule vraie variable à masse constante. Quand par exemple, la vitesse diminue, Pd reste constante mais Pdyn diminue, et donc le rapport augmente, comme l'incidence.

                                                    Pd/Pdyn = (½.Ro. V².k.Cz)/ (½.RO. V²)
                                                                   = (k.M.g.n/S)/(½.RO. V²)
                                    avec         k=rapport de proportionnalité entre l'incidence et le Cz

 En fait, comme tu l'as fait remarquer, c'est comme un badin, mais compensé de la masse et du facteur de charge (au numérateur) et c'est exactement ce que nous voulons.


Trains à lames en composite : michel.suire2@wanadoo.fr
On peut faire un gain important sur le poids en utilisant les
matériaux composites ( fibre de verre ou de carbone + résine
époxy ) dans la construction des trains à lames. La capacité d'absorption d'énergie par les
composites est bien meilleure que celle des métaux.
Le module d'élasticité relativement bas des fibres unidirectionnelles, ( env.5000. 106 kg/mm² )
couplé à la haute résistance à la rupture, déterminent une capacité d'absorption environ 4 fois celle
de l'acier. D'autre part, les composites ont une bien meilleure résistance à la fatigue que les aciers.
On utilise des tissus unidirectionnels qui sont enrubannés de tissus bidirectionnels à l'extérieur
pour le maintien, et pour éviter le délaminage lors des flexions.
La résistance à la corrosion et aux UV est excellente.
Pour obtenir la même déflexion, l'épaisseur de composite sera de 1,8 fois celle de l'acier, alors que
la densité est dans le rapport 4,1 ; d'où le gain en poids.
Le tableau suivant résume les principales caractéristiques des matériaux :

Matériaux
Composite
Verre + époxy
 Alu
 Acier
Masse volumique :
( g/cm3 )
1,9
2,8
7,8
Module d'élasticité :
(de Young ) ( kg / mm² )
5000
7200
21000
Résistance à la flexion :
( kg / mm² )
80
50
80



Faire fabriquer son train d'atterrissage par un amateur:
Les fibres de verre, quel matériau magnifique ! Puisque je fais un avion dont la plupart des surfaces aérodynamiques sont en fibres de verre, il est évident de passer sur un train en composites.
Cette fois-ci, j'ai décidé de tout recommencer, de A à Z. J'ai trouvé quelques formules à partir desquelles j'ai établi les efforts sur les jambes et ferrures de train. Les jambes étant des poutres cantilever, il suffit d'appliquer les formules "vulgaires" de résistance des matériaux. Oui, mais quelles données utiliser pour les fibres de verre, les propriétés mécaniques étant en fonction de la qualité du stratifié ?
Avant de m'attaquer à la construction de la "planche" en composite, j'ai fait quelques tests pour établir le module d'élasticité et la charge de rupture des stratifiés faits avec les outils dont je disposais. En général, plus le pourcentage des fibres en volume par rapport à la résine est important, plus la résistance mécanique est élevée. J'ai donc préparé deux types d'éprouvettes :
- pressées à l'aide de serres-joints pour faire sortir l'excédent de résine
- non pressées pour les comparer aux précédentes.
Le tissu pour les éprouvettes a été découpé le long des fibres :

Les éprouvettes ont été découpées à partir de petites planchettes de 10 couches chacune : de numéro 1 à 10 pour le stratifié manuel et de numéro 11 à 20 pour la planchette pressée. Fabrication des planchettes :



Après le durcissement à la température ambiante, les planchettes ont été découpées en plusieurs éprouvettes de 10 et de 20 mm de largeur. La moitié des éprouvettes a été passée au four à 70°C pendant 4 heures pour une post-cuisson.
Il ne restait qu'à faire quelques tests, prendre des mesures de la flèche, etc. et en extraire les résultats. Un exemple d'essai :


