Conseils pour les hélicoptères RC – Systèmes de stabilisation par rotor de queue

Sur tous les modèles en kit, le couple du rotor de queue est compensé par un rotor de queue qui exerce une force dans le sens opposé à celui du bras de levier du bras de queue. Par temps calme, lorsque le vol stationnaire est possible sans déviation visible des commandes grâce à un réglage correct, on peut presque oublier la commande du rotor de queue si le moteur est bien réglé. Le vol stationnaire sur place est encore plus facile lorsqu'un vent constant souffle, car il stabilise l'hélicoptère grâce à l'effet de girouette des surfaces latérales du fuselage ou de la dérive.

Mais dès que l’on souhaite effectuer des figures en vol stationnaire, la situation change. Des débattements cycliques deviennent alors nécessaires pour incliner le plan du rotor. Cela nécessite de l’énergie, qui peut être puisée brièvement dans l’énergie de rotation du rotor principal. Mais celle-ci doit être restituée, ce qui se fait en augmentant la puissance du moteur. Cela génère toutefois un couple plus important, ce qui nécessite un débattement plus important du rotor de queue afin d’éviter toute rotation autour de l’axe vertical. Cette variation plus importante du pas du rotor de queue entraîne à son tour une résistance aérodynamique accrue, ce qui nécessite une nouvelle adaptation de la puissance du moteur.

Dans la pratique, le processus de régulation décrit ne se déroule toutefois pas par étapes distinctes, mais de manière continue. Cela ne change toutefois rien au fait que le pilote doit d’abord détecter, à l’œil nu et à l’oreille, un écart par rapport à l’état d’équilibre de son hélicoptère pour pouvoir ensuite y réagir. En raison de ces légers retards, le rotor de queue sera constamment en légère instabilité ou, à tout le moins, déviera légèrement lors de l’amorce d’un autre mouvement du plan des rotors.

En ajoutant de manière fixe un débattement du rotor de queue au débattement des servos de pas et/ou des gaz, on peut obtenir, mécaniquement ou électroniquement, une approximation du débattement de correction requis. Mais il ne s'agit là que d'une approximation de premier ordre.

C’est pour cette raison que les fabricants japonais de modèles réduits télécommandés ont développé, il y a environ quatre ans, un module électronique intégré à l’émetteur et appelé ATS (Anti Torque System), qui ne se contentait pas de rendre l’amplitude de la déviation supplémentaire du rotor de queue proportionnelle au réglage du servo des gaz. De plus, l’influence de la vitesse de variation du réglage des gaz et la durée de l’amplitude de correction pouvaient également être réglées à l’aide de deux boutons rotatifs. Les ingénieurs en automatisme parlent dans ce cas d’une régulation PID.

Les émetteurs dotés de telles fonctionnalités sont avant tout destinés aux experts, capables de régler ces trois paramètres avec précision en fonction de leur hélicoptère. Cela nécessite une grande expérience du pilotage. Les influences extérieures telles que les rafales de vent ou les variations de fonctionnement du moteur, dues par exemple à une altitude différente du site de vol, ne peuvent pas être éliminées par cet accessoire électronique.

Depuis peu, GMP (fabricant du petit hélicoptère CRICKET) propose également un module électronique compatible avec n’importe quelle émettrice/récepteur, sous la forme d’un boîtier de servo supplémentaire sur lequel il est possible de régler les trois paramètres : le rapport de mélange, l’influence de la vitesse de variation de la commande des gaz, ainsi que l’amplitude et la durée de ces paramètres. Cette solution est universellement applicable et ne nécessite pas d’émetteur spécialisé coûteux, car le petit module est logé dans l’hélicoptère. Selon les indications du fabricant, ce dispositif ne coûte pas plus cher qu’un servo et ne consomme pas d’énergie supplémentaire.

