LE
VOL NATUREL (Par
Alfred JABES Ing.ECP)
LE VOL NATUREL ET LE VOL
MECANIQUE
Les animaux
dont le milieu de locomotion normal est l'air, sont les oiseaux, les chiroptères
(chauve ‑souris) et les insectes.
De même que
l'homme pour se mouvoir au sol a inventé la roue, au lieu de généraliser des
systèmes de transport plus compliqués copiés sur la marche, de même, il a
inventé un engin à aile rigide, tiré par une hélice mue par un moteur, pour
se déplacer dans l'air, contrairement au vol naturel qui fait appel au battement
de l'aile.
Au passage
nous avons parlé d'hélice qui est aussi le moyen utilisé pour se déplacer
dans ou sur l'eau, éloigné du moyen naturel de battement des nageoires de
l'animal aquatique.
Ainsi dans
tous les cas, l'homme a remplacé le mouvement naturel alternatif, par un mouvement
continu, plus simple de réalisation. Il ne s'est plus préoccupé de savoir
comment fonctionne la nature, et, c'est ainsi qu'il ne sait toujours pas comment
font les animaux pour se déplacer, dans l'air, en particulier.
En plus du
fait qu'il est intéressant de déchiffrer le mystère du vol, on peut se poser
la question suivante : la nature agissant le plus souvent de la manière la
plus économique, n' avons ‑nous pas adopté une solution, plus simple,
certes, mais peut ‑ être, plus chère ?
Ce n'est
pas tant pour des raisons d'économie que nous posons la question, mais plutôt
pour voir si, une fois de plus, pour des raisons de simplification, nous n'avons
pas abandonné, non pas une voie nouvelle puisqu'elle existe depuis des millions
d'années, mais naturelle, c'est‑ à‑dire, mieux adaptée au milieu
fluide et élastique qu'est l'air.
En effet,
on ne peut qu' être frappé de la discordance qui existe entre le vol harmonieux,
silencieux et souple d'un animal qui décolle et atterrit sur place, et celui
bruyant d'un avion qui déchire l'air avec ses surfaces métalliques, laissant
derrière lui un sillage perturbateur, obligé de se servir de pistes immenses
pour décoller et atterrir.
On pourrait
aussi comparer les navires rigides, aux hélices coupantes, à la souplesse
des poissons, en harmonie dans leur milieu.
ETUDE DE L'ANATOMIE DE L'ANIMAL
Nous n'allons
pas traiter ici ce chapitre qui a fait l'objet de nombreuses études, mais
il est bon de connaître le squelette, les articulations, la musculature, les
structures en contact avec le fluide, les mouvements possibles, les répartitions
des masses et des surfaces, les forces générées.
Des dimensions
des os et des muscles, de la position, des angles de rotation et des pliages
possibles des articulations, il pourra être fait le schéma des mouvements
des membres, pendant le vol.
ETUDES DU VOL DANS LA NATURE
Une telle étude n'est pas
facile, pour les raisons suivantes
Il s'agit
de saisir les détails du vol d'un animal qui se déplace, souvent à grande
vitesse, à distance, dans un milieu changeant et transparent, selon une direction
mal définie, dans trois dimensions. On ne pourra donc faire directement que
peu d'observations, essentiellement qualitatives.
On améliore
l'observation par des prises de vue, donnant des images ralenties et rapprochées,
la cadence des images permettant, aussi, un chronométrage des mouvements de
chaque partie de l'animal, et peut être, sa trajectoire, s'il existe des repères.
On pourra éventuellement calculer les vitesses et accélérations.
De plus,
il faudra tenir compte de la vitesse et de la direction du vent, supposé constant.
Pas question
de mesurer ou calculer avec précision, les efforts aérodynamiques ou d'inertie.
Pour cela, il faut observer l'animal dans des conditions plus favorables.
ETUDE DU VOL EN LABORATOIRE
L'animal
est mis en observation sur un manège ou dans un tunnel aérodynamique. Du fait
qu'on est obligé de l'observer à vitesse constante, on fausse légèrement le
problème, sauf si l'animal est observé volant librement, dans le courant d'air.
