GRAUPNER SOLARIS : le premier modèle réduit d'avion électrique fonctionnant exclusivement à l'énergie solaire

Les cellules solaires sont considérées comme une source d'énergie d'avenir et se sont surtout fait connaître grâce à leur utilisation dans le domaine spatial.

Le laboratoire spatial Skylab, la sonde solaire Helios et les deux sondes de recherche Viking 1 et 2, qui recherchent actuellement des formes de vie sur notre planète voisine, Mars, sont des exemples récents de l'utilisation réussie des cellules solaires.

Mais sur Terre aussi, la conversion d'énergie des cellules solaires est déjà exploitée. Les stations météorologiques automatiques, les répéteurs FM et de télévision en montagne, les bornes d'appel d'urgence sur autoroute, mais aussi des objets du quotidien tels que les montres, les radios et les lampes de poche sont autant d'exemples d'applications qui tirent leur électricité du soleil grâce à des cellules solaires.

La cellule solaire est un mince disque capable de transformer directement la lumière qui le frappe (lumière solaire ou artificielle) en énergie électrique.

Le sélénium ou le silicium sont les principaux matériaux de base utilisés pour la fabrication d’une cellule solaire.

En fonction de la composition spectrale de la lumière incidente et de la structure de la cellule, la conversion d'énergie s'effectue avec des rendements d'environ 10 à 14 %.

Pour les essais avec le voilier solaire, on a utilisé des cellules solaires de fabrication américaine. Une cellule de ce type délivre 0,45 V/250 mA à plein rendement lumineux et avec une adaptation optimale au consommateur. Pour obtenir des tensions et des intensités de courant plus élevées, il faut relier plusieurs cellules entre elles pour former des batteries solaires (générateurs solaires). Grâce au rayonnement solaire, une seule cellule suffit déjà à faire tourner le moteur MICRO du Dr Faulhaber.

À l'occasion d'une visite de Fred et Wilma Militky à Berlin en janvier 1976, une rencontre a lieu avec Hilmar Bentert.

À cette époque, Hilmar Bentert possède déjà, à des fins de recherche, des cellules solaires de forme carrée qui, assemblées pour former une batterie solaire, peuvent fournir une puissance d’environ 6 watts.

De plus, Bentert dispose d'un système de pilotage à un axe très léger.

Les deux concepteurs réfléchissent depuis longtemps à l’idée de créer un modèle réduit d’avion à propulsion électrique dont l’alimentation électrique serait assurée exclusivement par l’énergie solaire.

Il va de soi que, lors des discussions à Berlin, une proposition de collaboration voit le jour, visant à tirer parti de leurs expériences respectives. Bentert est prêt à mettre à disposition ses cellules solaires et son système de télécommande, tandis que Militky apporte sa longue expérience dans la conception de modèles propulsés électriquement à très faible puissance.

Dès son retour de Berlin, Militky se met immédiatement au travail sur le système de propulsion électrique et la cellule. Pour ce faire, il s'appuie sur le moteur à induit en cloche haute performance MICRO du Dr Faulhaber, qui a déjà fait ses preuves : malgré son poids minime, il présente un rendement exceptionnellement élevé et délivre des puissances importantes. Les moteurs de type MICRO sont d’ailleurs également intégrés dans les servomoteurs GRAUPNER MICRO 05 et C 05. Ce n’est qu’en utilisant ces moteurs qu’il a été possible de concevoir ces servomoteurs avec un poids aussi faible, des dimensions réduites, une force et une vitesse de commande élevées, ainsi qu’une consommation électrique extrêmement faible.

Une fois les caractéristiques essentielles du système de propulsion électrique et du modèle réduit de l'avion déterminées, un prototype est conçu afin de réaliser l'ensemble des essais préliminaires.

Le générateur solaire est alors remplacé par une batterie VARTA NC de même puissance (6 watts). Cette mesure est prise afin que, compte tenu des nombreux essais nécessaires,

Fred Militky †, à droite sur la photo, a également joué un rôle déterminant dans le développement de l'aviation électrique à énergie solaire.

Les essais préliminaires, au cours desquels il faut s'attendre à des chocs d'atterrissage parfois violents, n'endommagent pas les cellules solaires sensibles.

Pour gagner du temps, le prototype est équipé d’une aile et d’un empennage fournis par Horst Händler, le célèbre modéliste de Magnet, provenant de l’un de ses planeurs ultralégers et dont la géométrie correspond à peu près à celle du modèle définitif.

Le fuselage est constitué d’une simple latte en balsa. Il n’y a pas de télécommande. Le moteur peut être coupé à l’aide d’un minuteur.

S'ensuivent des essais en vol approfondis avec le modèle d'essai, qui présente une masse en vol de 605 g.

