2012 - Bilan R & D de Carter Aviation Technologies

INTRODUCTION


Mc Donnell XV de l'US Army (voir les différents modèles)

En 1952, Mc Donnell réussit à faire voler à 322 km/h avec un moteur Continental R-975 de 450 HP le "Convertiplane", un aéronef moitié avion, moitié hélicoptère dont l'idée vient de trois constats:
- l'aile et l'hélice de l'avion lui permettent de voler à grande vitesse;
- le rotor de l'hélicoptère lui permet de décoller et de se poser à la verticale;
- la vitesse de l'hélicoptère est limitée par la traînée du rotor et par la vitesse du bout de la pale avançante.

A partir de ce même constat, Carter junior et son père décident en 1997 de déveloper un hybride d'avion et d'autogire. Ils créent "Carter Aviation Technologies", embauchent un petit nombre d'ingénieurs, de pilotes d'essais et de techniciens motivés dans des domaines complémentaires: aérodynamique, aéronautique, matériaux composites, mécanique, microélectronique et informatique.

En pensant aux décollages sautés et aux atterrissages verticaux un peu durs des autogires Cierva 30 en Grande-Bretagne et Pitcairn Autogyro 36 aux Etats-Unis ayant volés à partir de 1930 avec un moteur de 420 HP et un rotor tripale (pales 1 et 2 repliables sur pale 3), ils veulent donner à leur hybride équipé d'un moteur de puissance comparable et d'un rotor bipale, une capacité d'emport de 4 personnes, une meilleure vitesse de croisière et un pilotage plus facile, en particulier dans les phases "Vertical Take-Off and Landing".
A cet effet, ils combinent des techniques du XXIe siècle:
- simulation informatique pour mettre au point des processus de décollage sauté et de vol rapide;
- matériaux composites et microprocesseurs pour réaliser certains éléments essentiels possédant les qualités fonctionnelles requises par les processus concernés.
Une fois ces processus et ces éléments validés en vol sur un démonstrateur, ils les protégent par un brevet, par un contrat ou dans un "black program". La vente des licences et des droits de production devient alors une source de revenus pour Carter Aviation.

Les principaux axes de recherche portent sur des éléments essentiels et des processus :
- le rotor à pas variable et à grande inertie permettant de stocker l'énergie nécessaire pour soulever l'aéronef d'un bond et le poser en douceur (VTOL);
- la variation du coefficient µ (µ = V autogire / V bout pale avançante) de 0 (décollage vertical) à 1.3 (vol en croisière) avec un rotor type "Slowed Rotor" tournant au ralenti sur un autogire "Compound", c'est à dire muni d'une aile, pour augmenter la vitesse de croisière;
- la régulation et l'automatisation des commandes de pas (hélice, rotor) pour réaliser un pilotage assisté.

Depuis 2000, Carter Aviation après une subvention initiale de 1M $ reçoit de la NASA une prime de 50.000 $ supplémentaire par objectif prédéfini atteint.
Ces objectifs sont au nombre de 5:
- décollage vertical;
- atterrissage vertical;
- vol à µ = ou > 1;
- vol à 10.000 ft;
- distance franchissable de 1.000 km .

 

I - LES BREVETS (US Patent)

Carter Aviation a déposé, sur ces trois axes de recherche, 21 brevets entre 1997 et 2010 pour définir son "gyroplane" ou giravion et son "heliplane" dérivé de l'hélicoptère; ils portent sur le design (Ds), le concept (Cc), les ensembles mécaniques (EM), les pièces en composite (Cp), les systèmes de commande et de régulation (SCR), la régulation par microprocesseur (Mi) :
-------------------------------- US Patent Carter Jr. --------------------------------
- Août 1997 : Gyroplane (Ds);
- Mars 1998 : Gyroplane (Cc);
- Décembre 1998 : Tête rotor (EM);
- Février 1999 : Queue protégeant le moteur et l'hélice propulsive (EM) ;
- Août 1999 : Train d'atterrissage hydraulique anticrash (EM) ;
- Décembre 1999 : Système de régulation automatique du pas de l'hélice propulsive (SCR);
- Février 2000 : Rotor monobloc en composite (Cp) , déformable en pas, avec lestage à l'uranium appauvri en extrémité de pale (stockage énergie cinétique nécessaire pour soulever 2 à 4 fois le poids de l'aéronef);
- Juin 2000 : Prélancement pneumatique par courroie (EM);
- Décembre 2000 : Hélice propulsive monobloc en composite, déformable en pas (Cp);
- Juin 2002 : Système de trim en tangage et en roulis du manche (SCR);
- Août 2002 : Système de commande du pas rotor pour µ > 0.7 (SCR);
- Novembre 2002 : Train d'atterrissage avec contrôle de viscosité par microprocesseur (EM, Mi);
- Février 2003 : Héliplane (Cc);
- Février 2003 : Réducteur pour hélice propulsive (EM);

