De la construction des longerons des grandes plumes

Au moment où toujours plus de modélistes investissent des sommes considérables dans l'achat de grands planeurs déjà construits, on peut se demander s'il est encore utile de décrire une technique de construction des longerons. Les lignes qui suivent y répondent par l'affirmative car on rencontre encore des modélistes «purs et durs» qui développent et construisent leurs propres modèles, tant par souci d'économie que par plaisir de création. De plus, lorsqu'il s'agit de modèles exceptionnels, il est préférable de réaliser la construction soi-même pour éviter d'acheter un cheval de Troie dont on ne sait pas ce qu'il a dans le ventre ou plutôt dans les ailes. J'ai eu l'occasion d'assister à la rupture d'une aile d'un Duo Discus de 6,7 m d'envergure en vol à vitesse moyenne, issue*

d'un atelier germanique renommé pour ses grandes plumes. La construction de l'aile était telle que je ne l'aurais pas appliquée à la construction d'un modèle de 4 m d'envergure. Mais il ne faut pas non plus tomber dans l'autre excès que l'on trouve parfois décrit dans les revues spécialisées, où le modéliste, très fier, parle de son aile en béton (l'omission des fers est étonnante: le béton non armé n'est pas très résistant!). Si une aile a besoin d'être «bétonnée» pour résister aux contraintes d'un vol musclé, c'est que sa conception aérodynamique est erronée, le plus souvent à cause d'une combinaison de profils avec des courbures et des angles de portance nulle différents.*

Lors de la construction des grandes plumes qui nécessitent l'incorporation d'un longeron, surtout si l'allongement est supérieur à 30, les*

Nous appelons ici longeron les semelles qui avec l’âme forment le longeron. Les ailes d’un planeur sont soumises à deux contraintes principales: la flexion et la torsion. La résistance à la flexion est assumée à 90% par le longeron, les 10% restants par l’enveloppe de l’aile. Par contre, la torsion est entièrement assumée par l’enveloppe de l’aile²⁾. Dans la construction en «sandwich» de nos modèles, l’implantation d’un longeron correctement dimensionné permettra d’assumer les grandes contraintes dues à la flexion. Ces contraintes sont essentiellement provoquées par la portance de l’aile. En vol horizontal, la portance correspond approximativement au poids du modèle. Comme la portance et le poids de l’aile sont répartis sur toute l’envergure, on peut considérer que le poids de l’aile n’induit pas de moment de flexion dans l’aile (moment = produit d’une charge par le bras de levier au point d’appui). Par contre, le fuselage qui ne génère aucune portance représente la charge que la portance doit compenser en vol horizontal. Mais chaque modification de la configuration de vol induit une modification de la charge due au fuselage à cause de la force centrifuge (vol en spirale, courbe rapide, ressource, etc.). Rappelons que la force centrifuge dépend directement de la masse du modèle et du*

carré de sa vitesse et qu’en doublant la vitesse, par exemple, la masse augmente de 4 fois.*

Trop souvent on ne réalise pas que nos modèles, et surtout ceux de la catégorie F3B, sont soumis à des facteurs de charge qui peuvent atteindre des valeurs supérieures à 30, c’est-à-dire 30 fois la masse du modèle. Pour mémoire, le facteur de charge g correspond à l’accélération de la pesanteur; g = 10 correspond à 10 fois le poids du modèle. Remarquons ici que les avions grandeur ne sont pas conçus pour encaisser des facteurs de charge aussi élevés que ceux de nos modèles parce que le corps humain n’y résisterait pas longtemps, malgré les combinaisons dites anti-g. Par ces quelques considérations on constate que les longerons de nos modèles doivent assumer de très grandes contraintes; il s’agit donc de les construire solides, pas trop rigides et légers. Cette quadrature du cercle a été résolue grâce à l’avènement des fibres de carbone. Les mèches (appelés aussi rovings ou stratifils) sont composées de fils infinis de carbone eux-mêmes constitués de fibres individuelles. L’unité de masse est le tex (1 tex = 1 g par 1000 m) ou le nombre de fibres individuelles, par exemple NF24 = 24000 filaments individuels dans la mèche (NF = Fibre Normale). Pour réaliser un longeron on doit utiliser un certain nombre de mèches déterminé à l’emplanture selon une formule approximative simple:*

J’ai adapté la méthode en utilisant des rubans de carbone à la place des mèches de la façon suivante:
Je désire construire une très grande plume de type ASG-29 à l’échelle 1:2, soit 9 m d’envergure. La masse maximale prévue est estimée à 29,999 kg, ce qui nous évitera de devoir comparaître devant le grand jury des spécialistes de l’OFAC qui, à partir de 30 kg, soumettent les modèles à des tortures qu’ils ne subiront jamais en vol pour enfin délivrer un livret de vol où devront figurer tous les vols effectués et leurs dates. Le profil choisi, HQ 2,5/16–12, est relativement mince avec une hauteur à l’emplanture de 58 mm, ramené 55 mm pour les calculs. Le nombre de mèches NF24 est donc de:*

Nombre de rovings NF24

$$= 1,5 \frac{12 \times 30 \times 9}{55} = 88$$

*Cette formule, qui date de plus de 20 ans, a été calculée pour les mèches NF24, unité presque oubliée de nos jours, remplacée par le tex. On trouve dans le catalogue de Swiss-Composite³⁾ l’équivalence, soit 24 000 filaments = 1600 tex (1 km de cette mèche pèse 1600 g). Donc 88 mèches NF24 = 88 × 1600 = 140 800 tex. Pour obtenir autant de tex, il faut utiliser plusieurs mèches. D’après le catalogue, on trouve une mèche type 60K contenant 3600 tex.*

