ClaudeL - Catapulte à poids

Catapulte à poids

Le premier dispositif employé pour faire décoller un appareil (avion ou planeur) du sol fut certainement la catapulte à poids,
utilisée par Erich Offermann, en el alto Venn, et surtout par les frères Wright pour lancer leurs premiers avions vers 1908-1910.

Lors de ses démonstrations au Camp d'Auvours, aérodrome situé près du Mans (Sarthe, France), en septembre1908,
Wilbur Wright utilisait une catapulte à poids pour décoller son Wright Flyer III [1]

Toutefois, l’encombrement du dispositif, la lourdeur de l'installation du dispositif (tour, poulies et câbles), et peut-être surtout le peu de hauteur donnée à l'appareil fit que le procédé fut supplanté
par le catapultage à sandow.

Schéma de principe de la catapulte des Wright [14]

Néammoins, cette technique a été utilisée beaucoup plus tardivement, jusque dans les années 1940, pour des lancements à la pente, en Suisse et aussi vraisemblablement en Allemagne.
En particulier une catapulte fut utilisée durant des stages d'été, en 1936 et 1945,au Alp Scheidegg (Suisse). [12]

La tour de la catapulte avec la masse de 1200 kg.
La hauteur de chute était de 11 mètres.

A la lisère de la forêt, derrière l'aile droite du Moswey,
on aperçoit le pylône de la catapulte.

Avant le lancement le planeur est placé la glissière.
La masse lest était remontée grâce à un treuil motorisé
que l'on voit en arrière-plan.

A] LE PRINCIPE

Le principe physique consiste à transformer l’énergie potentielle de pesanteur d’une masse qui tombe en énergie cinétique, donnant ainsi de la vitesse à l’appareil que l’on veut faire décoller.

L’appareillage consiste en un pylône au sommet duquel est placée une poulie. Une masse ML est attachée à l'extrémité d'une corde et cette corde est passée la poulie.
L’autre extrémité de la corde est fixée au planeur après être passée par deux poulies de renvoi.
La masse ML est hissée au sommet du pylône et la corde est tendue. ML peut alors être libérée et en tombant, elle entraîne le planeur en lui communicant une vitesse
qui dépend essentiellement de sa masse et de sa hauteur de chute, et de la masse du planeur.

B] INTERPRÉTATION PHYSIQUE

Nous pouvons sans difficulté faire une estimation satisfaisante de la vitesse du planeur à la fin du catapultage par deux méthodes : en raisonnant sur la conservation de l'énergie mécanique
ou en appliquant le Principe fondamental de la dynamique du point.
Notations utilisées
    Masse du lest : ML
    Masse de l'appareil : MP
    Hauteur de chute du lest : H
    Accélération de la pesanteur : g
    Vitesse à la fin de la chute : V_F
* CONSERVATION DE L'ÉNERGIE MÉCANIQUE
L'écriture de la conservation de l'énergie mécanique prend ici la forme suivante :

L'énergie potentielle perdue par le lest lors de sa chute = énergie cinétique acquise par l'ensemble (lest + planeur) + Travail des forces de frottements

- Énergie potentielle Ep = ML.g.H
- Énergie cinétique Ec = 1/2 (ML + MP).V _F²
- Travail des forces de frottement :

Il y a de nombreuses forces de frottements :
- frottements solides : frottement du patin de l'appareil sur la glissière, frottements au niveau des axes des poulies, frottement des cordes sur le sol.
- frottements fluides (de l'air) : sur l'avion ou le planeur (ensemble des traînées), mais aussi sur le lest.

Le travail global de l'ensemble des forces de frottement sera noté W.
On en déduit immédiatement l'expression de la vitesse acquise par l'appareil :

Formule 1

N'étant pas à même de calculer facilement le travail de ces forces, on considèrera qu'il est globalement égal à une fraction de l'énergie potentielle W = k. Ep et la vitesse V_F pourra s'écrire :

Formule 2

Si on n'a pas de moyen de faire une estimation des frottements, la valeur numérique du coefficient k sera choisi arbitrairement.
Une valeur de 0,10 à 0,15 (10 à 15% de l'énergie potentielle du lest dissipée par tous les frottements) semble plausible.