- Mars 2003 : 6,527,515 B2 Rotor monobloc en composite avec lestage en avant du bout de pale (Cp) pour réduire l'effort sur la commande de pas;
- Janvier 2006 : Rotor monobloc en composite avec optimisation du lestage jusqu'à µ=1.3 (Cp) conjointement à l'utilisation d'une aile assurant la portance à partir de µ=0.7;
- Novembre 2006 : Mât rotor inclinable en tangage (EM) pour donner à l'aile la bonne incidence en fonction de la vitesse;
- Novembre 2008 : Système de commande automatique du pas rotor et du pas de l'hélice propulsive (SCR, Mi) pendant tout le vol (décollage sauté, vol en croisière à µ>0.7, vol lent pour approche, atterrissage vertical sur place ou avec flare suivi d'un court roulage);
- Février 2009 : Système d'amortissement du rotor bipale tournant à basse vitesse (100 tr/min) pendant la croisière rapide (SCR);
- Mars 2009 : Mât rotor et carénage mobile en tangage (EM);
- Mars 2010 : Système de régulation automatique du pas rotor (SCR, Mi).

Ces brevets sont également consultables sur le site internet "US patent"; ils indiquent le pourquoi (ETAT DE L'ART), le quoi ( EXPOSE DE L'INVENTION) et le comment (DESCRIPTION & DESSINS).

 

II - SIMULATEUR - DEMONSTRATEURS


"Carter Copter Technology Demonstrator" - CCTD

Carter Aviation perfectionne à longueur d'année ses brevets sur un simulateur et des démonstrateurs. En 2001, le "Carter Copter Technology Demonstrator" - CCTD est son premier démonstrateur.

Le simulateur de vol X-Plane, paramétrable et utilisé par beaucoup de passionnés de pilotage sur micro-ordinateur, permet à Carter Aviation, après avoir dessiné en 3D le CCTD qu'il construit, d'étudier avec le module "blade element theory" son comportement aérodynamique (aile, fuselage, empennage arrière, rotor) sous l'action du vent relatif de l'hélice propulsive.
De plus les pilotes d'essais peuvent désormais s'entraîner hors de l'aéronef et prévoir les procédures de secours "ad-hoc" pendant les séquences délicates de vol.

Le CCTD totalise en 2005, 150 h de vol, 1.000 décollages/atterrissages en configuration VTOL. Le 17 Juin 2005, au dessus du terrain d'Olney au Texas, il atteint µ=1 pendant 1 seconde avant de redescendre à µ=0.9 pendant 20 secondes:

Vitesse air = 170 mph (272 km/h), altitude 10.000 ft
Vitesse rotor = 107 rpm
Lift (Portance) / Drag (Traînée) = 7 à 170 mph (finesse L/D semblable à celle d'un avion)

Moteur Lycoming turbocompressé IO-540 de 400 HP
Rotor de 11 m (35 feet) de diamètre
Hélice bipale de 2,50 m (100 pouces) de diamètre
Vitesse ascensionnelle = 750 fpm (4 m/s) à 1800 kg (4000 lbs)

Les pilotes sont arrivés à µ=1 en réduisant par pallier la vitesse du rotor sans noter d'instabilité. Au vol suivant, le même jour, par suite d'une erreur de pilotage, la cellule de l'appareil est gravement endommagée à l'atterrissage; il est décidé de construire un nouveau démonstrateur.

Voler à µ = ou > 1 était jusque là impossible à cause de l'instabilité du rotor tournant à basse vitesse avec une pale reculante passant dans un flux d'air inversé dont la taille augmentait avec la vitesse de l'autogire (voir schéma ci-dessous).

En parallèle du CCTD, Carter Aviation utilise un "Carter Gyro Demonstrator / Trainer", le CGD, pour maîtriser les phases VTOL avec les nouveaux ensembles conçus par ses ingénieurs:
- rotor monobloc à grande inertie (lest de bout de pale en uranium appauvri ) et à pas variable avec régulation automatique;
- prélanceur rotor (prélancement à plus de 500 rpm);
- réducteur d'hélice à deux vitesses;
- hélice propulsive monobloc à pas variable.

