Connaissances des aéronefs ULM
Caractéristiques techniques des ULM :
La structure des ULM est le plus souvent un assemblage de tubes en alliage d'aluminium, en acier, en bois et en matériaux composites (résines synthétiques). L'ensemble est souvent rigidifié par haubanage.
La voilure peut être en matériaux composites pour les ULM les plus chers et les plus performants, ou simplement une toile tendue sur la structure (le squelette de l'aile : une armature formée par des lattes ou nervures).
La cellule et la voilure d'un ULM (pendulaire ou multiaxes) est conçue pour résister à plusieurs contraintes : traction, torsion, flexion, compression, etc.. jusqu'à certaines limites au-delà desquelles des pertes de stabilité ou de contrôle, des ruptures structurales ou des mouvements de 'tumbling' irréversibles peuvent survenir.
L'ULM est caractérisé par un principe simple de conception, une robustesse générale démontrée, une aptitude d'évolution moteur arrêté suffisante pour réaliser un atterrissage en campagne dans des conditions de sécurité satisfaisantes.
De plus, il doit être d'un pilotage facile qui ne demande pas de qualités exceptionnelles à son pilote, et d'un entretien simple.
Toutes les parties de l'ULM sont facilement accessibles et visibles. Cet entretien est normalement confié au détenteur de la carte d'identification, qui peut faire appel au constructeur ou à un professionnel si cette opération dépasse sa compétence.
La conception doit retenir en priorité des solutions simples qui ont déjà fait si possible leurs preuves en utilisation.
La conception de l'appareil doit permettre un contrôle aisé des structures par démontage simple notamment par des trappes de visites. Une zone de contrôle des toiles doit permettre d'évaluer les pertes de résistance dans le temps.
La résistance des parties critiques (dont la rupture peut entraîner la perte de contrôle) est justifiée soit par de larges coefficients de sécurité, soit par des essais justificatifs, soit par des pièces de sécurité (par exemple un câble de sécurité dans un élément de structure).
Toute déformation d'une pièce composant soit la structure de la cellule, soit la structure de l'aile, impose le remplacement de celle-ci. En effet, la résistance de la pièce aux contraintes physiques est compromise dès lors que la forme d'origine de la pièce est modifiée.
Enfin, pour combattre efficacement le vieillissement de la cellule et de la voilure, on utilise de préférence des matériaux résistant bien à la corrosion. Un début de corrosion peut provoquer sur des pièces sous contrainte, des ruptures à des valeurs très inférieures aux valeurs prévues (phénomène de corrosion sous tension).
Lorsque l'ULM comporte des pièces de structure critiques à durée de vie limitée spécifiquement conçues pour l'appareil, celles-ci doivent comporter une référence et un numéro de série afin de permettre leur suivi en utilisation.
Les ULM peuvent être démontés, l'aile peut parfois être pliable ou détachable pour prendre moins d'espace dans un hangar ou pour déplacer l'ULM sur une remorque (ou parfois directement sur son train d'atterrissage) en le tractant avec une voiture. L'assemblage est donc une étape très importante, elle doit suivre scrupuleusement les consignes données par le constructeur, les pièces susceptibles d'être inversées doivent être marquées ou munies d'un détrompeur (par exemple: confusion entre les pièces gauche et droite d'un bord d'attaque).
Motorisation :
Sur un ULM, on parle de 'Groupe Moto Propulseur' pour désigner l'ensemble :
- Moteur et accessoires (démarreur, circuit carburant, électrique, refroidissement et l'échappement).
- Le réducteur.
- L'hélice.
Sur les ULM, on trouve généralement 2 types de moteurs, à 2 temps ou à 4 temps. Plus rarement, on trouve des moteurs diesel ou même électrique.
Les moteurs 2 temps ou 4 temps fonctionnent sur le même principe :
- un piston se déplace à l'intérieur d'un cylindre, il est relié à un vilebrequin par l'intermédiaire d'une bielle.
- le piston a un mouvement alternatif, de haut en bas, ce déplacement est transformé en mouvement rotatif, par l'intermédiaire de la bielle et du vilebrequin.