Plusieurs
chercheurs ont ainsi pu faire des mesures précises sur des oiseaux, et, même
des insectes!
On peut raisonner
sur des courbes de vitesses instantanées de certains points des ailes, sur
des relevés des forces instantanées aérodynamiques et/ou d'inertie.
Les résultats
sont étonnants : les forces mesurées étant TROIS fois supérieures à celles
mesurées sur la même aile en vol permanent.
De plus,
les courbes relevées, aussi bien avec des oiseaux qu' avec des insectes, sont
très proches entre elles et l'on peut donc affirmer connaître le détail des
mouvements et des efforts, en vol.
Enfin, dans
certains cas, les écoulements ont pu être mis en évidence, par des émissions
de fumée, montrant les tourbillons générés pendant tout le battement.
Mais, les
mêmes chercheurs nous disent : "Voilà nos résultats. Il sont dignes de
foi, vous savez dans qu'elles conditions ils ont été obtenus. MAIS RIEN NE
SERA PROUVE TANT QUE NOUS N'AURONS PAS DES APPAREILS VOLANTS CAPABLES D'OBTENIR
LES MEMES RESULTATS ". Autrement dît : "Nous savons CE qu'ils font,
mais nous ne savons pas vous dire COMMENT ils font".
Des modèles
très simplifiés, à ailes battantes, ont été testés en soufflerie, avec des
résultats très positifs, mais aussi très limités, et essayés presque en cachette,
tellement ce sujet scientifiquement "tabou" n'intéresse pas beaucoup
les aérodynamiciens classiques !
Pour l'instant,
et, malgré de nombreuses tentatives s'étendant sur des siècles, l'homme n'a
toujours pas réussi à voler, en battant des ailes.
LES MODELES REDUITS
De nombreux
chercheurs, surtout à la fin du XIXè siècle, pensaient que la seule façon
de voler ne pouvait être obtenue qu'en copiant au plus près le vol naturel.
Bien des
modèles réduits furent essayés, avec plus ou moins de succès, mais ils permirent
en comparant leurs performances à celles des animaux, de se faire une opinion
sur les paramètres essentiels conditionnant le vol. La réussite du vol avec
les appareils d'Ader, Santos Dumont, Farman, Wright, etc... mit un terme aux
battements alaires.
Depuis quelques
années, et avec les progrès des moteurs thermiques ou électriques, de telles
recherches ont été reprises, avec succès, aussi bien en France avec le "Gyroptère"
de Marcel CHABONAT (Directeur de la soufflerie Eiffel) qu'aux Etats Unis,
avec la réplique à l'échelle 1/2 d'un reptile volant de 11 mètres d'envergure,
étudié et construit par Mac CREADY (père de l'appareil "Gossamer"
à puissance musculaire qui a remporté les Prix Kremer, dont celui de la Traversée
de la Manche), ou au Canada par les aérodynamiciens Harris et de Laurier,
ou plus récemment en France avec l'appareil "True‑Fly" d'Albert
KEMPF, dont on vous a parlé dans le numéro précédent d'Aérial.
En Allemagne et en Russie
d'autres appareils sont essayés.
Partout des
fanatiques cherchent, et sans doute bientôt, verrons‑nous le peuple
des animaux volants envahi par des robots à leur image !.
Même si le
vol de ces appareils n'a pas la qualité de celui des modèles vivants (c'eut
été trop beau , il faut retenir qu'enfin on peut dire, avec un mauvais jeu
de mots, que le vol battu est .... gagnant !.
Cependant,
ne crions pas trop vite victoire, car ces appareils sont assez rudimentaires
: on est encore loin de la majesté du vol de l'oiseau ou de l'adresse des
insectes. Même mieux, certains modèles battent des ailes autrement que les
animaux, et cependant volent bien.