UTILISATION D'UN PALAN
La photo ci-contre, extraite de la galerie photo de Timothy Gaffney [9] montre qu'en réalité, le lest est accroché à un palan.
La vitesse finale de l'appareil n'est alors plus la même car la vitesse de chute du lest et la vitesse de l'appareil sont différentes.
Si le palan comporte n brins la vitesse de l'appareil catapulté VP sera à tout instant égale à la vitesse de chute du lest
multipliée par le nombre de brins : VP = VL x n.
La vitesse finale acquise par l'appareil a alors l'expression suivante :

Formule 3

L'utilisation d'un palan permettra d'obtenir une vitesse finale de l'appareil catapulté plus grande, toutes choses égales par ailleurs.

C] CATAPULTE DES FRÈRES WRIGHT

Cette photo nous permet de faire une bonne estimation de la hauteur du pylône [3]

Catapultage au Mans (1908) [5]

Pour la catapulte des photos, les valeurs étaient les suivantes [3]
            Masse du lest                    ML = 700 kg
            Masse de l'avion                MP = 450 kg (en ordre de vol c'est-à-dire avec le pilote)
            Hauteur de chute du lest     H = 6 mètres

a) Cas idéal sans palan
            Si on néglige tous les frottements (k = 0) on calcule la vitesse obtenue par les formules (1) ou (3) avec une accélération de la pesante g = 9,8 m/s²
            Vitesse obtenue                                  V_F = 8,5 m/s = 30,5 km/h

b) Pour tenir compte des pertes d’énergie, il faudrait faire une estimation de la traînée du planeur. Mais pour se faire une idée sans aller jusque là, on peut,
assez arbitrairement prendre k = 0,1 (10% de l’énergie est perdue en frottements de toutes sortes). La vitesse doit être calculée par la formule (1) :
                                                           V_F = 8,0 m/s = 28,9 km/h
L’écart relatif entre les deux valeurs calculées n’est que de 5 % environ. Ce résultat justifie à posteriori l’utilisation de la formule simplifiée (frottements négligés) pour le calcul de la vitesse.

c) Vitesse acquise avec un palan à 3 brins
Avec les mêmes valeurs numériques, 10% de pertes et un palan à 3 brins (photo ci-dessus) la vitesse calculée est V_F = 11,9 m/s = 42,6 km/h

Conclusions :
* L'utilisation d'un palan est très intéressante car la vitesse obtenue est nettement supérieure (de l'ordre de 30 % plus grande).
* Il faut noter que la masse lest était hissé par des hommes : dans le cas où le palan est utilisé, l'opération est plus facile. La force de traction est ML/4 dans le cas du palan à 3 brins,
et on voit sur la vidéo [6] que l'opération peut être réalisée avec 5 tireurs (chaque tireur doit exercer une force équivalant à soulever 700/3/5 = 45 kg)..
* Il faut aussi noter que la durée de chute est beaucoup plus grande, donc que l'accélération de l'appareil lors du catapultage est moindre et également les contraintes mécaniques
auxquelles il est soumis. Très intéressant pour des appareils très fragiles comme le Wright Flyer.
* Dans le cas d’un planeur, la masse de l’appareil en ordre de vol serait nettement plus faible. Avec MP = 200 kg pour fixer les idées, nous aurions (formule 3 et palan à 3 brins)
V_F = 14,9 m/s soit 53,6 km/h
La vitesse de catapultage et suffisante pour faire décoller le planeur à la pente, en toute sécurité.

Toujours au Mans, vue en contre-jour du Flyer III en vol derrière le pylône de la catapulte [1]

D] RÉPLIQUE DE MARK DUSENBERRY

Réplique du Flyer III (appareil de 1905) construite pour le centenaire (en 2005) du vol du 5 octobre 1905 [2]
Le poids est ici remonté et l'appareil paré pour le décollage.

Mark Dusenberry, ingénieur au Ohio Department of Transportation, a construit pour le centenaire du premier vol du Flyer III, le 5 octobre 2005, une réplique de l'appareil qu'il pilote lui-même.
L'évènement s'est déroulé à Huffman Prairie (actuellement sur la Wright-Patterson Air Force Base et le Dayton Aviation Heritage National Historical Park),
à l'endroit même où les frères Wright avaient réalisé leur premier vol le 5 octobre 1905.
Vidéo d'un vol d'essai.
Le 5 octobre 2007, un autre vol anniversaire se termina par la casse de l'appareil, le pilote s'en tirant sans une égratignure. Vidéo de ce vol.
Mark Dusenberry aurait réalisé une quarantaine de vols avec sa réplique.
Mais le 5 octobre 2009, le vol se termina mal : le Flyer piqua brusquement et s'écrasa, le pilote fut grièvement blessé. En 2011 il a encore de sévères séquelles de son accident.

