Les ailerons permettent de stabiliser et de maintenir la trajectoire de la fusée lors du vol.
Vous trouverez dans cet article différents techniques de construction des ailerons: les matériaux a utiliser, les moyens de découpes. Nous traiterons dans un premier temps de la taille ainsi que la forme conseillée.
Intérêt des ailerons
Le but des ailerons est d’assurer la stabilité de la fusée; c’est-à-dire permettre à la fusée de maintenir son orientation et sa direction. Si vous lancez une fusée sans ses ailerons, vous obtiendrez un déséquilibre entre le centre de pression (CP) et le centre de gravité (CG) qui se traduira par un vol instable: dangereux pour vous et votre environnement. En effet, sans ailerons, le CP est devant le CG. Ajouter des ailerons permet de faire en sorte que le centre de pression soit avant le centre de gravité du modèle.
Quelques figures pour illustrer tout ceci. En rouge le centre de pression (CP) et en bleu le centre de gravité (CG)
Pour plus de détails lisez l’article sur la stabilité des fusées.
Configuration des ailerons
Nombre d’ailerons
En général un modèle se compose de trois ou quatre ailettes, mais des configuration qui accueillent 5, 6 voir 8 ailerons peuvent aussi exister. En revanche, des configurations avec beaucoup d’ailerons, c’est à dire supérieur à quatre, n’apportent pas grand chose en terme de stabilité et auront juste un aspect esthétique un peu différent. Les modèles avec quatre ailerons sont en général plus facile à aligner vu que les ailerons devront être alignées symétriquement. Trois ailerons sont la meilleure configuration pour de la haute performance. En permettent de réduire la trainée au niveau de la jonction des ailerons avec le fuselage de l’ordre de 25 %. Les modèles à trois ailerons tournoient plus sur eux-mêmes que les modèles à quatre ailerons.
Augmenter le nombre d’ailerons aura pour conséquence de déplacer le Centre de Pression (CP) du modèle vers l’arrière.
Forme
Un autre facteur qui agit sur l’aérodynamique est la forme des ailerons.
La vitesse de vol de la fusée influe directement sur le type de forme préconisé pour les ailerons. Une forme d’ailerons efficace à vitesse subsonique (inférieur à la vitesse du son) n’est en général pas efficace à une vitesse supersonique. Vous trouverez ci-dessous quelques conseils dans le cas où vous souhaitez atteindre des vols à vitesse supersoniques ou si vous souhaitez optimiser les performances de vos fusées subsoniques. Si vous ne cherchez pas nécessairement la performance, des ailerons avec des formes différentes que celles décrites ci-dessous marcheront aussi correctement.
Vitesses subsoniques
Pour des vitesses subsoniques, la forme en ellipse est théoriquement la meilleure forme possible. Les Spitfire utilisés par les anglais durant la seconde guerre mondiale utilisaient ce type de forme pour les ailes. Cette forme permettait d’obtenir la rapidité et la manœuvrabilité propre aux Spitfire. Dans notre domaine, c’est une forme assez difficile à construire et on préfère généralement utiliser la forme trapézoïdale (clipped delta), qui est bien plus facile à construire sans trop détériorer l’aérodynamicité.
La figure ci-dessous illustre cette forme trapézoïdale:
- Le bord intérieur (Root Cord Length) est celui qui est en contact avec le fuselage de la fusée.
- Le bord opposé ou bord extérieur (Tip Cord Length).
- Le bord d’attaque (Leading Edge) correspond à la partie avant de l’aileron.
- Le bord de fuite (Trailing edge) correspond à la partie arrière de l’aileron.
- L’envergure de l’aileron est la distance mesurée perpendiculairement entre le bord intérieur et le bord extérieur. En gros c’est la distance radiale qui s’étends vers l’extérieur du fuselage.
- La longueur de corde est la distance entre le bord d’attaque et le bord de fuite, mesurée de manière parallèle au fuselage.
Une forme trapézoïdale considérée efficace a une longueur de corde égale voir quasiment égale à l’envergure. Le bord extérieur, quant à lui, devrait mesurer la moitié de la longueur de corde. Bien entendu, ceci n’est pas une règle absolue, mais un tel rapport permettra en général d’assurer un équilibre entre aérodynamicité et résistance.
