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Submitted on 1 Jan 1912
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Les recherches d’aérotechnique et la navigation aérienne
Ch. Maurain
To cite this version:
Ch. Maurain. Les recherches d’aérotechnique et la navigation aérienne. J. Phys. Theor. Appl., 1912, 2 (1), pp.361-385. �10.1051/jphystap:019120020036100�. �jpa-00241760�
361
LES RECHERCHES D’AÉROTECHNIQUE ET LA NAVIGATION AÉRIENNE (1):
Par M. CH. MAURAIN.
1
Les actions que l’air exerce sur un objet en mouvernent par rap-
port à lui sont la conséquence du mouvement relatif, et elles sont
les mêmes, soit que.l’objet se déplace avec une vitesse donnée dans
un air calme SU1Jposé soit que l’objet reste fixe dans un courant d’air itnil’orîîîe de même vitesse, suppose aussi indéfini. De là
deux séries de méthodes dans les recherches aérodynamiques, sui-
vant que l’objet est fixe ou en mouvement. L’application du principe
du mouvement relatif suppose l’identité complète des conditions, et
on a objecté à l’application actuelle que l’air des courants à grande
vitesse qu’on utilise dans les recherches aérodynamiques est à un’
état dit de mouvement turbulent non identique à l’état de l’air
atmosphérique calme. En tous cas, le principe guide les recherches,
et ce sera à l’expérience de confirmer la légitimité de son appli-
cation. ’
f° Objet fixe. -On peut utiliser simplement le vent naturel. C’est
ce qu’avait fait Lilienthal dans une série d’expériences qui avait’
précédé ses célèbres glissades aériennes ; il étudiait les surfaces avec
lesquelles il se proposait de construire ses planeurs ; la surface à étudier était placée à l’extrémité d’un levier et convenablement équi-
librée en air calme ; l’action du vent était compensée et mesurée par
la tension d’un dynamomètre. Un anémomètre donnait la vitesse du vent. Cette méthode a été appliquée plus récemment par Stanton â des surfaces de plusieurs mètres carrés exposées perpendiculaire-
ment au vent au sommet d’une tour (2). Son inconvénient provient
de la faiblesse moyenne du vent et surtout de son irrégularité. Il
est rare que la vitesse du vent atteigne des valeurs supérieures à
12 ou 15 mètres par seconde. Les vents forts sont aussi les plus irréguliers ; en un point donné ils changent constamment de vitesse et de direction. Les changements de direction sont particulièrement gênants ; les mesures ne sont bonnes que si l’appareil est toujours
(1) Conférence faite à la Société française de Physique, le 10 avril 1912.
(2) T.-E. STANTON, Proceedings of the Izzsf. of Civil EngineeÎ’s, t. cixxi, ~908.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019120020036100
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orienté dans le vent de la même manière, c’est-à-dire s’il tourne
avec le vent, ce que l’inertie rend difficile à réaliser.
On a donc été conduit à remplacer le vent naturel par un courant d’air plus régulier. Par exemple on aspire ou on refoule l’air à l’ex- trémité d’un grand tuyau, qui peut faire partie d’un circuit fermé.
C’est la lnéthode du Tunnel, appliquée actuellement dans plusieurs laboratoires, à Koutchino, à G6ttingue, à Teddington, à llome (1).
Le défaut de la méthode du Tunnel est que, pour opérer dans de
bonnes conditions sur des objets un peu grands, il faudrait disposer
d’un tunnel de dimensions énormes. La présence de l’objet étudié
modifie la distribution des filets d’air jusqu’à une certaine distance de l’objet; cette perturbation s’étend jusqu’aux parois du tube si
l’objet n’est pas très petit par rapport aux dimensions de celui-ci, et
les résultats obtenus diffèrent de ceux qu’on trouverait si l’objet
était étudié dans un courant d’air de section droite immense. Par
exemple, Ni. Riabouchinsky j2) a étudié la résistance de l’air sur des
disques de différents diamètres placés concentriquement au tunnel cylindrique de l’Institut de Koutchino, dont le diamètre est de fm,20.
