BRACKE, A.. (18..-19..) : Les Hélicoptères Paul Cornu.- Mons : Dequesne-Masquillier et fils, 1908.- 16 p. : ill. ; 22 cm.- (Monographies d’aviation ; 3)
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LES HÉLICOPTÈRES PAUL CORNU

Par
A. BRACKE,

Les hélicoptères Paul Cornu (1908)

~ * ~


Au point de vue de leur construction, le rendement des hélices dépend de la résistance de l'air sur la tranche de leurs branches et du frottement des molécules d'air contre leur surface. Ces causes de perte de travail peuvent être réduites par une construction soignée.

Il y a une autre perte, qui n'est pas due à la construction.

L'hélice est, en somme, un organe de transformation de mouvement qui fonctionne comme une vis. La vis avance d'une quantité égale à son pas multiplié par le nombre de tours qu’elle fait. On pourrait donc penser qu'une hélice va entrainer l'appareil auquel elle est reliée, avec une vitesse déterminée par ces deux facteurs, pendant l'unité de temps. Or, il n'en est pas ainsi ; la vitesse réelle est plus petite, et la différence est due au recul.

Cette perte, très variable, d'après les cas, est inévitable. Une hélice parfaitement bien construite à tous points de vue, ne peut être appliquée à un mobile quelconque, sous prétexte qu'elle aurait, en tant qu'hélice, un excellent rendement. Le point d'appui de l'hélice est fluide, et ce fluide ne tend qu'à se dérober. Plus la résistance au déplacement du mobile auquel l'hélice est liée, est grande, plus le fluide se dérobera facilement. Dans ce cas, le mobile se déplacera peu, et c'est le fluide qui sera poussé en arrière, créant un recul énorme, et on dépensera ainsi en pure perte une grande partie du travail du moteur.

Dans les appareils appelés hélicoptères, la sustentation est obtenue à l'aide d'hélices. Comme ces hélices ne peuvent progresser, leur recul est de 100 % et tout le travail qui reste disponible, en déduisant le rendement de construction, est absorbé.

Ces hélices, dont le but est d'obtenir une poussée maxima en réduisant la vitesse tant qu'on peut, se distinguent donc des hélices propulsives.

La vitesse est le pas que décrit l'hélice pendant l'unité de temps.

La première qualité d'une hélice sustentatrice est donc d'avoir un petit pas. Le plus petit est le meilleur. Tout le travail étant absorbé par le recul, ce dernier devra être également réduit tant qu'on pourra le faire. Le moyen pour cela est de prendre une hélice de grand diamètre.

La question de rendement de construction fixe une limite à cette augmentation de diamètre, car la fabrication d'ailes légères et résistantes deviendrait d'une grande difficulté ; d'autre part, de grandes branches éprouvent de la part de l'air une résistance à la rotation très sen sible, et le frottement de l'air sur la surface des branches devient très important.

Pour des hélicoptères, il faut donc tâcher de rendre le recul minimum. Mais on peut également le laisser très grand et s'en servir.

C'est ce qu'ont fait, en 1906, M. Cornu et fils. Ils se sont servis du recul d'hélices sustentatrices pour obtenir le déplacement horizontal d'un hélicoptère.

Le mécanisme qui permet d'obtenir ce résultat se compose d'une série de plans inclinables formant une sorte de jalousie à lames pivotantes. Ces plans sont disposés sous les hélices sustentatrices de façon que la masse d'air qu'elles refoulent est forcée de passer à travers les intervalles des plans. L'action de cette masse d'air a une composante horizontale sur laquelle les inventeurs se basaient pour obtenir l'avancement de tout l'appareil.

En somme, le volume d'air qui traverse les intervalles de la série de plans agit sur ceux-ci comme le vent sur les ailes d'un moulin, avec cette différence que l'avancement des plans est rectiligne au lieu d'être circulaire. Le moteur est donc entièrement employé à actionner les hélices, et l'avancement est produit par le recul qui, dans les appareils ordinaires, est une force entièrement perdue.
La figure 1 représente schématiquement un appareil quelconque basé sur le principe que nous venons d'exposer.

