Jacobs 104 Model 104 "Convertiplane"..

"" Like engine, like convertible ""

Historique : La revue Aviation Magazine n°184, du 10 mai 1956, aux éditions OJD. Description de Jacques Gambu, photographies de Howard Levy.

Historique : Depuis 1929, la firme Jacobs, installée à Pottstown, en Pennsylvanie, s'est faite un nom parmi les constructeurs de moteurs d'avions. Le fameux R-755 en étoile est bien connu de tous et il équipe plusieurs appareils américains de petit tonnage. Cependant, l'activité de cette société s'est sensiblement élargie il y a un lustre par la création d'un département hélicoptère qui a pour but immédiat le développement d'un nouveau type d'appareil à voilure tournante.

Le fait que ce département dépendait d'un constructeur de moteurs a singulièrement facilité les choses et si l'hélicoptère étudié par le nouveau département recèle quelques particularités notables, la moindre n'est précisément pas le groupe moteur-système d'entraînement. Disons tout de suite que ce groupe est très compact et a été réalisé en rassemblant sous un même carter, rapporté sur un moteur de série, un embrayage, un réducteur et la prise de mouvement des rotors de queue. Une telle solution a permis de gagner 20 % sur le poids d'un ensemble classique comprenant les mêmes éléments et devant absorber une puissance du même ordre. Ce gain de poids a tout simplement permis de prévoir le transport d'un passager supplémentaire, ce qui n'est pas négligeable.

Le but recherché avec le Jacobs 104 est la réalisation d'un appareil à relativement hautes performances, d'un faible prix de revient et d'entretien, pour les petites distances -- moins de 500 km. La conception de l'appareil fut présidée par quelques soucis majeurs dont la simplicité -- toute relative -- de construction, l'élimination des vibrations, l'obtention d'une stabilité acceptable et une facilité d'entretien. Ajoutons à cela un grand souci de la sécurité des occupants par une disposition constructive appropriée.

Comment se présente le Jacobs 104. En tout d'abord comment l'appeler et à quelle famille d'appareils le rattacher ? Il est, en effet, tout à la fois autogire, hélicoptère et gyrodyne et aussi un peu convertible.

L'appareil comporte un rotor sustentateur doté de commandes de variation de pas collectif et cyclique. Il est donc hélicoptère. Cependant, ce rotor est partiellement déchargé en vol en translation par la présence d'une surface portante fixe et le vol en translation est assuré par une hélice propulsive montée à l'arrière de l'appareil. Il est donc à la fois convertible et autogire. En effet, en translation le rotor est mis en auto-rotation et fonctionne comme celui d'un authentique autogire. De plus dans cette configuration de vol, 30 % de la sustentation sont pris en charge par la voilure fixe, le rotor est déchargé d'autant et la totalité de la puissance du moteur est délivrée à l'hélice propulsive, ce qui assure d'excellentes performances de vitesse à l'appareil. Le type définitif, caréné, ne doit-il pas atteindre les 280 k/h en pointe, avec un pilote et quatre passagers.

Considérant la partie hélicoptère de l'appareil, celle-ci est particulièrement compacte ainsi que nous l'avons vu. L'ensemble moteur-rotor principal-rotor anticouple est monté au-dessus du fuselage et laisse le maximum de place dans celui-ci. Ainsi, dans le modèle définitif, le pilote est assis, seul, devant, et on trouve à la suite, deux banquettes recevant chacune deux passagers, la dernière étant située juste en dessous du groupe moteur-rotor principal. Du carter supérieur du moteur, part un arbre unique qui entraîne, à la pointe arrière le rotor anticouple  et l'hélice propulsive.

Comme, pour des raisons d'encombrement, il ne pouvait être question de séparer ces deux hélices tournant l'une dans un plan parallèle à celui de symétrie de l'appareil et l'autre dans un plan perpendiculaire, les techniciens ont adopté la solution des pales engrenantes. Les deux hélices tournent ainsi au même régime et leur action, comme ma puissance absorbée, n'est qu'une question de pas. Ces deux hélices sont évidemment à pas variable avec mise en drapeau. En vol en translation, lorsque le rotor sustentateur déchargé d'environ 30 % de la portance générale, fonctionne en autorotation, l'hélice anticouple est mise en drapeau et toute la puissance est délivrée à l'hélice propulsive.