On peut dire
que le vol naturel n'est plus un miracle, et que vouloir l'imiter est possible
DESCRIPTION DU VOL
Les oiseaux
et leur vol
A la suite
de toutes ces observations et mesures, on peut dire d'une manière générale,
que:
les oiseaux qui volent convenablement
ne dépassent pas le poids de 12 kg.
leur squelette est très léger
par rapport au poids total
le poids de leur plumage
est comparativement lourd: 10%
les muscles abaisseurs de l'aile sont 5 à 10 fois plus lourds que les muscles élévateurs , en effet le grand pectoral représente 15% du poids du corps, contre 1,5% pour le petit pectoral (pour les oiseaux rameurs).
le rapport
surface de l'aile en cm = 10 à 20, la valeur 10
(poids en
g)
Le vol horizontal
L'ossature, les muscles, les
articulations et les plumes de l'aile sont répartis de telle manière que l'aile
obéit, en vol horizontal,à 5 (ou 7) mouvements principaux.
A l'abaissée .
elle s'abaisse
de haut en bas. angle D
elle va
d'arrière en avant: angles C et E
-
elle pivote vers le bas: l'angle d'incidence i diminue
-
-
elle fléchit
élastiquement : aile en W
elle
se tord élastiquement : vrillage
Remarque : il est bien
entendu (pour des raisons de simplification) que ces mouvements correspondent
à des valeurs moyennes et qu'en réalité, comme nous le verrons, les mouvements
observés s'inscrivent autour de ces schémas, mais ne sauraient cacher des
phénomènes essentiels.
A la remontée
(ou relevée)
elle remonte
de bas en haut: D
elle va
d'avant en arrière : C et ‑E
elle pivote
vers le haut. J'angle d'incidence i augmente
-
l'articulation (de la "main") remonte plus vite :
aile en M
-
-
elle fléchit
élastiquement
-
elle se tord élastiquement: vrillage
Ces mouvements
peuvent se traduire par le schéma suivant :
on observe aussi : qu'en vol normal, la vitesse horizontale
en vol '*rame" est peu différente de la vitesse horizontale de planer;que
pour les oiseaux, surtout rameurs, l'angle de battement & vu de face est
sensiblement de 600 et que l'angle d'abaissée *C peut être modifié en vol,
entre 30° et 60°.
Effet d'attaque oblique (BUDIG)
Vol stationnaire
Le corps de l'oiseau n'est plus horizontal mais incliné d'environ
45°.
l'aile va
d'arrière en avant, et, vice‑versa, selon un angle, (maintenant, dans
un plan horizontal) de presque 180°.
elle pivote
autour du bras (à la façon d'un éventail) faisant avec l'horizontale un
angle de + 45° environ
-
la fréquence de battement est beaucoup plus grande qu'au cours
du vol horizontal
Quelques observations générales.
De plus,
l'oiseau peut battre des ailes ou planer (peu d'insectes peuvent planer) ,
ainsi, on distingue : oiseaux rameurs et oiseaux planeurs.
A l'abaissée
de l'aile, l'oiseau : monte et avance (incidence positive), à la remontée,
il monte et ralentit (incidence positive) ou il descend et accélère (incidence
négative).
"Plus
un oiseau est grand, plus sa vitesse est élevée, plus réduites sont la fréquence
et l'amplitude de ses coups d'aile et moindres les effets de la discontinuité
dans l'écoulement de l'air".
"La
manière de voler d'animaux plus petits et plus lents est différente : leurs
ailes, battant à très haute fréquence, font appel à des forces aérodynamiques
de valeur très diverse (effet de la viscosité de J'air et effet des tourbillons)
s'exerçant largement dans les trois dimensions.
Autrement
dit, l'écoulement de l'air devient discontinu, les variations augmentant en
intensité et en importance lorsque la vitesse diminue et atteignant leur maximum
quant l'animal vole sur place".
Les insectes et leur vol
Les insectes
voient mieux que les oiseaux. lis regroupent les êtres volants les plus nombreux,
et en particulier, possèdent les plus petits d'entre eux. Leur taille est
limitée (bien que l'on ait trouve des libellules fossiles de plus de Om7O
d'envergure). lis ont une ou deux paires d'ailes, actives ou non. Ces ailes
actives sont constituées d'une ossature nervurée soutenant une membrane unie
très fine. Chaque aile est articulée sur le thorax.
elle peut s'orienter comme
celle de l'oiseau,
elle a une surface plate
et unie, parfois plissée, parfois poilue,
elle bat comme l'aile de l'oiseau ; cependant, certains
insectes peuvent faire du sur‑place ou reculer, tout en gardant leur
corps horizontal, ceci suppose un système de contrôle des mouvements de l'aile
très perfectionné.