De même, les régulateurs de vitesse électroniques ne réagissent qu’aux variations de couple résultant de variations de vitesse de rotation (et non aux changements de direction de l’hélicoptère). Un capteur inductif ou optique placé sur l’arbre du rotor principal capte des impulsions sans contact et règle le servo des gaz de manière à ce que la vitesse de rotation reste constante à une valeur présélectionnée. Cela permet de compenser les déviations de la queue dues aux variations de la vitesse de rotation du rotor ou du moteur. Les figures de vol nécessitant une puissance moteur différente exigent toutefois toujours une intervention du rotor de queue si l’on souhaite éviter toute rotation de l’hélicoptère autour de l’axe vertical. La puissance étant proportionnelle au produit du couple par la vitesse de rotation, lorsque la vitesse de rotation est maintenue constante, le couple – et donc l’angle de débattement nécessaire du rotor de queue – varie à chaque variation de puissance. Les régulateurs de vitesse ne constituent donc qu’une aide à la stabilisation du rotor de queue. En tant qu’éléments de commande purs – par rapport à l’hélicoptère dans son ensemble –, ils ne peuvent, par définition, assumer aucune fonction de régulation de position.

De tels systèmes de régulation de vitesse ont été décrits par Rainer Rebhan dans « Flug+modell-technik » n° 282-7/1979 (Régulateur électronique de vitesse pour modèles réduits d’hélicoptères) et par le Dr A. Kroneisen dans « Modell » n° 12/79 (Régulateur de vitesse pour hélicoptères miniatures). Ils sont également commercialisés par le fabricant japonais SANWA sous le nom de GOVERNOR, mais n’ont pas connu de large diffusion en raison de l’aide limitée qu’ils apportent au pilote, comme décrit précédemment.

Pour le pilote moyen, de telles aides électroniques ne sont guère utiles. Même si un assistant expérimenté lui règle le tout une fois, cela n’est utile que jusqu’au prochain crash ou jusqu’au remplacement des pales du rotor. Une fois la tête de rotor remontée, le réglage recommence depuis le début, et pour des raisons de temps, on ne peut généralement pas répéter cette opération à volonté.

C’est en partant de cette réflexion et en tenant compte des dernières avancées dans le domaine de l’électronique que la société FUTABA a mis au point un circuit de stabilisation. L’idée d’utiliser un circuit mécanique pour stabiliser un mouvement de rotation n’est pas nouvelle. Dans l’aviation civile, les pilotes automatiques Sperry sont connus depuis des décennies. À ma connaissance, KAVAN a été le premier fabricant de circuits destinés aux modèles réduits d’hélicoptères. À l’époque, la position du gyroscope devait toutefois encore être détectée à l’aide d’un potentiomètre. L’hystérésis relativement importante, due au frottement du curseur, rendait le système inefficace, notamment lors des premiers écarts de cap, même minimes. Il n’a donc pas pu s’imposer pour des raisons liées à sa conception.

La solution proposée par FUTABA utilise une détection sans contact de la position du gyroscope à l’aide de capteurs à effet Hall (quoi que cela puisse être). Ce qui importe pour nous, c’est simplement que le gyroscope envoie une commande de contre-braquage au servo du rotor de queue dès le moindre changement de sa position. Ainsi, tout changement de position est compensé dès qu’une tendance à la déviation apparaît.

Un tel système gyroscopique moderne ne doit toutefois pas se limiter à la stabilisation du rotor de queue. Il doit pouvoir être surmonté afin de permettre l’exécution de rotations volontaires autour de l’axe vertical. Dans le cas du système gyroscopique FUTABA, commercialisé par la société ROBBE sous le nom d’« Autopilot » au prix d’environ 240 francs suisses, le kit entièrement câblé se compose du gyroscope, d’un module électronique et d’un interrupteur marche/arrêt doté de deux potentiomètres de réglage de 0 à...100 % pour le réglage de l’influence. Un canal de commutation sur l’émetteur permet de passer, en vol, de la plage de réglage 1 à la plage de réglage 2. Cela s’avère nécessaire lorsque l’on souhaite effectuer, dans le cadre d’un même programme de vol, à la fois des figures de vol stationnaire et des figures telles que des virages ou des approches d’atterrissage. Lors des figures de vol stationnaire, la commande manuelle du rotor de queue n’est pratiquement pas nécessaire. L’influence du pilote automatique peut donc être élevée, par exemple entre 70 et 90 %. En vol libre, on souhaite avoir davantage d’influence sur les commandes ; on bascule donc sur l’autre plage d’influence du pilote automatique, qui se situe par exemple entre 30 et 50 % seulement.