Vitesses supersoniques
Pour les vitesses supersoniques, la forme optimale d’ailettes est le trapézoïde symétrique.
Le bord d’attaque est recentré vers l’arrière tandis que le bord de fuite est ramené vers l’avant.
Quel régime choisir si la fusée peut adopter les deux régimes de vitesse précédents?
Cela dépendra du but que vous souhaitez atteindre. Dans le cas où vous souhaitez atteindre l’altitude la plus élevé, il est conseillé d’opter pour du clipped-delta et donc d’optimiser le modèle pour de la vitesse subsonique. En effet, le modèle passera bien plus de temps en vitesse subsonique qu’en vitesse supersonique au final.
Dans le cas où c’est la vitesse maximale qui est visée (envie de faire un boom supersonique?) alors il faudra optimiser le modèle pour le régime supersonique. L’altitude est quant à elle laissée de côté, seule la vitesse primera. En effet, la haute vitesse produits beaucoup plus de forces de frottements même avec des ailettes travaillées.
Quelques idées de formes d’ailerons
Nous avons principalement parlé des ailerons trapézoïdales, mais il en existe bien d’autres! Voici un petit aperçu des variantes possibles:
A noter
A strictement parler la forme générale des ailettes n’est pas très importante tant que la relation entre le CP et le CG est respectée. En revanche l’envergure devrait être suffisante pour générer assez de portance. Gardez à l’esprit que l’envergure est toujours plus effective que la longueur de corde. Pour en savoir plus, une formule appelée Aspect Ratio permet d’obtenir le meilleur ratio par rapport à l’envergure. Mais en gros, la circulation de l’air proche du fuselage est considéré comme turbulente. L’air à distance du fuselage est considérée comme non-turbulente (laminaire). Les ailerons sont bien plus efficace à régime laminaire que turbulent. Hors plus l’envergure de l’aileron est grande, plus son extrémité sera au-dehors du fuselage et donc proche du régime laminaire et donc plus l’aileron sera efficace. Mais le problème c’est qu’en augmentant l’envergure on obtient des ailerons beaucoup plus fragiles… Une bonne pratique est de ne pas excéder une envergure supérieure à la longueur de corde et la longueur du bord extérieur ne devrait pas être moins de la moitié de la longueur de corde.
Bords d’attaque
Il est tout à fait possible de conserver les bords carrés pour vos ailerons pour plus de simplicité. Néanmoins, pour améliorer l’aérodynamique de l’aileron il est possible de travailler les bords d’attaques et les profilés de ces derniers. Dans tous les cas, les profilés devraient être les mêmes pour toutes les ailerons sous peine d’obtenir une traînée asymétrique qui peut causer une déviation de trajectoire ou un tournoiement.
Vitesses subsoniques
Pour les fusées qui volent à une vitesse subsonique (inférieure à la vitesse du son), le bord d’attaque devrait être arrondie et le bord de fuite devrait être taillé en V. Quant au bord extérieur, celui-ci devrait être laissé avec des extrémités carrées. Le bord intérieur, qui vient se fixer au fuselage n’est pas retouché.
Vitesses supersoniques
Dans le cas d’un modèle supersonique, le bord supérieur et le bord de fuite devraient être retouchés en V.
Les ailerons en canard
Les ailerons en canard désignent les ailerons situées en milieu de fuselage ou en extrémité proche de l’ogive. Ces ailerons n’ont pas pour but d’augmenter la stabilité, au contraire ils la dégradent. Le but de tels ailerons est avant tout esthétique, pour ressembler a de vrais missiles par exemple. En effet les ailerons en canards sur les vrais missiles permettent de le diriger.
Matériaux
Les matériaux utilisés pour la construction des ailettes dépendent directement de la taille du modèle ainsi que de l’utilisation de la fusée.
Balsa
Le balsa est un bois très léger (densité de 140 kg/m3) qui pousse dans les forêts équatoriales d’Amérique du Sud et Centrale. Il est souvent utilisé en modélisme, et peut se trouver dans de tels magasins.
Ce type de bois est particulièrement utilisé dans les fusées de type LPR (Low Powered Rockets) qui utilisent des moteurs pas plus grands que des classes D / E. L’épaisseur des ailettes varie de 1,5 mm d’épaisseur pour les plus petits modèles à 3-4mm pour les plus gros modèles. Il existe une assez grande variété de balsa plus ou moins résistants et donc plus ou moins légers. En général plus le bois est clair plus il est léger et moins il est résistant.