Dès que le diamètre du disque est supérieur au dixième de celui du tube, les résultats sont nettement influencés par l’existence des
parois, et cette influence devient énorme lorsque le diamètre du
disque dépasse les 2 ou 3 dixièmes de celui du tube.
Au lieu de placer l’objet à étudier dans un tunnel, on peut l’expo-
ser à l’orifice d’une c’est ce qu’a fait 1B1. llateau (~), dont l’ap- pareil a été utilisé depuis par M. Lafay à l’École Polytechnique en particulier ponr des recherches sur les spectres aérodynamiques.
Pour obvier à l’épanouissement assez rapide du courant d’air à la
sortie de la buse, 1B1. Eiffel utilise un courant d’air cylindrique as- piré à travers une chambre à parois parallèles ; deux orifices éga;xx
sont pratiqués l’un en face de l’autre dans ces parois; l’un d’eux est
muni d’un entonnoir tronc-conique par lequel arrive le courant d’air,
l’autre relié par un entonnoir divergent à un ventilateur. Au labo- (1) Bulletin de l’Institut aérodynarnique de Koutchino, 3 fascicules (Lib. aéro- nautique, Paris). - Mitteiluitgen aus der Goltingel’ Mo (tell vel -suchsanst al (Zeits- chiiftfiii-Flu,qtechîîik und llIotorluflschi/fahl’l, passÏ1n, 1910 et 1911). - Technical Report of tlte Adviso1’Y Conl1nitlee aeoonazctics, 1909-1910 et 1910-1911. - A. CROCCO, Technique aéronautique, 1re sem. 1911, p. 297 et 329.
(2) D. RIABOUCHI:’BSKY, Bull. de l’Institut aéroclgnarnigue de Ioutchino, fase. 111,
p. 19.
(3) A. RATEAU, Bulletin de CAssoc. technique nú 20, session de 1909.
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ratoire Eiffel à Auteuil, le diamètre du courant d’air est de 2 mètres, celui du ventilateur hélicoïdal 4 mètres. La vitesse du’ courant d’air
peut atteindre 32 mètres par seconde. Un deuxième dispositif ana- logue permet d’obtenir un courant d’air de 1 mètre de diamètre et de vitesse 40 mètres par seconde. Cette installation est la plus puis-
sante des installations à courant d’air existant actuellement(’).
Les mesures faites au courant d’air sur de petits objets sont très
commodes et très rapides ; on mesure l’action de l’air au moyen
d’appareils fixes, qui sont des balances et peuvent être rendus sen-
sibles et précis ; aussi cette méthode est-elle la plus employée, et la plus grande partie des résultats acquis ont été fournis par elle. Mais les résultats sont-ils entièrement corrects? En dehors du doute rela- tif à l’application du principe de relativité à ce cas, on peut se poser à ce sujet deux questions : 1° l’exiguïté relative du courant d’air n’altère-t-elle pas les résultats par rapport à ceux qu’on obtiendrait dans un courant d’air de section infinie ? On a encore peu de rensei- gnements sur ce point ; 2° les résultats très précis obtenus sur de petits modèles sont-ils applicables aux appareils en vraie grandeur,
par exemple aux aéroplanes et aux dirigeables ? Je reviendrai tout à l’heure sur ce sujet.
£° Objet mobile. - Un premier moyen de réaliser le déplacement
de l’objet est de le laisser tomber sous l’action de son poids. Lorsque
la vitesse est devenue constante, le poids de l’objet mesure la résis-
tance de l’air. MM. Cailletet et Colardeau ont utilisé ce procédé à la
tour Eiffel en 1892. M. Eiffel a depuis étendu la méthode en l’appli- quant avec un appareil de chute muni d’appareils enregistreurs
donnant la résistance de l’air et la vitesse à chaque instant (2) ; mais
elle se prêterait mal à l’étude d’objets de formes variées ou un peu
grands; elle a d’ailleurs les inconvénients des méthodes de plein air
où le vent est un élément perturbateur. C’est pourquoi M. Eiffel a
continué ses études sur la résistance de l’air au moyen d’une instal- lation à courant d’air.
