• Centrage, perfos et ressenti

    Publication : 30.08.2019, dernière MAJ : 06.11.2019

    Une série d'articles techniques sur le réglage de nos planeurs, récemment publiée dans l'une de nos revues préférées, a interpellé pas mal de modélistes curieux de technique. En particulier le chapitre 3 « tout ce que vous devez savoir sur le centrage » (extrait légal PressReader.com) recèle nombre d'affirmations chocs, avec un seul crédo, pourfendre les légendes urbaines et rétablir toute la vérité. Tout un programme…

    L’essai du FunRay du même auteur est pourtant très révélateur de ces même légendes urbaines :

    Bien que je n'ai pas pour habitude de commenter les publications des confrères, tout cela m'a tellement laissé sans voix que j'en pris la plume...


    Un peu d’analyse

    Passons la forme du texte, pour le moins percutante, et l’énigmatique transformation de la vitesse en rendement, et regardons le fond point par point :

    - Tout d’abord, il est assez surprenant que dans cette longue liste de vilains effets ne figure pas le principal effet d'un centrage avant, à savoir la limitation de la manœuvrabilité sur l’axe de tangage. C’est peut-être évident pour tout le monde, mais autant le rappeler : le centrage sert à régler la stabilité en tangage, qui s’oppose tant aux perturbations d’air que traverse l’aéronef qu’à la commande de profondeur. En conséquence, plus le centrage est avant et plus on a une sensation de lourdeur au manche de profondeur à iso-débattement, et donc plus il faut augmenter le débattement de la gouverne de profondeur pour conserver une réactivité correcte. A l’inverse, plus on recule le centrage et plus l’appareil est manœuvrant, mais moins il est stable aussi, jusqu’à une limite appelé foyer (= centrage neutre) derrière laquelle l’appareil devient instable, voire impilotable. Pour rappel aussi, le centrage se définit donc par rapport au foyer, via la marge statique, qui est la distance entre le foyer et le point de centrage et qui détermine le taux de stabilité (= capacité à reprendre naturellement la ligne de vol après une perturbation).

    - Autre conséquence directe d’un centrage [trop] avant, c'est-à-dire d’une stabilité importante, c’est le fait qu’il faille jouer du manche de profondeur en fonction de la vitesse de vol (en fait l’incidence associée), comme par exemple pas mal soutenir à l’atterrissage, pousser pour conserver du badin ou pousser sur le dos. Bref, à chaque fois qu’on sort l’appareil de son incidence d’équilibre (elle-même réglée par le trim de profondeur), il faut compenser à la profondeur pour l’y maintenir et cela d’autant plus qu’il en est éloigné. C’est a priori ce qu’a voulu dire l’auteur, mais par contre ce n'est pas du tout une question de couple moteur (pourquoi serait-il influencé par le centrage ?) mais de différence de vitesse de vol par rapport à la vitesse d'équilibre trimmé. Donc, plus la marge statique est importante et plus la contre-réaction en tangage lors d’une variation de vitesse de vol l'est aussi. Ce phénomène est d’ailleurs exploité par les tests classiques du centrage, nous en parlerons en fin de ce papier.

    - Dans le même principe, avancer le centrage augmente aussi la stabilité en lacet, donc le besoin en débattement sur cet axe. C’est moins flagrant qu'en tangage, car les bras de levier et les répartitions de surfaces sont différents, ce qui favorise généralement une bonne stabilité en lacet, même quand le centrage est arrière en tangage.

    - Il suffit de faire quelques tests méthodiques pour se rendre compte qu'avancer le centrage d'une machine bien réglée ne change strictement rien, ni au différentiel ni à l'axage des tonneaux, sauf évidemment si on ne travaille pas correctement à la profondeur (puisqu’il faut pousser sur le dos d’autant plus que le centrage est avant). Cependant, on peut remarquer que si le différentiel est mal réglé à la base, avancer le centrage aggrave les défauts. L'explication est simple : plus le centrage est avant et plus la stabilité en lacet est grande, et donc plus la contre-réaction sur cet axe au dérapage causé par le lacet inverse est importante. Si on reprend le raisonnement dans le bon sens, on peut donc conclure qu'avancer le centrage est un révélateur de différentiel mal réglé, mais n'est pas la cause des effets indésirables associés à ce mauvais réglage.

    - Quant au vol "queue basse" et à l'effet sur les performances dus au centrage avant, ce sont des affirmations qui reviennent très souvent sur les terrains, les forums et les revues. A tort ou à raison… c’est l’objet de ce papier que d’essayer d’y voir plus clair.

