Le Vanguard 2C "Omniplane"

"" La firme Vanguard et son tout premier VTOL ""




Son histoire grâce à Aviation Magazine n°286 du 1 novembre 1959.

par Jacques Gambu, dessins de Jean Pérard, photos Howard Lévy.

Historique: Le 21 août 1959, l'arsenal américain des appareils expérimentaux à décollage et atterrissage verticaux s'est enrichi d'un nouveau spécimen : le Vanguard 2C "Omniplane" qui représente une formule dont on parlait depuis quelques temps mais qui n'avait pas encore connu de réalisation concrète.

C'est maintenant chose faite et l'"Omniplane" commence un programme d'essais qui doit le conduire au vol final complet avec cette fameuse transition si difficile à mettre au point... L'appareil a tout d'abord totalisé une douzaine d'heures d'essais au sol, dans l'usine même du constructeur, à Paoli, en Pensylvanie. Puis il a été transporté par air jusqu'à Moffett Field, en Californie, où le grand tunnel du laboratoire Ames du NASA a reçu l'appareil. Cette nouvelle tranche était parrainée par la NASA avec le support de l'USAF qui s'intéresse à l'avion. Il semble vraisemblable que l'appareil sera prêt à tenter ses premiers vols au moment où ces lignes paraîtront.

La firme Vanguard Air and Marine Corp, est relativement jeune, mais elle doit son activité à des techniciens qui, eux, possèdent une solide expérience. Le président de la compagnie est, en effet, M. Edward G. Vanderlip qui se fit connaître une première fois en travaillant pour le compte du gouvernement américain et en réalisant, notamment, le premier système de stabilisation en roulis pour engins spéciaux. Cette activité dura de 1942 à 1946.

Puis il s'associa avec M. Frank Piasecki où il réalisa le premier pilote automatique pour hélicoptère et travailla aux problèmes aérodynamiques des hautes vitesses, ceci jusqu'en 1955. A cette date, il devint vice-président et premier trésorier de la Piasecki Aircraft Corp. C'est à cette époque qu'il conçut un avion télécommandé connu sous le nom de "Sea Bat"".

Le vice-président de la firme Vanguard est M. John J. Schneider qui, dans les dix années précédentes, fut associé aux travaux des sociétés Curtiss- Wright, Bell Aircraft, Goodyear Aircraft Helicopter, devenue depuis Vertol, et Piasecki Aircraft. Il s'était spécialisé dans les études du contrôle de la couche-limite, des rotors d'hélicoptère et de leurs pales, des appareils VTOL à ailes pivotantes, etc... Chez Piasecki Aircraft, il poursuivit ses travaux et était, avant de quitter la compagnie, chargé du projet de la jeep volante VZ-8P... (voir sujet sur le blog).

Ces deux hommes, particulièrement éminents, se trouvent aujourd'hui chez Vanguard et il n'est pas douteux que le premier "Omniplane", considéré comme un simple banc d'essai volant chargé de vérifier le principe étudié, ne doit pas être considéré comme une spéculation hasardeuse d'esprits plus ou moins torturés.

De toute façon, l'avenir nous dira si ce nouveau type de VTOL justifie les espoirs mis en lui.

Le prototype de l'avion à décollage vertical Vanguard 2C "Omniplane" en cours d'essais au sol, apporte une solution nouvelle au problème du VTOl idéal tant recherché.

Source: Couverture de la revue Aviation Magazine n°286 du 1 novembre 1959.

Le Vangard 2C est un avion apparemment classique, doté d'une aile fixe à faible allongement et grande épaisseur relative, et normalement animé par une hélice propulsive tripale tournant dans un tunnel profilé disposé au droit des empennages.

Dans la configuration de décollage vertical et de vol stationnaire, la sustentation est assurée directement par deux grandes hélices tournant dans un plan sensiblement horizontal, tournant chacune à l'intérieur d'un tunnel percé dans chaque demi-aile; bien entendu, ce tunnel est ouvert en vol stationnaire et fermé dès que l'on passe au vol en translation.

Les réalisations antérieures au Vangard, dont la plus retentissante et la plus réussie est le Doak 16 (voir sujet sur le blog), ont prouvé que le système d'hélice ou de rotor tournant en tunnel (ducted fan) présente une excellente efficacité comme sustentateur. Cette qualité a également été démontrée dans les plates-formes Hiller et "Jeep volante" Piasecki, par exemple.