Les plans de propulsion c sont montés entre deux tringles l. Celles-ci sont reliées par des petites pièces e, mobiles autour des axes fixes f. Un levier g, monté dans le prolongement de la pièce e centrale, permet de donner aux plans une inclinaison variable. La simple manœuvre du levier g permet par conséquent de faire avancer ou reculer l'appareil avec une vitesse qui dépend de l'angle d'inclinaison des plans. Pour obtenir l'avancement ou le recul, il est absolument inutile de faire varier la vitesse des hélices sustentatrices.

Les premiers essais faits par MM. Paul Cornu et fils, montrèrent que la poussée horizontale était égale aux 2/3 de la force ascensionnelle totale des hélices sustentatrices. La résistance offerte par les plans au passage de l'air refoulé par ces hélices, est toujours trois fois moindre que la poussée donnée par les plans.

Dans un appareil muni de tels plans, dont les hélices donnent un effort ascensionnel de 100 kg., les plans convenablement inclinés fourniront une poussée horizontale de 60 kilog., tandis qu'ils n'absorberont qu'une force ascensionnelle de 28 kilog., force absorbée par la résistance qu'ils offrent au courant d'air de haut en bas, produit par les hélices sustentatrices.

Si donc, en ordre de marche, un appareil pèse 80 kilog. et que ses hélices ont une force ascensionnelle de 100 kilog., cet appareil — si ses plans ont une orientation convenable — peut se maintenir en équilibre et ses plans fourniront une poussée horizontale de 60 kilogs.

Sur ces données, les inventeurs ont établi un appareil modèle, de construction toute ordinaire.

Ils le décrivent dans les termes suivants :

« Nous employons un moteur Buchet de 2 HP, modèle 1902, du prix de 125 frs, qui pesait, quand nous l'avons acheté, 14 kilog, et qui fut réduit par la suite à 7 kilog. Ce moteur actionne, par une transmission spéciale, deux hélices de 2 m. 25 de diamètre, placées l'une à côté de l'autre. Le châssis et les hélices sont faits en tubes d'acier soudés à l'étain. Sauf la transmission, il n'y a donc là rien de spécial, si ce n'est un ensemble mécanique disposé dans des conditions qui nous ont paru les meilleures après des essais multiples,

Voici maintenant les résultats obtenus avec cet appareil, qui pèse en ordre de marche, tout complet, 13 kilos. Il soulève facilement 16 kilogs. avec la moitié seulement de l'avance à l'allumage. A ce moment, le moteur développe 1 cheval 1/2. Nous enlevons donc une moyenne de 10 kilogs. par cheval.

Ce résultat appréciable étant données les faibles dimensions des hélices, nous l'attribuons à notre transmission que nous avons fait breveter.

Les essais de sustentation furent alors arrêtés, et les inventeurs se préoccupèrent de réaliser la propulsion en se servant du recul des hélices sustentatrices.

A cet effet, disent-ils, nous avons installé des plans de propulsion au nombre de 14 seulement, pesant ensemble avec leur monture et dispositif d'inclinaison, 400 grammes ; ils nous ont permis d'obtenir une traction horizontale de 1.500 grammes, suffisante pour le déplacement de notre hélicoptère.

A ce moment, les plans adsorbent 500 à 600 grammes de la force ascensionnelle. La vitesse théorique (de translation horizontale) est de 25 à 30 km. à l'heure.

La vitesse pratique est quelque peu inférieure, à cause du recul, mais l'appareil se déplace facilement à raison de 15 à 20 km. à l'heure.

L'appareil n'est pas muni d'un gouvernail, puisqu'il est suspendu à l'extrémité d'une poutre armée spéciale qui le guide dans son ascension.

Dans les premiers modèles construits et essayés, les quatorze plans inclinés se trouvaient disposés symétriquement de la verticale passant par le moteur, et les pales à deux branches étaient fixées sur des roues de bicyclettes à axe vertical, dont la jante servait de gorge pour les courroies de transmission.

Cette disposition fut modifiée encore par la suite, et la photographie de la fig. 2 montre le plan qui donne la propulsion, placé au centre l'appareil.

Des expériences publiques, couronnées de succès, eurent lieu à Lisieux, en octobre 1906.

Leur succès eut pour conséquence la mise en chantier d'un appareil capable d'enlever un homme. Des amis de l'inventeur se cotisèrent à cet effet et lui offrirent une subvention de 12.500 fr.

