ROBERT ESNAULT-PELTERIE

Essais d’üne bélice SuSpensive

L'année dernière, nous avions l'honneur d'exposer devant l’Aéro-Club, notre manière de comprendre les hélices, tant propulsives que sustentatrices ; nous faisions alors allusion à quelques expériences que nous avions failes récemment, en collaboration avec notre éminent collègue, M. Henry Deutsch de la Meurthe, et desquelles il semblait résulter qu'un poids de 25 kilog., pourrait vraisemblablement être soutenu sur l'air par une hélice sustentatrice bien étudiée et bien construile, et en dépensant pour la mouvoir, un travail moteur d'un cheval-vapeur, C'était la déduction de quelques essais préliminaires, encore informes, mais qui nous avaient paru encourageants.

Nous avons cherché depuis, à préciser les chiffres que nous ne donnions d’ailleurs à ce moment que comme probables, mais incerlains encore, et nous pouvons rendre compte aujourd'hui des résultats que nous avons oblenus en procédant, dans nos recherches, à des mesurages plus rigoureux.

Voici la description sommaire de l'appareil qui nous a servi à celte étude.

En nous reportant à notre conception de l'hélice sustentatrice, telle que nous l'avons exposée l'an dernier (Voir l'Aérophile, avril 1904), on se rappellera que nous ne comprenons ce genre d'hélice que de grand diamètre et à pas très court ; c'est donc ce type que nous avons construit pour notre nouvelle expérience : nous lui avons donné un diamètre de 6 m. 50 avec le pas relativement court de 1 m. 625, soit exactement le i/; du diamètre ; elle est à deux branches seulement ; la carcasse de ces branches est composée de bambous implantés en rayons dans le moyeu et reliés par des planchettes élroites en sapin, dessinant le pas : les bords sont en frêne courhbé, et le tout est recouvert, dessus comme dessous, d’une fine toile tendue : le moyeu seul est en acier et se compose de tubes se aversant suivant les angles convenables pour assurer la réalisation du pas que nous avions choisi et que nous indiquons plus haut. Cette hélice est assez légère ; malgré son grand diamètre, elle ne pèse que 12 kilog. ; elle est assez résistante pour qu'on puisse lui appliquer un travail au moins double de celui auquel nous l'avons soumise ; cependant, elle est encore assez flexible pour que nous ayons dû la munir de haubans destinés à assurer la permanence du pas pendant les épreuves ; enfin, elle est montée au bout d’un arbre vertical, en tube d'acier, terminé à sa partie inférieure par un embrayage qui le relie aû moteur qui doit l’actionner.

Ce moteur est un petit moteur de bicyclette de deux à trois chevaux, assez lourd, el que nous avons dû, pour rapprocher sa masse de l'arbre de l’hélice, relier à l'embrayage par deux paires d’engrenages démultiplicateurs, une paire d'engrenages cylindriques et une paire de coniques. Cet ensemble, même avec quelques accessoires, ne constitue pas l'hélicoptère complet que nous avions d’abord projeté, mais il suffit pour l'étude préalable à laquelle nous désirons nous livrer d'abord.

Pour faire les expériences dont nous allons donner les résultats, nous avons fixé d’une facon immuable les orifices d'air carburé et d'air pur du carburateur ; nous avons fait varier la vitesse, et par suite le travail produit, par des variations de l'avance à l'allumage

seulement, ce qui nous a permis de relrouver, quand nous le désirions, les mêmes condions de fonctionnement du moteur. Le travail a été mesuré sur l'arbre de l'hélice et non sur le moteur même, de facon à ne pas avoir à tenir compte du rendement des engrenages de transmission qui n’a rien à voir avec le travail dépensé par l'hélice ; pour mesurer le travail sur l'arbre, on a supprimé l'hélice et on l’a remplacée par un frein de Prony ; le travail et la vitesse ont ainsi varié d’après l'avance à l'allumage et nous avons pu recueillir, en dix essais, dix points qui, avec les interpolations nécessaires, nous ont permis de tracer une courbe suffisamment approximative de ce travail, en fonction de la vitesse.

On remarquera, dans le tableau suivant, que ce travail est resté voisin d’un cheval-vapeur, tandis que le moteur aurait pu nous donner sensiblement davantage : ce fait provient de ce que, l'expérience nous l’a démontré, notre transmission n'était pas assez démultipliée et que, dès l10rs, la vitesse du moteur s'est trouvée limitée par la résistance de l'air sur l'hélice ; il nous sera donc facile de modifier notre appareil dans le sens voulu, dès que cela sera nécessaire.