Voici un tableau qui donne une indication générale de l’épaisseur des ailettes en balsa en fonction du moteur utilisé.
| Épaisseur | Moteurs |
|---|---|
| 1.5mm à 2mm | A, B |
| 2.5mm | B et C |
| 3mm | D et E |
Il n’est pas conseillé d’utiliser des ailettes en balsa pour les fusées ayant un moteur au-delà de la classe E.
Contreplaqué multiplis
Le contreplaqué offre une meilleure résistance que le balsa. Ce type de matériaux est souvent utilisé dans les fusées qui utilisent des moteurs supérieurs à la classe E / F. Vous trouvez de telles ailettes dans les kits LOC par exemple. Certains modèles à haute puissance utilisent aussi du contre plaqué pour les ailettes. Mais c’est souvent sous une forme mixte, c’est à dire avec des couches de fibres de verre pour obtenir une structure encore plus robuste.
En général le contreplaqué utilisé est celui que l’on trouve en aviation, c’est à dire du bouleau.
| Épaisseur | Moteurs |
|---|---|
| 2.5mm | D, E, F |
| 3mm | F, G |
| 5mm | G, H, I, J |
| > 6 mm | I, J, K+ |
Fibre de verre / Époxy
Le G10 est de la fibre de verre hautement compressée et stratifiée à la résine époxy haute température. Cela ressemble au circuits imprimés utilisés dans les ordinateurs. Ce matériau est assez rigide tout en ayant une certaine souplesse lors de l’application de charges importantes. Un des avantages principaux des ailerons en fibre de verre est la possibilité d’utiliser des épaisseurs beaucoup plus fines tout en ayant une résistance beaucoup plus importante que le contre plaqué par exemple. Un autre gros point positif est le poids beaucoup plus faible de l’aileron.
En revanche la fibre de verre est assez difficile a travailler et assez couteuse au final.
La fibre de verre est conseillée dans les modèles à haute puissance.
| Épaisseur | Moteurs |
|---|---|
| 1.5mm | G, H |
| 2.5mm | H, I, J |
| 3mm | I, J, K+ |
Carbone
Les plaques de carbone permettent de réaliser des ailerons très robustes. En revanche de tels ailerons sont assez coûteuses et sont légèrement plus dures a travailler que la fibre de verre.
Composites
Par composites j’entends le mélange des matériaux précédents.
Il est possible par exemple de réaliser des ailerons avec une composante centrale en contre plaqué qui seront renforcées à l’extérieur, par des couches en fibres de verre voir en fibre de carbone. Ce type d’alliage permet de combiner les avantages des différents matériaux en réduisant les coûts par rapport à des ailettes en fibres de verre ou de carbone complète…
Découpe
Avant la découpe tracez le modèle de l’ailette sur le support utilisé ou alors utilisez un patron en carton de l’aileron.
Balsa:
-
Sens des fibres:
Dans le cas des ailerons en balsa, il est nécessaire de respecter certaines règles. Suivant l’angle de découpe, les ailerons pourront êtres plus ou moins résistantes. Veillez a ce que le grain du bois (le sens des fibres) soit parallèle au bord d’attaque. Si le grain est parallèle au corps de la fusée, alors l’aileron cassera très rapidement.
-
La découpe:
Un simple cutter pour la découpe ainsi qu’une règle en métal font l’affaire. Ne cherchez pas a découper l’aileron en une fois. Plusieurs passages de lames donnent un meilleur résultat et permettent d’éviter d’écraser le balsa.
Contre plaqué:
Pour la découpe de contre plaqué utilisez une scie à dent assez fine. Une scie a métaux peut faire l’affaire dans le cas de contre plaqué peu épais. Pour les épaisseurs plus importantes on peut utiliser des outils électriques comme la scie-sauteuse voir une scie à ruban par exemple…
Fibre de verre et carbone:
Dans ces cas là j’utilise la scie a métaux si c’est pas trop épais autrement je détoure le patron en perçant des trous à la perceuse à colonne puis je termine a la rappe, lime et papier de verre. Pensez a porter un masque quand vous travaillez ces matières, elles sont assez nocives.
