II. Le vol du deltaplane

1. Un peu d’histoire

 

Nous allons étudier l’histoire du deltaplane afin de mieux comprendre comment nous sommes passés de l’observation des rapaces à la construction de machines capables de voler sur plusieurs dizaines de kilomètres.

Pour commencer l’histoire du deltaplane, il faut d’abord parler de Léonard de Vinci (1452-1519). Ce grand ingénieur a dessiné plus de 500 machines volantes ! Il ne terminait quasiment jamais ses travaux car il lui semblait que cela n’atteindrait jamais la perfection qu’il attendait. Les premières machines se basaient sur le vol de l’homme par action musculaire. Seulement, celle-ci ne suffisant pas par rapport au poids important de l’engin, Léonard de Vinci passa à un vol « sans battement d’ailes ». Pour cela, il observa les rapaces et étudia leurs comportements afin d’essayer de reproduire les mêmes mouvements qu’eux. Concernant les oies sauvages par exemple, il vit qu’elle ne battait presque jamais des ailes. Il étudia alors le mouvement de l’air autour des ailes. Il avait aussi compris que le poids de l’homme ne pourrait être soulevé que par une grande envergure d’ailes. Il conçut un appareil indiquant la direction du vent et s’occupa énormément de la gestion du vol qui lui paraissait aussi importante que le décollage. C’est avec toutes ses observations et déductions qu’il parvint à construire un deltaplane en bambou qui ne fonctionna malheureusement pas. De Vinci est donc passé tout près de son rêve !

 

Un autre inventeur célèbre dans la construction du deltaplane est Otto Lilienthal (1848-1896). Il y a plus d’un siècle, dans les années 1890, cet ingénieur allemand construisit un « planeur à bretelles » après avoir observé durant des années le vol des oiseaux. Il s’inspira du travail de Léonard de Vinci puisque ses planeurs étaient construits en bambou lié par du rotin, recouvert de toile. Comme lui, il avait compris l’importance des courants aériens et de la maîtrise du vol. Aucun de ses appareils n’étaient conçus au hasard mais étaient, au contraire, le fruit de nombreux calculs. Grâce à ce planeur, il pouvait décoller et atterrir à pied. Son vol le plus long a été de 300 mètres en s’élançant d’une colline superficielle crée pour pouvoir décoller à tout moment. Il est ainsi considéré comme le précurseur du vol libre (voir lexique). Otto Lilienthal est le premier homme à avoir été photographié en vol (voir image ci-contre). Il adorait l’expérimentation et le disait si bien : » Nous devons voler et tomber, voler et tomber. Jusqu’à ce que nous puissions voler sans tomber. » Malheureusement, sa passion lui coûtera la vie puisque qu’il décédera d’une chute de 17m lors d’une de ses expériences.

Dans un second temps, dans les années 1950, le ciel voit apparaître d’autres modèles de voile : les ailes Rogallo (inventées  et baptisées par Francis Rogallo). Ce sont des ailes volantes relativement simples, formées de deux surfaces en demi-cônes, une des principales différences avec les modèles de Lilienthal ou De Vinci. Ces ailes sont peu coûteuses et sont légères, pliables et facile à mettre en œuvre. Toutes ces propriétés sont liées au fait qu’elles étaient d’abord destinées à équiper les capsules spatiales pour la rentrée dans l’atmosphère. De premiers tests concluants sont effectués sur cerfs-volants, mais le projet n’est pas retenu pour les capsules spatiales (on préférera le parachute classique). Par la suite, on pensera à utiliser cette aile pour s’élancer d’une hauteur. L’aile Rogallo de base, a de gros défauts, particulièrement celui de perdre sa forme dans certaines circonstances. En effet, la toile se met à plat lorsqu’il n’y a pas de vent puisque sa forme volumique est donnée par la pression de celui-ci. Dans ce cas, elle ne porte plus du tout le pilote, et c’est l’accident assuré.

Le delta est aussi associé au ski nautique puisqu’ en 1963, John Dickenson choisit d’utiliser une voile de forme triangulaire (ci-contre) au lieu des cerfs volants habituels jugés moins stables. Après quelques retouches, l’engin s’avère être capable de planer seul sans la traction d’un bateau.

