Convertible Nemo 4s (partie I)

Cet article relate mes premiers pas avec les modèles convertibles et en particulier l’adaptation et la réalisation d’un modèle nommé Nemo. J’y explique de manière succincte mes choix et donne quelques détails des phases de la construction, les particularités liés à son équipement et la manière dont je l’ai mis en œuvre.
Les aéronefs convertibles : un peu d’histoire
Le développement des aéronefs convertibles a toujours suscité l’intérêt de l’homme depuis qu’il cherche à faire voler les plus lourds que l’air… Pour être en mesure d’imiter le vol d’un faucon crécerelle ou d’un oiseau mouche, l’homme avait besoin de compétences étendues dans les domaines de l’aérodynamique mais également dans la motorisation et les systèmes de régulation embarqués.
C’est après la seconde guerre mondiale que le développement et la réalisation concrète de tels engins s’est accélérée. A cette période là, les états-majors militaires ont cherché à s’affranchir des pistes d’atterrissage tout en gardant les capacités de vitesse et de rayon d’action de leur appareils.
Quelques pays ont développés des aéronefs de type ADAV (Aéronef à Décollage et Atterrissage Vertical) également nommé VTOL en anglais (Vertical Take Off and Landing) selon des principes et des rôles parfois très différents. Depuis les années 50, de nombreux concepts ont vu le jours. Les approches peuvent être radicalement différentes. Pour le démontrer, j’ai choisi de vous présenter quelques exemples.
Si l’histoire des convertibles vous intéresse, je vous recommande la série VERTICAL composée de 6 vidéos et disponibles sous youtube. Cette série traite principalement des aéronefs développés par les alliés depuis la seconde guerre mondiale jusqu’au début des années 2000.
Vertical ep01/06 Les Nez En L’Air
Vertical ep02/06 Les Ventilateurs Du Ciel
Vertical ep03/06 Les Hybrides
Vertical ep04/06 Vitesse Et Puissance
Vertical ep05/06 Les Gros Porteurs
Vertical ep06/06 La Bonne Formule
Naissance de mon projet, le choix du tiltrotor
Voilà longtemps que j’envisage de construire un aéronef VTOL modèle réduit. Mon objectif était de réaliser un convertible avec 2 rotors inclinables. Cette configuration me plait parce qu’elle permet de mettre en œuvre une solution simple et plutôt légère, ce qui est préférable pour aborder un modèle expérimental avec de meilleures chances de succès. Cependant, mon ambition s’est toujours heurtée à la complexité technique de pouvoir garder le contrôle dans les différentes phases de vol. Après quelques essais infructueux, je suis resté dans l’attente d’une solution fiable et convaincante pour me relancer dans l’aventure.
La bonne formule, j’ai eu l’impression de la découvrir il y a quelques années en visionnant les vidéos de la chaîne de Tom Stanton sur youtube. Puis, un peu plus tard avec un poste détaillé de Paul sur rcgroups.com qui a construit son propre avion convertible qui vole très bien. C’est muni d’une carte de contrôle de vol et d’un firmware dédié que Tom et Paul maitrisent les différentes phases de vol. J’ai donc cherché à comprendre comment fonctionnent leurs modèles. Au cours de l’années 2017, j’ai commencé la construction de mon aéronef convertible calqué sur les informations mises à disposition par ces deux sources.
Quelques liens intéressants (en anglais) :
La chaine youtube de tom (voir la catégorie RC VTOLs)
Le poste des modèles V1 et V2 de Tom Stanton sur rcgroups
Le poste de la version V3 de Tom Stanton sur rcgroups
La vidéo de la construction du modèle N°3 de Tom Stanton
Le poste de Paul alias PaulB sur rcgroups
Vue d’ensemble de mon projet
Le cahier des charges du projet correspond à ceci :
– La structure de base est un avion à aile haute bi-poutre, bi-dérive.
– Les 2 moteurs sont fixés sur des nacelles orientables indépendamment et placées sur un axe en extrémité d’aile.
– L’axe supportant les nacelles se trouve sur le centre de gravité du modèle.
– La rotation de la nacelle ne modifie pas le centrage, le moteur se trouve au plus proche de l’axe de rotation et le servo d’inclinaison joue le rôle de contrepoids.
– L’accu, placé au plus bas dans la partie avant du fuselage, joue le rôle de stabilisateur par effet de balancier.
– Possibilité de pouvoir se poser avec les nacelles en position horizontale.
– Utilisation de technique de construction légères pour favoriser une faible charge alaire.
Les principes de contrôle du convertible sont illustrés par les croquis suivants
Outils CAO pour étudier le design et la construction
Ayant la chance de pouvoir utiliser de manière professionnelle le programme de CAO SolidWorks , j’ai naturellement choisi de faire la conception avec ce dernier. La simplicité de pouvoir récupérer les fichiers pour utiliser la CNC et l’imprimante 3D maison n’est pas étrangère à ce choix.