L'insecte paraît plus maître de son vol que l'oiseau
: pouvant
pivoter sur place et opérer des changements très rapides de trajectoire, dans
les trois dimensions, la fréquence de battements est plus grande que celle
des oiseaux.
Contrairement a l'oiseau, l'aile n'est pas toujours entraînée directement par les muscles
mais peut dépendre d'un système articulé, déformable, possédant une période
propre de vibration élevée, entretenue par l'action des muscles, agissant
a une fréquence
inférieure,
Pour les
insectes qui ont deux paires d'ailes indépendantes leur mouvement peut être
:
‑ soit asynchrone, chaque paire d'ailes se comportant
comme un système indépendant,
-
soit synchrone,
la paire arrière est alors déphasée, de la paire avant, de la valeur correspondant
ô la distance séparant les deux systèmes d'ailes. Les deux paires d'ailes
parcourent la même trajectoire, au déphasage près.
-
Vol de la libellule
Le déclenchement du mouvement de l'aile est absolument analogue au même
phénomène que celui de "reptation" d'une chenille.
THEORIE DU VOL
Lorsque l'on aborde la question du point de vue mathématique,
on ne sait pas par quel bout aborder le problème.
Une thèse américaine (A.G.BENNETT. 1970), bien que simplifiant
beaucoup la question : vol horizontal ‑ forme simple
de l'aile ‑ amplitude de battement faible et période de battement longue
‑ a dû tenir compte de 160 paramètres (7 pages 1/2).
Pourquoi ?
Cela tient au fait que l'on essaye d'expliquer par les
théories aérodynamiques établies depuis le début du siècle, un phénomène hors
normes. C'est vouloir vous obliger à porter un chapeau trop petit 1
En effet, l'aérodynamique classique parle d'un fluide
parfait, incompressible, en régime permanent, établi au bout d'un certain
temps (les tourbillons perturbateurs étant partis à l'infini) soufflant sur
une aile fixe à profil rigide, d'envergure infinie.
Nous sommes en régime stationnaire.
Dans notre domaine du vol naturel, par contre, nous
avons affaire à un fluide élastique, compressible, tourbillonnaire, au contact
d'une aile à profil variable souple, décrivant un mouvement périodique perpendiculaire
au déplacement, tout en oscillant régulièrement à des vitesses instantanées
variables, et, créant des tourbillons alternés quand la circulation de vitesse
varie.
Nous sommes en régime instationnaire.
Dans ces conditions, on comprends pourquoi il faut prendre
le problème d'une toute autre façon ; si l'aérodynamique classique ne colle
pas, il faut chercher ailleurs.
ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES
Cîrculation autour du profil
Il est intéressant de remarquer que la circulation autour du profil s'inverse
a chaque changement
de direction et cela mérite d'être examiné de plus près.
Si nous visualisons les filets d'air autour d'une aile qui oseille dans
un courant d'air, nous verrons le tourbillon marginal inverser son sens de
rotation au début de chaque battement.
Que se passe
t‑il au point de vue aérodynamique durant la phase d'un battement ?
Finesse transitoire
Nous retiendrons textuellement la remarque très important suivante, citée
par Mr.M.CHABONAT :
*'La finesse transitoire" : lorsqu'une
aile est mise en mouvement dans un fluide au repos la moitié de la portance
s'établit instantanément et elle augmente ensuite pour atteindre sa valeur
totale en régime permanent.
Dans le même temps la trainée qui est nulle au départ
croît comme la racine carrée du temps.
Il suffit donc de rester en régime d'écoulement non
permanent pour améliorer les qualités de l'aile.
Au départ la finesse est presque infinie et elle diminue
avec le temps pour arriver à sa valeur normale dés que l'écoulement permanent
est obtenu.
