Du AIR2 au CHOPPAIR CR4, une épopée technique  

 

Le programme du MOSQUITO AIR 2 est terminé. C’est un succès technique et humain qui ouvre grand les portes du programme de pré industrialisation de son successeur le CHOPPAIR. Pour réussir ce nouveau défi nous intégrons de nouveaux actionnaires financiers et nos conseillers techniques actuels dans le nouveau capital de l’entreprise Mosquito Europe qui devient HELYXIR S.A.S.

Le CHOPPAIR, hélicoptère ULM biplace de la société HELYXIR reprend toutes les évolutions et améliorations techniques pensées et mises au point sur le démonstrateur AIR 2, tout au long de ses essais en vol.

L’architecture du AIR 2 s’est fortement inspirée du monoplace MOSQUITO AIR conçu et fabriqué par John UPTIGROVE, un ingénieur canadien qui a réussi à vivre de sa passion en commercialisant près de 400 kits de MOSQUITO à travers le monde.

L’initiateur, directeur des programmes, co-concepteur, metteur au point et pilote test du AIR 2 et maintenant du CHOPPAIR, comparant ses expériences de vol en ROBINSON R22, R44, R66, ECUREUIL BA, T2, BELL 206, et les ULM classe 6 tels que CH7, DYNALI H3, LH 212 a choisi, dès l’origine, la base du MOSQUITO AIR pour les raisons suivantes :

  • Stabilité exceptionnelle de l’hélicoptère en stationnaire (facilité de pilotage)
  • Énorme inertie du rotor permettant des « flare » très longs et très hauts sans mettre en péril l’intégrité de l’appareil
  • Simplicité et accessibilité de la mécanique permettant un contrôle et des interventions de maintenance rapides et donc économiques.
  • Outil idéal de pédagogie et compréhension du vol

Son approche technico-économique est de ne pas réinventer ce qui marche parfaitement, juste mixer le meilleur de l’existant en visant le prix le plus serré en terme de matériaux, ensembles mécaniques et simplicité des lignes de fabrication, sans rogner sur la qualité.

La lente évolution du MOSQUITO AIR 2, hélicoptère conçu au départ pour la construction amateur, débouche sur le CHOPPAIR  qui reprend les nombreuses évolutions et améliorations du programme et se renforce par des solutions industrielles éprouvées, tel un moteur 4 temps de grosse cylindrée  refroidi à l’air comme sur le ROBINSON R22, mais monté verticalement comme sur le BELL 47.

Le CHOPPAIR est aussi et surtout le résultat d’une rencontre et d’une  symbiose des générations de passionnés d’aéronautiques, jeunes techniciens, ingénieurs, experts en design, en moteurs, en informatique, en programmation et en électronique de puissance avec des entrepreneurs et des concepteurs d’expérience.

Pourquoi ce programme de pré-industrialisation ira au bout.

1/ Parce que son initiateur, et principal financeur, n’a pas fait appel dans un premier temps au système bancaire trop frileux et méfiant envers ce type de développement à long terme. Le programme est conçu pour réduire les dépenses au strict minimum, quitte à allonger un peu sa durée.

2/ Parce que parmi l’équipe de jeunes qui représente l’avenir, tous se projettent dans leur futur rôle  de fabricant d’hélicoptères.

3/ Parce que cette même équipe de jeunes ingénieurs (ingénieux) a convaincu quelques investisseurs amis de parier financièrement sur eux.

4/ Parce que cet hélicoptère avec son prix contenu, sa grande facilité de pilotage, sa simplicité technologique et son habitabilité exceptionnelle, va refaire dans le monde de l’ULM classe 6 le hold-up qu’a fait en son temps ROBINSON, avec son R22, dans le monde de l’hélicoptère certifié.

La suite de cet article intéressera plus les gens passionnés par la succession des raisonnements et des choix technico-économiques qui en découlent, et par le cheminement intellectuel et opérationnel de l’équipe en réponse aux aléas d’un tel programme de création.

