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Tiltrotor ou Convertible à rotors basculants des frères H. & A. Dufaux (1906-1909) [2 vidéos]

 

Premier appareil au monde à tenter la mixité du vol horizontal et vertical et la translation de l’un à l’autre : sur une structure légère de bois, un moteur central basculant et 2 rotors doivent animer l’appareil. Pour le décollage, 2 groupes de surfaces triplanes et 2 ailerons arrières assurent la portance. Lors du décollage vertical, les rotors sont dressés vers le ciel. A l’atterrissage, basculés vers l’arrière, les rotors freinent le roulage. Un équilibrage automatique du tout est prévu mais l’appareil ne décollera finalement jamais.


Triste vue montrant malgré tout la structure complète du Tiltrotor des frères Dufaux (Bière, VD, 08.1909).

Un puissant moteur très original, inclassable et très léger

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Un des 5 éléments du moteur de 120 CV, où comment 4 cylindres et 4 allumages sur un seul piston fournissent une grande puissance pour peu de poids.

Passant du modèle réduit à la grandeur réelle (1906), les frères Dufaux construisent leur appareil à rotors basculants apte au vol vertical et horizontal, le "Convertible"’ ou Tiltrotor. Premier défi : une motorisation puissante et légère. Second challenge : tester le vol horizontal de l’appareil. Troisième épreuve : tenter le vol vertical. En final : basculer en vol les rotors. Mais ce projet trop en avance cessera dès la seconde étape.

En 1906, il n’existe pas de moteur d’aviation suffisamment puissant et léger permettant le décollage vertical d’un gros appareil emportant son pilote. Alors, avec les capacités d’innovation exceptionnelles qu’ils ont déployées lors de la création des motos Motosacoche ou de leur hélicoptère, les Dufaux se mettent de nouveau à l’étude d’un moteur capable d’emporter le pilote et son "convertible", soit un poids de plusieurs centaines de kilos. Ils adoptent le principe du moteur de 3,1 CV de 1905 de "l’hélicoptère-Dufaux" (Voir : Récit). Multipliant le montage des cylindres en tandem, ils créent finalement un moteur comptant 20 cylindres, montés en cinq groupes de quatre sur un arbre à manivelle à 5 manetons. D’un poids exceptionnellement léger de 85kg, pour une puissance à terme de 120CV (à 1560 t/min), ils détiennent là, à nouveau, un record mondial de légèreté, avec 0,7kg par CV.

Le concept ingénieux de ce moteur est basé sur l’obtention d’un couple aussi constant que possible, tout en faisant travailler les organes pendant la durée complète des 4 temps du cycle (un moteur ordinaire ne supporte l’effort que pendant moins du 1/4 du cycle). Ainsi, il y a moins de temps mort, et le métal des pièces travaille efficacement pendant 2 fois plus de temps, avec un effort de pointe 2 fois moins élevé. Pour une puissance donnée, la section et le poids nécessaires des pièces pour supporter l’effort sont presque réduits de moitié. Le moteur pèse ainsi un minimum avec les mêmes charges admises pour les matériaux employés. De plus, à couple constant, les volants sont supprimés, diminuant ainsi le poids total. Enfin, grâce à la légèreté de l’ensemble, un coefficient de sécurité plus important peut être appliqué pour renforcer les pièces subissant un effort important, augmentant ainsi la solidité et la fiabilité des organes moteurs les plus sollicités.

A citer aussi l’équilibre des forces subies par les pièces en mouvement alternatif à une époque où le moteur rotatif n’est pas encore opérationnel. Avec les manetons calés à 72 degrés il y en a 1 au point mort et 4 au travail, quelle que soit la position de l’arbre manivelle. La distribution est réglée de façon que lorsqu’un maneton supporte un effort de bas en haut, le suivant le supporte en sens inverse et, sur 4 pistons au travail, 2 poussent vers le bas et 2 vers le haut. Voilà la synthèse de cette réussite et comment, avec un poids assez réduit, et en imposant aux matériaux des efforts très limités, les constructeurs obtiennent une puissance nominale aussi élevée.

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Le moteur 20 cylindres à 5 pistons de 120cv et de 85kg (1908).