Il faut donc rompre l'écoulement périodiquement pour
profiter des propriété$ des écoulements instationnaires. C'est ce que font
les oiseaux depuis des millénaires.L
Tourbillons alternés ou la formule
magique
D'après plusieurs études, il ressort qu'à chaque variation
brusque de la circulation de vitesse autour du profil d'aile il y a lâcher
de tourbillons dans son sillage, en particulier aux points morts hauts et
aux points morts bas. En aval de l'aile il y a, dans le cas le plus général
un écoulement de tourbillons alternés. Ceci a été mis en évidence dans des
tunnels hydrodynamiques (Thèse de Werlé) et en théorie aérodynamique
(Von Karman et Villat).
Or, il existe, en écoulement régulier de l'aile battante,
convergence, entre la théorie et l'observation au laboratoire et dans la nature.
En effet, en théorie, Villat et Karman disent qu'en
régime stable : le rapport (sans dimensions) ANT = 0,28, où
A est l'Amplitude
V la Vitesse horizontale de déplacement T le Temps d'une
période
Ceci est corroboré en pratique par l'observation de
la nage des poissons : on cite le nombre de Strouhal : A/VT = 0,30
Enfin, personnellement, lorsque des valeurs dignes de
bonne foi ont pu être utilisées, soit pour des insectes, soit pour des oiseaux,
soit même pour la maquette volante du ptérodactyle de Mac CREADY, nous avons
trouvé des valeurs très proches de 0,28 et même pour le True‑Fly.
Remarque : A / VT= 0,28 Si l'on fait intervenir que
A = v.T/2
où v est la vitesse verticale d'abaissée ou de relevée de l'aile, il s'ensuit
que
v = 0,28
2 V
Ces formules sur le battement en vol horizontal à vitesse constante
sont simples bien que se situant dans le cadre des écoulements instationnaires
avec leurs avantages et c'est là leur intérêt. Elles réunissent les trois
paramètres principaux du vol naturel : vitesse horizontale, amplitude et fréquence
du battement.
Dire que cela se produit lorsque l'écoulement de tourbillons
alternés est stable, veut dire que l'on se trouve dans le cas d'un
système périodique dont l'amplitude, la période et la vitesse horizontale
sont "accordées" avec la période propre de l'air élastique qui se
comporterait comme l'oscillateur du système harmonique. Il y aurait 19 couplage"
entre le battement de l'aile et la réaction de l'air.
Dans ces conditions, il est évident, comme avec tout système
accordé, que le vol est alors le mieux adapté à son milieu et que l'énergie
nécessaire au vol sera minimum
Le quatrième
paramètre important est la variation cyclique d'incidence de l'aile
sur sa trajectoire relative.
Dans les
portions sensiblement rectilignes des trajectoires relatives, le régime peut
être assimilé à un régime permanent.
En principe,
l'aile doit suivre la trajectoire relative, avec une incidence faible (3°à
4°).
D'après CHABONAT,
en réalité, les vitesses instantanées sont loin d'être constantes et l'on
pourrait fonctionner avec de très grands incidences, sans risque de décrochage.
C'est l'un des points importants
mal définis, qu'il faudrait approfondir.
L’URVAM ET
LES APPAREILS GRANDEUR A AILES BATTANTES
A l'URVAM
(Union pour la Réalisation du Vol Athlétique ou Minimotorisé), nous pensons
pour toutes les raisons citées, que le vol à aile battante d'un appareil grandeur
doit être possible grâce à ses performances et caractéristiques mieux adaptées
au vol humain.
En effet :
en comparant
l'aile battante et l'hélice, dans sa thèse "ETUDE DES SYSTEMES PORTANTS
ET PROPULSIFS ‑ COMPARAISON DE L'AILE OSCILLANTE ET DE LHELICE"
Benjamin VINEY (1979), conclut:
On peut
dire que l'aile oscillante est plus adaptée à de fortes tractions que l'hélice,
et ceci est d'autant plus vrai que la vitesse d'avancement est faible.
Dans son
livre "Nos maîtres, les Oiseaux" : Etienne OEHMICHEN cite l'expérience
suivante :
D'après des
mesures sur un film de l'envol vertical d'un pigeon, il a retenu les valeurs
suivantes :
Envergure
0,61 m
Vitesse extrémité d'aile 6m/s.
Donc, un
pigeon d'une envergure de 0,61 m. battant des ailes, en vol stationnaire,
vitesse en bout d'aile : 6 m/s. (environ 5 battements/sec.), soutient son
poids de 0,400 Kg.