     

    Mesures... et incertitudes de mesure

    Pour trancher les points soulevés ci-avant, on pense évidemment à faire des essais en vol. C’est justement ce que revendique l’auteur dans son article technique, en proposant notamment de faire une mise au point du planeur avec un variomètre. Sauf que, expérience [vécue… et laborieuse] à l’appui, ce n'est pas si simple. Car, même en étant particulièrement méthodique et avec une machine correctement instrumentée, on se rend vite compte en accumulant les essais que les résultats varient tellement, y compris au cours du même vol, qu’ils ne permettent absolument pas de trancher catégoriquement.

    Et c’est normal ! En effet, pour dévoiler la conclusion de ce qui suit, la précision de nos instruments (type cellule barométrique ou gps) et la stabilité d’une couche d’air qui semble parfaitement calme sont au mieux du même ordre de grandeur que la variation des valeurs à mesurer (quand on touche au centrage).

    Pour le taux de chute, qui est la principale grandeur physique mesurée avec la vitesse sur trajectoire : pour fixer un ordre d’idée, on cherche à mesurer des écarts inférieurs à 0.1 m/s (nous détaillerons plus loin ce chiffre). Première difficulté, la précision du capteur : celle du capteur UniSens-E proposé dans l’article n’est pas indiquée dans la notice du constructeur. On trouve juste quelques essais sur le net, indiquant qu’il est moins sensible que les capteurs Graupner et Multiplex. Ce dernier, pour donner un exemple, indique pour sa référence 45418 (vario de précision) une sensibilité (c.a.d. le seuil de détection) de 0.1 m/s, soit une précision qu’on peut estimer autour de 0.1 à 0.2 m/s, au mieux.
    Second écueil, la valeur mesurée elle-même : nos capteurs mesurent un taux de chute par rapport au référentiel sol, auquel il faut donc retrancher les mouvements de l’air. Or, on ne sait pas les mesurer ! Evidemment, on peut penser qu’il suffit de voler en air parfaitement neutre… mais cela n’existe pas, un air stable à moins de 0.1 m/s est déjà une exception, même avec des conditions météo d’apparence totalement neutres. Et tout cela en essayant de reproduire d’un vol à l’autre strictement la même condition d'essai (pour rappel : les perfos changent radicalement suivant la vitesse de vol), sachant en plus que le temps de lissage du capteur complique nettement la tâche.

    Les chiffres sont encore plus parlants pour la finesse : prenons par exemple un planeur faisant 15 de finesse à 0.5 m/s de taux de chute, une erreur de mesure de seulement 0.1 m/s sur cette dernière valeur donne une imprécision de 3 points sur la finesse, à laquelle se rajoute l’imprécision de mesure de la vitesse sur trajectoire.

    Si on met tout cela bout à bout, on chercher donc à mesurer une variation de taux de chute inférieure à 0.1 m/s dans un air stable à au mieux à +/- 0.1 m/s, quand ce n'est pas le double ou le triple, et avec un capteur qui ne détecte pas mieux que +/- 0.1 m/s… Autant dire que ça ne fonctionne pas, même si on a envie d’y croire très fort.

    Et comme si cela ne suffisait pas, il est même recommandé dans l'article, à défaut de vario, de faire confiance à son simple feeling pour estimer le taux de chute (alors même qu’un excellent pilote de F3K ou F3J peine déjà à détecter la traversée d’un courant ascendant ou descendant de quelques dixièmes de m/s). Encore plus surprenant, la méthode du test du piqué est au passage mise au rebut alors que sa finesse de réglage du centrage est autrement plus discriminante. Nous détaillerons cela plus loin.

     

    Analyse numérique d’un planeur

    Tout cela étant posé, que nous reste-il ? En réalité, deux alternatives : soit réaliser des essais en soufflerie avec un appareil complet ; soit passer par des simulations numériques intégrant les paramètres influants. Et c’est exactement ce qu’a fait Matthieu Scherrer avec un Jibe2, (quelques résultats ici, en lien direct avec la thématique abordée ici, et ici), permettant au passage de vérifier que nos codes de calculs modélistes sont finalement pas si à côté de la plaque que cela.

    Donc, puisque la simulation numérique a du sens et est autrement plus facile à mettre en œuvre qu’un essai en soufflerie, autant ne pas s’en priver. Pour ma part, je me suis évidemment appuyé sur PredimRC pour mener cette analyse, à partir du planeur figurant dans la base de donnée du logiciel (2m d'envergure, allongement 10, masse 0.5 kg, profil TP74, volume de stab 0.43), soit typiquement un planeur de gratte performant. Trois marges statiques (ms) ont été considérées : 0% (centrage neutre), 10% (centrage déjà bien avant) et 20% (centrage exagérément avant), sachant que la norme d’une machine correctement réglée est plutôt entre 0 et 5% en fonction du type de sol souhaité.