La base du CGD est le "Butterfly", un autogire monoplace disponible sur le marché ULM.


Carter Gyro Demonstrator / Trainer - "Butterfly" avec rotor Carter Aviation

Les vidéos YOU TUBE présentent des décollages sautés de 50 mètres de haut et des atterrissages verticaux du CGD dont la douceur prouve la grande inertie du rotor autorisant une remise de pas au moment de se poser.


"Proof Of Concept demonstrator" au 3e trimestre 2012

A partir de 2010, le successeur du CCTD, le "Proof Of Concept demonstrator" (POC) est opérationnel. D'abord sans aile, il effectue des décollages sautés, des vols à µ < 1 et des atterrissages très courts; l'adjonction de l'aile prévue initialement permet d'étudier ensuite le vol à µ > 0.7
Il préfigure le modèle de base de Carter Aviation baptisé "4 place Personal Air Vehicle" - PAV 4

Les caractéristiques du POC sont celles du CCTD avec, en plus, une aile de même taille que le rotor:
- rotor et aile de 11 m (35 feet) d'envergure;
- moteur Lycoming IO-540 turbocompressé de 400 HP ;
- hélice bipale de 2,50 m (100 pouces) de diamètre;
- poids de 1730 kg (3800 lbs) lors des essais pour le décollage sauté (au delà, décollage roulé);
- vitesse à pleine puissance de 326 km/h à 7.500 ft; 342 km/h à 12.500 ft; 392 km/h à 25.000 ft.

Au 1er semestre 2012, la série de vols réussis du POC avec une aile de 11 m est la preuve de la bonne adéquation entre la surface de l'aile, la trainée du rotor tournant au ralenti, la puissance du moteur, le rendement de l'hélice et les systèmes de régulation automatique de pas (rotor, hélice propulsive) qui simplifient le pilotage.
Les objectifs 1 (décollage vertical), 3 (vol à µ = ou >1) et 4 (vol à 10.000 ft de haut) fixés par la NASA sont atteints; il reste à réaliser en 2013 l'atterrissage vertical et les 1.000 km de distance franchissable.

En gardant l'architecture du POC qui donne satisfaction, afin d'essayer d'améliorer la charge utile et la vitesse de croisière pendant les prochains essais en vue d'atteindre les deux derniers objectifs fixés, Carter prévoit d'étudier des variantes possibles par changement de la puissance motrice et du nombre de pales de l'hélice:
- moteur diésel 200 HP, poids à vide 818 kg (1800 lbs), poids maximum 1360 kg (3000 lbs);
- turbine 1200 HP, poids à vide 1140 kg (2500 lbs), poids maximum 2270 kg (5000 lbs) et 480 km/h (300 mph) de vitesse de croisière.

 

III - MODELES / UTILISATION

31 - 4 Place Personal Air Vehicle / De son jardin au sommet de la tour de son bureau

Les schémas ci-dessous résument l'utilisation prévue pour le "4 Place PAV" réalisé à partir du POC.


""4 Place PAV" / De son jardin à son bureau

Le parking se fait dans le garage, ailes repliées; le décollage à partir de l'aire de stationnement ou de la pelouse; l'atterrissage sur le sommet d'un immeuble (station de métro, gare, centre d'affaires). Le PDG peut ainsi remplacer son hélicoptère par un PAV dont le coût global devrait être inférieur:
- à l'achat, à cause de l'absence de Boite de Transfert Principale (BTP) pour le rotor;
- à l'usage, par suite d'une consommation en carburant inférieure due à l'absence de rotor anti-couple, à une aile assurant la portance en croisière et à une traînée minimum du rotor.
Reste à savoir si la grande inertie du rotor ne sera pas une nouvelle cause de problèmes: prélancement, temps d'arrêt du rotor, usure de certaines pièces.

En raison de l'absence de volets et d'ailerons, le pliage de l'aile de 11 m à 4 m de chaque extrémité ne pose pas de problème de liaisons mécaniques. Cependant le rotor monobloc de 11 m, les deux portions de 4 m d'aile repliées par le haut vers le fuselage et la partie centrale de 3 m portant le fuselage et le train d'atterrissage nécessitent un volume supérieur à 11 m x 4 m x 3 m, soit une taille peu courante pour le garage d'une maison de campagne.

 

32 - Les extensions / En direct de vertiport à vertiport ou à l'aérodrome international

Par extension (puissance motrice, envergure aile et rotor, nombre de pales) du "4 place PAV", Carter prévoit de réaliser d'autres aéronefs : "6/9 Place Business Air Vehicle", "Carter's Gyroplane Transport & Carter's Heliplane Transport 100", "CH 45", "CGT & CHT 150" avec des versions spécifiques (logistique militaire, lutte contre les incendies).