- Pour déplacer le piston il faut une énergie, ce sera un mélange d'air et d'essence, comprimé entre la tête du piston et le haut du cylindre (la culasse), qui au contact d'une étincelle provoqué par une bougie, provoquera l'implosion, source de puissance.
Il faut ajouter à cela :
- un carburateur, qui permettra de doser l'arrivée d'essence et d'air
- un filtre à air pour éviter que les poussières pénètrent dans le cylindre
- une bobine pour fournir l'électricité à la bougie.
Un pot d'échappement est mis en place pour atténuer le bruit du moteur.
Toutes ces pièces en mouvement provoquent des frottements et des échauffements, il faudra donc huiler les parties en mouvement, et refroidir l'ensemble. Pour un obtenir un gain de poids et de place le refroidissement du moteur se fera le plus souvent par air sur un ULM (circulation de l'air ambiant sur les ailettes du moteur ou à air pulsé avec un ventilateur intégrée), mais on peut aussi voir des moteurs avec circuit de refroidissement liquide.
Un moteur est défini par sa puissance :
On parle alors en KW (KiloWatt) ou CV (Cheval) ou encore HP (Horse Power).
On retiendra qu'1 CV = 0,736 KW = 0,98 HP.
La puissance du moteur est la capacité du moteur à fournir un travail dans un temps donné.
Son calcul est un savant mélange de couple et de vitesse de rotation.
Carburation :
Le carburateur est le lieu de mélange de l'air et de l'essence. La manette des gaz commande le papillon des gaz, fermé le moteur est au ralenti, ouvert il est plein gaz.
La section rétrécie du conduit d'admission du carburateur (dans laquelle est installé le gicleur) provoque la dépression qui aspire le mélange (effet Venturi: le rétrécissement du conduit accélère le flux d'air, entrainant une dépression, qui aspire le mélange).
Le papillon d'admission du carburateur régule le débit du mélange admis dans les cylindres. Le gicleur diffuse l'essence en fines gouttelettes, qui se mélange donc à l'air. C'est ce mélange qui est ensuite aspiré lors du temps d'admission d'un moteur à essence.
L'air à destination des cylindres passe préalablement par un filtre sec, sauf lors du fonctionnement de la réchauffe carburateur (voir explication ci-dessous).
Lors du fonctionnement d'un moteur au ralenti ou à faible puissance ou encore à puissance normale dans des conditions de vol météorologiques propices à l'apparition du givrage même par beau temps, si la diminution de température est suffisante pour descendre au-dessous de 0° dans le carburateur et si l'humidité est suffisante, du givre apparaîtra à l'intérieur de la buse du carburateur, voire à l'intérieur de la pipe d'admission. C'est ce que l'on appelle le givrage carburateur (apparent par temps humide avec des températures extérieures inférieurs à 25°C).
La glace ainsi formée peut obturer le passage du mélange carburé et entraîner une perte de puissance éventuellement suivie d'un arrêt moteur possible en cas de givrage sévère, si le réchauffage carburateur n'est pas mis en fonctionnement de manière préventive ou dès le premier signe apparent de givrage.
Notez que ce système de réchauffage du carburateur que l'on trouve sur les moteurs à 4 temps ne se rencontre pas sur les moteurs à 2 temps car l'huile présente dans le mélange carburant atténue le risque de givrage du carburateur.
Moteur 4 temps :
Le moteur à 4 temps est équipé de soupapes, une pour l'échappement, une pour l'admission. Il dispose d'un carter d'huile pour la lubrification des organes en mouvement.
Premier temps :
- Ouverture de la soupape d'admission pour laisser entrer le mélange 'air - essence' par aspiration du piston.
- En fin de course vers le bas du piston, le cylindre est rempli au maximum par le mélange gazeux. Il y a alors fermeture de la soupape d'admission. Le cylindre est de nouveau étanche : C'est l'admission.
Deuxième temps :
- Le piston revient alors vers la tête du cylindre, comprimant fortement le mélange gazeux.