Il faudra donc:

$$\frac{140\,800}{3600}$$

= 39 mèches type 60K à l’emplanture

*Mais cette technique est difficile à appliquer car il faut réaliser une saignée dans le noyau dont le volume correspond exactement au volume des 39 mèches mouillées de résine époxyde, effilochées par le mouillage. J’ai utilisé cette technique pour la construction d’un ASH-25 de 8,3 m: elle est possible mais compliquée. Pour la construction de mes modèles suivants, j’ai construit le longeron indépendamment puis l’ai inséré dans le noyau au moment du coffrage de l’aile. Au lieu des mèches, j’ai utilisé des rubans plats de carbone composés de plusieurs faisceaux de fibres dans le sens de la longueur, retenus entre eux transversalement par des fibres de verre, de manipulation plus aisée. La largeur du longeron est donnée par la largeur des rubans. J’ai choisi un ruban de 350 gm², 25 mm de largeur, 800 tex 12K, c’est-à-dire composé de 12 faisceaux individuels de 800 tex chacun. Un tel ruban contient donc 800 × 12 = 9600 tex. Comme le longeron doit contenir 140 800 tex à l’emplanture, il faudra:*

$$\frac{140\,800}{9600} = 15 \text{ rubans}$$

*La fonction du longeron est de contrer le moment de flexion de l’aile, maximal au niveau de l’emplanture et qui diminue jusqu’à une valeur nulle au niveau du saumon. Il faut donc prendre cette diminution en compte. On peut la calculer en divisant l’envergure en plusieurs champs et en calculant pour chacun d’eux le moment de flexion. En rapportant gra-*

Comme j’ai séparé l’aile en deux parties pour faciliter le transport, j’ai aussi construit chaque longeron en 2 parties, la première mesurant 266 cm de long. Visser parallèlement sur une planche de 8×300 cm recouverte d’un film plastique 2 cornières alu de 300 cm de long (fines tringles de rideaux ou autres) avec la distance entre elles qui correspond à la largeur du ruban, 25 mm dans le cas présent. Préparer une latte de bois de 25×15 mm de la longueur du longeron et la recouvrir complètement avec un ruban adhésif mince (bande plastique brune pour fermer les paquets). Cette latte doit pouvoir s’insérer avec précision entre les deux cornières. Noter sur la planche de base la répartition des distances à partir de l’emplanture*

et le nombre de rubans y correspondant. Traiter à la cire de démoulage plusieurs fois la latte de bois, les cornières et le film plastique. Fixer le rouleau du ruban de carbone pour qu'il puisse se dérouler facilement et déposer les couches successives des rubans entre les deux cornières métalliques en commençant par les plus longs (**voir photo**); les tapoter longtemps avec un pinceau imbibé de résine époxyde pour utiliser aussi peu de résine*

que possible. Quand tous les rubans sont déposés, presser la latte entre les deux cornières et glisser le tout dans un sac à vide. Utiliser la puissance maximum de la pompe à vide (−800 mbar dans le cas présent). Un vide poussé permet d'expulser l'excès de résine des rubans entre la latte et les cornières permettant d'obtenir un rapport fibres/résine presque optimal. Après polymérisation de la résine retirer le longeron de sa cale et le lais-*

ser durcir 3–4 jours sur une surface plane. Il est parfois nécessaire de dévisser les cornières pour libérer le longeron malgré un bon traitement préalable avec la cire de démoulage. Il ne reste plus qu'à «ébarber» les restes d'époxy, et d'éliminer du longeron les restes de cire avec de la benzine rectifiée. On peut encore rendre rugueuses les surfaces du longeron avec un papier abrasif de grain 80 pour améliorer l'adhésion de la résine lors de son insertion dans le noyau de l'aile.*

Pour le reste de la construction, pratiquer une saignée correspondant exactement à l'épaisseur dégressive du longeron dans l'extrados du noyau à l'aide d'une poncette de 25×300 mm (papier abrasif n° 80 collé sur une planchette 25×300 mm). Entailler au fil chaud jusqu'à la moitié de l'épaisseur du noyau une tranchée correspondant à la largeur de l'âme, soit 10 mm dans ce cas. Coller dans la tranchée l'âme préalablement adaptée faite de balsa 10 mm d'épaisseur glissée dans une chaussette de carbone. Le dessus de l'âme doit affleurer le niveau inférieur de la saignée du longeron. Laisser durcir. Effectuer les mêmes opérations à l'intrados. Cette façon de faire évite tout risque*

de déformation du profil qui risque d'arriver en coupant toute l'épaisseur du noyau pour y insérer une âme d'une seule pièce. Enduire d'époxyde un longeron et l'insérer dans la saignée de l'extrados. Imbiber une double natte de carbone aux fibres orientées à 45°, 160 gm², la déposer sur le noyau ainsi que le coffrage d'abachi. Fixer le tout avec quelques rubans adhésifs, retourner l'aile et répéter les mêmes opérations. Glisser le tout avec les contre-découpes dans un sac à vide et mettre la pompe en marche.*

Cette technique de construction m'a permis d'obtenir un poids en vol du modèle de 25,5 kg, 16 servos, 1600 g d'accus et 1500 g de plomb y compris. Désolé Messieurs les juges de l'OFAC, il n'y a rien à contrôler!

Dominique Baer

Photos: Ludovic Perrenoud

(pour des informations complémentaires: dominiquebaer@gmail.com)