Le système commercialisé par ROBBE doit être alimenté par la batterie du récepteur. Cependant, la consommation électrique du gyroscope mécanique étant assez importante, il est recommandé d’utiliser une batterie séparée de 500 mAh. Les connecteurs nécessaires sont fournis.

Quant à l'installation proprement dite, il n'y a pas grand-chose à ajouter : la notice de ROBBE contient toutes les informations nécessaires de manière claire.

En Angleterre, un kit gyroscopique RCME est disponible, permettant d’assembler soi-même un système gyroscopique relativement simple. Pour 13 £, on obtient les pièces mécaniques avec un volant d’inertie équilibré et, pour 12 £ supplémentaires, les composants électroniques avec circuit imprimé, boîtier et connecteurs. L'ensemble complet, déjà assemblé, coûte 29,84 £ chez World Electronics. Cela représente (début 1982) environ 110 francs. Le fabricant des kits est la société Century Systems, 111 Gretton Road, Winchcombe, Cheltenham GL54 5EL, Angleterre.

Le système RCME se compose d’une partie mécanique et d’une partie électronique, qui permet deux réglages : la position centrale du servo et l’influence. Son mode de fonctionnement n’est toutefois pas le même que celui du système FUTABA. Dans ce dernier cas, il s’agissait d’un système de stabilisation ; ici, seule la rotation indésirable autour de l’axe vertical est plus ou moins amortie, tandis que les débattements des commandes sont transmis intégralement. Une description accompagnée d’un schéma figure dans le magazine « Radio Control & Electronics » de janvier 1982.

Enfin, il convient de mentionner le Watson-Stabilizer américain. Cet appareil ne comporte aucune pièce mobile, consomme moins de ¼ de watt et pèse moins de 100 g. Il ne nécessite pas de source d’alimentation propre. Sa durée de vie serait de 10 000 heures, et l’appareil est disponible au prix de 170 $ (environ 320 Fr.) auprès de Watson Industries, Inc., 3041-A Melby Road, Eau Claire, Wisconsin 54701, États-Unis.

Le fonctionnement de ce système n’est pas décrit de manière compréhensible dans les annonces. Il s’agirait d’un « gyroscope à semi-conducteurs », et l’inventeur écrit dans le « RCM » de juillet 1981, p. 94 : « La nouvelle technologie de poutre vibrante piézoélectrique utilisée dans notre stabilisateur va révolutionner le pilotage des modèles réduits d'avions. » Je ne peux pas en dire davantage. Peut-être qu'un lecteur en sait plus sur cette nouvelle technologie et me le fera savoir. J'essaierai alors de rendre cette information accessible à tous.

Au Japon, outre le système FUTABA décrit ci-dessus, des stabilisateurs gyroscopiques similaires sont disponibles sur le marché. Le SANWA GYROSCOPE SM-340 fonctionne grâce à un balayage infrarouge de la position du gyroscope. Je ne connais le système « SUPER GYRO SG-803 » de KO-DIGIACE que par le biais de publicités. Il en va de même pour le « GYROSENSOR NEJ 100 » de JR-

Propo. Cette marque est distribuée en Europe occidentale par Graupner, et on peut supposer que ce gyroscope sera lui aussi déjà disponible chez nous au moment de la parution de cet article. DIGIFLIGHT propose également un système gyroscopique, le DIGI GYRO, tout comme la société LOGITEC.

Compte tenu de cette large offre de systèmes presque identiques en termes de conception et de fonctionnement, ce n’est sans doute qu’une question de temps avant que ces marques n’apparaissent sur notre marché via les réseaux de distribution des revendeurs européens de modélisme bien connus. Les prix actuels devraient alors être réduits de moitié environ, de sorte que le gyroscope de stabilisation, avec ses effets bénéfiques sur le pilotage, fera bientôt partie des équipements standard d’un hélicoptère moyen bien équipé. Aujourd’hui déjà, plus de 80 % des pilotes en compétition utilisent ces dispositifs. Les figures de vol stationnaire exécutées avec tant de stabilité ne doivent donc pas toujours susciter notre envie. Outre le savoir-faire, cela requiert une bonne dose d’électronique (et d’argent).

Ernst Bernet, Weidstrasse 4a, 6300 Zoug, tél. 042 / 21 26 87