• Centrage, perfos et ressenti

    Publication : 30.08.2019, dernière MAJ : 22.09.2020

    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.

     

    Sommaire

       Les principaux effets du centrage
       Mesures... et incertitude(s) de mesure
       Analyse numérique d’un planeur
       Dépouillement des résultats
       En résumé
       Ca vient d’où ?
       Conclusion… et test du piqué

     

    Les principaux effets du centrage

    Avant d'étudier l'article sur le centrage cité en introduction, un petit mot sur l'extrait ci-avant. 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 d'abominables 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).

    - Le centrage modifiant l'équilibre longitudinal en même temps que la stabilité, on constate que plus on avance le centrage et plus il faut retrimmer à cabrer la commande de profondeur pour conserver le même régime de vol manches lâchés.

    - 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 (mis à part le re-réglage du trim de profondeur), 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 incertitude(s) 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 de Modèle Magazine, en proposant notamment de faire une mise au point du planeur avec un variomètre.

    Etonnamment, aucune donnée chiffrée n'est produite dans cet article pour étayer cette méthode, sans même un seul exemple de mise au point, avec les valeurs "avant" et "après". Ce n'est peut-être pas si simple...  et pour cause : il suffit d'accumuler les heures d'enregistrement en vol pour se rendre compte que les résultats varient tellement, y compris au cours du même vol, qu’ils ne permettent absolument pas de trancher catégoriquement. Et cela même [et surtout] en étant particulièrement méthodique.

    Et c’est normal ! En effet, pour dévoiler la conclusion de ce qui suit, le seuil de détection de nos instruments (type cellule barométrique ou gps) est largement insuffisant pour capter la variation des performances [quand on touche fortement au centrage], variation elle-même d'un ordre de grandeur très inférieur à la stabilité d’une couche d’air qui semble parfaitement calme et à la capacité d'un pilote à reproduire les mêmes conditions de vol d'un réglage à l'autre. En réalité, rien que l'obtention de mesures de performance à peu près fiables au premier chiffre significatif est déjà une gageure. Capter la variation de ces performances par tel ou tel réglage (si tant est que ledit réglage a une influence) relève alors de l'utopie.

    Détaillons tout cela :

    - Première difficulté, la précision de mesure du taux de chute (c'est la principale grandeur physique mesurée, avec la vitesse sur trajectoire) : celle du capteur UniSens-E recommandé 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 d'une variation de grandeur mesurée) de 0.1 m/s, soit une précision qu’on peut estimer autour de 0.2 m/s, au mieux. Or on cherche à mesurer des écarts inférieurs à 0.1 m/s (nous détaillerons plus loin ce chiffre)...

    - 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.

    - Dernier écueil, et non des moindres, 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.

    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, quelques +/- 0.1 m/s, 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, s'il est correctement mené, sa finesse de réglage du centrage est autrement plus discriminante. Nous détaillerons cela plus loin.

    En avant de poursuivre, un rappel : en planeur grandeur, les variomètres sont considérés comme des indicateurs de tendance et non comme des instruments de mesure. Cela est aussi vrai pour les variomètres à énergie totale. A ce sujet, voici un excellent article sur l'implémentation de ce type de vario en planeur RC ici, avec un enregistrement très intéressant sur la dispersion de mesure de ce type de capteur :

     

    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 influant. Et c’est exactement ce qu’a fait Matthieu Scherrer avec un Jibe2 (quelques résultats ici, en lien direct avec la thématique abordée dans ce papier, ainsi que 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% (voire 10% dans certains cas) 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 : à basse vitesse, plus on avance le centrage et plus le chargement de stab diminue, jusqu'à devenir déporteur, (attention, c’est l’inverse sur un canard) pour conserver l'équilibre longitudinal. Autrement dit, plus on avance le centrage et plus il faut recaler le stab (ou simplement le trim de profondeur) à cabrer, et inversement. 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 (c'est la limite de manœuvrabilité) ; 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 dégrade le taux chute (et fausse la mesure, si on recherche le taux de chute mini) 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.