Une variante intéressante consiste à utiliser la chute de l’objet le long d’un câble incliné. Cette méthode a été employée en Italie par
(1; Les expériences faites par IV1. EIFFEL au laboratoire du Champ-de-Mars, analogue à celui d’Auteuil, mais moins puissant, sont exposées dans son ouvrage : la Résistance de l’aii- et L’Aviation, Dunod et Pinat, 191f-1912.
(2) G. EIFFEL, RecheJ’ches expérÏ1nenlales sur Lc Resistance de l’air exécutées à lcz toicr Paris, L. Maretheux, 1907.
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M. Canovetti. Elle a été appliquée aux établissements d’aviation militaire de Vincennes à l’étude d’un aéroplane entier (’). L’aéro- plane est suspendu à un chariot se déplaçant le long du câble et portant des appareils enregistreurs qui mesurent la vitesse et les forces en jeu. La difficulté de telles expériences est que, comme pour les expériences de chute libre, on se trouve dans l’alternative suivante : Ou bien on s’astreint à réaliser une vitesse constante; cela n’est possible qu’avec un câble très long, d’inclinaison convenable,
et les vitesses réalisées sont comprises dans des limites restreintes.
Ou bien on ne s’astreint pas à réaliser une vitesse constante, et il faut alors tenir compte des forces d’inertie en mesurant l’accéléra- tion à chaque instant ; ces forces d’inertie, si le câble est de faible longueur, sont du même ordre de grandeur que les forces à mesu- rer, et leur évaluation précise est difficile.
On peut encore mettre les objets à étudier en mouvement en les disposant à l’extrémité du bras d’un manège,. Langley employait un manège de 18m,ÕO de diamètre, à l’air libre (-). A Teddington est un manège de dimensions analogues, mais dans un hangar fermé (3). A Barrow, la maison Vickers and Maxim a fait construire récemment
un manège gigantesque, destiné à des essais d’hélices; son diamètre
est de 66 mètres ; les hélices peuvent être essayées jusqu’à 200 che-
vaux et 1.000 tours. La méthode du manège présente des inconvé- nients assez graves : le bras tournant communique à l’air un certain
mouvement d’ensemble plus ou moins troublé, par exemple 1,6 mille
à Teddington pour une vitesse périphérique de 35 milles ; si l’objet
étudié n’est pas très petit par rapport au rayon du manège, les vi-
tesses de ses différents points ne sont pas les mêmes ; il en résulte
des mouvements tourbillonnaires parasites, et la résistance de l’air
sur l’objet est plus ou moins différente de ce qu’elle serait pour un mouvement rectiligne de même vitesse; enfin on doit se méfier des
causes d’erreur provenant de la force centrifuge, ce qui, à vrai dire,
ne constitue qu’une difficulté dans le mode de mesure. Ces inconvé- nients sont d’autant plus graves que le bras du manège est plus court
et l’objet étudié plus gros.
(1) Capitaine OLIVE, Génie civil, t. LIX, p. 120 et 309 ; 1911.
(2) S.-P. LANGLEY, Expériences d’aél’odynal1Ûque (SnÛlhsonian conl1’ibutions to
Knowledge, n° S01 ; 1891), traduction libre avec notes par P. Lauriol, Revue de l’aé1’onauliqne, p. 77; 1891.
(3) of the COl/uuille aei’ululltlics, 1909-1910, p. 15.
365
Un autre procédé consiste à disposer les objets à étudier sur un
véhicule tel qu’une automobile ou un tracteur sur rails. Quelques expériences de ce genre ont été faites sur des locomotives, en vue
des améliorations à apporter à la traction sur voie ferrée ; la résis-
tance de l’air sur les convois est en effet d’une grande importance,
et, au delà de 80 ou 100 kilomètres à l’heure, la résistance de l’air
sur une locomotive ou un train dépasse la résistance au roulement.