 

321 - BAV 6/9

L'extension en puissance motrice du "4 place PAV" conduit au "6/9 place Business Air Vehicle":
- turboréacteur de 2000 HP;
- hélice quadripale de 2,50 m (100 pouces) de diamètre (mêmes pales que celles du PAV);
- cellule pressurisée;
- vitesse maximum comprise entre 590 km/h (370 mph) et 650 km/h (405 mph) en fonction de l'altitude;
- altitude préférentielle de vol 45.000 ft pour une autonomie de 4200 km (2600 miles) avec réserve.


""6/9 Place BAV" / Du "vertiport" de LORIENT au "vertiport" d'ISSY-LES-MOULINEAUX

Le BAV 6/9 conserve certains des éléments du PAV 4:
- rotor à grande inertie et aile de 11 m d'envergure, régulation automatique du pas rotor;
- mât rotor inclinable en tangage pour régler l'incidence de l'aile en fonction du coefficient µ: position basse vitesse autogire (portance rotor) , position vitesse de croisière (portance aile);
- commandes de vol;
- prélanceur et tête rotor;
- stabilisateur horizontal;
- train d'atterrissage.

 

322 - CGT & CHT 100

Le "Carter's Gyroplane Transport" - CGT 100 est une extension du BAV au niveau du diamètre du rotor qui passe de 11 à 30 m (35 à 100 feet) et de la puissance motrice:
- rotor et aile de 30 m (100 feet) d'envergure;
- 2 turboréacteurs Pratt & Whitney F 135.
Le CHT 100 est la variante "héliplane" avec rotor embrayable pour le stationnaire et le travail avec élingue; la charge utile est réduite de 6 tonnes à cause de l'adjonction d'une BTP pour le rotor.

 

323 - CH 45

Le "Carter's Heliplane" - CH 45 est une variante "héliplane" avec un rotor et une aile de taille réduite de moitié :
- rotor et aile de 14 m (45 feet) d'envergure;
- vitesse minimum de croisière 640 km/h (400 mph);
- distance franchissable 1.840 km (1150 miles);
- charge utile 900 kg (2000 lbs) en plus du carburant;
- 2 turbines actionnant deux hélices propulsives et le rotor (débrayé pour le vol en croisière à µ>1); commande différentielle de pas pour contrer le couple de renversement en stationnaire.

 

324 - CGT & CHT 150

Le "Carter's Gyroplane Transport" - CGT 150 est une extension du CGT 100 au niveau du diamètre du rotor qui passe de 30 à 45 m (100 à 150 feet):
- rotor et aile de 45 m (150 feet) d'envergure, fuselage de 32 m (106 feet) de long;
- 2 turboréacteurs Pratt & Whitney F 135;
- hélice quadripale de 8 m (24 ft) de diamètre, poussée statique 32 tonnes (70.000 lbs);
- poids à vide 64 tonnes (140,000 lbs), poids maximum 150 tonnes (330,000 lbs);
- charge utile 64 tonnes (140,000 lbs) sur 1.600 km (1,000 miles);
- vitesse de croisière 800 km/h (500 mph) à 30.000 ft;
- train d'atterrissage pouvant supporter un poser à 3,000 fpm (50 feet per second) sans dommage pour l'appareil et ses occupants.
Le CHT 150 est la variante "héliplane" pouvant faire du stationnaire (charge utile réduite de 9 tonnes à cause de l'adjonction d'une Boite de Transfert Principale pour le rotor).


""CGT 150 version logistique militaire"

Le CGT 150 a une version répondant au besoin militaire de logistique "Get in and out fast".


""CHT 150 version lutte incendie"

Le "Hydra Blaster Kit" transforme le CHT 150 en version spécifique de lutte contre les incendies: feux de forêt, feux dans les gratte-ciels.

 

IV - CONCLUSION

Carter Jr et son équipe ont fait progresser l'objectif initial de "sécurité" défini en 1923 par l'ingénieur et pilote espagnol Juan de la Cierva pour ses autogires Cierva 6 puis Cierva 8 (moteur 200 HP, rotor quadripale de 12 m de diamètre, hélice tractive, croisière à 145 km/h) : réaliser un aéronef qui ne puisse pas décrocher à basse vitesse.
Avec un giravion ou un "heliplane", les problèmes à l'atterrissage, comme le détaille le dernier écran du diaporama de présentation de Carter Aviation, n'existent plus:

Le PAV, le BAV et les CGT ou CHT de Carter Aviation offriront lorsqu'ils seront construits en série toutes les composantes de la sécurité par rapport au sol avec en prime une vitesse de croisière inégalable par un hélicoptère.