    Les principaux chiffres de la simulation, obtenus en fonction du Cz de vol :

    Les polaires, tracées en fonction de la vitesse de vol (plus parlant que le Cz) :

        

        

     

    Dépouillement des résultats

    Deux effets majeurs apparaissent clairement :

    - Le chargement du stab est très sensible à la marge statique : plus on avance le centrage et plus le stab devient déporteur à basse vitesse (attention, c’est l’inverse sur un canard). L’auteur en parle dans l’article, et attribue cela au « nez trop lourd » (qui nécessite un effort en sens inverse du stab), ce qui est faux bien que cela semble couler de source. En réalité, le CG étant le centre de rotation de l’appareil, changer sa position modifie les bras de levier aérodynamiques (= avec le CG) du stab et de l’aile, donc les chargements associés pour conserver l’équilibre longitudinal. A l’excès, le chargement du stab peut atteindre sa limite de décrochage (ici un Cz max autour de -0.4 à +0.4), ce qui fixe ainsi la limite avant de centrage (jamais abordée en modèle réduit, mais bien documenté en aviation grandeur). Mais même sans atteindre cette limite, le risque de décrochage du stab reste présent, notamment à l'arrondi où l'action à cabrer ajoute de la déportance. Phénomène aggravé par le besoin en débattement plus grand propre au centrage avant (cf. point ci-avant). A contrario, reculer le centrage charge le stab et diminue la déportance à l’arrondi, ce qui donne une double marge de sécurité.

    - Conséquence du travail du stab, les moments autour du CG en fonction de l’incidence changent radicalement en fonction de la marge statique, ce qui est bien le but recherché : plus le centrage est avant et plus le stab travaille activement à conserver la trajectoire au point d’équilibre, et plus la pente de la courbe de moment total (CmCG) de l'appareil est importante. A l'inverse, plus le centrage est proche du neutre et plus la courbe CmCG devient horizontale (donc moins l'appareil s'oppose à une variation de Cz).

    ms = 0%                                                        ms = 10%                                                       ms = 20%
            

     

    De manière plus anecdotique : 

    - Le taux de chute est effectivement dégradé par un centrage très avant, mais c’est de l’ordre de l'épaisseur du trait sur la grande majorité du domaine de vol. Ici, le taux de chute mini (autour de 22 km/h) augmente de seulement 0.02 m/s par incrément de 10% de marge statique. Pour mesurer un tel écart, en supposant un air parfaitement neutre, la précision minimale de nos varios (ou de notre fameux feeling…) devrait être au moins cinq fois plus fine, soit 0.004 m/s (!). Pour finir de la relativiser la chose, la dégradation de taux de chute mini et l'augmentation d'incidence (le stab étant déporteur, l’aile doit fournir un peu plus de portance pour compenser) à 20% de marge statique (ce qui est énorme, 10% est déjà très avant) correspond à un alourdissement du modèle, à iso marge statique, de seulement… 20g.
    Par contre, si on vole par exemple à 30 km/h au lieu de 22 km/h, le taux de chute augmente ici d’environ 0.15 m/s. Autrement dit, se tromper de seulement 8 km/h dans la condition de vol de l'essai fausse la mesure de presque 10 fois plus que le fait d'avancer de manière exagérée le centrage.

    - La finesse est elle aussi très peu altérée par un centrage trop avant. Seule la finesse max est un peu plus impactée (0.4 par 10% de marge statique), mais c’est toujours largement en-dessous de seuil de détection d’un bon vario (voir ci-avant) ou des meilleurs pilotes. Cette dégradation correspond ici, toujours à une valeur irréaliste de 20% de marge statique, à un allègement de 100g. C'est déjà un peu plus significatif mais reste du même ordre de grandeur que le simple remplacement à iso masse du profil TP74 de ce planeur par un MH32 (perte de finesse max de 0.9 point, 14.2 vs 15.1), soit un écart bien trop faible pour être ressenti en vol. Par contre, cela peut faire la différence en compétition, notamment en vol groupé type 60", l'écart se creusera au fil des tours si les pilotes sont réguliers et de même niveau.