    - On peut aussi constater que régler le centrage pour avoir un stab neutre [à un point de fonctionnement donné] n’est pas l’optimal, contrairement à ce qui affirmé dans certains ouvrage anciens (voir livres de Marcel Chabonat, RCMAero de Serge Barth, etc.). Ici, pour ms% = 0, le meilleur taux de chute est obtenu avec un Cz de stab de +0.13 ; avancer le centrage de 10% permet d'avoir un Cz de stab nul au même point de fonctionnement, mais pourtant le taux de chute est dégradé. Il en va aussi de même pour la finesse max. Cela est assez contre-intuitif de prime abord, mais s'explique en fait simplement : le complément de portance qu'apporte le stab non neutre est peu coûteux en traînée supplémentaire (versus la traînée globale de l'appareil), ce qui fait que les ratios Cz/Cx (finesse) et Cz3/Cx2 (facteur de taux de chute) y gagnent. 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.

     

    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 éluder la théorie du centrage pour avoir un stab neutre, finalement contre-productive.

    Donc, pour résumer : le centrage, qui sert à régler le compromis stabilité versus manœuvrabilité de l'appareil, n'a aucun effet induit majeur mis à part le décalage de l'équilibre longitudinal (lui-même réglé par le trim de profondeur). Ce réglage peut donc être utilisé pour sa fonction principale et uniquement pour cela, ce qui une bonne nouvelle pour la mise point d'un avion, finalement pas si compliquée si on prend les réglages dans le bon ordre et avec la bonne méthode. De plus, il faut dédramatiser la chose, la plage de centrage utilisable, c.a.d. entre "trop avant" et "neutre", est généralement assez large sur la majorité des appareils, sauf quelques exceptions (ailes volantes, canards). Pour les appareils courants, il n'y a d'ailleurs pas réellement d'impératif absolu à centrer aux petits oignons, même si c'est toujours mieux tant pour les qualités de vol que l'agrément de pilotage.

    Un exemple typique de plage de centrage acceptable sur un appareil à volume de stab classique :


    NOTA: en grandeur, par sécurité, la plage acceptable est margée (de généralement 5%) devant le foyer et derrière la limite de manœuvrabilité.

    Pour finir d'enfoncer le clou, un petit mémo de Mark Drela à lire sur ce sujet.

     

    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 0.1% 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. Par ex., sur un seul aller-retour Paris New-York, gagner 0.5% de traînée sur un A380 représente presque une tonne de kérosène, soit une véritable fortune sur la durée d'exploitation de l'avion (sans parler des émission de GES associées).

    - D’autre part, notre perception intuitive des choses nous joue des tours (surtout si on a en tête le point précédent, c'est un biais classique…), 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 une mesure des perfos (que ce soit au vario ou au feeling, c’est à dire, soyons sérieux, au pifomètre) ne fonctionne tout simplement pas, car l'effet [du centrage sur les perfos] est non seulement négligeable mais, aussi et surtout, non mesurable. De plus, indépendamment de la problématique des réglages, l'acquisition de mesures fiables est déjà une énorme difficulté en elle-même, même si on se contente du premier ordre de grandeur.

    L'absence totale de données chiffrées, tant dans les articles techniques que les essais du promoteur de cette méthode, est d'ailleurs un aveu en lui-même. En particulier dans ceux qui se veulent "pointus", comme par exemple le comparatif de grands planeurs de perfo publié en août 2020 dans la revue MMag, rien que des valeurs clés comme le taux de chute mini ou la finesse max (sans même parler de l'influence des réglages sur ces valeurs...) auraient été un minimum pour étayer cette démarche vendue avec aplomb comme étant la seule valable.

    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 (et logique) 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. Par contre, réaliser un test du piqué correct (la méthode et les enjeux sont décrits sur cette page) ne s’improvise pas, sinon on peut lui faire dire tout et son contraire, ce qui est certainement ici le fond du problème.

    Bref, ce n’est pas finalement bien sorcier, ni simpliste d'ailleurs : 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

    Copyright Franck Aguerre / RC Aero Lab