• Evolution des matériaux et formes

De nombreux problèmes se posaient sur les différents modèles de deltaplane dont un majeur : la maîtrise du vol. En effet, d’une part les voilures très souples ont des qualités de stabilité réduites puisqu’il y a un risque de départ en piqué incontrôlable et d’autre part la qualité des matériaux ainsi que la maigre expérience des constructeurs rendaient les risques de rupture en vol importants. Le matériel était alors importé des États-Unis et les pilotes effectuaient des bricolages-maisons pour améliorer leur matériel. Leurs vols s’effectuaient depuis plusieurs sommets de Savoie comme du Mont Bernand à Bernex ou de Vailly.

De nombreux scientifiques se sont tournés vers le sujet et en ont sortis plusieurs solutions :

♦ La première évolution a consisté à mettre un mât au-dessus de l’aile, afin de garder la toile toujours en état de vol grâce à des haubans. Cette évolution répond au problème posé par la déformation de la voile.

Dans les années 1980, la voile se courbe afin d’accroître les performances. L’arrière de la voile est seulement tenu par sa tension et le pilote peut aisément contrôler son vol sans mécanisme en se déplaçant sur le trapèze, déformant ainsi les ailes séparément. Afin de gagner en performance, les deltaplanes modernes sont équipés d’une aile à double surface, c’est-à-dire ayant, comme les ailes d’avions, un extrados et un intrados : des lattes, ou longerons (voir lexique), qui servent à conserver le profil de l’aile.♦ La deuxième évolution a été la forme de la voile. Dans les années 1970, la forme triangulaire de base s’affine progressivement et le pilote passe de la position assise à la position couchée, s’inspirant à nouveau des oiseaux.

♦ Au niveau des matériaux, les lattes de départ servant simplement à conserver le profil de l’aile, elles se sont transformées en tubes d’aluminium au début des années 1990. Ces voiles proviennent de bateaux. Le deltaplane est alors composé d’alliages de métaux, composites (voir lexique), plastiques et fibre de verre ou de carbone. A la fin des années 1990, les tubes et câbles supérieurs disparaissent, remplacés par des tubes internes en fibre de carbone, c’est la forme actuelle des deltaplanes haut de gamme. Grâce à tous ces progrès, à la fin du XXe siècle, la fabrication d’appareils plus sûrs sans mât ni haubans est alors possible.

♦ De plus, l’’équipement du pilote a aussi évolué, en particulier son harnais. Il est équipé d’un parachute de secours permettant de dégager les jambes au décollage et à l’atterrissage. Initialement constitué de pattelettes (bandes sous les genoux), puis d’un barreau, situé sous les pieds du pilote  relié à l’accrochage, le système rendant le pilote solidaire du deltaplane devient un véritable cocon. En effet, le pilote est placé dans un fourreau qui l’englobe support jusqu’à ses pieds (Image 1). L’évolution la plus récente est la redingote (image 2), il s’agit d’une combinaison complète que porte le pilote conçue par Theo Klafsky.

(1)       (2)

 

♦ Dans l’abondance d’idées des années 1970 apparaît aussi le deltaplane rigide.  Comme en aviation, la voile entièrement tenue ne se déforme pas, le rigide est donc dirigé par des gouvernes actionnées par le trapèze. Toutefois cette forme de deltaplane n’a pas eu autant de succès que le deltaplane souple.

♦ Quel est le secret de son succès ?

Une quinzaine de club de deltaplane existent actuellement en France et 1000 à 1200 pratiquants de delta sur 32000 adhérents à la FFVL (Fédération Française de Vol Libre). Malgré ce nombre restreints de « deltaplanneurs », il existe de nombreuses compétitions et diverses occasions de partager la passion du vol en delta. D’où vient un tel dynamisme ?