A la suite
de quoi, il a construit une très bonne hélice de 0,61 m de diamètre, lui a
imprimé une vitesse de rotation donnant en bout de pale une vitesse de 6 m/s,
et, n'a mesuré une sustentation que de 0,040 kg, soit, 10 fois moins.
Faisant tourner
l'hélice deux fois plus vite, il n'a mesuré qu'une sustentation de 80 g !
Pensant que peut être, les ailes emplumées pouvaient donner la réponse à cette
énigme, il fabriqua une nouvelle hélice, avec deux ailes de pigeon, et cela
fut bien pire.
Cette expérience
montre bien l'avantage du mouvement alternatif par rapport au mouvement continu,
tout au moins en vol stationnaire.
Examinons
les vols des oiseaux migrateurs, accomplissant des vols de très longues distances.
On les a pesés au départ, et, à l'arrivée, ils avaient très peu maigri.
Le vol naturel
présenterait ‑il des avantages par rapport au vol mécanique, et, lesquels
?
HELICE supprimée
: gain de poids, diminution du bruit.
DECOLLAGE ET ATTERRISSAGE sur place, comme un
hélicoptère, mais avec un meilleur rendement du "rotor", train d'atterrissage
plus léger, pistes raccourcies.
12
CARACTERISTIQUES
DE L'AILE
1. L'aile
battante est souple, à courbure variable. Elle s'efface lors d'une rafale,
elle est "vivante" et ne subit pas de choc aérodynamique. Sa structure
peut être allégée (voir étude de J.F. QUILICI : Aérodynamique des basses vitesse
‑ mars 1997).
2. Les mesures
ont montré que si les efforts d'inertie sont sensibles aux points morts haut
et bas, leur valeur est inférieure à celle due aux efforts aérodynamiques
se produisant en milieu d'abaissée ou de remontée, et ce sont eux seuls qui
vont conditionner le calcul de la structure de l'aile, d'où allégement.
3. Les tourbillons
marginaux n'ont plus la même importance qu'avec l'aile fixe et la loi de l'allongement
maximum ne joue pas. De très grands allongements ne sont pas nécessaires en
instationnaire, c'est ce que l'on observe chez les oiseaux rameurs, d'où gain
de poids.
4. Si l'appareil
comporte un système oscillant harmonique, battant des ailes à une fréquence
raisonnable, les efforts musculaires seront limités, il ne sera pas nécessaire
d'agir à chaque battement mais simplement de pédaler en phase (de même qu'avec
une balançoire on peut ne pousser qu'une fois sur deux ou trois ... ).
Il y aurait
non seulement économie, mais en plus le pilote bénéficierait d'un temps de
récupération.
La force
développée de façon saccadée pourrait être plus grande qu'en cas d'effort
continu.
Encore une
foi, musculairement parlant, les efforts périodiques sont en accord avec le
vol battu.
En conclusion,
vol musculaire et aile battante devraient faire bon ménage, nous oeuvrons
pour cela.
Cependant,
rien n'empêche de concevoir un appareil motorisé à ailes battantes, avec en
plus une intervention musculaire, ne serait ‑ce que pour sentir, en
continu, les réactions aérodynamiques,,inertielles et autres, afin de permettre
au pilote d'intervenir éventuellement.
Dans l'avenir, des mesures pourraient être
faites de façon à, rendre automatique le contrôle des ailes et laisser ainsi
au pilote toute son autonomie.
Un ordinateur
mémoriserait et reproduirait les mouvements du pilote ou contrôlerait quelques
ou tous les paramètres d'une manière autonome.
Par mesure
de sécurité le pilote devrait pouvoir intervenir directement à tout moment.
Nous aurions
en somme un appareil dont les ailes, mues par un mini‑moteur, seraient
en permanence contrôlées par un ordinateur mais dont les réactions seraient
reportées sur des commandes de pilotage permettant au pilote de "sentir"
son appareil et intervenir le cas échéant.
Naturellement,
il faudrait "apprendre" à voler ainsi, comme le font aussi les oiseaux
avant de quitter leur nid.