Le poids en-dessous (dans le seau) est de 16 kg et la largeur de l'éprouvette est de 10 mm pour une épaisseur de 2,7 mm. La charge de rupture est de 660 MPa ou trois fois plus que la charge maximale élastique d'une poutre en 6061-T6 ayant les même dimensions ! En outre, le module d'élasticité obtenu est de l'ordre de 32 GPa (74 GPa pour l'alu et ses alliages), ce qui est bienvenu pour un train d'atterrissage.
J'ai fait également des éprouvettes avec la composition 60% en 0° et 40% en +/-45° pour l'orientation des fibres. Ceci m'a permis d'estimer le module d'élasticité et la charge de rupture de la composition du train d'atterrissage.
J'ai constaté que la charge de rupture des éprouvettes pressées était très peu supérieure à celle des éprouvettes non pressées.
Autres caractéristiques mesurées :
- éprouvettes pressées : module d'élasticité 32 GPa, masse spécifique 2kg/dm3
- éprouvettes non pressées : module d'élasticité 24 GPa, masse spécifique 1.8kg/dm3
J'ai décidé d'utiliser un stratifié sans utiliser de serres-joints, la charge de rupture étant de 60 % supérieure à la charge d'atterrissage maximale calculée.
J'ai utilisé du tissu satin UD 90/10 de 290g/m² et j'ai calculé qu'il me fallait 78 couches pour fabriquer les jambes de train. Au lieu de préparer des moules séparés pour chaque jambe, j'ai opté pour la fabrication d'une planche en fibres de verre à partir de laquelle les jambes seront découpées. Ceci évite pas mal de travail et également des surprises du genre épaisseur de jambe différente...
La découpe de 78 morceaux de tissu UD en fibres de verre n'est pas une tâche facile :




J'ai commencé la stratification à 20h30 en espérant finir à 2h du matin. J'ai fini à 10h du matin le lendemain, il ne fallait pas s'arrêter...
Sur la photo ci-dessus on voit la composition au milieu de la planche - 14 couches sous + ou - 45° :



Les 78 couches sont appliquées. On attend le durcissement avant de passer la planche entière au four à 75°C pendant 6 h. Ceci pour éviter quelques mauvaises surprises comme retrouver son avion vautré comme un éléphant sous le soleil d'été...





Travaux au hangar:
 Papa a dû démonter le réservoir avant, pour pouvoir avoir accès aux différents câbles qui passent et sont fixés sur le côté et qui traversent la cloison pare-feu. C'est long et compliqué, il faut sortir tout le tableau, le manche, le bloc de freins...
Le plus angoissant, c'est qu'il va falloir tout remonter :(
J'ai profité de la journée pour lui filer un coup de main bien sûr, mais aussi pour avancer sur les carénages de bordure de plexiglace, démonter le volet droit et la gouverne de direction pour inspection.
On a également parlé de:
–         tableau de bord:
 le Flight2 est confirmé au-dessus du compte tour, le TC3 en bas à gauche sous le badin. Papa achètera l'afficheur MGL de l'horizon de secours pour le placer à la place du voltmètre. Le cablage et l'alime seront installés en attendant le module AHRS que l'on achètera plus tard car un peu cher (position idéale près du centre de gravité).
–         Composites:
 Ma commande chez SF composites est arrivée pour un montant de 204 euros. Elle doit nous permettre de créer les moules pour les karmans (Mat, résine polyester,gel coat,omégas en mousse) et les karmans eux-mêmes en carbone/vectran. On attend une période un peu plus chaude pour stratifier.
–         Gain de poids:
 On est d'accord pour remplacer les commandes de volet avec des tubes en carbone. Gain espéré 800g qui compensera le poids des raccords de volets en intrados. Pour bien faire les choses, j'attends du fabricant la résistance en compression de ce tube avant de le commander. La roulette de queue sera démontée quand on aura fait les test sur les éprouvettes. Je referai les carénages de roulette quand la roulette sera elle-même refaite. Pour que la jonction avec la gouverne de direction soit plus harmonieuse, j'envisage de prolonger légèrement la gouverne vers le bas (mousse + fibre). Si je travaille sur la gouverne je peux aussi faire un petit bord de fuite transparent à placer sur le feu de position (on chipote bien sûr). J'ai vu aussi, dans la même zone, les petits carénages de câbles de commande de direction qui peuvent être fait plus aérodynamiques.
–         Strobes/phares
 Papa a une réflexion en cours sur l'utilisation de LED's très puissantes pour faire des strobes (un sur chaque aile, composé chacun de 4 LED's pour couvrir chaque demi-espace). En fait cela ne sera pas aussi puissant ni visible qu'un feux à éclat. Conso d'une LED = 1 A. On peut également faire des phares, et les faire clignoter (utilisation de jour pour être vu). Il faut voir si l'on peut passer un câble électrique supplémentaire pour les bouts d'aile sinon on devra allumer les feux de nav en même temps que les strobes.