WRIGHT GLIDER LAUNCHING APPARATUS

Un court article publié dans Flight du 6 janvier 1910, en page 22, nous décrit le dispositif. Il est ici reproduit dans sa version originale.

In connection with the description, with scale drawings, of the full-size Wright glider in our issues of September 18th and 25 th last, we have been repeatedly asked for details
regarding the starting arrangements suitable for such a glider, and now through the courtesy of Messrs. T. W. K. Clarke and Co., we are able to give them.
From the side elevation it will be seen that the starting rail itself is about 90 ft. long, while the derrick is 15 ft. high.

Sketches showing the details of mounting the rails and joining the sleepers

The actual arrangement shown was that constructed for Mr. Ogilvie's glider at Camber, and there the derrick was made from such timber as was available on the spot,
and the starting weight originally consisted of a bag containing the earth excavated from below the derrick. Later this was changed to a number of metal discs up to a total weight of 250 lbs.
The rail itself, consisting of " T " iron in 15 ft. lengths mounted on long wooden blocks, was laid on a slope of about 1 in 10, and to compensate for the irregularity
of the hillside a clearance of 1/4 in. was allowed at the joints. Owing to the long grass present in this particular case, it was found necessary to put additional wood blocks 6 ins. deep under the sleepers.
The actual details of construction are clearly shown in the three small sketches, while the precise arrangement of the starting rope can be followed from the side elevation. In launching,
the glider is placed in position close up to the derrick (as shown in the drawing), with its two small grooved trolley wheels resting on the " T " iron rail; the 250 lbs. weight
is then raised by hauling on the free end of the rope, which terminates in an iron ring; this is then slipped over a downwards-pointing iron hook,
carried on the end of a wooden bar fixed in front between the skids of the machine. At first a Manila rope, about 11/4 ins. circumference, was employed, but a wire cable has since been substituted.

Side elevation of starting derrick and rail for full-size Wright glider.

The glider is balanced laterally on the mono-rail by hand on each side (when in motion this is effected by the action of the wing-warping lever), and is held back by hand against the pull of the rope.
As soon as the pilot is ready the machine is released, the weight falls, and the glider is shot forward along the starting rail. When there is a good wind, the machine usually rises into the air
after traversing only about 30 ft. of the rail.

E] APPLICATION AUX MODÈLES RÉDUITS

La vitesse obtenue variant comme la racine carrée de la hauteur de chute, on peut espérer obtenir une vitesse suffisante en réalisant une catapulte à la même échelle que celle du planeur.
Supposons par exemple que le planeur soit construit à l'échelle 1/4. Si la hauteur de chute est divisée par 4, la vitesse finale du planeur sera divisée par 2 (racine carrée de 4),
Pour fixer les idées, calculons les vitesses obtenues avec les valeurs suivantes :
            ML = 20 kg
            MP = 5 kg
            H = 2 mètres
            g = 9,8 m/s²

a) Sans palan (formule 2) et avec k = 0,15
Vitesse finale V_F = 5,1 m/s soit 18,3 km/h

b) Avec palan à 3 brins (formule 3) et k = 0,15
V_F = 9,6 m/s soit 34,6 km/h

Conclusion : La vitesse obtenue est insuffisante pour permettre un décollage sûr en l’absence de vent dans le premier cas (pas de palan). Mais en utilisant un palan le catapultage devrait être possible,
d'autant qu'il est possible d'augmenter significativement la hauteur de chute du lest, ou même la masse du lest..

INFLUENCE DES DIVERS PARAMÈTRES

Le but étant ici d'étudier plus qualitativement que quantitativement l'influence des divers paramètres, les courbes ont été tracées dans le cas où on n'utilise pas de palan,
c'est à dire que les calculs ont été faits avec la formule 2.

a) Influence de la hauteur de chute
Traçons le réseau de courbes V_F(H) ) [0-8 m] pour ML = 20 kg MP = 6 kg et différents k = 0,05 0,1 0,15,0,20
Courbes et analyse

b) Influence de la masse du lest
Courbe de V_F(ML) [10-50 kg] pour MP = 6 kg et k = 0,1 et différents H = 2, 4, 6 et 8 m
Courbes et analyse

c) Influence de la masse du planeur
Courbes de V_F(MP) [0-12 kg] pour ML = 20 kg et k = 0,1 et différents H = 2, 4, 6 et 8 m
Courbes et analyse