 

Ce n’est que dans les années 1960 que des pionniers passablement téméraires utilisèrent l’invention de Rogallo pour rejoindre et imiter les oiseaux. A ce moment-là, apparurent des ailes de deltaplane de plus en plus opérationnelles. Bill Moyes, ingénieur australien qui avait travaillé pour la NASA, conçut en 1972 une aile delta de 4,5 mètres carrés. En France, le club Hommes Oiseaux est créé en 1975 par Jacky Roux et Richard Vaudaux qui sont parmi les premiers à avoir pratiquer le deltaplane en France.

On commença alors à se passionner pour ce nouveau sport. Les améliorations de la fiabilité de la voile de deltaplane combinées à une médiatisation intense ainsi qu’à l’organisation d’événements tels que la Coupe Icare en France ont permis l’essor du deltaplane. Cet essor fut ensuite compromis par le développement d’un nouveau type d’aéronef : le parapente. Ce dernier, ressenti comme plus facile à utiliser que le deltaplane par son stockage entre autres marginalisa progressivement le deltaplane dans la pratique du vol libre. Pourtant, le deltaplane conserve ses qualités propres comme une meilleure finesse, une vitesse de vol supérieure et une plus grande durée de vie qui lui permettent de continuer à compter dans le monde entier de très nombreux pratiquants.

La Fédération Française de Vol Libre se crée en 1974 et structure la pratique du deltaplane. Aujourd’hui, cette discipline est enseignée par des moniteurs diplômés. On peut voir par là que le deltaplane est devenu un véritable sport. Comme pour tous les sports, les pratiquants recherchent la perfection dans les performances. Le record du vol le plus long est de 764 km en 11 h atteint par l’américain Dustin Martin.

Grâce au perfectionnement des techniques, comment un deltaplane décolle-t-il et se maintient-il en vol aujourd’hui?

2. Mécanisme de vol du deltaplane

Tout d’abord, le deltaplane est un aéronef c’est-à-dire un moyen de transport capable d’évoluer dans l’atmosphère terrestre, dit de de vol libre (voir lexique).

Le principe de vol du deltaplane est plutôt simple, une aile en forme de delta c’est-à-dire de triangle (de la lettre D en grec) et plane, du latin « planus » : droit, est stable pendant le vol. En effet, le pilote est allongé le visage face au vent accroché par un solide harnais. Celui-ci est relié au squelette de l’aile au niveau du point d’accrochage, c’est-à-dire au centre de la voile. Le pilote quant à lui est placé au milieu d’un trapèze avec 2 montants, la barre de contrôle lui permettant de diriger le deltaplane. Ainsi, la force des bras du pilote suffit pour diriger le deltaplane. Celui-ci se déplace dans la direction vers laquelle il souhaite aller afin de déplacer le centre de gravité par rapport au centre de portance (voir lexique) de l’aile. Cela va alors engendrer un petit vrillage, une torsion de l’aile afin de créer un virage ou une accélération.

En l’absence d’action de la part du pilote, l’aile a une action neutre et vole donc en ligne droite, avec de légers virages : lâcher les commande n’est donc pas dangereux. Par conséquent, lorsque de bonnes conditions aérologiques sont réunies, le pilote est totalement maitre de sa trajectoire.