Le 30 octobre, le moteur Antoinette 24 HP était commandé.

L'inventeur eut d'abord l'idée de faire un hélicoptère muni de petites hélices à grande vitesse de rotation ; mais craignant de s'engager dans une voie trop inconnue, il appliqua les dispositifs et les données fournis par les modèles d'essai.

Les hélicoptères Paul Cornu

Le bâti de l'appareil définitif, figuré par la grande planche, a la forme d'un V très ouvert, et il est constitué par un gros tube central et de 6 étoiles également en tubes d'acier armés par des tables Bowden convenablement entretoisés. On obtient ainsi une grande rigidité. Les assemblages se faisaient par soudure à l'étain.

La longueur de cet appareil, monté sur quatre roues, est de 6 m. 20, le poids de 50 kg. Au centre, se trouvent le moteur et le siège de l'aviateur.

A l'aide d'une courroie plate sans fin de 22 mètres de long et de 100 mm. de large, le moteur actionne deux hélices à deux branches, d'un diamètre de 6 mètres, fixées à l’extrémité du bâti ; près de l'aviateur se trouvent : à gauche, un tendeur enrouleur formant embrayage ; à droite, la manette d'ascension (avance à l'allumage).

La tablette centrale, que l'on voit au-dessus de l'aviateur, est en aluminium ; soutenue par quatre tubes, elle porte deux poulies de renvoi et des poulies guides. Toutes les pièces tournantes, y compris les-hélices, sont montées sur roulement à billes.

Les réservoirs d'eau et d'essence sont placés symétriquement au tiers avant et arrière à partir du centre du châssis.       

Le réservoir d'eau a une contenance de 12 litres, avec circulation par thermo-siphon ; celui à essence a une contenance de 7 litres.
  
Le réservoir d'huile est au-dessus, les accus et la bobine sous le moteur.  
    
Les hélices se composent d'une poulie en tôle d'acier fondu, d'un millimètre d'épaisseur, d'une largeur de 100 mm. et d'un diamètre de 1 m. 80.

Ces poulies sont montées avec rayons tangents sur des moyeux en aluminium, et tout en servant à la transmission, elles forment le corps principal des hélices.

Celles-ci sont à pas réglable ; les pales en sont formées d'une carcasse en tubes d'acier aplatis progressivement vers les extrémités, et dont le pied repose sur les poulies par l'intermédiaire d'une petite plaque d'aluminium. Ces pales peuvent pivoter sur elles-mêmes ; leur pied se prolonge par un tube jusqu'au moyeu, où il est fixé sur une oreille très peu excentrique.

Les carcasses des pales sont garnies de deux couches de soie caoutchoutée tendue par un procédé spécial. Leur longueur est de 1 in. 80 et leur plus grande largeur de 0 m. 90.

Ces pales n'ont par elles-mêmes qu'une très faible résistance, aussi la force centrifuge tend-elle à la soulever. Pour équilibrer cet effet, il a fallu le charger de feuilles de plomb placées aux 2/3 de leur longueur à partir du centre.

L'entrainement des pales se fait par l'intermédiaire de cables fixés, d'une part aux bords de la poulie, et d'autre part aux 2/3 des branches arrières, en passant sur un chevalet fixé sur la branche d'avant. Ce système est doublé dans le but de résister aux à-coups du départ et de l'arrêt. De cette façon, la palette est tirée dans son ensemble et la tension des câbles, combinée avec la rotation du pied de cette pièce, permet la variation du pas.

Le poids d'une hélice complète atteint 24 kg, 5.
   
Pour obtenir la propulsion et la direction, deux plans formés de cadres en tubes d'acier aplatis, tendus de soie, de 2 m. 50 de long et de 0 m. 60 de largeur maxima, sont placés immédiatement sous les hélices. Ces plans sont mobiles autour d'un axe horizontal passant par leur centre et sont montés sur deux supports articulés autour d'un prolongement de l'axe des hélices ; l'inclinaison de ces plans (propulsion) et leur déplacement latéral (direction) sont commandés par deux leviers placés à proximité de l'aviateur, à sa droite et à sa gauche.

La réaction de l'air fourni par les hélices sur les plans inclinés fournit la propulsion dont la vitesse dépend de l'inclinaison des plans. Leur déplacement latéral fournit la direction.