Les plans sont établis en 1907 et en novembre les Dufaux mandatent des entreprises de Saint-Etienne (F) pour réaliser séparément l’arbre à came, les soupapes, les pistons et les cylindres du moteur, pour une somme de 800F environ. Ces pièces sont livrées au début de 1908 où débute l’assemblage avec d’autres composants réalisés à Genève. Ce nouveau moteur d’aviation à explosion, de la maison H & A. Dufaux et Cie, fait sensation par sa grande originalité, en particulier au Salon de l’automobile de Paris, surtout grâce à son faible rapport poids/puissance. En contrepartie, bien sûr, rien d’autre que la mise au point du moteur n’aura fait progresser le projet du "convertible" ces années là, vu la charge professionnelle globale des Dufaux (motos et "convertible"). Armand se plaint de ne pas avoir pu prendre plus de 5 jours de congé depuis 2 ans.

Le refroidissement est réalisé par circulation d’eau à l’extérieur des cylindres (alésage & course : 100mm) et des culasses, dans des chapes rapportées de cuivre, ainsi qu’au centre des cylindres et culasses. Les pistons, travaillant sur leurs 2 faces, ainsi que leurs tiges, sont creux, refroidis par un courant d’air passant constamment à l’intérieur. La circulation d’air et d’eau est assurée par une pompe et un ventilateur à force centrifuge, à très grande vitesse (5.000 t/min). Le graissage est opéré par 3 pompes de circulation d’huile, munies d’un réglage de débit, aspirant l’huile dans un réservoir commun et l’injectant chacune dans les tubes de distribution. Chaque tube est muni de compte-gouttes réglables reliés par un tuyau à l’organe à graisser. Ces tubes sont assemblés selon la pression des gaz qu’ils contiennent, condition essentielle pour que le débit des compte-gouttes soit régulier. Les manetons sont munis de disques excentrés reliés par un tube à la tête de bielle, destinés à assurer le graissage de cette partie par la force centrifuge. Le châssis réunissant les cylindres en fonte est formé de tubes d’acier brasés. Le vilebrequin, les bielles, les tiges des soupapes, les cames et arbres à cames sont creux. Tous les frottements se font par contact de surfaces en bronze phosphoreux. Un double allumage existe et la distribution du courant secondaire se fait sur un tambour fixe. L’avance à l’allumage est obtenue par le décalage de l’arbre de commande de la came. Il n’y a pas de suralimentation d’essence. Le moteur est complété d’un radiateur en "nid d’abeille".

Une structure volante nouvelle à équilibre automatique

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Le convertible, dans sa 1e version, à Corsier, sur ses patins avec les parois latérales en bouts d’ailes (1908).

Rassurés par l’efficacité de leur unique exemplaire de moteur, les frères Dufaux débutent dans leurs ateliers de Corsier (Voir : Récit), la construction en grandeur réelle du "convertible". Selon leur souhait, pour qu’un aéroplane soit pratique, il est indispensable qu’il possède un système d’équilibre propre et automatique, indépendant d’un pilotage plus ou moins habile (il n’existe alors qu’une poignée de pilotes ayant volé !). Et si le moteur doit s’arrêter pour une raison quelconque, l’appareil doit pouvoir réellement planer. Leur "convertible" ne devra pas échapper à la règle, même si cela constitue une redoutable difficulté, même si ce concept reste encore assez difficile à vulgariser aujourd’hui ! Essayons :

Il faut imaginer que le moteur de l’appareil est suspendu comme un pendule à la structure contenant l’arbre reliant les 2 hélices, entre les 2 groupes d’ailes triplan, mais plus proche des ailes avant que des ailes arrière. Cette dissymétrie fera incliner l’appareil en montée (nez en haut), avec une augmentation de la portance, créant une force ascensionnelle, grâce aux seules hélices alors orientées à 45 degrés vers le haut. En vol de croisière, l’appareil se placera à l’horizontale, lorsque les hélices seront principalement dirigées vers l’avant, l’appareil étant stabilisé latéralement grâce à son propre poids et à l’angle en "V" formé par les ailes (dièdre positif). Bien sûr, toutes les positions intermédiaires de l’appareil et des hélices sont également possibles, ainsi que les variations de vitesse et de portance. Les deux ailerons, à l’arrière, influencent également la marche générale du "convertible" si l’on désire modifier l’assiette de vol. Quant aux hélices, elles sont collectivement orientables, autant vers l’avant que vers l’arrière, sans changer la position du moteur. De plus, toute la motorisation est, elle aussi, en bascule par rapport au châssis de l’appareil ! Les frères Dufaux ont déduit de ce concept qu’à chaque différence de portance correspondrait une attitude en vol différente de l’appareil, et que l’équilibre longitudinal serait bien automatique.