Il y a 7 ans la DGAC éditait le premier cadre réglementaire autorisant en France le vol des hélicoptères ultralégers, la classe 6. Avant cela les pilotes de ces engins volaient avec des appareils étrangers et des licences étrangères, voire pour certains totalement hors cadre.

Il y a 5 ans le dealer Français des hélicoptères monoplace, après 2 ans de recul sur ce marché d’hélicoptères classe 6, a fait le constat qu’en France il n’existe aucun marché pour des hélicoptères  monoplace et que les appareils biplaces proposés à la vente, vu leur prix et leur technologie sophistiquée, étaient réservés à une élite de passionnés. Les écoles n’ont donc pas les moyens d’acquérir 2 appareils pour permettre à leurs élèves de voler, en louant l’un des 2 appareils  après l’obtention de leur licence de pilote classe 6. L’élève est condamné à acheter son propre appareil. Cela réduit considérablement le développement de cette activité.

De ce constat naît une volonté forte de démocratiser le vol en hélicoptère, en concevant un hélicoptère le plus simple possible à fabriquer, à partir d’une base éprouvée et en respectant une simple règle de bon sens « L’impact financier minimum du programme de développement doit toujours primer sur sa vitesse de réalisation ».

Vous voulez faire exploser le coût d’un programme ???!!!

Facile, embaucher plusieurs ingénieurs et mettez-les à l’aise dans de supers locaux, ils vous trouveront l’ordinateur ad hoc, les sous-traitants prestigieux, ils mettront en œuvre les idées les plus modernes qui marcheront à coup sûr car leur logiciel a tout calculé, et enfin ils feront tout pour comparer la performance des 3 ou 4 démonstrateurs qu’ils feront fabriquer afin de valider le meilleur. Cela s’appelle de la DSAO (Dépenses Somptuaires Assistées par Ordinateur).

Nous n’avons pas fait ainsi. Nous avons créé une entreprise uniquement dédiée à ce programme, où seul le président est opérationnel.  Nous avons aidé des jeunes, courageux et volontaires, à créer leur entreprise aéronautique pour qu’ils puissent avoir un revenu hors programme et qu’ils acquièrent une expérience réussie de chef d’entreprise.  Le jour où la fabrication industrielle démarre, ils sont prêts. Nous avons pénétré le tissu industriel de la région proche de l’aérodrome Bourg Terre Des Hommes où nous sommes installés. Nous avons réuni autour de ce programme des experts qui nous font profiter de leur expertise et de leur savoir-faire, conscients que leur intérêt pour le programme paiera sur le long terme. Enfin nous avons attiré l’attention des acteurs politiques qui gèrent le terrain d’aviation où nous sommes.

La méthode exposée, passons au suivi de la réalisation.

Le cahier des charges initial était de dimensionner un MOSQUITO AIR 2 biplace en gardant l’architecture globale du MOSQUITO AIR monoplace. Nous avons donc gardé dans un premier temps les matériaux américains, le moteur 2 temps vertical, l’embrayage centrifuge, les réductions par courroies crantées et surtout le fait que toute la structure porteuse se concentrait sur un tube, le tube de mât. Les arguments principaux étaient le minimum de modifications techniques et le maximum d’économies en temps de développement.

1/Techniquement un moteur vertical n’utilise pas de boite de transfert de puissance (BTP). La BTP est une grosse boîte de réduction pignon/couronne supportant d’énormes contraintes en continu. Seule solution pour tenir dans le temps, surdimensionner ce gros bloc d’acier, ce qui implique un surpoids difficilement compatible avec les contraintes de légèreté de l’ULM. La durée de vie de cet ensemble mécanique est donc très réduite sur les ULM, entraînant des coûts de maintenance prohibitifs.

2/ le moteur vertical permet de relier toutes les masses sur le tube de mât, réduisant à sa plus simple expression le maillage du châssis.

3/ Le moteur 2 temps est le moteur qui offre et de loin le meilleur rapport poids puissance, théoriquement idéal dans le monde de l’ultraléger.

4/ l’embrayage centrifuge est de loin le système le moins cher et le plus léger et peut éventuellement servir de seconde roue libre en cas de panne moteur.