Le poids du système propulseur et directeur est de 9 kg.

La construction de l'appareil fut terminée en août 1907, et on commença immédiatement l'essai des hélices. Dès le début, on reconnut qu'il était nécessaire de les équilibrer avec une grande précision, car dès qu'elles tournaient un peu vite, l'appareil subissait des écarts à droite et à gauche. On trouva qu'il suffisait de placer un poids de 55 grammes à l'extrémité d'une aile et un de 75 grammes sur l'autre, pour faire fonctionner le tout parfaitement bien. Le glissement des courroies fut le second point à éviter, et il fallut garnir de cuir les grandes et les petites poulies.

Après quelques tâtonnements sur le diamètre de la poulie motrice et le pas des hélices, l'appareil se souleva seul pour la première fois, le 31 août. Les hélices avaient une vitesse de 70 tours, avec un pas de 2 m. 70. Le moteur tournait à 750 tours.

Le siège de l'aviateur ayant été chargé d'un sac de sable de 50 kg, le patinage de la courroie se fit de nouveau sentir. Le diamètre de la poulie motrice ayant été porté à 18 cm., tout l'appareil] avec son lest, soit 235 kg, fut soulevé, le 27 septembre 1907. Le moteur tournait à 850 tours et les hélices à 85..Leur pas était de 3 m.

Dans la suite, ce pas fut conservé, car si on l'augmentait, les pales d'hélices devaient être chargées à nouveau pour neutraliser les effets de la force centrifuge.

Jusqu'à ce moment, l'appareil ne comportait que le bâti, le moteur et les hélices. Les inventeurs se mirent alors en devoir de le compléter par les plans de propulsion.

Le 9 novembre, l'appareil, qui  était complet et pesait 203 kg., porta pour la première fois son aviateur (57 kg) et eût été soulevé si le patinage de la courroie n'eût recommencé.

On garnit de caoutchouc la poulie motrice, et quatre jours plus tard, l'appareil soulève son pilote à 30 centimètres de hauteur. Mais la courroie glisse de nouveau, et l'hélicoptère revient au sol. Le même jour, on reprit l'expérience, et l'ensemble se souleva, emportant deux hommes à 1 m. 50 au-dessus du sol.

Le poids soulevé pendant cet essai atteignait un total de 328 kg. Dans un essai du 4 décembre, la sustentation à nouveau obtenue, ne se prolonge pas au-delà d'une minute, à cause du patinage des courroies, quoiqu'on eût garni de caoutchouc les grandes poulies.

Malgré ce fait, les expériences faites, avec l'hélicoptère Cornu semblent concluantes ; aussi, dès le mois de mars 1908, les inventeurs se décidèrent-ils à construire un appareil plus simple.

En ce qui concerne la propulsion, les expériences avaient démontré que lorsque les hélices tournaient à 70 tours, le déplacement longitudinal se faisait suivant l'inclinaison donnée aux plans, à une vitesse de 12 km. à l'heure environ. Dans ces expériences, l'appareil était placé de façon à ne pas pouvoir quitter le sol.

Théoriquement, les hélices tournant à 100 tours par minute, avec un pas de 3 mètres, et les plans étant inclinés à 45°, l'appareil devait faire du 25 à 30 à l'heure.

Les résultats des expériences peuvent se résumer comme suit :

Les hélicoptères Paul Cornu

En soulevant 260 kilogs, avec une surface portante de 6 m2, e moteur développait 13 HP.

A propos de la puissance développée, M. Cornu dit : « La puissance du moteur était constatée par sa vitesse, qui n'a jamais dépassé 900 tours. A cette vitesse, M. Levasseur indique que son moteur Antoinette de 14 HP ne peut faire plus de 12 à 14 HP dans les meilleures conditions ».

Le résultat obtenu est donc contenu dans les chiffres suivants :

20 kilos soulevés par HP, et 45 kilos soutenus par m2 de surface portante.

La traction donnée par les plans était en moyenne de 15 kilogs.

Les hélicoptères ont un défaut sérieux : c'est que le courant d'air, pendant le déplacement horizontal de l'appareil, influence défavorablement le rendement des hélices sustentatrices ; et est même préjudiciable à l'équilibre. Au cours des expériences que nous venons de relater, la translation ne dépassait pas 12 km. à l'heure et le rendement des hélices était meilleur pendant la translation.
A des vitesses plus grandes, l'équilibre serait certainement affecté par le violent courant d'air qui ne manquerait pas d'agir sur les pales des hélices.