Tableau de bord:
 Rien n'est encore figé sur la disposition des instruments puisqu'à la suite d'une conversation sur le sujet avec Julien nous pensons maintenant que le compte tour serait mieux sous le badin, et accessoirement à côté du petit tableau des régimes de croisière. Les 2 gros instruments MGL seraient alors l'un au-dessus de l'autre et c'est aussi plus esthétique ! En fait on est influencé par nos habitudes et il faut laisser mûrir certaines idées.



Composites:
 J'ai réalisé en carbone200/verre80 deux passe-câbles pour les commandes de direction pour amélioration aérodynamique, poids et pour apprendre à maîtriser l'usage de composites. Les pièces d'origine font chacune 17g, elles n'en font plus que 7. J'ai donc gagné 20g, mais la véritable info c'est moins 60% de poids. Les pièces ont été réalisées sur moules mâles en mousse recouverts de scotch d'emballage marron. Le tout a été placé dans un sac plastique dans lequel j'ai tenté de faire le vide avec l'aspirateur avec un succès moyen. Le résultat est néanmoins tout à fait satisfaisant.


J'ai également réalisé les éprouvettes en verre et carbone (5 couches de 350g pour les deux) avec l'epoxy Resolcoat 1050 et avec une résine polyester. Après 24 h de séchage à 22/23°, j'ai tout mis au four 15h à 60°.
Les composites n'ont pas été pressés mais ont été consciencieusement débullés au rouleau débulleur.
Il faut que je les dimensionne et que j'ébavure avant de livrer à l'ingénieur.
La première remarque que l'on peut faire sur les éprouvettes en verre, c'est que la résine polyester est plus transparente et un peu violette alors que la résine epoxy donne une coloration plus laiteuse et opaque

Projet sonde d'incidence Julien:
 Les premiers essais de la soufflerie expérimentale ont été réalisés. C'est toujours une rare émotion quand on met en route pour la première fois. Les premiers résultats sont très encourageants. Il reste quelques détails à régler et les mesures pourront être effectuées avec le plus de précision possible. Rappelons que le but des manipes est de déterminer le meilleur emplacement possible pour les prises de pression sur le bord d'attaque du jojo.




 Je vais tenter de trouver les incidences caractéristiques du jojo pour les différentes consignes de pilotage choisies qui sont : approche 1,2 Vs, approche 1,3 Vs, montée Vz max, pente max et la finesse max moteur réduit.
Le but est d'approcher ces valeurs pour limiter au maximum les réglages à venir sur l'électronique.

Aérodynamique:
variation de Cz par rapport à l'incidence dCz/dalpha = 2 PI.A/(2+(A^2+4)^0,5) rd-1
Le jojo a un allongement A=5,6   (en fait un peu moins à cause du vrillage)
dCz/dalpha = 4,43 rad-1
4,43.PI/180 = 0,0773 °-1
L'incidence de portance nulle du NACA 23012 est de -1,3°
Cz max = 1,73

Extraits du manuel de vol:
DR1050MV                                        Performances                                      MDV 06.01
Vitesses de décrochage                                   MAI07

 Vitesses de décrochage Vs ( V stall ) à la masse maxi décollage de 780 kg et centrage avant C = 22,5% ( le plus pénalisant).
 

Configuration
Alarme
Décrochage (Vi)
Buffeting
(Vi)
Vs
CAS
    1,3 Vs
Vi approche
   retenue
  1,45 Vs
Vi évolution
    retenue
Lisse
      100
    81
  89,5
  116,5
    120
   130
   130
Volets 1
       92
    78
  82
  106,5
    110
   119
   120
Volets 2
       92
    70
 76,5
   99,5
    105
   111
   115
Toutes vitesses en km/h.
pente max ( θ max )

Vitesses de pente max air limitées à 1.2 Vs mini en km/h / pente en %.