5/ les réductions par courroies crantées ne transmettent pas les vibrations moteur/rotors et Rotors/moteur. Les courroies réduisent les temps d’entretien, la consommation des lubrifiants de glissement et absorbent les bruits de transmission.

6/ Les pales aluminium non vrillées comparées aux pales carbones sont beaucoup moins chères, plus légères et surtout leur non vrillage facilite la mise en auto-rotation de l’hélicoptère.

La première année de construction et la deuxième année d’essais en vol ont mis en évidence que le concept MOSQUITO AIR était le bon choix. Le démonstrateur biplace se comportait en vol de la même façon que le AIR. Super stabilité en stationnaire et remarquable efficacité du rotor arrière.

En revanche cela a aussi mis en évidence de sérieux problèmes à résoudre.

Le moteur 2 temps n’est pas du tout adapté aux contraintes spécifiques de l’hélicoptère. La puissance est bien là, mais le fait qu’un moteur d’hélicoptère fonctionne à vitesse constante l’oblige à recevoir, suivant la puissance demandée lors des différentes phases de vol, plus ou moins d’essence. Les cylindres sont refroidis par l’eau mais le piston est refroidi uniquement par l’essence. Si l’on veut réduire les gaz sans endommager le piston, il faut injecter plus d’essence que nécessaire. Cette injection supplémentaire d’essence noie les bougies, entraînant de façon aléatoire l’arrêt d’un cylindre. Le pilote remet les gaz pour retrouver de la puissance. Si le cylindre éteint se rallume, la puissance passe de 70 CV à 140 CV instantanément. Cela crée un choc d’une extrême violence dans tout le châssis et les commandes de vol. Si l’on appauvrit le mélange pour éviter cet effet, le piston se déforme sous l’effet de la chaleur, entraînant le serrage du moteur. Nous sommes allés jusqu’au bout de nos hypothèses de travail, en utilisant des logiciels de cartographie d’injection de plus en plus sophistiqués, en augmentant la dimension des radiateurs, en multipliant les ventilateurs, en redessinant les pots d’échappement, pour au final nous rendre à l’évidence que le seul moteur adapté est le moteur 4 temps.

Toutes ces complications nous ont montré que le châssis pouvait encaisser d’énormes chocs et les vibrations d’un moteur très mal réglé. Pendant ces essais, seule la structure aluminium portant la roue libre et la réduction sortie moteur a dû être renforcée, après une rupture lors d’un test en vol. Le pilote d’essai a pu constater l’extrême efficacité du rotor arrière qui permettait de contenir facilement les départs en lacet quand il perdait un cylindre passant de 140 CV  à 70 CV, puis dans l’autre sens de 70 CV à 140 CV quand le cylindre se rallumait. Que dire des pannes en stationnaire qui sont restées de simples formalités n’ayant jamais entraîné la moindre déformation du train.

Le moteur 4 temps s’imposant, il a fallu en choisir un. Cela reste une expérience humaine très enrichissante. Nous avons perdu presque une année à visiter les fabricants et pseudo fabricants de moteurs d’avions et à analyser les options sérieuses disponibles. Nous avons écarté les turbines, les moteurs rotatifs théoriquement les mieux adaptés au fonctionnement d’un hélicoptère et enfin les moteurs refroidis à l’eau. Un moteur 4 temps léger refroidi à l’eau impose des vitesses de rotation élevées, l’ajout d’un turbo et une augmentation significative de la taille des radiateurs, huile et essence. Bref une complexification à l’opposé de notre concept et en plus au final un poids supérieur.

Le choix définitif s’est donc porté sur un moteur de forte cylindrée à refroidissement par air. Ne pouvant pas installer un Lycoming pour des questions de rapport poids puissance, nous avons choisi le moteur ULPOWER. Cette entreprise fabrique ses moteurs. Elle ne modifie pas des moteurs existants. Ils ont été capables de verticaliser leur moteur et de concevoir un support moteur parfaitement adapté à notre châssis.

L’installation de ce moteur a entraîné de nombreuses modifications périphériques indispensables :

1/ Il a fallu modifier le châssis au niveau du moteur et de ses fixations au mât.