Il a été fait certainement par les inventeurs et les constructeurs de nombreux essais sur des automobiles; mais les auteurs cherchaient seulement en général des renseignements qualitatifs, et je ne con-
nais comme publication à ce sujet, avant les travaux du duc de Ciniche, que celle de M. Esnault-Pelterie (1). M. le duc de Guiche a
effectué par ce procédé une suite déjà longue d’expériences (2) ; il a
étudié systématiquement la répartition des pressions sur des plaques portées par une automobile à grande vitesse. Les expériences sont
faites sur une route de forêt que les arbres protègent bien quand l’atmosphère est assez calme.
Enfin des mesures d’un intérêt tout particulier sont les 1nesures
exécutées sur un aéroplane en plein vol. Lorsqu’un aéroplane est en
vol horizontal de vitesse uniforme, l’action verticale de l’air est égale
à son poids, et l’action horizontale à la traction de l’hélice. Dans leurs expériences de Juvisy, MM. Legrand et Gaudart 1’) ont réussi
à enregistrer pendant le vol la traction de l’hélice ; ils mesuraient en
même temps l’inclinaison de la voilure et la vitesse de l’aéroplane
par rapportà l’air. Le commandant Dorand et le lieutenant Saulnier (4 )
ont fait à Villacoublay des expériences analogues, avec des dispo-
sitifs qui permettent d’enregistrer au même moment les différentes
quantités mesurées. Ces mesures en plein vol sont bien évidemment
très importantes; on doit cependant remarquer qu’elles donnent
seulement des renseignements resserrés dans des limites assez étroites, car le seul facteur qu’on puisse faire varier sans modifier
l’aéroplane est la charge enlevée.
Après ce rapide exposé des méthodes de recherches employées
(1) Technique aé1’onautique, 1er sem. 1910, p. 278.
(2) A. DE duc DE GurcnE, Essais d’aél’odynanÛque, Hachette, Paris
1re série, 1911; 2e série, 1912.
(3) Mé1noÙ’es de la Société des civils, mars 1911, p. 351. - Bulletin de la Société d’encouragement l’Indust’ie nationale, avril 1911.
(4) Technique aéronautique, 1er novembre 1911.
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jusqu’ici en aérodynamique, j’arrive aux installations de l’Institut
aérotechnique de l’Université de Paris.
II
INSTALLATIONS DE L’INSTITUT AÉROTECHNIQUE DE SAINT-CYR. - Le généreux fondateur de l’Institut aérotechnique, Henry Deutsch
de la Meurthe, et le très distingué ingénieur qui a été son collabo-
rateur dans cette oeuvre, M. Hugon, se sont proposé l’établissement de dispositifs permettant des expériences dans des conditions aussi
rapprochées que possible des conditions de la pratique. La méthode
à laquelle ils se sont arrêtés consiste à utiliser des chariots élec-
triques mobiles sur une ligne rectiligne.
La ligne est à voie normale, sa longueur est de ~.360 mètres. Il y , a, outre les rails, deux conducteurs latéraux. Ceux-ci sont comman-
dés par une dynamo a excitation séparée, à voltage variable jusqu’à
530 volts, pouvant fournir une puissance de 130 chevaux et même davantage pendant la courte durée des voyages des chariots. Une
autre dynamo de 30 chevaux à 120 volts alimente l’excitation de la
précédente ; elle commande aussi l’excitation des moteurs des cha-
riots, qui sont à excitation séparée, par l’intermédiaire d’un des conducteurs latéraux et des rails.