Fuselage
Mon fuselage est calqué sur la conception du Nemo de Paul. Il est composé de pièces structurelles en bois dur et balsa et les parois ainsi que stabilisateur et dérives sont en dépron de 6mm. L’accu de propulsion est logé dans un berceau de contreplaqué à l’avant du fuselage. Sa position étant la plus basse possible pour garantir l’effet de stabilité requis pour l’axe de tangage.
La carte de commande de vol KK2 est placé juste sous l’aile, au plus proche du centre de gravité. Dans sa partie arrière, le récepteur est fixé sur une platine en contreplaqué. Le train d’atterrissage est construit par impression 3D et tubes de carbone, il est fixé par 4 vis M3 plastique. Basé sur le train traditionnel des hélicos, il est là pour marquer et renforcer la silhouette d’un engin résolument convertible.
Les couples du fuselage réalisés à la CNC Vue de l’intérieur, le logement d’accu, la carte KK2.1 et le récepteur Vue de la commande de la gouverne de profondeur Le train est réalisé à partir de pièces imprimées et de tube carbone La cabine en dépron 6mm est fixée par deux paires d’aimants Vue du logement d’accu
L’aile
Les nacelles placées en extrémité d’aile représentent une masse importante et nécessitent une rigidité accrue par rapport à une aile classique. Pour gagner en rigidité sans prendre de poids, j’ai choisi d’augmenter l’épaisseur relative du profil dans le but de donner un effet de caisson. Le profil est un N-10 avec une épaisseur relative modifiée à 15%. L’aile possède un dièdre de 5° pour éloigner les hélices du sol et également pour augmenter la stabilité en tangage.
Les nervures sont imprimées en 3D. L’aile est parcourue de longerons en balsa. Une peau en dépron de 3mm recouvre le tout et donne une bonne rigidité pour un poids très faible. Les tubes carbone supportant les nacelles sont collés dans les dernières nervures de l’aile.
L’aile est en une pièce, une clé d’aile en contreplaqué vient assurer la liaison centrale. Elle est fixée au fuselage par l’intermédiaire de 2 tétons et deux vis M5 en plastique. Une pièce imprimée 3D rigidifie le bord de fuite dans la zone de raccordement au fuselage.
Les nacelles
Selon moi, les nacelles constituent une pièce maitresse de la stabilité générale. C’est la partie du modèle pour laquelle j’ai consacré le plus de temps en développement. Les servomoteurs qui pilotent l’inclinaison sont placés en opposition aux moteurs brushless pour équilibrer les masses. Pour le choix des moteurs, là aussi, j’ai suivi la configuration de Paul (Turnigy Aerodrive D2830/11 1000KV), cependant, j’ai envisagé dès le départ une alimentation en 4s pour bénéficier d’une réserve de puissance confortable.
Il est primordial d’avoir un bon compromis dans le choix de la motorisation et des hélices. Par exemple, une hélice idéale pour le vol stationnaire (grand diamètre avec un pas faible) va péjorer le vol horizontal et vice-versa. Après quelques tests, les hélices m’ayant données le meilleur compromis sont des GWS 9×5″ tripales retaillées en 8×5″. Elles assurent une bonne traction statique pour le mode stationnaire et avancent bien en vol horizontal.
Un servo Hitec HS205-BB actionne l’inclinaison de la nacelle par l’intermédiaire de deux roues dentées. L’une étant solidaire du tube carbone collé dans l’aile et l’autre vient se fixer sur le palonnier du servo. A noter que le rapport du nombre de dents des roues n’est pas de 1:1. Je voulais avoir un peu plus de débattement sur la nacelle. J’ai donc choisi d’utiliser un rapport de 21:19
Le support principal et les portions de roues dentées sont réalisés par impression 3D.
Le régulateur Castle Création Talon 35 est placé sur la nacelle dans le flux d’air pour un refroidissement optimal. Après avoir validé et affiné par de nombreux vols les réglage du modèle, j’ai installé un carénage de nacelle pour rendre la silhouette un peu plus esthétique. Je l’ai réalisé par impression 3D dans du LW-PLA. Celui-ci vient vissé sur le support principal de la nacelle au moyen de 4 vis servos.
La suite de cet article se trouve ici
Magnifique article et très instructif, je me réjouis de lire la suite.
Merci de nous partager ce beau projet devenu réalité. Au plaisir de voir la suite de l’article.
Bonjour Steve,
vraiment formidable travail ! 🙂 Excellent !
Je me demandais si vous connaissiez celui-ci : https://www.helicomicro.com/2019/12/22/xk-x450-le-test/
Encore bravo !
Gilles
Bonjour Cassiope,
Merci pour votre message. Au sujet du X450, je le connais mais uniquement par des vidéos, je ne l’ai jamais vu voler réellement.
Steve
Pour environ 100€ il vaut vraiment le coup !
Par contre, en mode avion il faut mettre les gaz puisque c’est une aile delta, et ça vole un peu trop vite pour moi !!
Puisque vous voudriez ajouter un moteur arrière sur votre modèle, il pourrait être bien intéressant de prendre la carte de commande du X450 pour la monter sur votre modèle !
Bon vols !
Gilles