CATAPULTE MODÈLE RÉDUIT

Premiers essais à blanc : la corde utilisée est de trop petit diamètre et se coince dans les poulies.	Les calculs c'est bien, mais l'expérience c'est mieux. Courant mai 2011, je décidai de contruire une catapulte à poids pour lancer des planeurs modèles réduits. L'échelle "moyenne" la plus fréquemment choisie pour la construction de maquettes de planeurs étant le quart, j'ai construit un pylône d'un peu plus de 3 mètres de hauteur pour rester à cette échelle (par rapport au pylône suisse de l'Alp Scheidegg). La hauteur de chute de la gueuse sera ainsi de 3 mètres. Le pylône n'est pas très maquette, les montants n'étant pas en bois, mais en tubes métalliques. L'histoire de la gueuse est assez peu banale. Elle a commencé sa carrière comme contrepoids d'une source d'ions d'un accélérateur de particules installé à l'Institut d'études nucléaires de Grenoble. Lors du démantèlement de cette machine, la masse fut récupérée par l'un des techniciens de mes amis, grand radio-amateur, qui envisageait de l'utiliser pour équilibrer une grande antenne de réception. Et fiinalement c'est dans ma catapulte qu'elle reprend du service. La masse de cette gueuse est de 32 kg.
La structure est boulonnée avec des écrous papillon pour faciliter et accélérer les montages et démontages. Le palan est formé de poulies de 20 mm de diamètre. Les poulies sont laissées libres de tourner autour de leur axe de fixation. Les premiers essais ont été réalisés à blanc, pour tester le hissage et la chute de la masse. A revoir : la corde est de trop petit diamètre, sort de la gorge des poulies et coince. Changement de corde : avec une corde plus grosse, c'est mieux mais pas encore parfait. On verra ce que cela donne lors des essais avec un planeur... Ces essais (il serait plus exact de dire cet essai) auront lieu à Vauville (Manche) pendant la rencontre Rétroplane 2011. C'est Vincent qui s'est spontanément porté volontaire pour accrocher son Musger MG-12 à la catapulte. .
Montage du pylône sur la pente des Pierres Pouquelées (Vauville) dans le cadre de la rencontre Rétroplane 2011. La main d'oeuvre est abondante et bon marché !	Avec une équipe de 3 ou 4 aides, il faut une quinzaine de minutes pour monter le pylône. Avec le palan à 3 brins, le planeur sera tracté sur une distance de 9 mètres.
9 juillet 2011, 15h52 premier test réel. Les tensions sont à leur comble pour les aides, pilote et corde.	C'est parti... Mais la vitesse est très très limite La corde en se tordant sur elle-même a fait perdre la plus grande partie de l'énergie en frottements
Le premier essai tenté a permis de lancer le planeur, mais ce fut pour le moins laborieux : la corde a une forte tendance à se tordre dans le palan et les frottements induits sont très importants. Résultat la vitesse du planeur est trop faible. Vidéo du catapultage Le deuxième essai fut raté, la corde s'étant décrochée du planeur au moment du lancement. Jamais deux sans trois : mais le dernier lancement laissa tout le monde sur sa faim : palan complètement emmêlé, la gueuse est restée suspendue en haut du pylône. Fin de la démonstration, démontage du dispositif et retour de la gueuse dans la voiture (pénible le transport de ces 32 kg !). Conclusions : Bien que brève, cette expérience fut riche d'enseignements. Sur le plan technique, je me suis trompé en pensant initialement qu'il valait mieux prendre des poulies de petit diamètre et les laisser folles, la seule tension du câble suffisant à les positionner correctement. En réalité, il faudrait au contraire qu'elles soient fixes. Le choix de la corde ne s'est pas non plus avéré le bon : trop élastique et surtout trop tendance à s'entortiller sur elle-même, ce qui a provoqué des frottements très importants au niveau des moufles du palan. Il aurait fallu choisir une corde de spéléologie, sans torsion. Sur le plan de la mise en oeuvre, tout a été improvisé et il y a eu un manque certain de coordination dans la procédure de lancement. Mais nous nous sommes bien amusés ! Avec un peu de mise au point, ce dispositif pourrait permettre des lancements sûrs de planeurs. Mais il ne peut prétendre concurrencer le lancement par sandow pour des raisons évidentes de lourdeur de mise en oeuvre, aux sens propre et figuré.
[photo ClaudeL, 02/08/2012]	Un modèle réduit non fonctionnel du Flyer et de sa catapulte est exposé au Musée des Techniques de Vienne (Autriche). La photo a été prise lors d'une rapide visite de la section "Transports" de ce musée, sur le chemin du retour du rassemblement Rétroplane 2012. Cette maquette donne une bonne idée des proportions du Flyer et de la catapulte.
Louis Gastine, dans son ouvrage L'A.B.C. de l'aviation, fait, en 1911, le commentaire suivant sur le dispositif de départ des frères Wright : A défaut d'un plan incliné de lancement, l'aéroplane Wright se lance en terrain plat sur un rail par la chute d'un poids de 700 kg, disposé dans un pylône spécial. Cette propulsion violente donne au biplan une très prompte envolée sur un fort court trajet. L'appareil semble s'élancer dans l'air d'un bond avec une séduisante aisance, et réellement ce mode de lancement lui épargne les efforts de départ inévitables dans tous les types d'aéroplanes à lancement par train de roulement. Mais en revanche, le dispositif de pylône et de rail lie l'aéroplane Wright à son port d'attache ou l'oblige à se rendre dans un autre lieu muni du même mode de lancement ou possédant les moyens de l'improviser. Et même en ce cas, le pilote sera désemparé si, en cours de route, il est obligé d'atterrir, parce qu'il ne pourra plus repartir sans créer d'abord, au lieu où il se sera arrêté, un dispositif du pylône et du rail avec câble, chariot à galets portant le biplan, etc. Malgré son élégance, ce mode de lancement est donc si restrictif de l'emploi pratique du biplan américain, qu'on ne s'explique pas comment les frères Wright commencent seulement aujourd'hui, c'est à dire après quatre années d'usage de leur modèle, à se résigner à l'alourdir d'un chassis de roulement, comme ceux que les constructeurs français ont créés dès le début de leurs essais.	Pylône de lancement du biplan Wright, vu de la nacelle d'un ballon [L'ABC de l'aviation, Gastine, 1911]