Pour essayer encore d’imaginer comment cela fonctionne, il faut comparer la traction des hélices à celle de la corde d’un cerf-volant cellulaire classique. Le point de pivotement des hélices sur le "convertible" représente en fait le point d’attache de la corde du cerf-volant ou le "centre d’application des forces". On sait que le cerf-volant est auto-stable et qu’il prend lui-même une inclinaison différente selon la vitesse du vent. Par exemple, lorsque la force exercée sur la corde cesse brusquement, un cerf-volant convenablement équilibré plane et vient atterrir sans choc.

Le châssis en bois repose sur un train d’atterrissage en roues de moto et le siège du pilote jouxte le moteur pour l’orientation des hélices durant le vol ; longueur 9m, surfaces portantes 60m2, hélices de 2,8 m de diamètre et un poids total de 660 kg. En avril 1908 toute l’armature est assemblée selon leur ingénieux procédé de construction, en utilisant des montants en bois creux entrecroisés, y compris la poutre maîtresse longitudinale et centrale. En août, l’appareil semble terminé, incorporant des éléments de l’atelier naval Mégevet (Corsier). Dans cette 1e version, chaque groupe d’ailes et les ailerons se terminent par des surfaces verticales, comme sur les cerfs-volants. Sur les 2 extrémités de la poutre transversale en tube d’acier, retenant le moteur, les 2 paires d’hélices sont mues à l’aide de cardans. Elles tournent en sens inverse et annulent ainsi l’effet de couple qui pourrait faire pivoter l’appareil sur lui-même.

Ainsi réalisé, le convertible doit pouvoir s’élever verticalement et atterrir sans vitesse. L’atterrissage pourra se faire soit en pratiquant la descente verticalement, à l’aide du seul moteur, soit en planant et en renversant les hélices au moment exact où l’appareil va toucher terre, freinant ainsi le vol. La traction des hélices, représentant plus de 700kg, au lieu d’être appliquée dans le sens de la marche comme en plein vol, sera alors à ce moment appliqué en sens inverse pour assurer le ralentissement. Avec le recul, il convient de noter que le mode de freinage prévu est probablement l’une des premières citations du rétro-freinage couramment utilisé aujourd’hui dans l’aviation par divers procédés.

Les appareils pour le vol vertical des Dufaux préservés aujourd’hui

L’hélicoptère-Dufaux est remis en 1911 par l’Aéro-Club de France au Centre National des Arts et Métiers (Paris). Le moteur de 120 CV du "convertible" est exposé au Musée Suisse des Transports et de la Communication à Lucerne depuis 1971. Acquis avec l’alimentation incomplète elle fut reconstituée d’une manière différente de ce que montrent les photos d’époque. Ce moteur dévoile aussi diverses réparations et renforcements témoins des dégâts subis durant les essais de vol. Une liasse de 25 plans dessinés de diverses pièces du moteur de 120cv est encore conservée au Centre Iconographique Genevois (GE).

 

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Eté 1909 sur la plaine de Bière (VD) avant les premiers essais de roulage.
Par : Jean-Claude Cailliez
Le :  jeudi 1er juin 2006
  • Pour plus d’information, voir : Les frères Dufaux et le vol vertical, de J.C. Cailliez ; La Revue no.35, Musées des Arts et Métier (CNAM), Paris, juin 2002, pp:36-46, ills, à la "Librairie ".
  • La version moderne du Tiltrotor imaginé par les frères Dufaux (sonore, 2’52’’, 55Mo), nécessite le plugin QuickTime, 7.1.3. minimum.
    Tiltrotor grand format, le concept d’avion-hélicoptère de 1902 ! (1902-1909, diaporama musical, 03’05’’, 9Mo). Au format Flash.

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