Les résultats de nos essais sont consignés dans le tableau ci-après : quelques explications ne seront pas inutiles pour en faciliter la lecture.

Chaque ligne horizontale se rapporte à une expérience.

La colonne 1 indique le chemin qu'aurait parcouru l'hélice verticalement, en une se conde, si elle avait pu se visser dans un écrou solide ; c'est sa vitesse V, où mieux, la vitesse qu'elle a dû imprimer à l'air sur lequel elle s’appuyait : c’est donc le produit du nombre de tours multiplié par le pas de l’hélice.

Dans la seconde colonne est indiqué le poids soulevé P : comme ce poids est encore assez éloigné du poids total de l'appareil, on a suspendu celui-ci à un dynamomètre indiquant le poids restant : le poids soulevé fut ainsi connu par simple soustraction.

La colonne 3 indique le travail T dépensé par seconde sur l'arbre de l'hélice : on l’a obtenu en comparant la vitesse de rotation à la courbe du travail en fonction de cette vitesse, et trouvée au frein de Prony.

Dans la colonne 4, on trouve le produit du poids soulevé multiplié par la vitesse V telle qu'elle est indiquée colonne 1. C’est un des chiffres les plus intéressants à connaître, puisque c'est la dépense de travail indispensable à la sustentation du poids indiqué ; tout travail supérieur étant nécessité par des résistances passives, des frottements de l'hélice sur l'air, ou toutes autres défectuosités.

Enfin, les indications chiffrées dans les deux dernières colonnes sont déduites des colonnes précédentes, par un calcul très simple et facile à comprendre.

———a———___] EE LE ————)

Tours d’héice 7:

; Poids Travail Travail Rendement Kilog.

par seconde aa : 6 me soulevé sur l'arbre indispens ble de soulevés multipliés s k RS en kilog. en kilog. en kgm. l'hélice. par chev. vap. par le pas. PV P.75 ù P T PV T QE 152 15 58 22,8 40 0/0 19.5 168 19 63 | 31,9 50 » 22,6 1°70 TON 645 | 32,3 50 » 29,95 1979 UE 66 M1,2 62 » 26,2 1192 95 73 44,2 60 » 23,6 Le 25 73 18 66 » 2 2206 94 Gr] 49,4 GA » Dre 2m11 29 78 02,7 67 » 24 An22 20 78 14,4 DT») 19,3

On voit par ce tableau que les diverses expériences que nous avons faites ne concordent pas parfaitement entre elles ; ce fait provient de diverses causes : d’abord les expériences ont élé faites en plusieurs séries réparties sur une semaine, de sorte que nous avons opéré dans des conditions barométriques et thermométriques assez diverses, et dont nous n'avons pas parfaitement entre elles. Ce fait provient de diverses causes : d'abord les expériences d'air, parfois assez sensibles. et surtout assez irréguliers et qui ont pu influer sur la résistances qu'éprouvait l’hélice à se mouvoir ; enfin, la trépidation du petit moteur se trans-

mettait assez à l'ensemble de l'appareil pour rendre quelquefois la lecture des instruments de mesure assez difficile ; malgré loutles ces causes défavorables, on voit que, sauf peul-être la première et la dernière expérience, les chiffres se rapprochent d’une façon assez satisfaisante ;: nous prendrons cependant toutes les épreuves pour établir nos moyennes, en ce qui concerne le rendement de l'hélice et le poids soulevé par cheval-vapeur.

Ces moyennes nous donnent, pour le rendement de l’hélice, un peu moins de 58 0/0, ce qui est trop peu. Quant au poids soulevé, il atteint tout près de 23 kilog. par chevalvapeur, chiffre qui pourrait aussi être meilleur, mais qui cependant, tel qu'il est, nous a paru supérieur à ce qui a été obtenu dans les expériences sérieuses, dont nous ayons eu connaissance.

Nous allons faire nous-mêmes la critique de nos expériences, en les analysant et en exposant les remarques et les comparaisons que celle analyse nous aura suggérées, afin d'en tirer, autant que possible, tous les enseignements qu'elles comportent, en vue des futurs progrès à réaliser dans ce genre de recherches.