CONFIG

MASSE

          0 ft

      2500 ft

      5000 ft

      7500 ft


   LISSE


780
730
680
630
580
110/9.2
105/11.1
105/13.0
100/15.5
95/18.7
110/7.4
105/9.0
105/10.7
100/13.0
95/15.8
120/5.7
110/7.0
105/8.6
100/10.6
95/13.0
125/4.3
110/5.4
105/6.8
100/8.5
95/10.6


VOLETS 1
780
730
680
630
580
105/8.2
100/10.1
95/12.4
90/15.3
85/18.8
105/6.3
100/8.0
95/10.0
90/12.4
85/15.5
110/4.5
105/5.9
100/7.6
90/9.8
85/12.4
110/3.0
110/4.2
100/5.7
95/7.5
85/9.8

Corrections:
Majorer la vitesse de 1 km/h par 5° au-dessus de la température standard.
Diminuer/augmenter la pente de 5% par 5° au-dessus/en dessous de la température standard.


Mail à Papa:

C'est peut être un peu tard, mais en cherchant les valeurs approchées des incidences à mesurer il m'est venu certaines évidences qu'on n' a pas prises en compte.
Tout d'abord il n'y a pas d'incidence de vz max et de pente max, la vitesse indiquée nécessaire évolue avec l'altitude et la température, et en fait dépend de la puissance du moteur. Donc si la vitesse indiquée nécessaire évolue en fonction de l'altitude à masse constante, il n'y a pas d'incidence cible "fixe". L'utilisation de l'incidence reste pertinente pour l'approche 1,3 Vs, 1,2 Vs et finesse max en lisse. Cependant, les approches s'effectuent à priori pleins volets et la descente finesse max en lisse. Par ailleurs, notre mesure d'incidence s'effectuant au bord d'attaque, la sortie ou non des volets n'est pas prise en compte. Or tu sais que volets sortis on décroche à une incidence plus faible si on garde la même référence d'incidence, c'est à dire la corde de l'aile en lisse.
Conclusions:
Il ne semble pas que nous ayons besoin de plus de 3 programmes différents, donc de 4 positions de rotacteur: OFF,1,2 Vs, 1,3 Vs et finesse max.
Si l'on veut que notre afficheur soit précis en lisse et volets sortis et nous donne les mêmes marges vis à vis du décrochage , il faut tenir compte de leur position. Comment? en plaçant un potard sur la commande de volets pour ajouter un offset sur la valeur d'incidence mesurée (on augmente la valeur mesurée volets rentrés ou on la diminue volets sortis). Avantage du potard: on aura une adaptation automatique aux nouveaux calages volets si on les modifie.
Bon réfléchis à ça, si ça complique trop à ton goût on peut simplifier et considérer qu'on aura une marge supplémentaire en lisse vis à vis du décrochage.
Biz

 Calcul:
Je cherche à calculer l'incidence d'approche.
À 780 kg, la vitesse de décrochage est de 76,5 km/h volet 2
1,2 Vs = 91,8 km/h
1,3 Vs = 99,5 km/h
fmax = 140 km/h (manuel de vol d'origine)
considérons que l'allongement « aérodynamique » vaut 5, dCz/dalpha = 0,074 Cz/°

L'incidence de portance nulle en lisse vaut -1,3° pour le NACA 23012
La sortie des volets en position 2 décale cette incidence de portance nulle de – 3,6° (à vérifier quand les volets seront remontés).
incidence de portance nulle = -1,3 – 3,6 = -4,9° # -5° avec les volets 2

Cz =2 P/Ro.S.V^2 = 2x7800/1,225.13,6.V^2 = 936/V^2

1,2 Vs       91,8 km/h = 25,5 m/s
Cz = 1,44        soit 19,5°              19,5 – 5 = 14,5°         par rapport à la corde de l'aile en lisse.

1,3 Vs       99,5 km/h = 27,6 m/s
Cz = 1,23        soit 16,5°              16,5 – 5 = 11,5°

fmax (lisse)140 km/h = 38,9 m/s
Cz = 0,62        soit 8,5°                8,5 – 1,3 = 7,2°

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