Par contre, cette efficacité est loin de se retrouver lorsque le même ensemble se voit confier un travail de propulsion. C'est pourquoi les ingénieurs de chez Vangard n'ont pas voulu lui confier cette fonction, reportant ce soin à une hélice propulsive presque classique.

   Le Hiller VZ 1E, qui procède ici à ses vols "en laisse" comporte deux hélices contra-rotatives carénées entraînées par trois moteurs Nelson H-56 de 40 ch.

Source: Science et Vie spécial Aviation 1959.

Si cette hélice arrière joue, à des titres divers, un rôle constant pendant toutes les phases d'un vol, les hélices sustentatrices ne sont utiles que pendant le décollage, le vol stationnaire et l'atterrissage. Lors du vol normal en palier, elles doivent être arrêtées et leur tunnel fermé sur ces faces, de façon à reconstituer les surfaces de l'aile qui, assure la sustentation.

En résumé, donc, l'"Omniplane" est un combiné et non pas un convertible, puisque les deux fonctions sustentation et propulsion sont séparées. En vol stationnaire, il est assimilé à un hélicoptère birotor latéral, alors qu'en vol normal, c'est un avion classique à propulsion arrière.

Le problème de l'obturation des deux tunnels de voilure a été résolu de façon originale. Si la fermeture de la face inférieure (intrados) fait appel aux "persiennes" déjà adoptées par d'autres chercheurs, celle de l'extrados abandonne l'idée de volets plus ou moins complexes et consiste en une simple surface, un simple couvercle d'une seule pièce.

Ce couvercle est soulevé par des vérins hydrauliques, verticalement, et laisse ainsi un passage annulaire d'entrée d'air.Cette solution devrait, selon le constructeur, augmenter, par un effet de venturi, la portance du tunnel le long de ses lèvres supérieures, largement arrondies, en vol stationnaire, cependant que ce couvercle aurait un effet de portance propre lors des vols en translation à petite vitesse.

En vol stationnaire, le centre de poussée des rotors en tunnel coïncide avec l'axe de rotation de ces rotors, ce qui correspond à un centrage donné de l'appareil. Ces rotors étant logés dans une aile fixe, il était hautement souhaitable que ce centre de poussée soit prévu au plus près du centre de poussée de l'aile seule, de façon que l'on retrouve le même centrage en vol normal, sans correction importante d'un quelconque mouvement de tangage.

Le centre de poussée d'une voilure classique étant situé, pour les angles de vol habituels, entre le 1/4 et le 1/3 de la corde, placer l'axe des rotors dans cette région aurait conduit à choisir de petits diamètres impliquant une forte charge surfacique des rotors et, par voie de conséquence, une plus forte puissance nécessaire. C'est pourquoi la forme en plan de l'aile du Vangard 2C s'approche beaucoup de l'aile ronde dont on sait que le centre de poussée est situé à la moitié de la corde environ.   

Maquette de l"Omniplane" montrant le fonctionnement  des obturateurs que l'on peut soulever et abaisser au moyen des vérins hydrauliques pour le vol stationnaire. Pour le vol en translation, les obturateurs, fermés, reconstituent le profil de la voilure.

Tunnel de voilure; on remarque les quatre supports du carter central porte-hélice, l'hélice ainsi que l'arbre de transmission et son dispositif.

Tunnel de voilure, vu du dessous, montrant l'articulation des pales et leurs commandes de pas. Noter le demi-train principal droit inspiré de celui de l"Ercoupe".
Source des photos: La revue Aviation Magazine n°286 du 1 novembre 1959.

Voilà donc les tunnels mis en place. Quel va être leur comportement ? On sait que si l'on déplace horizontalement un rotor rigide, caréné ou non, son centre de poussée va également se déplacer vers l'avant, ce qui provoque un moment de cabrage, lequel a été observé sur les appareils de cette formule en essais actuellement.

Dans le cas d'un rotor rigide caréné, l'écoulement induit sur la partie amont de la lèvre du tunnel va encore augmenter cette tendance. Les ingénieurs ont apporté à ces deux problèmes les solutions suivantes : tout d'abord, ils ont éliminé l'avancement du centre de poussée du rotor en articulant les pales, ne remarquant plus qu'un léger moment dû au décalage de ces articulations.