Montage et fixation
Marquage et préparations
Pour éviter d’avoir des ailerons qui ne seront pas droites il est préférable de préparer un peu l’alignement des ailerons. Cette préparation commence par le marquage des points de fixation sur le fuselage.
La première étape consiste a déterminer l’emplacement des ailettes suivant leur nombre et le diamètre externe de votre fuselage. Pour ce faire vous aurez besoin d’une bande de papier et de déterminer la circonférence du tube.
Par exemple: j’ai un tube de 3 pouces de diamètre, soit 7.62 cm (3.0 * 2.54).
La circonférence sera de 76,2 mm * pi = 239,268 mm soit 23.9 cm
J’ai 4 ailerons a placer. Il faut diviser la circonférence par 4 pour déterminer l’espace entre chaque ailerons:
23.9 / 4 = 5,975 cm
Il suffit de placer 3 marques a 5.975 cm de distances chacune sur la bande de papier.
Enroulez cette bande de papier sur votre fuselage et marquez le fuselage aux emplacements des ailerons. Puis utilisez un profilé en L angulaire pour tracer les lignes d’emplacement des ailerons (cela permet de tracer des lignes droites sur votre tube). Une autre méthode est d’utiliser l’encadrement d’une porte pour faire des traits droits.
Pour aligner au mieux les ailerons, vous pouvez soit utiliser une feuille d’alignement (lien BSD), ou des guides de différentes sortes.
La guillotine pour ailerons : Il s’agit d’un outil permettant d’obtenir un alignement parfait sur des diamètres de tubes variés. Le concept consiste a maintenir et bloquer le tube de fuselage a l’horizontale tel une guillotine. Puis un système d’équerres permet de bloquer de manière perpendiculaires les ailerons qui viendront se coller sur le tube.
Note: OpenRocket, un logiciel de simulation, permet d’imprimer directement un patron d’ailerons, ce qui peut être pratique.
Fixation directe sur le fuselage
Dans cette configuration, les ailerons sont directement collées sur le fuselage. C’est le cas le plus classique sur les petites fusées, celles avec des ailerons en balsa. Pour augmenter la surface d’adhérence de l’ensemble, poncez au préalable les emplacements de fixation des ailerons de sorte a enlever la partie lisse qu’il y a souvent sur les tubes. Puis appliquer de la colle sur la base de l’aileron ainsi que sur l’endroit de fixation désiré. De la colle aliphatique est ce qu’il y a de mieux pour ce type de fixation balsa + tube carton.
Certaines fusées à haute puissance (HPR) qui disposent d’un diamètre minimum utilisent également ce système. On parle de fusée a diamètre minium car le fuselage du modèle accueille directement le moteur à l’intérieur de ce dernier. Dans ce genre de fusées, il est cependant très important de renforcer l’ensemble ailerons/fuselage. Pour ce faire on renforce l’extérieur du tube à l’aide de fibre de verre, de fibre de carbone ou d’un alliage des deux. Cette technique est appelée Tip-to-Tip.
Encoches pour ailerons
Pour les fusées HPR, la fixation des ailerons se fait différemment que pour les plus petits modèles. Les ailerons traversent directement le fuselage pour venir se fixer sur le tube porte moteur. Une telle configuration permet d’augmenter la solidité de de l’ensemble.
Une telle configuration a l’avantage d’assurer une meilleure solidité de l’ensemble ailerons/bloc moteur en offrant 6 points de fixations pour chacun des ailerons.
La solidité peut encore être améliorée en rajoutant de la mousse expansive bi-composant dans les interstices créée par les ailerons. L’ensemble bloc moteur + ailerons sera alors très robuste.
Réaliser des encoches pour ailerons:
Je n’ai pas de conseils particuliers pour la réalisation des encoches (slots), à part d’utiliser la technique précédente de la bandelette de papier pour bien marquer a la surface du fuselage la position des ailerons. L’utilisation d’un outil multifonctions est très utile pour la découpe dans les tubes épais.
Filets
Les filets sont la jointure extérieure entre les ailerons et le fuselage. Cette jointure permet d’augmenter la solidité de l’aileron mais également d’améliorer l’aérodynamique. Les filets devraient êtres réalisés sur tous les ailerons peu importe la puissance du modèle.