Le "No Runway" permet d'autre part à Carter Aviation de proposer le concept de "vertiport" pour prendre l'air par le haut en giravion afin de faciliter le transport aérien et de diminuer l'emprise "terres agricoles" des aéroports.

Ce concept et les intentions de Carter Jr quant à la finalité des travaux de sa société sont bien résumés dans un article rédigé après son interview de Décembre 2000 par un journaliste du "The Augusta Chronicle".

The Augusta Chronicle - December 22, 2000 - WICHITA FALLS , Texas

C'est l'heure d'aller travailler; vous avalez la dernière gorgée de votre café , vous prenez votre attaché-case et vous montez à bord du giravion.
En bouclant votre ceinture au milieu des 40 passagers, vous entendez les pales tourner rapidement avant de vous sentir soulever en l'air à 15 mètres de haut. L'appareil lève doucement le nez et se propulse à 560 km/h; dans une demi-heure, il se posera sur la terrasse du bâtiment de votre société.

"Je pense que nous allons vers une nouvelle évolution du transport aérien. Vous allez voir les gens sortir des villes car ils ont maintenant la possibilité de se déplacer vers la périphérie" me dit Jay Carter Jr, président et principal inventeur-ingénieur de CarterCopters.

Il prétend que son giravion combine ce qu'il y a de meilleur dans l'hélicoptère et l'avion.
"Si vous avez une panne, vous pouvez amener votre giravion au-dessus d'une cour. Vous le posez comme vous vous glissez sur le bas côté de la route avec votre voiture" dit-il.
"Je pense que cela répond à toutes les questions et que c'est la bonne réponse à une grande partie des problèmes des avions et des hélicoptères."

La NASA a fixé 5 objectifs à CarterCopters; chacun peut lui rapporter 50.000 $ en plus de la subvention initiale.
Le premier, le décollage vertical, a été réalisé le mois dernier. Les autres consistent en un atterrissage vertical, un vol à une hauteur sol de 10.000 feet, un trajet de 1.000 km sans refaire le plein et, pour terminer, la maîtrise du ralentissement du rotor tout en augmentant la vitesse de l'aéronef pour atteindre µ = 1.

Si tous ces objectifs sont atteints et que la configuration de son giravion a prouvé son efficacité, Carter Jr a l'intention de vendre cette technologie à quelques unes des sociétés ayant la capacité de produire à la chaîne ses giravions ce qui pourra changer définitivement le mode de déplacement entre les grandes zones urbaines.

Carter Jr espère bien réussir son pari de maîtriser complètement la technologie du "Slowed Rotor / Compound" (SR/C) qui donnera à ses giravions une vitesse de croisière inégalable par les hélicoptères dans un environnement d'automatisation des commandes de pas, synonyme de pilotage et de formation simplifiée assurant un passage rapide vers une version drone.
Toute technologie nouvelle n'arrivant à maturité qu'au bout de 5 à 10 ans, la période 2017 - 2022 devrait voir se finaliser le rêve de Carter Jr qui a commencé à se concrétiser en 2012.

Si ses concurrents - un groupe de compagnies travaillant depuis 2010 sur le grand projet "Transformer TX" de la DARPA incluant entre autres le concept SR/C - réussissent moins bien que lui, il pourra leur vendre la technologie SR/C - Carter Aviation.
En remplacement du "humwee" (High mobility multipurpose wheeled vehicle - HMMWV), le "Marines Corps" aura enfin à sa disposition une "jeep de l'air" pour intervenir rapidement - "Get in and out fast" - dans la 2e et la 3e dimension en échappant, entre autres attaques possibles, aux Dispositifs Explosifs Improvisés (DEI).

Après achat des licences "ad-hoc" de Carter Aviation - en particulier US Patent 6,527,515 B2 "ROTOR FOR ROTARY WING AIRCRAFT" du 4 Mars 2003 -, les constructeurs d'autogire mettront alors peut-être sur le marché ULM un modèle offrant en option à leurs clients un rotor à grande inertie et à pas variable permettant avec l'habituel ROTAX les décollages sautés et les atterrissages en douceur à la verticale dont ils rêvent depuis longtemps.

_________

 

PS: Merci de donner remarques, idées ou le bonjour en cliquant ci-dessous:

christian.degastines@orange.fr

Retour à SOMMAIRE