De faible variation de pas de l'hélice anticouple suffisent à assurer la tenue de l'appareil en direction. Dans le cas contraire, lorsque l'engin fonctionne en hélicoptère pur, c'est l'hélice anticouple qui est active, la plus grande partie de la puissance étant absorbée bien entendu, par le rotor sustentateur. L'hélice propulsive est mise en drapeau et le vol stationnaire est ainsi possible.       

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.

L'appareil présente donc une variété d'utilisations moyennant une complication relativement modeste. Dans le domaine de la production du modèle de série, la partie avant de l'appareil sera carrossée par des éléments de "Fiberglas" ou de "Plexiglas" moulés qui accorderont une grande rigidité à l'ensemble pour un faible poids. Les ailes fixes seront en flèche et le train d'atterrissage sera classique et escamotable. La pointe arrière de l'appareil comportera un empennage en T, une dérive recevant à son sommet un stabilisateur fixe, coiffé par deux petites dérives rectangulaires. Enfin, le groupe moteur-rotor principal sera monté au-dessus  de la cabine et caréné très soigneusement en vue du vol en translation rapide.

Le premier vol du prototype remonte à octobre 1953. Ce prototype était considéré comme une maquette volante de l'appareil définitif dont le premier exemplaire, qui a conservé un caractère expérimental, a débuté sa carrière en vol stationnaire le 1er juin 1955, par un vol d'une minute et demie, suivi d'un second de trois minutes 15 secondes. Depuis, les vols se sont succédé et on a cessé de parler de minutes. 

Premier vol du Jacobs 104. Celui-ci n'est pas équipé de sa voilure fixe qu'il recevra par la suite.

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

"" Caractéristiques du Jacobs 104 ""

Le Jacobs 104 est un appareil convertible monorotor, monomoteur à rotor anticouple caudal et hélice propulsive arrière, à train d'atterrissage classique fixe. La version définitiveest dotée d'un train de même nature, mais escamotable. De plus, des empennages sont prévus, surélevés en raison de la présence de deux hélices arrière.

Le rotor sustentateur : Est tripale, chaque pale étant de profondeur constante. Le profil est un NACA 23015. La longueur de chaque pale, mesurée depuis l'axe du rotor, atteint 5,50 m, pour une profondeur de 254 mm. Chaque pale est vrillée de 8° au total et la vitesse atteinte par son extrémité est de 169 m/s. La construction est en alliage d’aluminium 61 ST profilé.

Une masse d'équilibrage en acier, fuselée, vient coiffer l'extrémité de chaque pale. L'autre extrémité est serrée entre les deux joues d'une ferrure terminée par un joint à rotule à axe horizontal qui autorise à la pale les battements dans les plans horizontal et vertical et remplace les deux axes de battement classique. La pale pivote selon son axe longitudinal et son pied porte un bras relié, par une bielle, au plateau oscillant de commande de pas.

Une tringlerie de positionnement des pales est montée au-dessus du moyeu. Ce dispositif, breveté par Jacobs, maintient les pales en azimut et élimine le retard d'amortissement des battements. Le plateau oscillant et coulissant qui tourne avec le rotor est lié par un roulement à billes à un plateau coulissant qui est attaqué par les bielles de commande de pas collectif et cyclique. Ces bielles sont elles-mêmes commandées par des renvois montés sur deux tubes concentriques portant à leur autre extrémité les renvois correspondants attaqués par la tringlerie issue du poste de pilotage. Tout cet ensemble se situe immédiatement au-dessus du ventilateur chargé du refroidissement du moteur. Celui-ci est un sept cylindres en étoile dont le vilebrequin est disposé verticalement et est relié à l'arbre du rotor par l'intermédiaire d'un train de réduction intéressant le rotor principal et les rotors de queue, et un embrayage permettant de lancer le moteur à vide. Cet embrayage comprend également une roue libre qui rend le rotor fou sur son axe et permet ainsi sa mise en autorotation en cas d'arrêt du moteur ou lors de la configuration de vol "autogire". Tout cet ensemble est enfermé dans un carter faisant partie intégrante de l'avant du moteur.  

