SPINNING-WING



Introduction

L’effet Magnus, découvert par Heinrich Gustav Magnus (1802-1870), stipule qu'un cylindre rotatif immergé en travers d'un courant sera soumis à une force perpendiculaire à ce courant. Quand la vitesse d'un fluide (comme l'air) augmente, sa pression diminue, et réciproquement (Equation de Bernoulli). La rotation d'un objet placé dans un vent relatif (l'objet se déplace par rapport à l'air ou l'air se déplace par rapport à l'objet) modifie asymétriquement le champ des vitesses autour de l'objet. Pour être plus précis, une dépression apparaîtra à la surface du cylindre rotatif et cette dépression atteindra sa valeur maximale là où la surface du cylindre se déplace à peu près dans la même direction que le courant, le vecteur de portance étant à peu près perpendiculaire au courant et en direction opposée au cylindre.

spinEcoulementAir

La grandeur de la force (portance) a été déterminée par deux aérodynamiciens, Kutta en Allemagne et en Russie Joukowski. L'équation de portance pour un cylindre rotatif porte leurs noms. Le théorème généralement utilisé déclare que la portance L par unité de longueur le long du cylindre est directement proportionnel à la densité ρ de l'écoulement, à la vitesse V de l'écoulement et à la force du vortex G qui est établi par la rotation.
Spin Equation

1930

Construit par Anton Flettner dans les années 1930 aux Etats-Unis, le 921-V aurait au moins volé une fois. Mais sa courte carrière s'est terminée par un atterrissage en catastrophe. Il était équipé de trois cylindres, un pour chaque aile et un sous le fuselage entrainés par un seul moteur. Un second moteur entrainait une hélice pour la traction. Il est probablement le seul avion équipé d'ailes-cylindres qui a réussi à voler.

Rotor Flettner Aircraft

Inconvénients

- Si la rotation du cylindre devient accidentellement lente ou s'arrête, la portance disparaît complètement. - Les cylindres génèrent un effet gyroscopique important.

1936

En Allemagne une autre tentative de produire : portance et propulsion voit le jour. L'ingénieur R. Thebie, après avoir étudié le battement des ailes des oiseaux, a présenté les résultats de ses observations dans son avion ou "paddle" (pagayer). Le but était d'adapter le principe de "pagaies" sur une aile d'avion par ailleurs normale. A noter que le poste de pilotage se trouvait à l'arrière du fuselage juste devant l'empennage vertical, les ailes masquant une partie de la visibilité vers l'avant pendant les phases de décollage et d'atterrissage.

Spinning Paddle

Principe de fonctionnement

Environ 2/3 du diamètre d'un rotor à ailettes dépasse en-dessous de l'aile après le bord d'attaque. Les ailettes sont conçues en matériau souple et se replient dans l'aile pendant la moitié supérieure de leur révolution. En sortant de l'aile les ailettes se déplient et exercent une force vers le bas, vers l'arrière puis vers le haut. Cette rotation est sensée produire un supplément de portance et une propulsion. Si cette propulsion se révélait insuffisante, son inventeur proposait d'installer une hélice auxiliaire à l'avant.

Spinning Rotor

1950

Voici comment dans les années 1950 certains ingénieurs envisageaient les avions de ligne dans les années 2000. Sur le dessin ci-dessous l'avion est propulsé par un turboréacteur classique, tandis que les cylindres rotatifs sont entraînés par un moteur à piston.
Ses avantages:
- des petites ailes
- des charges transportées plus lourdes
- des décollages plus courts
Aucun mot sur les désavantages qui étaient pourtant nombreux.
- effets gyroscopiques des cylindres
- dégivrages des cylindres
- turbulences à l'arrière des ailes
- etc...

Spinning Airliner

Principe de fonctionnement

Le cylindre rotatif accélère l'écoulement sur l'extrados de l'aile augmentant ainsi la dépression ( Equation de Bernouilli) et le courant descendant derrière l'aile; et ralentit l'écoulement à l'intrados créant sur surpression.

Spinning Aile Rotor

Autres inventions

Un cylindre rotatif est incorporé dans le bord d'attaque de l'aile pour accélérer l'écoulement de l'air sur l'extrados de l'aile. Le bec d'attaque (slat) peut soit s'abaisser comme sur un Airbus ou Boeing, soit s'effacer en pivotant vers le bas.

Spinning Bec

Un cylindre rotatif est incorporé entre l'aile et ses volets. Pendant les vols à basse vitesse, le cylindre tourne rapidement dans la même direction que l'écoulement de l'air et redynamise la couche limite au-dessus des volets. Cela augmente la portance et retarde l'accumulation des conditions de turbulence de la couche limite qui pourraient mener à un décrochage.

Spinning Volets

La NASA a fait quelques expériences avec des cylindres rotatif pour volets. Ci-dessous YOV-10 (N718NA)

Spinning NasaYOV

La plupart de ces expériences sont restées des voies sans issue, car si elles ont montré l'efficacité d'un tel système sur l'augmentation de la portance, elles ont également montré la faiblesse dans le traitement des forces gyroscopiques engendrées par une telle configuration de l'aéronef.

Vol d'une maquette de Spinning-wing japonaise.



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