    - allure de l’avion : elle est visualisée par le pilote au sol via l’incidence du fuselage (= incidence de l'aile modulo son calage), et est de seulement 0.14° par 10% de marge statique au régime moyen de vol (Cz = 0.3, Vx= 30 km/h) et dans l'épaisseur du trait aux régimes plus soutenus. Donc, non, un centrage trop avant ne fait pas voler queue basse. Pour rappel, ce qui fait voler un appareil queue basse, c'est d'utiliser un calage aile / fuselage trop faible et/ou de le ralentir fortement, ce qu'on appelle d'ailleurs très justement le vol aux grands angles.

    - vitesse mini : à peine 0.4 km/h de perte par 10% de marge statique, là aussi c’est indétectable.

     

    En résumé

    Un centrage trop avant génère donc bien des effets délétères, mais ils concernent avant tout le comportement dynamique en tangage de l'avion, c’est lui qu’on ressent aux manches. A contrario, mis à part la finesse max qui varie légèrement sans pourtant être détectable en vol -pas plus par nos sensations que par la mesure embarquée- ni les performances ni l’allure visuelle ne sont réellement modifiées. Fait amusant, contrairement à ce qu'il est communément admis, reculer le centrage réduit très légèrement la vitesse de décrochage et non l'inverse. On peut aussi constater que régler le centrage pour avoir un stab neutre n’est pas l’optimal, contrairement à ce qui souvent affirmé, car le bénéfice complément de portance versus supplément de traînée [d’un stab porteur à basse vitesse] est positif. Il ne faut cependant pas en faire une généralité car cela varie d’un appareil à l’autre, suivant en particulier le volume de stab et les profils utilisés.

     

    Ca vient d’où ?

    Finalement, on peut se poser la question de pourquoi toute cette histoire ? Deux raisons semblent se dégager :

    - D’une part, on retrouve souvent dans la littérature grandeur une mention de l’effet du centrage sur les performances. Et cela dans des proportions similaires à celles abordées ici, ce qui permet déjà de relativiser un peu. Par contre, les conséquences sont toutes autres dans le cas d'avions de ligne, d’où le fait que ce soit largement documenté : autant quelques % de perte de perfo ne changent strictement rien en modèle réduit, autant il en va autrement pour les opérateurs grandeur tout simplement à cause du coût du carburant que cela représente.

    - D’autre part, notre perception intuitive des choses nous joue des tours (surtout si on a en tête le point précédent…), car on a facilement tendance à faire l'amalgame entre la réactivité plus importante donnée par une marge statique faible ou nulle (où on peut plus facilement faire décrocher le modèle puisque la profondeur a plus d'autorité qu'avec un centrage avant) et la performance réelle de l'appareil. De manière similaire, le fait de devoir soutenir à la profondeur à cause d'un centrage trop avant peut être perçu comme un vol plus queue basse, alors même qu'une observation objective montre que l'allure visuelle est inchangée pour chaque point de fonctionnement.

    Pour faire une petite digression, on retrouve le même principe en voiture, grandeur ou RC : si on ressent très facilement une modification de la répartition des masses ou du freinage sur le comportement de l’auto, qui s’inscrira en virage plus ou moins vivement, cela ne veut pas dire qu’on passe plus vite… et encore moins qu’on consomme moins.

    Il en va de même en vol à voile grandeur, comme évoqué dans ce document de synthèse de la FFVL (en page 24), qui conclut que la plage de centrage utilisé préférentiellement par les pilotes est avant tout dictée par le ressenti du comportement et le confort de pilotage. Bref, comme en modèle réduit, ni trop avant ni trop neutre...

    Il faut donc bien faire la part des choses : si on ressent facilement aux manches des écarts de comportement dynamique quand on touche au centrage (surtout autour du centrage neutre), ce n'est pas le cas avec les performances. A ce niveau, l’impact du centrage est faible à négligeable, et surtout hors de portée de notre capacité à le ressentir.

     

    Conclusion… et test du piqué

    Donc, pour conclure : baser le réglage du centrage sur les perfos (que ce soit « mesurées » au vario ou au feeling, c’est à dire, soyons sérieux, au pifomètre) ne fonctionne tout simplement pas. A contrario, le test du piqué correctement mené permet de facilement déceler des écarts de centrage de seulement 2% de marge statique, alors qu’un vario ne verra même pas 20%. Autrement dit, il est bien plus précis de mesurer les effets du réglage de la stabilité par un test de stabilité plutôt que par une mesure aléatoire des conséquences indirectes sur la perfo (sauf coup de chance, mais ne pas en faire une généralité !), ce qui est finalement assez logique.