On distingue bien sur cette photo la voilure fixe.

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

Ce moteur est monté sur un bâti tubulaire dont la base quadrangulaire repose sur la structure du fuselage avec interposition des blocs de caoutchouc absorbant les vibrations dans une grande mesure. Le taux est de 1 : 8,5 pour le rotor principal qui tourne ainsi, au régime maximum à 295 t/mn. Le taux de réduction n'atteint plus que 1 : 1,042 pour les deux rotors de queue dont le régime est évidemment le même. Dans le prototype, l'essence est contenue dans un réservoir en alliage léger installé sous le groupe moteur. Cette place étant celle de la dernière banquette, dans la version définitive, le combustible est contenu dans des réservoirs souples enfilés dans des réservoirs souples enfilés dans les éléments extérieurs de la voilure fixe. La capacité totale de ces réservoirs est de 200 litres, le rservoir d'huile contenant 19 litres. Le moteur est totalement enfermé dans un carénage circulaire entourant les cylindres et comportant un convergent supérieur dans lequel tourne le ventilateur de refroidissement. Un long et gros tube flexible circule le long de ce carénage et vient aspirer l'air extérieur à l'avant pour le conduire à l'arrière du moteur où se situe le carburateur. Cette solution est évidemment celle du prototype.

Dans la version définitive, une entrée d'air frontale sera ménagée dans le carénage entourant le groupe. En résumé, on trouve d'une part un fuselage contenant les passagers, les organes de commande et le train d'atterrissage et, d'autre part, le groupe moteur-rotor principal -  rotor de queue, ces deux grands ensembles étant reliés par interposition de blocs de caoutchouc. On peut dire que la cabine est littéralement  suspendue au rotor comme une voiture est suspendue sur ses roues. Terminons en signalant que la surface balayée par le rotor principal est de 94,50 m².  

Les éléments extérieurs ont été rapportés au treillis supportant le train et affectent une forte flèche.

Derrière le siège du pilote, la place est prévue pour les deux banquettes se série.

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

Les rotors de queue : Dont le fonctionnement général et le rôle ont été développés dans notre préambule, tournent selon des axes horizontaux, l'un étant compris dans le plan de symétrie de l'appareil et l'autre étant perpendiculaire à ce plan, tourné vers la gauche. Du fait de leur rapprochement meurs pales sont engrenantes. Chaque rotor est tripale et chaque pale affectée du profil symétrique NACA 0009, est réalisé en alliage d'aluminium 24ST profilé. Pour un diamètre de près de deux mètres, la profondeur de chaque pale atteint 95 mm. Le pied de la pale est articulé de la même manière que les pales du rotor principal et le système de commande de commande de variation de pas est sensiblement analogue. Des bielles relient les plateaux coulissants, l'un tournant avec des hélices et l'autre libre, dont le déplacement axial est commandé depuis le poste de pilotage et provoque la variation de pas des rotors. Cette variation intéresse jusqu'à la mise en drapeau totale et c'est pour cette raison qu'un profil parfaitement symétrique a été retenu. Dans la majeure partie des cas de vol, un rotor est en drapeau alors que l'autre absorbe une partie plus ou moins grande de la puissance motrice et est donc utilisé activement soit pour compenser le couple du rotor principal (hélicoptère), soit pour assurer la translation de l'appareil (autogire). Dans ce dernier cas, d'ailleurs, l'hélice propulsive absorbe la totalité de la puissance motrice. Quoique les régimes des deux hélices de queue soient identique, leur diamètre est légèrement différent. Il est de 1,83 m pour le rotor anticouple et 1,98 m pour l'hélice propulsive.

Les deux rotors de queue, à pales engrenantes, tournent à 90° l'un de l'autre.

