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Gamera II, l’hélicoptère à force humaine, a – un peu – volé

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Un hélicoptère à quatre rotors s'est détaché du sol à la seule force musculaire de son pilote et s'est élevé de quelques centimètres pendant quelques dizaines de secondes. Pas de sarcasmes : c'est un bel exploit qui montre aussi le savoir-faire des étudiants d'une école d'ingénieurs en matière de structures ultralégères. 

Le schéma du quadricoptère Gamera II : quatre rotors au bout de quatre poutres. Les pales mesurent 6,50 m et chaque poutre 9,60 m. Le tout ne pèse que 32 kg. © Ben Berry, Graham Bowen-Davies, Kyle Gluesenkamp, Zak Kaler, Joseph Schmaus, William Staruk, Elizabeth Weiner, Benjamin K. S. Woods

Avec ses quatre poutres en croix portant chacune une immense hélice, le Gamera II est large de plus de 26 m de diamètre, mais ne pèse que 32 kg. Au centre, un cockpit réduit à un siège, un pédalier pour les pieds et un autre pour les mains. Installé dessus : Kyle Gluesenkamp. La scène se passe à l'university of Maryland, aux États-Unis, et la tentative est des plus sérieuse. L'équipe de cette école d'ingénierie (A. James Clark School of Engineering), qui a déjà fait voler son Gamera I, travaille depuis plusieurs années à la mise au point d'un hélicoptère à propulsion humaine capable de remporter le concours lancé en 1980 par l'American Helicopter Society, le prix Igor Sikorsky, du nom d'un des pionniers de l'aviation qui fit voler un hélicoptère en 1939.

Ce 21 juin 2012, sous l'œil du jury, Kyle Gluesenkamp pédale des pieds et des mains et commence à faire tourner les quatre rotors dont les pales mesurent 6,5 m chacune. La vitesse de rotation est faible mais les calculs sont bons : l'engin s'élève franchement puis se stabilise, les pales n'étant qu'à quelques dizaines de centimètres du sol. Le Gamera II se montre très stable. C'est l'intérêt de la formule du quadricoptère, utilisée notamment pour les modèles réduits. Cette stabilité naturelle simplifie beaucoup le pilotage. Il n'y a d'ailleurs aucune gouverne. S'il voulait avancer dans une direction, le pilote n'aurait qu'à bouger son corps.


Le Gamera II, ce 21 juin 2012, s’élève à quelques dizaines de centimètres au-dessus du sol durant 50 secondes. Le record de 2011, sur le Gamera I, de la même équipe, est battu mais il faudra monter plus haut et rester plus longtemps en l’air pour remporter le prix Sikorsky. © University of Maryland/Department of Aerospace Engineering/YouTube

Du Gamera I au Gamera II, une cure d'amaigrissement

Mais pour l'heure, l'étudiant aux commandes (il est en Ph.D., soit doctorant) ne cherche qu'à rester en l'air et tient ainsi durant 50 secondes, avant que l'appareil ne se pose gentiment sous un tonnerre d'applaudissements. En 2011, le Gamera I, construit sur le même principe, avait volé 11,4 secondes et le 14 septembre 1939, Igor Sikorsky sur son VS-300 doté d’un moteur de 75 ch (chevaux-vapeur) n'avait tenu en l'air que 10 secondes. La performance est toutefois insuffisante pour remporter les 250.000 dollars (200.000 euros) du prix qui porte aujourd'hui son nom. Il faut tenir au moins 60 secondes à au moins 3 m de hauteur en restant sur une surface 10 m2.

L'exploit est néanmoins réel et dû davantage à l'optimisation de la structure qu'à la puissance musculaire. L'engin ne nécessite en effet que 460 W (0,63 ch) pour se tenir en l'air. De plus, le Gamera II voit son poids allégé de 15 kg par rapport au premier modèle. Les quatre longues poutres de 9,6 m en fibres de carbone ont été redessinées, avec des structures plus fines sauf en certains endroits, près du centre, où les efforts sont plus importants. Le dessin des pales a lui aussi été revu pour augmenter la force portante. Les étudiants détaillent leurs améliorations dans un document téléchargeable (Design Optimization of Gamera II: a Human Powered Helicopter), qui intéressera sûrement les spécialistes des poutres, des matériaux et de l'allègement des structures.

Jill Ferrick et Panagiotis Koliais assemblent les minuscules poutres en fibres de carbone qui constitueront le cockpit du Gamera II. Le pédalier inférieur est déjà en place. L'emplacement pour celui du haut, manœuvré avec les bras, est visible à côté de la main gauche de l'étudiant. © University of Michigan/Department of Aerospace Engineering

Voler de ses propres ailes : une idée de rêveur ou d'ingénieur

Le prix Sikorsky, lui, reste encore loin. Il faudra encore réduire le poids et faire grimper les performances de beaucoup. Car à si faible hauteur, le Gamera II bénéficie d'un coup de pouce, que l'on appelle effet de sol et qui se traduit par une augmentation de portance quand une aile ou une pale s'appuie sur une mince couche d'air libre.

L'hélicoptère est un engin pour le vol musculaire qui passionne les ingénieurs et les rêveurs (parfois confondus dans les mêmes personnes). En France, on peut suivre les travaux de l'Urvam, l'Union pour la réalisation du vol athlétique ou minimotorisé. On y tente même le vol battu, probablement aussi ardu que l'envol d'un hélicoptère, comme au HPO (Human Powered Ornithopter Project), outre-Atlantique, où l'on a fait voler le Snowbird. Avec des ailes, c'est plus facile. La traversée de la Manche à bord d'un avion à pédales (actionnant une hélice) a été réussie en 1979 par Bryan Allen, sur le Gossamer Albatros de Paul McCready. En 1988, sur le Daedalus, Kanellos Kanellopoulos a volé 119 km au-dessus de la Méditerranée entre la Crète et Santorin, en Grèce.

Pour les étudiants de cette école d'ingénieurs, ce projet est un excellent banc d'entraînement pour l'étude de structures ultralégères, comme celles qui sont indispensables, pour rester dans le domaine aéronautique, au poids plume de Solar Impulse, dont le HB-SIA n'accuse qu'environ 1.600 kg sur la balance alors que son envergure dépasse 63 m.

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