Ce fut cette idée qui contribua à faire changer l'orientation des recherches de M. Paul Cornu. Il construisit, vers le milieu de 1908, un appareil d'étude destiné à la détermination de ces effets perturbateurs.

Les inventeurs avaient pour but d'arriver à enlever un homme avec les hélices les plus petites possibles, d'enfermer ces hélices dans une enveloppe lenticulaire formée d'une carcasse tendue de soie vernie. Cette enveloppe serait percée d'orifices pour l'aspiration et le refoulement de l'air, surmontés de très courtes cheminées. De cette façon, les perturbations sur les hélices par des causes extérieures cessent, et elles fonctionnent toujours dans les mêmes conditions.

Dans l'appareil d'étude, la disposition des hélices sustentatrices à axes parallèles fut abandonnée. Cette disposition parallèle nécessitait un équilibrage très difficile à maintenir, et en outre, des transmissions lourdes et compliquées.

Le système de propulsion par réaction sur des plans obliques a été également abandonné au début, non comme étant mauvais, car les résultats qu'il donnait étaient bons, mais pour la faible vitesse de translation qu'il fournit. L'augmentation de vitesse demande une augmentation de pas des hélices sustentatrices, et la sustentation en souffre. Ce système par réaction a été repris ensuite. Dans un modèle à l'étude, la translation est fournie par une hélice tractive à pas réglable, commandée par transmission flexible.

Les expériences faites dans la suite, par M. Paul Cornu, sur les hélices sustentatrices, ont démontré que pour soulever un poids de 400 kg. avec deux hélices de 4 m. de diamètre, il faut une force de 70 HP.

Il fut fait plus de deux cents essais sur les hélices sustentatrices, dans des conditions exactes, quoique pratiques.

Les diamètres des hélices essayées avaient 4 à 6 m., elles étaient actionnées par des pignons d'angle et transmissions ordinaires, avec une force motrice' de 10 à 20 HP. Du projet exposé au Salon de l'aéronautique, à, la fin de décembre 1908, il faut retenir ce qui suit :

L'appareil se compose d'un bâti rectangulaire portant à l'avant le moteur, à l'arrière l'aviateur ; le moteur actionne par l'intermédiaire d'un embrayage et de pignons d'angle enfermés dans le carter central, deux arbres concentriques montés avec roulement et butée à billes ; ces arbres tournent en sens inverse et sur chacun d'eux est calée une hélice. L'écartement des hélices est de 0 m. 70. Immédiatement sous l'hélice inférieure sont montées deux séries de six plans chacune, l'une à droit, l'autre à gauche du châssis ; ces plans sont mobiles, c'est-à-dire que les bras qui les portent peuvent pivoter dans des douilles fixées au châssis ; chacun de ces bras est terminé par un petit levier, ceux-ci sont reliés par- une, tringle pour chaque série, et  un levier à secteurs d'arrêt, placé sous la main de l'aviateur, commande les déplacements de la tringle ; il y a deux leviers indépendants : l'un actionne la série du plan de droite, l'autre celle de gauche. L'inclinaison des plans peut ainsi être réglée depuis la verticale jusqu'aux positions extrêmes vers l'avant ou vers l'arrière ; si une série de plans est plus inclinée que l'autre, on obtient un virage.

Les expériences ont montré qu'il y a une perte de vitesse de 50 % sur la vitesse théorique de l'air refoulé par l'hélice inférieure.

Dans l'appareil décrit l'air était refoulé par les hélices à la vitesse de 72 km. à l'heure, et on peut compter obtenir 40 km. à l'heure en moyenne ; à ce -moment, les plans fournirent une poussée de 50 km.
Les plans inclinés à 45 % opposent à l'enlèvement une résistance égale au tiers, de la poussée horizontale qu'ils produisent, mais à 60°, les deux forces sont égales. La vitesse maxima est obtenue par l'inclinaison à 50°.

M. Paul Cornu a également étudié un hilicoplane ; nous aurons probablement l'occasion d'en reparler plus longuement.


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