Dès le 4 avril 1976, Fred Militky réussit un premier vol ascendant timide. Le moteur est coupé à temps. La durée de vol est d’environ 100 secondes, la distance parcourue d’environ 400 m. Les conditions d’un succès futur sont ainsi déjà réunies, puisque le planeur solaire définitif est prévu pour avoir une masse en vol inférieure à 500 g.

Néanmoins, de nombreux autres essais sont menés afin d'optimiser le système de propulsion électrique. À l'issue de ces tests intensifs, d'excellents vols ascendants sont réalisés le 19 avril 1976, au crépuscule.

Les essais préliminaires peuvent ainsi être considérés comme terminés. Il est désormais possible de se lancer dans la construction du modèle définitif.

Militky tombe malade à cette époque et les travaux sont interrompus jusqu’à la mi-juillet. Afin d’éviter tout retard supplémentaire, d’un commun accord entre les trois membres de l’équipe initiale, l’équipe chargée de la création du nouveau voilier solaire définitif est renforcée par les collaborateurs suivants de GRAUPNER : Horst Händler, Günther Oswald, Richard Robitschko, ainsi que, en tant que collaborateurs indépendants : Wolfgang Schwarze et Werner Westphal.

De nouvelles cellules solaires sont acquises, permettant de monter une batterie solaire d’une puissance supérieure (10 W).

Cette puissance accrue permettra d’équiper le modèle d’avion solaire définitif d’une télécommande permettant de contrôler à la fois la gouverne de direction, la gouverne de profondeur et le moteur (marche/arrêt).

C’est la nouvelle télécommande GRAUPNER/GRUNDIG VARIOPROP FM 27, résistante aux interférences et ayant fait ses preuves, qui est installée.

Le modèle définitif est prêt à voler le 31 juillet 1976 et est baptisé SOLARIS. Il pèse 605 g, soit, par hasard, exactement le même poids que le modèle d'essai.

On peut donc s’attendre d’emblée à un succès avec le planeur solaire définitif, puisque le modèle d’essai, pour un poids identique mais une puissance nettement inférieure de 6 W, a déjà effectué des ascensions sans faille.

Cette réflexion s'est d'ailleurs avérée juste dès les premiers vols d'essai.

Dans la conception globale du voilier solaire, il est à noter que certaines étapes de développement plus simples ont été directement ignorées et que l'on a opté pour la solution la plus difficile sur le plan technique, mais bien sûr la plus séduisante.

Des solutions plus simples auraient par exemple consisté à utiliser une source d’énergie miniature comme aide au décollage, afin de surmonter la phase la plus difficile du vol près du sol, ou à prévoir, pour l’alimentation du moteur électrique, une batterie NC qui serait en permanence « chargée » (recharge). Ce système permet lui aussi une mise en œuvre plus simple du vol électrique à l’énergie solaire.

Le 16 août 1976, le moment était enfin venu. Le décollage du planeur solaire était imminent, un grand moment pour l'équipe.

Les conditions météorologiques étaient favorables au départ, mais elles se sont nettement détériorées pendant la phase de préparation du vol. Un voile de brume s'est posé devant le soleil, que des nuages ont parfois recouvert. Malgré tout, trois vols parfaits d'une durée d'environ 2 minutes et demie chacun ont pu être effectués en fin de matinée. À chaque fois, une altitude d'environ 50 m a été atteinte.

Cet événement marquant a été immortalisé sur pellicule et en photo. Hormis les données mentionnées ici, SOLARIS ne dispose ni de plans, ni de dessins, ni de données supplémentaires.

Cette expérience avait pour but de déterminer s'il était possible d'utiliser directement l'énergie convertie par les cellules solaires pour propulser un modèle réduit d'avion. SOLARIS a clairement démontré que cela était possible.

Le développement dans cette voie n’en est encore qu’à ses débuts. Mais on peut considérer comme certain qu’à l’avenir, l’énergie lumineuse du soleil sera également utile pour l’aviation électrique

. Pour l'instant, ce sont surtout des raisons de coût qui s'opposent à l'utilisation en série de cellules solaires dans le modélisme.

Mais si l’on se base sur l’évolution des prix des transistors et notamment des circuits intégrés, qui ont permis l’apparition des calculatrices électroniques et des montres numériques à bas prix, il serait tout à fait envisageable que les cellules solaires puissent, à terme, être utilisées à grande échelle de manière judicieuse.

Une évolution techniquement intéressante serait celle de cellules solaires en forme de bandes, qui pourraient être simplement collées sur l’aile. Peut-être se profilera-t-il même un jour la possibilité d’intégrer directement les cellules solaires dans le tissu d’entoilage.

Avec SOLARIS, une voie intéressante a été ouverte pour le modélisme.