    Par contre, réaliser le test du piqué correct ne s’improvise pas, sinon on peut lui faire dire tout et son contraire (ce qui est certainement ici le fond du problème). Il faut donc être méthodique, notamment avec le réglage de la condition d’équilibre. Celle-ci se fait via le trim de profondeur qu’on règle spécifiquement pour le test du piqué de manière à avoir une vitesse de vol naturelle (c.a.d. en lâchant le manche de profondeur pour laisser vivre le modèle) plutôt lente (par rapport au domaine de vol du modèle, donc une vitesse d'équilibre nettement plus proche du décrochage que du plein badin). Autrement dit un Cz d'équilibre plutôt élevé (typiquement 0.6 à 0.8) par rapport à un Cz de réglage classique (typiquement 0.3) et surtout par rapport à celui rencontré pendant le test (typiquement autour de 0.1). Dans l'exemple ici, la vitesse d'équilibre réglée pour le test du piqué serait d'environ 25 km/h.

    Le réglage du trim de profondeur [pour obtenir l'équilibre voulu] doit être refait à chaque modification du centrage, et n’est pas adapté aux vols normaux où on cherche généralement des vitesses d'équilibre plus élevées. Une fois la pente de descente inscrite, il ne faut pas non plus oublier de lâcher complètement le manche de profondeur. Autrement dit, pas la peine de faire un « piqué de la mort » en restant poussé à fond sur le manche ni de faire le test un jour de gros temps, où il est impossible de trimmer pour un vol lent, ça ne donnera rien d’autre que des conclusions erronées.

    Si on matérialise le test du piqué sur le diagramme du moment total en tangage versus le Cz de l'aile, on constate que plus le Cz de réglage (avant de lancer le test) est élevé et plus le moment de rappel de l'appareil, quand on le place à un Cz faible (ici 0.1) lors du test, est important (pour une marge statique donnée) et donc plus le test du piqué est parlant. A contrario, plus la condition de réglage du trim de profondeur est proche de la condition de test et moins le test du piqué sera parlant. Ici, le moment de rappel à Cz_reg = 0.3 est 60% moins important qu'à Cz_reg = 0.6, tandis que si on trimme pour Cz_reg = 0.1 (typiquement vol dans le gros temps), le moment de rappel est tout simplement nul.

    Le test de mise sur le dos donne aussi de bons résultats, mais avec deux biais possibles dont il faut tenir compte : le piqueur moteur doit être correctement réglé (sinon un mauvais réglage interfère avec l'équilibre longitudinal d'un avion) et l'appareil doit être capable d'évoluer sur le dos sans trop chuter (sinon la compensation à piquer pour conserver l'altitude fausse le test). Il ne faut pas non plus faire ce test en montée, sinon on fausse encore plus le résultat, mais à plat. Le principe de ce test est similaire à celui du piqué (on sort l'appareil de sa condition d'équilibre), à la différence prés qu'on n'observe pas la réaction de l'appareil livré à lui-même mais la compensation à piquer que l'on doit appliquer pour maintenir la trajectoire.

    Si on regarde maintenant ce qu'il se passe lors d'un test du piqué ou de mise sur le dos avec un centrage neutre (courbe CmCG horizontale) : l'appareil conserve la nouvelle condition de vol, quelle qu'elle soit, sans tendance à revenir à la condition initiale. En conséquence, dans le cas du centrage neutre, le réglage du trim de profondeur est invariant et n'a pas à être re-réglé, quelle que soit la condition d'équilibre recherchée (hors décrochage évidemment).

    Pour finir, il faut aussi rappeler que ces tests sont itératifs, on identifie d'abord de manière qualitative si l'appareil est centré avant, neutre ou arrière (pas souhaitable...), puis au fil des essais on cherche avant toute chose à trouver le centrage neutre, aussi appelé foyer. Ce dernier est un point bien précis (en étant soigneux, le test du piqué permet de le localiser à +/-1%, au pire +/-2%, de corde moyenne) qui va donner un comportement au test parfaitement neutre : sans accentuer la pente ni remonter au test du piqué, ou bien sans avoir à compenser à piqué au test de mise sur le dos. Et c'est seulement à partir de cette référence que constitue le centrage neutre qu'on peut enfin finaliser le réglage du centrage, en l'avançant de la valeur correspondant au type de vol souhaité, puis enfin en adaptant le débattement de la profondeur en conséquence pour avoir la vivacité souhaitée en tangage.

    Bref, ce n’est pas finalement bien sorcier... laissons le vario faire son job d’aider à trouver les ascendances et sortir des zones défavorables, et utilisons correctement les méthodes adaptées pour la mise au point de nos modèle réduit.

    A lire sur ce sujet : http://rcaerolab.eklablog.com/memento-meca-du-vol-p1326152

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