Encore une fois pour les modèles de faible puissance pour réaliser les filets, vous pouvez utiliser la même colle que pour la fixation des ailettes : colle aliphatique (colle à bois). En revanche pour les plus grands modèles, on utilise de l’époxy.
Réaliser les filets
L’idée générale est d’appliquer du ruban masquant de part et d’autres du filet de l’aileron sur laquelle on travaille de sorte a avoir une belle rigole. Puis d’appliquer la colle dans cette rigole. Une fois la colle déposée on passe avec le morceau de tuyau, qu’on aura préalablement trempé dans le solvant, le long du filet. L’excédent de colle se déportera sur le ruban masquant, lors du passage. Il est conseillé de faire plusieurs passage pour avoir un bon résultat, et toujours dans le même sens. Entre chaque passage, il faut nettoyer le tuyau de l’excédent de colle à l’aide du chiffon et ré-appliquer du solvant. Finalement en enlève le ruban masquant où s’est déposé l’excédent de colle. On obtient un filet parfait.
Matériel nécessaire pour réaliser les filets:
L’exécution nécessite un peu de préparation, il vous faudra:
– Un moyen de maintenir votre fuselage a l’horizontale sans bouger.
– Ruban masquant.
– Colle (époxy ou colle aliphatique comme expliqué ci-dessus).
– Un morceau de tuyau en caoutchouc avec une surface lisse ou alors une cuillère en plastique ou encore votre doigt si vous n’avez rien de tout ça.
– Du solvant tels que de l’essence F ou de l’alcool a brûler.
– Essuie-tout ou alors un chiffon pour nettoyer l’excédent de colle.
Procédure
- Placez le modèle à l’horizontale avec 2 ailerons pointés vers le haut de sorte a former un sorte de V. Les deux filets qui sont à l’intérieur du V seront réalisés.
- Appliquez du scotch aux extrémités des filets que vous souhaitez réaliser. C’est sur ce ruban masquant que se retrouvera le surplus de colle. Appliquez aussi du ruban aux extrémités des filets pour faire une belle rigole.
- Préparez votre colle. Si vous utilisez de l’epoxy prenez au moins de la 15 minutes, plus si vous souhaitez être plus tranquille. Pour ce genre d’application j’aime bien avoir du temps devant moi donc en général je prends de l’epoxy 30 minutes.
- Appliquez de l’epoxy dans la rigole formée par le scotch. Vous pouvez soit placer la colle a une extrémité et ensuite placer le fuselage a la verticale de sorte faire glisser la colle le long de la rigole, mais c’est vite problématique si vous réalisez deux filets en même temps. Je préfère en général essayer d’appliquer la colle uniformément le plus possible a la main. Petite astuce pour l’epoxy : on peut la fluidifier avec de l’alcool.
- Une fois la colle appliquée en quantité suffisante il est temps de réaliser les filets a l’aide soit d’un outil : tuyau en caoutchouc, cuillère OU alors votre doigt tout simplement. L’idée est de tremper l’outil ou une partie dans l’alcool a brûler/essence F et de passer le long du filet de sorte a réaliser un beau filet. L’excédent de colle se déportera sur les côtés et se déposera sur le ruban masquant. Il est parfois nécessaire de faire plusieurs passages. Entre chaque passage, nettoyez l’outil avec le chiffon et ré appliquez, encore une fois le solvant.
- Une fois que vous êtes satisfait de votre filet et avant que la colle ne se solidifie complètement, retirer le ruban masquant qui aura alors l’excédent de colle. Faites cette opération délicatement.
- Si de la colle se trouve là où elle ne devrait pas être, utilisez votre chiffon que vous aurez un peu trempé dans le solvant pour nettoyer les surfaces. Pour les coins délicats, j’utilise des cotons-tiges qui sont trempés dans le solvant.
- Laissez sécher une journée entière et évitez d’appliquer une force de torsion sur les filets pendant qu’ils sèchent (en gros ne pas tripoter les ailerons), c’est le meilleur moyen d’éviter les craquelures et permettra d’avoir un filet bien lisse qu’il faudra poncer avant de passer a la peinture!
Exemples de moteurs à usage unique de la marque Aerotech.
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