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

Le fuselage : De section sensiblement quadrangulaire, est de structure mixte. En effet, la partie avant consiste en un caisson, sorte de poutre métallique attachée en porte-à-faux sur le treillis central qui reçoit le bâti-moteur au-dessus et la poutre arrière à sa partie postérieure. De chaque côté de ce treillis et à sa partie inférieure, deux éléments de structure de la voilure fixe soutiennent le train d'atterrissage principal et les demi-ailes extérieures. Ces éléments sont également réalisés en treillis de tubes d'acier soudés à l'autogène. Alors que la poutre-caisson avant reçoit le poste de pilotage monoplace, la travée centrale est occupée par le réservoir de combustible, le réservoir et le radiateur d'huile et la batterie. Bien entendu, dans la version de production, cette travée est occupée par la banquette arrière de la cabine, tous les équipements étant rapportés au-dessus de cette cabine ou à l'arrière. Le pylône surmontant la cabine et carénant le groupe-moteur et ses transmissions est, sur la version définitive, réalisé en panneaux démontables permettant l'accès facile à ces éléments principaux de l'appareil.

La voilure fixe : Attachée en porte-à-faux à la base du fuselage comprend un éléments central de chaque côté, en flèche modérée et ne possédant aucun dièdre. Cette portion de voilure est dotée d'un profil 63.024. Cet élément central est suivi d'un élément extérieur en forte flèche, également de profondeur constante et dotée d'un profil NACA 63.018. Le dièdre est légèrement négatif. La corde est fixée à 1,22 m, et la flèche moyenne est de 45°. Les éléments extérieur de cette voilure ont, seuls, été montés sur le prototype et les essais n'ont porté que sur leur comportement aérodynamique, sans qu'il soit possible d’estimer la part qu'ils prennent dans la sustentation générale de l'appareil. La structure des éléments intérieurs est en treillis, ainsi que nous l'avons vu. Les éléments extérieurs sont des bilongerons en alliage léger qui seront chargés, dans la version de production de recevoir les réservoirs de combustibles. Ces réservoirs seront d'ailleurs structuraux.    

Groupe moteur-rotor principal avec l'arbre d'entraînement anticouple.

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

Les empennages : Comme d'ailleurs les rotors de queue, sont portés, sur la version définitive, par une poutre monocoque, de section quadrangulaire à angles arrondis, fixée à la partie arrière du treillis central. Si, sur le prototype, on ne trouve que les rotors de queue, la version définitive sera munie d'empennages fixes. La disposition des rotors étant conservée, ces empennages seront reportés vers le haut. Ils consisteront en une haute et mince dérive sur laquelle sera monté un stabilo rectangulaire en certaine flèche. Ces empennages auront un rôle de stabilité en vol en translation.

Le train d'atterrissage : Qui sera escamotable sur la version de série, est classique et fixe sur le prototype. Il consiste en deux diabolos principaux portés en bout de jambes élastiques montées en bout des éléments intérieurs de la voilure fixe. La voie est de 2,60 m. La roulette arrière est également portée par une jambe élastique à longue course.

"" Caractéristiques (version de série) ""

Diamètre du rotor principal : 11 m.

Longueur totale : 10 m.

Hauteur : 3,30 m.

Poids à vide : 1 067 kg.

Charge surfacique : 16,64 kg/m².

Puissance : Un Jacobs R-755-EH de 350 cv.

Performance : Vitesse maximum, 280 km/h; vitesse de croisière, 251 km/h; vitesse ascensionnelle verticale, 3,55 m/sec; plafond (vol stationnaire), 1 380 m; plafond absolu, 4 270 m; autonomie, 416 km.  

La tête du rotor principal surmonte le ventilateur de refroidissement du moteur.

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

"" Du prototype à la version de série ""

Directement tiré du prototype, le type de série sera toutefois empenné et le groupe moteur-rotor principal sera soigneusement caréné. Les passagers prendront place derrière le pilote, jusqu'en dessous de la tête du rotor sustentateur.

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

Jean - Marie