Chariot destiné aux essais de surfaces. - Actuellement est en ser-
vice un chariot destiné à l’étude des surfaces. Il a été muni d’un
FIG. 1.
montage représenté schématiquement dans la fig. 1, et qui per- met d’enregistrer : 1° l’action verticale de l’air sur la surface ;
2° l’action horizontale; 3° un couple de rotation duquel on déduit la
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position du point où la résultante des actions de l’air coupe la sur- face. Le montage se compose essentiellement d’un double rectangle
articulé ccbcd, qui est porté par les leviers coudés et ces leviers peuvent tourner autour des axes A et A’ fixés au bâti du chariot. La surface est portée par deux traverses qui peuvent tourner
autour d’un axe arrière et dont les extrémités avant portent des
pièces qui peuvent être fixées en différents points de deux arcs cir- culaires ; on peut ainsi faire varier l’inclinaison de la surface. U, U représentent des disques de plomb formant contrepoids.
Le schéma permet de se rendre compte de la façon dont les trois actions indiquées sont équilibrées et mesurées par trois couples de dynamomètres D2, Dg, D~ placés de chaque côté du chariot (’ ). Ce sont
des dynamomètres hydrauliques Richard à cuvette, dont la pression
est transmise par des tubes fins à des enregistreurs du genre Bour- don. Les dynamomètres sont gradués en place.
Nous (2) avons eu beaucoup de mal pour obtenir de bons dia- grammes ; nous avons été conduits à placer chaque enregistreur dans
une caisse suspendue par huit ressorts à boudin de tension conve-
nable ; de plus, les mouvements des styles sont amortis par de petits pistons plongeant dans de la glycérine étendue.
Les surfaces sont placées de manière que leur partie la plus basse
est au moins à 2m, 73 au-dessus du bâti du chariot; malgré cela la présence du chariot exerce une petite influence, mise en évidence par
ce fait qu’une surface bien plane et à bords en biseaux symétriques, placée horizontalement, subit une petite action verticale, alors que cette action devrait être nulle par raison de symétrie. M. Eiffel a bien voulu, à son nouveau laboratoire d’Auteuil, étudier l’action de l’air
sur un plan placé dans diverses positions par rapport à un modèle du chariot de Saint-Cyr; ces tâtonnements eussent été d’une extrême
longueur sur le chariot lui-même; on a reconnu que l’influence du chariot pouvait être annulée en plaçant la surface étudiée au-dessus de du chariot. Le montage sera modifié en conséquence.
La vitesse (dont la mesure précise est particulièrement importante,
les actions de l’air dépendant du carré de la vitesse) est mesurée
simultanément par deux procédés : 11 un cinémomètre enregistre la
(1) On pourra se reporter pour le détail des dispositifs et des mesures au Bulle- tin qui paraîtra prochainement.
(2) J’ai comme collaborateur M. A. Toussaint, ingénieur à l’Institut aéro-
technique.
368
vitesse de rotation instantanée d’un essieu ; 2° pour le deuxième
procédé, nous avons employé d’abord un grand chronographe de précision sur lequel un contact électrique s’inscrivait à chaque tour
de roue. Nous avons trouvé plus commode d’utiliser autrement ce
même chronographe : il est placé dans le poste d’où se fait la ma-
noeuvre du chariot, et on le met en marche en temps utile pour qu’il enregistre la rupture de deux circuits électriques que produit le
chariot en tranchant deux fils fins à une distance connue (95 mètres),
sur la ligne, dans la partie où la vitesse est constante.
La vitesse qui importe est la vitesse par rapport à l’air ; il serait
désirable de ne faire de mesures que par vent presque nul; mais,cela
ne se présente que très rarement. L’expérience montre que, lorsque
la vitesse du vent n’est pas supérieure à 3 mètres ou 3m ,00, on peut faire dans de bonnes conditions, en ce qui concerne les actions d’en- semble que nous avons étudiées jusqu’ici, une correction consistant à ajouter algébriquement à la vitesse du chariot par rapport au sol
la composante de la vitesse du vent parallèle à la ligne. On a ins-
tallé à cet effet près de la ligne une girouette enregistreur et un ané- mocinémographe très sensible (gradué pour vents de 0 à 7 mètres,
2 centimètres d’ordonnées par mètre de vent, vitesse du papier enre- gistreur 3 centimètres par minute).