Voyons donc la cause probable du mauvais rendement de notre hélice. Nous avons dit que cetle hélice se composait d'une carcasse en bois recouverte de toile fine ; notons aussi que cette toile n'était pas vernie. Or, ici, nous avons commis plusieurs fautes que nous n'avons constatées que trop tard ; les bambous formant rayons, auraient sans doute pu être remplacés par des pièces de sapin qui, à poids égal, nous l'avons maintes fois reconnu, est plus rigide que le bambou ; les nervures transversales en sapin posées sur ces rayons, ainsi que les bords des branches de l'hélice, qui étaient aussi en bois, auraient dû être faits en lames d'acier, ce qui eût amincei les bords et le corps même de la branche ; enfin, l’étoffe employée pour recouvrir le tout, aurait dû être de la fine soie du japon vernie soigneusement ; nous aurions ainsi supprimé en plus grande partie la résistance au passage dans l'air des branches de l'hélice, et nous aurions réduit au minimum les frottements de leur surface sur le fluide. Ce n'est que l'expérience qui nous a fait voir tout l'avantage qu'il y aurait à appliquer à l’avenir ces importantes modifications.

Nous admellons donc que nous avons fail une expérience imparfaile ; essayons pourtant de la comparer à celles faites antérieurement, par divers chercheurs, avec des appareils de types différents et dont nous avons tenté l'analyse l'an dernier. (Voir l’Aérophile, : février 1904.) Nous voyons alors que pour les quatre appareils visés, tous du type aéroplane, les rendements étaient 46.5 0/0. 19.2 0/0, 10 0/0 et 30 6/0 ; et aujourd hui, nous obtenons près de 58 0/0. Au point de vue de l’utilisation de la force motrice dans les appareils aériens, tous types compris, il y a évidemment progrès ; mais d'autre part, il ne faut pas perdre de vue que, pour taire de la locomolion aérienne par laviation, un appareil du genre hélicoptère n'est susceptible d'aucun déplacement latéral, à moins d'un supplément de dépense de travail qu'il serait bien difficile d'évaluer, mais qui, vraisemblablement, mettrait ce type de machines bien au-dessous du type aéroplane. Il nous semble qu'entre ces divers genres d'appareils, on ne puisse établir de comparaison à peu près juste, que de la façon suivante : Considérer les branches de l'hélice d'un hélicoptère comme représentant les plans sustentateurs d’un aéroplane, mais qui auraient une progression circulaire au lieu d'être rectiligne. Cette proposition admise, on pourrait leur trouver un rendement supérieur, nos expériences en sont la preuve ; mais nous venons de faire observer qu'un tet appareil ne serait propre qu'à la seule sustentation et, très probablement, parfaitement impropre à tout déplacement latéral, c’est-à-dire à la locomotion proprement dite.

La réalisation d'un hélicoptère économique, au point de vue de la dépense du travail moteur offrira toujours un grand intérêt, car il pourra sans doute démontrer qu'un poids assez lourd peut être soutenu dans l'air avec beaucoup moins de force motrice qu'on ne l'avait cru jusqu'ici, et cependant, le poids soulevé par cheval-vapeur est encore inférieur au poids soulevé par nos aéroplanes (1). Il nous a semblé qu'il fallait en chercher la raison dans ce fait. que dans les bons aéroplanes, l'air est toujours attaqué sous un très petit angle, ordinairement 3° ou même moins, tandis qu'avec l'emploi d'une hélice suspensive, l'angle d'attaque est toujours beaucoup plus grand.

Nous considérons que cet angle est celui que forme, avec sa trajectoire, le centre d'ac: tion de la branche de l’hélice ; comme la résistance est, en tous les points de la branche, proportionnelle au carré de la vitesse, ce centre d'action ne peut donc être au centre de figure ; il se trouve ordinairement vers les 3/4 de la longueur de la branche. C'est donc à ce point que se trouve l'angle moyen, et dans notre cas, il est d'environ le double de celui qu'on fait prendre ordinairement aux plans d'un bon aéroplane : et pourtant le pas de notre hélice était certainement l’un des plus courts, peut-être même le plus court qu'on ail jamais employé : force nous est donc de reconnaître que ce pas était encore trop long.