2/ Il a fallu modifier toute la ligne de transmission du moteur au rotor principal, car ce moteur pour délivrer sa puissance, doit tourner à  3200 tr/min. Il fallait donc le monter en prise direct sur la réduction secondaire sans réduction primaire. Pour ce faire nous avons repensé la roue libre et l’embrayage. Nous en avons profité pour faire un choix technologique majeur. Nous avons décidé de nous passer d’embrayage. A la place nous avons mis au point un système de pré-lancement du rotor principal par un moteur électrique alimenté par une batterie séparée. Le poids est presque identique mais la source de panne d’embrayage en vol est écartée.

3/ Après des essais en vol (régime moteur à 2650 tr/min puissance 112 CV) pour vérifier l’adéquation du moteur avec  cet hélicoptère, il a fallu  redessiner la couronne de tête rotor pour augmenter la réduction d’origine, changer la taille des 2 courroies pour retrouver les 533 tr/min du rotor principal et toute la puissance (130 CV) que le moteur délivre à 3200 tr/min. Il faut savoir qu’au-dessus de 533 tr/min la vitesse supplémentaire du rotor entraîne la destruction des roulements des pieds de pales et absorbe beaucoup d’énergie du moteur. Bref le rendement chute énormément.

4/ Il a fallu réduire la dimension des pales du rotor arrière parce qu’elles tournaient à 3200 tr/min au lieu de 2650 tr/min avec le moteur 2 temps. Les différents essais nous ont montré que les roulements de l’arbre de transmission du RAC étaient moins sollicités  à 2650 tr/min qu’à 3200 tr/min. Nous avons donc redessiné le renvoi d’angle du rotor principal au rotor arrière.  La réduction idéale eut été de 1,2, mais grande surprise les engrenages spiroconiques sur mesure sont excessivement chers. En bon gestionnaire, nous avons cherché et trouvé des pignons standards. Mais la réduction standard est de 1,5 ce qui réduit beaucoup la vitesse de rotation du rotor arrière et donc son efficacité.

Nous avons décidé de concevoir et fabriquer de plus grandes pales en gardant la technologie en place. Cette solution coûte bien moins chère que la boite de renvoi sur mesure. Les côtés positifs sont que l’arbre de transmission au rotor arrière tourne encore moins vite qu’à l’origine et que nous maîtrisons l’ensemble de la fabrication d’une pale de RAC, à partir de tôles standard Europe et de pièces usinées localement. Nous nous sommes acheté notre autonomie.

5/ Le nouveau renvoi d’angle imposait un redimensionnement de la boite. Les nouvelles dimensions créaient un léger désalignement de l’arbre de transmission au rotor principal. Si l’on voulait conserver un alignement parfait, la courroie de réduction se retrouvait détendue. Nous avons donc repris la planche à dessin pour concevoir un tendeur de courroie.

6/ Le choix du moteur électrique du pré-lanceur nous a fait plonger dans le monde de la mécatronique, informatique et électronique de puissance. Pour faire fonctionner un moteur électrique nouvelle génération, il faut maîtriser la technologie des batteries, les contrôleurs de puissance,  les moteurs brushless et la programmation des phases d’accélération. Le premier pré-lanceur nous a permis de valider le fonctionnement du principe. On pouvait démarrer le moteur thermique en fin de cycle de pré-lancement du rotor principal. Mais le nombre de tours atteint n’était pas suffisant pour que le démarreur ne soit plus du tout en contrainte lorsqu’il lançait la couronne de démarrage. Ces contraintes étaient telles qu’après plus de 100 démarrages il a fallu changer la couronne et le démarreur. On en a profité pour redéfinir une couronne de démarrage beaucoup plus performante. Dernièrement grâce à un jeune ingénieur stagiaire passionné, pilote de modèles réduits d’hélicoptère de compétition, nous avons trouvé sur le marché un ensemble moteur électrique, contrôleur de puissance, batterie plus puissant et plus léger. Ce qui nous permet d’atteindre une vitesse de pré-lancement rotor largement suffisante pour ne plus contraindre le démarreur du moteur thermique.