Ensuite, les rotors carénés étant noyés dans l'aile et, de plus, recouverts à distance d'un couvercle dont la face supérieure reproduit l'extrados de l'aile, l'effet de la lèvre avant du tunnel sera diminué par l'installation de la poussée sur ce couvercle et les autres parties fixes de la voilure. Cette installation de poussée va permettre de demander moins aux rotors eux-mêmes dont le pas sera alors diminué. De ce fait, l'écoulement sur les lèvres des tunnels va diminuer et, avec lui, le moment de cabrage.
Du côté propulsion, on a choisi la solution de l'hélice propulsive arrière tournant à l'intérieur d'un anneau profilé lui accordant un excellent rendement supplémentaire.
Cette hélice souffle les surfaces de queue et leurs gouvernes et, en vol stationnaire, accorde à l'appareil le contrôle en lacet et tangage. Le soufflage des gouvernes dans ces conditions est relativement faible grâce au grand bras de levier dont elles bénéficient. Il n'en reste pas moins qu'une force de propulsion existe, qui doit être compensée exactement si l'on désire voler à vitesse nulle. Cette compensation est simplement obtenue en inclinant les rotors sustentateurs vers l'arrière, de façon à créer une composante horizontale dirigée vers l'arrière.
Cette inclinaison correspond, d'ailleurs, avec l'angle d'incidence de la voilure, qui est de 3° sur le prototype.
Toutes les versions en projet destinées à voler en-dessous de 740 km/h sont munies d'une hélice propulsive.
Pour les projets plus rapides, équipés de réacteurs ou de turbopropulseurs, des volets déflecteurs sont placés dans le jet de la tuyère. En vol en translation, ces volets viennent s'escamoter sur les surfaces d'empennage.
Le prototype actuel a été construit en utilisant des éléments standard ou disponibles afin de réduire aussi bien le temps que les frais de réalisation. La firme possède tous les droits et les éléments construits du projet Jacobs 104 "Convertiplane" et le modèle 2C "Omniplane" est donc muni des rotors, transmissions, embrayage, etc., du Jacobs est, en très grande partie, celui d'un biplace de tourisme "Ercoupe".

Le prototype du Jacobs 104 n'est pas "habillé", mais il possède tous les éléments de l'appareil définitif. On remarque, sur cette vue, la voilure fixe et les rotors.

Source: La revue Aviation Magazine n°184 du 10 mai 1956.

Le moteur, un Lycoming 0-540-AIA de 265 ch est monté dans le fuselage, à la suite du poste de pilotage dont il est séparé par une cloison pare-feu en acier inoxydable.

Son accès est assuré par des portes et panneaux supérieurs. Il est monté sur un bâti en tubes d'acier soudés. Son refroidissement est assuré par un ventilateur de 63 cm de diamètre. Tournant le dos à la route, le moteur attaque un ensemble de poulies et, en bout de son arbre, le premier joint universel de liaison de l'arbre entraînant l'hélice arrière.

Le jeu de poulies transmet le mouvement à un autre jeu identique disposé en dessous, lequel est monté sur un arbre qui sollicite la transmission intérieure du fuselage d'où partent les deux arbres latéraux allant aux rotors.

Tous les pignons des boîtiers de transmissions et de renvoi de mouvement sont identiques. Ces pignons, de rapport 1 : 1 bien sûr, sont coniques à denture droite et sont calculés pour une vie de 2 000 heures. Quant aux paliers multiples, ils offrent un potentiel théorique de 1 000 heures. Entre les poulies inférieures et le premier boîtier, on a interposé un embrayage à friction qui permet d'entraîner ou d'arrêter les deux rotors sustentateurs de voilure.
Chaque rotor consiste en un ensemble tripale en alliage d'aluminium 24 ST profilé. Le profil est un NACA 0009 de 95 mm de corde pour un diamètre de rotor de 1,99 m. Chaque pale est articulée en battement seulement et commandée en pas collectif uniquement.
Dotée d'un dièdre de 7°30 et calée à 3° d'incidence, chaque demi-voilure vient se boulonner sur les flancs du fuselage. Deux moignons de longerons aboutissent au tunnel dont les lèvres supérieures sont largement arrondies. Le profil de base est un NACA 4421 de 21% d'épaisseur relative, mais les modèles ultérieurs doivent recevoir un profil plus mince, le NACA 4415.
Le boîtier central qui reçoit le moyeu du rotor est maintenu en place par quatre supports en croix supérieurs, de telle sorte que l'hélice, ou le rotor, tourne sensiblement au droit de la face inférieure du tunnel.
La vitesse périphérique atteint 275 m/s. Le tunnel est extrêmement rigide et il reçoit les becs et queues de nervure donnant sa forme au reste de la voilure.
Le bord de fuite de cette voilure comporte les ailerons à fente normaux de 1,80 m d'envergure et 50 cm de corde, mais ne recèle aucun volet, quoique l'appareil soit capable de se poser de façon classique. L'obturation supérieure est effectuée par une simple plaque au profil qui est ouvrable par l'action de trois vérins hydrauliques. Notons que cette plaque n'est pas ronde, comme le tunnel qu'elle doit obturer, ceci pour des raisons de reconstitution du profil de base et aussi, sans doute, pour des raisons d'alimentation en air du tunnel et de portance lors des vols en translation lente. La face inférieure du tunnel est obturée par des volets en "persiennes" maintenant classiques. 