L’action verticale de l’air sur le montage qui porte la surface est
tout à fait négligeable, mais il n’en est pas de même de l’action hori- zontale sur ce montage, qui devient relativement importante aux
faibles inclinaisons de la surface, et dont il faut tenir compte avec soin. Je renverrai sur ce point au Bulletin de r Institut.
En principe, le chariot n’est pas monté, et la man0153uvre se fait d’un poste-vigie qui commande la ligne, au moyen d’un controller.
Une accélération rapide est obtenue au moyen d’un commutateur
automatique qui supprime progressivement des résistances sur les inducteurs de la génératrice et augmente par suite le voltage de
celle-ci. Le freinage se fait en mettant l’induit du moteur en court-
circuit ; de plus, à l’extrémité de la voie est une voie surélevée sur
laquelle s’engagent des patins placés à l’arrière du chariot. Le palier
de vitesse qu’on peut obtenir est naturellement d’autant plus faible
que la vitesse est plus grande; les mesures sont faites jusqu’à en-
viron 23 mètres par seconde ou 83 kilomètres à l’heure, vitesse pour
laquelle la partie de vitesse sensiblement constante dure encore de 8 à 10 secondes.
369 On a étudié avec ce chariot des surfaces ayant jusqu’à 14 mètres carrés ; on peut d’ailleurs y étudier des surfaces plus grandes.
La méthode est d’une application délicate, par suite de l’emploi
d’une dizaine d’enregistreurs, et longue, parce que les mesures ne sont
possibles que par temps assez calme. Elle n’a été utilisée jusqu’ici
que pour l’étude de surfaces ; elle permettrait aussi 1 étude de carènes
quelconques, ou d’aéroplanes entiers.
Chariot pour des hélices. - U 11 deuxième chariot a été ins- tallé pourl’étude des propulseurs dans les conditions où ils agissent
sur les aéroplanes ou les dirigeables : le moteur, de 80 chevaux,
actionne non plus les essieux du chariot, mais l’arbre de l’hé-
lice, et c’est la traction de celle-ci qui produit le mouvement du
chariot (~). L’hélice peut tourner jusqu’à 1.500 tours. On enregistre la
traction de l’hélice et le couple qui lui est transmis. L’arbre de l’hé- lice est à 2m ,60 au-dessus du bâti du chariot. La transmission du mouvement du moteur à l’arbre se fait par deux engrenages et un arbre intermédiaire, muni d’un joint de Cardan et d’un carré sphé- rique qui permettent le léger déplacement nécessaire pour la me-
sure de la traction ; l’arbre supérieur est porté à l’arrière par un
palier fixe dans lequel il peut coulisser, et à l’avant par une palée (avec butée à billes) qu’il tend à entraîner sous l’action de l’hélice.
Cette action est équilibrée par un dynamomètre hydraulique accro-
ché à la palée et qui mesure la traction de l’hélice.
Le couple est mesuré ainsi : le manchon du deuxième engrenage
communique le mouvement à l’arbre de l’hélice par l’intermédiaire de rampes hélicoïdales munies de billes, et qui tendent à glisser
l’une par rapport à l’autre; ce glissement tend à réduire le volume intérieur d’un pot de presse qui contient les rampes llélicoïdales,
la pression du liquide qui remplit le pot de presse augmente ainsi,
et cette pression, qu’on enregistre, est fonction du couple transmis et, après étalonnage, le mesure.
La méthode des chariots a l’avantage de permettre
des mesures sur des surfaces du même ordre de grandeur que celles utilisées en aviation et sur les hélices d’aviation elles-mêmes; mais
(1) Un chariot analogue moins puissant a déjà été utilisé pour les essais d’hélices par le commandant Dorand, à Chalais-Meudon ; le mowement de ce chariot était
produit à la fois par la traction de l’hélice et par la pesanteur, la voie ayant d’abord une pente descendante très prononcée (commandant Technique aéronautique, juin 1910).