- La compression est maximale quand le piston arrive au point haut : C'est la compression.
Troisième temps :
- Quand la pression maximale est atteinte, il y a allumage du mélange gazeux (en réalité, un peu avant), explosion puis détente : C'est l'explosion détente.
- Le piston est fortement chassé vers le bas, entraînant le vilebrequin et fournissant ainsi du travail jusqu'à ce que le point bas soit atteint par le piston.
- Toutefois, le moteur ne fournit de la puissance que pendant 1/2 tour du vilebrequin sur les deux tours du cycle complet.
Quatrième temps :
- Il y a ouverture de la soupape d'échappement et les gaz brûlés sortent du cylindre par leur pression mais aussi par la poussée du piston qui remonte par inertie du volant fixé au vilebrequin : C'est l'échappement.
- Une fois le piston arrivé en haut, la soupape d'échappement se referme et celle d'admission s'ouvre. Le cycle recommence.
Du fait que le moteur ne donne de la puissance que pendant un demi-tour de vilebrequin seulement, on associe plusieurs cylindres avec points d'allumage décalés de façon à obtenir un mouvement aussi régulier que possible.
On voit que la bielle (le 'bras' en dessous du piston) à fait faire deux tours au vilebrequin, pour une seule explosion.
Avantages :
- simplicité de la carburation lui assurant une stabilité du régime au ralenti.
- résistance à la surcharge par un couple stable à la puissance maximum.
- puissance moteur pour 50cc de l'ordre 1 cv.
- vitesse de rotation modérée, de 3000 à 4500 tours/minute.
- faible nuisance sonore.
- une longévité plus grande qu'un moteur 2 temps.
Inconvénients :
- faible rendement, sur deux tours du vilebrequin, un seul développe une énergie.
- moteur plus lourd qu'un 2 temps.
- une lubrification moteur complexe.
- risque de givrage du carburateur.
Moteur 2 temps :
Le moteur à 2 temps n'a pas de soupapes, il n'a pas non plus de carter d'huile, le graissage se fait par adjonction d'huile spéciale moteur 2 temps à l'essence.
Nous avons un temps de compression et un temps d'explosion, les gaz sont éjectés à la descente du piston par la lumière d'échappement et le mélange air, essence, huile, est poussé vers le haut du piston par la lumière de transfert.
1) Le piston dans sa position montante dégage la lumière d'admission et aspire le mélange air-essence-huile dans son carter inférieure, et le piston comprime le mélange déjà en place.
2) En position haute (juste un peu avant il s'agit de l'avance à l'allumage), l'étincelle se produit et pousse le piston vers le bas. C'est la phase qui produit l'énergie du moteur.
En fin de descente, le piston découvre le canal de transfert et comprime le mélange se trouvant dans le carter, le poussant vers le haut du piston, dans ce même temps il a ouvert la lumière d'échappement laissant les gaz brulés sortir (les gaz s'échappent par la pression existante après l'explosion et par la poussée des gaz frais entrant).
Le mélange passe du carter au haut du cylindre et de ce fait l'huile qu'il contient lubrifie les organes moteur.
Le cycle 'compression, explosion' recommence. On note donc qu'à chaque position haute du piston correspond une explosion, source d'énergie.
On voit que la bielle (le bras vert en dessous du piston) fait faire un tour au vilebrequin, à chaque explosion.
Avantages :
- la puissance moteur, de l'ordre de 1 CV pour 25 cc (centimètre cube).
- une vitesse de rotation élevée, entre 5000 à 10000 tours/minute.
- sa légèreté, environ 30% moins lourd que le moteur 4 temps.
- pas de risque de givrage carburateur.
Inconvénients :
- risque d'encrassement du moteur ou de détérioration si le mélange n'est pas fait correctement.
- dépôt de calamine sur la tête de piston, à la lumière d'échappement et à l'intérieur du pot d'échappement.
- température élevée nécessitant un bon dégagement du système de ventilation.
- ralenti instable.
- combustion du mélange incomplète.
- réglage/mélange du carburateur plus sensible.