 Le Vangard 2C "Omniplane". Les obturateurs n'ont pas encore été montés.

Source: La revue Aviation Magazine n°286 du 1 novembre 1959.

Le fuselage ne présente rien de particulier. C'est une coque en alliage léger issue du biplace "Ercoupe", mais dont la structure a été renforcée par un plancher recevant le poste avant, supportant le moteur et ses transmissions et les ferrures de voilure.

Notons encore deux raidisseurs longitudinaux extérieurs courant depuis la queue jusqu'au poste de pilotage, de chaque côté du fuselage. Ce poste de pilotage est biplace côte à côte.

Par rapport à l'"Ercoupe", le dessin du fuselage est relevé à l'arrière pour protéger l'hélice propulsive. Celle-ci tourne à l'intérieur d'un tunnel de 1,52 m de diamètre et de 35 cm de corde, supporté par les empennages cruciformes. Les gouvernes de queue sont presque totalement plongées dans le souffle de l'hélice, laquelle est identique, dans son principe et sa construction, aux rotors sustentateurs, exception faite de ses dimensions.

Les surfaces fixes d'empennage sont disposées en avant du tunnel d'hélice qu'elles maintiennent en place et les surfaces mobiles lui font suite. Légèrement surélevé par rapport à l'axe de l'hélice, le plan fixe présente une surface de 1,58 m² et sa gouverne de profondeur affiche 0,92 m² pour les deux éléments droite et gauche échancrés dans l'axe pour permettre le libre débattement de la direction.

Celle-ci est, bien entendu, placée dans l'axe de l'hélice et offre à son écoulement une surface de 0,75 m². Ce même chiffre a été retenu pour la dérive.

Tout l'ensemble de l'avion repose, au sol, sur un atterrisseur tricycle fixe qui doit  ses roues principales à un "Ercoupe", cependant que la roue avant, totalement orientable et folle sur son axe, est une création spéciale de Vangard. La voie s'établit à 1,95 m pour un empattement de 3,10 m. 

Ensemble arrière groupant les empennages cruciformes réunis par le tunnel où tourne l'hélice tripale actionnée par une commande de pas.

Source: La revue Aviation Magazine n°286 du 1 novembre 1959.

Les commandes de vol se réclament à la fois de l'avion et de l'hélicoptère. On trouve, dans le poste de pilotage, un manche à balai normal, des pédales de direction, plus un levier de commande de pas gauche analogue au manche de pas collectif des hélicoptères.

Le manche à balai commande le tangage en attaquant la gouverne de profondeur par l'intermédiaire d'une timonerie souple en câbles d'acier.

En ce qui concerne le gauchissement, le même manche sollicite à la fois les ailerons différentiels et le pas des deux rotors sustentateurs.

Ces deux actions sont simultanées et, selon le cas de vol, une des deux est inopérante : soit les ailerons qui sont inefficaces en vol stationnaire ou à faible vitesse, soit les rotors dont le pas change alors qu'ils sont immobiles dans leur tunnel fermé.

Enfin, le manche comporte encore, sur sa poignée, un communicateur qui excite le moteur électrique logé dans le cône arrière du fuselage et commande ainsi le pas de l'hélice propulsive arrière.

Les pédales de direction attaquent simplement la gouverne de lacet arrière, en même temps d'ailleurs que les freins différentiels des roues principales de l'atterrisseur. Quant au levier de changement de pas collectif des rotors sustentateurs, commandant la montée ou la descente verticales, il est muni d'une poignée tournante qui agit sur l'admission du moteur et en commande ainsi la puissance.