Dans la revue Australian Gliding Museum Newsletter n° 26, on trouve un fac-similé d'un article
publié dans la revue Work, The illustrated weekly journal of handicrafs, n° 1147 du samedi 11 mars 1911

Timbre poste émis par la République de San Marin (date inconnue), malheureusement tronqué.
[voir la belle page de philatélie sur le site du club de vol à voile de Saint-Florentin Chéu]

La masse en train d'être remontée avant un décollage [via Saint-Florentin Cheu]

F] RÉFÉRENCES
[1] Wright Brothers Aeroplane Co. A virtual museum : http://www.wright-brothers.org/General/Museum_Entrance/Museum_Entrance.htm
[2] The birth of Aviation Exhibition. A virtual museum : http://www.wright-brothers.org/Exhibits_&_Programs/Exhibits_Intro/Exhibits_Intro.htm
[3] Wilbur et Orville Wright, http://invention.psychology.msstate.edu/i/Wrights/Wrights.html
[4] Replica of Wright 1905 aircraft, construction de Mark Dusenberry, site de la NASA : http://wright.nasa.gov/replica/rep1905.html
[5] Wright brothers have lift off, vidéo sur YouTube http://www.youtube.com/watch?v=uT2dQB_OgFE
[6] Vol d'Orville Wright au Mans, vidéo sur YouTube http://www.youtube.com/watch?v=A-CvkEUSAO4&feature=related
[7] Science et Vie n° 383, août 1949
[8] Autre courte vidéo, http://www.youtube.com/watch?v=Tx-ZyNFhv8Y&feature=related
[9] 102e anniversaire du Wright Flyer III, Huffman Prairie 2007, photos de Timothy R. Gaffney : http://www.timothyrgaffney.com/photogalleries/prairie2007/prairie2007.html
[10] Celebrate 102 years of practical flight, vidéo de Timothy R. Gaffney : http://www.timothyrgaffney.com/blog/files/tag-mark-dusenberry.html
ou sur YouTube : http://www.youtube.com/watch?v=_fAp4vXX_bE&feature=player_embedded#!
[11] Rapport de l'accident de Mark Dusenberry, article du Dayton Daily News : http://www.daytondailynews.com/news/dayton-news/wright-plane-replica-crashes-pilot-seriously-injured-325874.html
[12] Segelflug auf der Alp Scheidegg, pa Werner Rüegg, 3 mai 2010, http://www.osv-ch.org/index.php?S=1&Article=132
[13] Flight 13 février 1909 et 20 février 1909
[14] Manuel de vol à voile, par Wolf Hirth & al. traduction en espagnol http://www.loscaranchos.com.ar/biblio/manual/
[15] L'A.B.C. de l'aviation, par Louis Gastine, Albin Michel, Paris 1911

Page mise à jour le 13/03/2014