7/ Vous croyez comme nous que c’est fini et bien que néni. Le motoriste avait conçu un système d’absorption d’énergie lors du démarrage moteur afin de protéger le ventilateur. Cette absorption se faisait par un système de pions en élastomère. Le premier jeu a tenu une vingtaine de démarrages. Le second une centaine. Autant dire qu’il fallait trouver une autre solution. Vous croyez que l’on allait réinventer un super système. Et bien non, on a adapté le même principe qui fonctionne depuis plus de 40 ans sur les hélicoptères ROBINSON. Une liaison ventilo/vilebrequin par cône.

En résumé

Ces 2 dernières années nous avons adapté le châssis existant à un nouveau moteur, repensé une grande partie de la transmission, mis au point le pré-lanceur, le tendeur de courroie, le cône de ventilateur, les pales de rotor arrière. Et bien figurez-vous que ça marche et n’ayons pas peur des mots ça vole parfaitement.

Ça y est on peut se relâcher. Et bien non en parallèle on a déjà dessiné le prototype de série du CHOPPAIR – CR4. Le châssis est conçu autour du moteur. Les solutions validées sur le démonstrateur AIR 2 sont retenues, le tableau de bord reprend l’esthétique de la cabine, la cabine est coulissante pour que les vieux pilotes expérimentés, les grands pilotes doués et les pilotes costauds s’assoient dans leur siège sans se contorsionner. De plus, il n’y a plus de portes que l’on oublie de fermer, le verrouillage de la cabine est un verrouillage central.  Le capot arrière est plus enveloppant,  la poutre de queue est plus grosse pour un meilleur look,  l’arbre de transmission au rotor arrière sera mieux guidé, et les pales principales ne seront plus américaines mais françaises avec une durée de vie passant de 500 h à 2000 h. les matières premières seront européennes, seule la visserie sera américaine au normes Aéronautique AN car l’Europe est incapable de nous fournir l’équivalent prix/performance.

La nomenclature et le dossier conception sont en cours de finalisation.

Les moules cabine, capot arrière, tableau de bord et verrière sont presque tous finis. Il nous reste à assembler le prototype de série du CHOPPAIR – CR4 pour voler avec et prendre les premières commandes, tout en rédigeant le dossier DGAC à l’horizon 2020.

Je remercie tout particulièrement les premiers actionnaires qui ont mis leur argent à fond perdu dans ce projet à taille surhumaine. Nous sommes en passe de leur prouver que le fond va prendre forme. Je remercie tout autant la société AEROLIGHT, son patron, ses salariés et ses stagiaires sans qui tout le programme n’aurait pas été si performant techniquement, et qui représentent l’avenir industriel du CHOPPAIR. Et enfin je remercie au nom de tous les opérationnels présents et futurs, les nouveaux actionnaires qui risquent de perdre leur argent si un accident de parcours vient entacher les vols d’essais du prototype. Ils permettent au programme de rentrer dans sa phase de pré industrialisation et donc de précommandes.

Sur le plan de la sécurité, il est prévu que le CHOPPAIR – CR4 soit équipé d’un parachute de secours, que l’on indique que le plancher de vol est à 500 pieds sol et qu’en cas de panne moteur il faut tirer le secours. La commande de roulis sera assistée et la machine équipée d’un enregistreur de données de vol très complet.

Options futures : si succès commercial, l’appareil suivant sera doté d’un moteur électrique alimenté par un turbo-générateur de fabrication française. Si énorme succès commercial, les appareils pourraient entrer en programme de certification !!!

Vous pouvez voir l’évolution et les évolutions du démonstrateur MOSQUITO AIR 2

 

YouTube il y a 4 ans avec un moteur 2 temps

 

 

YouTube il y a 2 ans avec le moteur 4 temps

 

YouTube cet été avec toutes les modifications et la vérification en vol avant lancement du programme de pré industrialisation.

 

 

Page Facebook Mosquito-Europe est désormais Helyxir

 

Aérodrome Bourg Terre Des Hommes le 2 septembre 2019 DL