La procédure-type d'un vol s'établit comme suit : le moteur est démarré alors que les rotors sont débrayés et l'hélice de queue au petit pas. Les obturations des tunnels de voilure sont alors ouvertes, les rotors embrayés et leur pas augmenté progressivement jusqu'à assurer la sustentation de l'appareil.
Celui-ci décolle alors verticalement jusqu'à s'affranchir des obstacles naturel bordant l'endroit de départ.
A ce moment, le pilote agit sur le commutateur de manche et augmente le pas de l'hélice arrière qui devient effectivement propulsive.
Dès que la vitesse de transition est atteinte, vitesse qui sera vraiment déterminée par les essais en vol, le pilote procède alors à la fermeture des obturations des tunnels, le couvercle supérieur, qui participe à la sustentation, est rabaissé, les persiennes fermées, en même temps que le pas des rotors est diminué et les rotors eux-mêmes débrayés. L'appareil se comporte alors comme un avion classique. Au retour au sol, les mêmes manœuvres se déroulent dans l'ordre inverse. Ajoutons que l'appareil reste, de toute façon, capable de décoller ou d'atterrir comme un avion conventionnel, si l'infrastructure le permet.

Poste de pilotage de l'"Omniplane". Source: Aviation Magazine n°286 du 1 novembre 1959.


"" Projets d'avenir ""

Parallèlement à la réalisation du prototype, Vangard Air and Marine Corp. a procédé à l'étude de projets de développement de son "Omniplane" et en a tiré quelques variantes évoluées.
Le Vanguard 8 est un quadriplace "exécutive" équipé d'un moteur classique Lycoming ISO-720 de 520 ch. L'appareil consiste en une version extrapolée de l'appareil actuel et pèsera 1 542 kg à pleine charge avec une envergure de 7,31 m et une longueur de 8,70 m. La vitesse maximum doit atteindre 418 km/h et l'avion doit croiser à 320 km/h avec une autonomis de 890 km.
Le Vanguard 18 doit être un appareil commercial pour courtes distances. Propulsé par deux turbomachines Allison T56, il pèserait 13 600 kg et atteindrait une vitesse de croisière de 440 km/h. Envergure : 15,25 m;longueur : 19,20 m; hauteur : 7,16 m. A son sujet, le constructeur s'est livré à une étude économique qui laisserait penser qu'un prix de moins de 12 francs au kilomètre-passager pourrait être atteint en exploitation.
Le Vangard 6 doit être un appareil d'observation à hautes performances, conforme à la spécification militaire TS-145, à ceci près que cette spécification exige un décollage court alors que l'appareil apporterait la possibilité de décollage vertical ! Propulsé par deux turbo-propulseurs General Electric T58, il accuserait un poids total de 4 130 kilos et volerait à plein gaz à 563 km/h à 600 mètres.
Autre appareil militaire, le Vanguard 7 répondrait à la mission de transport de 32 soldats ou de 3 630 kilos de fret avec possibilité de décollage et atterrissage verticaux. Sur la distance de 925 km, la vitesse de croisière serait de 465 km/h. Il serait propulsé par deux turbines Allison T61. 

Croquis du Vanguard 2C. Source: Aviation Magazine n°286 du 1 novembre 1959.

Le Vanguard 9 doit être un VTO à hautes performances capable de satisfaire aux missions de surveillances. Au poids total de 1 180 kg,il volerait à 610 km/h maximum.

Le Vanguard 12 serait un hydravion anti-sous-marin qui, au poids total de 11 800 kg, emporterait quatre hommes d'équipage, 900 kilos d'équipement électronique et 1 130 kilos d'armement.

Le Vanguard 16, lui, a été conçu pour satisfaire aux exigences des longues missions de sauvetage. Emportant deux hommes d'équipage, il doit être capable d'enlever quatre naufragés au cours d'un vol stationnaire. Cet avion satisfait également aux nouvelles spécification de l'armée de terre américaine relatives aux STOL et VTOL.

En fin Vangard a également conduit une étude préliminaire défrichant les problèmes des hautes vitesses associées aux possibilités des VTOL. Par exemple, le modèle Vanguard 20 est un chasseur à grandes performances comportant des rotors principaux en bouts d'aile et des déflecteurs de tuyère pour le contrôle en lacet et en tangage.

On voit que la firme de Radnor a pensé à épuiser littéralement sa formule de VTOL en proposant toutes les formes d'avions exploitant au maximum la dite formule.

Source: Aviation Magazine n°286 du 1 novembre 1959.





                                                                                   Jean-Marie