Jusqu'à présent, notre comparaison de l'hélicoptère et de l’aéroplane tend donc à nous

à (L) Jusqu'à ce jour, un seul hélicoptère put se soutenir entièrement libre dans l'air, c'est celui de Forlanini en 1877; il pesait environ 12 kg par chev.-vap.

faire admettre que ce second type pourrail, au point de vue de la locomotion, nous offrir plus rapidement des ressources qu'on chercherait en vain dans le premier ; il aurait d’abord l'immense avantage de nous permettre d'employer des surfaces plus réduites, puisque, si les plans sustenteu rs qui forment les branches d’une hélice s'appuient toujours sur le même cercle d'air, dans l’aéroplane, au contraire, la progression rectiligne permet à ses plans de s'appuyer, dans le même temps, sur une couche d’une étendue trois ou qatre fois plus grande, car il faut bien admettre que l’envergure, sinon la surface, devra être à peu près la même dans les deux cas ; par conséquent, l’utilisation des surfaces étant meilleure avec l’aéroplane, grâce à son plus rapide déplacement, il est évident qu'on pourra réduire davantage celles-ci. Enfin, ces appareils seront, sans contredit, plus facilement gouvernables.

Faisons encore, au sujet de notre hélicoptère, quelques remarques qui, peut-être, auront leur intérêt. Le poids soulevé étant, en chiffres ronds, de 23 kilog. par cheval-vapeur, on pourrail se demander pourquoi le poids total ne serait pas soulevé en augmentant en conséquence le travail moteur, puisque notre hélice pourrait, sans inconvénients, résister à l'eflort correspondant. Il y a à cela une raison très simple et bien connue : lorsqu'il s'agit de mouvoir un mobile dans un fluide, quelles que soient d’ailleurs, la forme de ce mobile el la densité de ce fluide, la résistance éprouvée croît toujours comme le carré de la vitesse el le lravail moteur à produire pour entretenir cette vitesse, croît comme le cube de celle-ci ; or, notre appareil complet eût pesé, en ordre de vol, au moins 50 kilog., ce qui nous aurait nécessité la dépense d’un travail d'au moins 3 chx 1/4 sur l'arbre de l'hélice, plus la perte inévitable üüe aux transmissions ; il nous eût fallu, en outre, refaire ces transmissions en les adaptant à la nouvelle vitesse, et enfin, avoir recours à un autre moteur ; bref, refaire à peu près entièrement toute notre construction.

Il est vrai que, si 1 cheval soulève 23 kilog., 2 chevaux en soulèveront 46, et ainsi de suite, mais à la condition toutefois que la surface d'air sur laquelle on s'appuicra augmentera comme le poids à soulever ; il faudra donc augmenter le diamètre de l’hélice en conséquence, et le résultat cherché sera obtenu. L’exécution d’un semblable appareil n'oifrirait certainement pas, vu le srand poids disponible, de difficultés insurmontables.

En résumé, il ressort de notre expérience que, ainsi que nous le disions l’an dernier, une hélice suspensive ne doit avoir son diamètre limité que par la difficulté de sa construction, ou la trop grande perte de travail dûe aux frottements ou autres résistances accessoires et nuisibles ; enfin, que le pas, dans ce genre d’hélice, doit être réduit de telle facon que l'angle d'attaque du fluide, au centre d'action de la branche, soit toujours assez faible ; il est possible que le pas optimum soit d'environ 1/8 du diamètre, le rendement comme hélice serait sans doute diminué, mais le poids soulevé par cheval-vapeur serait certainement augmenté ; le dernier aéroplane que nous avons analysé (loc. cit.) n'avait qu'un rendement de 36 0/0, et pourtant, il soutenait 25 kilog. par cheval. Il paraît donc préférable d'essayer d'abord de grandes surlaces sous de petits angles, tant pour les aéroplanes que pour les hélicoptères, en attendant que la légèreté des moteurs nous permette d'employer des surfaces plus réduites. et d'accepter des pertes de travail qui nous paraîtront peut-être négligeables plus lard, mais qui ne le sont pas encore aujourd'hui. Cependant, dans notre hélicoptère encore imparfail, nous avons essayé le pas de 1/4 du diamètre qui nous a donné les résultats assez importants que nous venons d'exposer, mais ne doit rien faire préjuger de ce qu'on pourrait obtenir, soit de l'emploi d'un pas plus court, soit de tout autre perfectionnement encore imprévu ; quant à employer un pas plus long, nous croyons que les essais antérieurs aux nôtres ont suffisamment démontré à quel gaspillage de travail moteur conduirait son adoption.

Nous publicns ces expériences, quoique encore assez incomplètes, pour faire remarquer que leur analyse et leur comparaison avec quelques autres travaux sont peut-être susceptibles d'apporter quelque lumière nouvelle dans la question encore quelque peu obscure

de l'Aviation, et nous serons heureux si nous y sommes parvenus. a VICTOR ‘TATIN

Paris-Bordeaux en ballon