Par ailleurs, le décollage s’effectue dans l’idéal, d’un point en hauteur comme une colline. Plus l’inclinaison de la pente est faible, plus le pilote devra courir en portant le deltaplane pour décoller. En effet, une dizaine de mètres suffisent en général pour prendre la vitesse nécessaire au décollage. Celui-ci peut être divisé en deux parties :   la propulsion constitue la première étape. En effet, le pilote doit propulser le deltaplane vers la pente jusqu’à ce que le harnais soutienne le poids du pilote en étant tendu. La seconde étape est la phase  de traction : le poids du pilote tracte l’aile dans la pente grâce au point d’accrochage du harnais. Cette phase permet au deltaplane de prendre un maximum de vitesse. En effet, 25 environ km/h sont nécessaire pour que la force de portance fasse voler l’aile. La vitesse de décollage se situe entre la vitesse de taux de chute minimum de l’aile utilisée et 20% au-dessus du taux de chute minimum.  Le taux de chute minimal constitue la vitesse du deltaplane à laquelle celui-ci se posera le plus lentement. Par conséquent, plus la vitesse du taux de chute minimum sera basse, plus la vitesse à acquérir pour le décollage sera faible et ainsi le décollage facile. Par ailleurs, 3 critères importants sont à prendre en compte lors du décollage. Tout d’abord, la direction car le décollage doit se faire avec un vent de travers (vent perpendiculaire à la trajectoire) de maximum 45 degrés. L’intensité du vent doit aussi être à 3 ou 4 m/s, toutefois, sur les sites dégagés avec un vent laminaire (vent constant en direction et en force)  le vent peut atteindre 15 m/s. Enfin, la régularité du vent doit être prise en compte, c’est pourquoi un vent laminaire facilite le décollage.  De la même façon, un vent de face permet un décollage facilité car la vitesse à atteindre pour décoller sera moindre. A l’inverse, un vent arrière engendre un décollage plus difficile car sa vitesse s’ajoute à celle de l’aile : il faut donc courir encore plus vite et sur une plus grande distance.  C’est pourquoi, lors de turbulences le décollage requiert une survitesse adéquate. De plus, en fonction du terrain, différent types de décollage sont possibles : le décollage en pente naturelle, constituée uniquement d’herbe, celui en tremplin collé à la pente utilisé souvent pour des terrains accidentés ou dans le vide, et enfin celui en falaise pendant lequel le pilote se jette dans le vide.

Par ailleurs, le poids du pilote a une influence directe sur le décollage, quelqu’un de grand aura plus de facilité à porter l’aile afin de courir au décollage. A l’inverse, une personne plus petite devra diminuer la taille du trapèze à l’endroit où il repose sur les épaules. Afin de procéder à un bon décollage, le pilote doit effectuer un bon portage de l’aile.  Les mains du pilote sont ouvertes sur la face avant des montants du trapèze, les épaules calées dans le trapèze, le dos droit. L’incidence c’est-à-dire l’angle formé par le profil de la surface de l’aile et le vecteur vitesse du vent de décollage peut alors être adoptée. Ce moment est critique car une rafale de vent peut rapidement déséquilibrer l’aile et donc son pilote. C’est pourquoi, dans l’idéal, le temps de portage doit être réduit au minimum.

L’atterrissage consiste en un palier près du sol : le pilote vole en ligne droite juste au-dessus du sol afin de ralentir progressivement l’aile. Le palier donne le temps au pilote de se concentrer sur la vitesse pour cabrer au bon moment. La vitesse diminue alors peu à peu en même temps que la pression. Lorsque la vitesse de décollage est atteinte (25 km/h) et que la pression est nulle, le pilote va pousser l’aile énergiquement vers le ciel afin qu’elle se cabre. Puis, le pilote va se poser sur ses pieds pour arrêter totalement l’aile.

Concernant la constitution d’un deltaplane, celui –ci présente une structure en tubes métalliques ou en carbone sur laquelle est tendue une toile en Dacron qui est un textile synthétique composé de polyester. De plus, des lattes et des câbles permettent de rigidifier la structure et de tendre la toile au maximum. Le pilote est accroché dans son dos par l’intermédiaire de son harnais à la quille ou au mât (voir schéma plus bas) du deltaplane. Il est couché sur le ventre et dirige en manipulant la barre de contrôle (speed bar), c’est-à-dire, la partie basse du trapèze. Ainsi, il déplace le poids de son corps latéralement pour tourner, ou d’avant en arrière pour accélérer ou ralentir. Ce sont donc les déformations induites sur la voile qui permettent à l’aile de virer selon la direction voulue.

Malgré l’importance de l’armature, l’ensemble de la structure  est démontable, et se range en un tube de 20 cm de diamètre et de 5,50 m de long, avec un poids total d’environ 30 kg.

Une des caractéristiques importantes d’un deltaplane est sa finesse. En effet, la finesse des ailes est de l’ordre de 9 pour les ailes biplaces et jusqu’à 13 pour les ailes de compétition. Une finesse de 13 signifie que le deltaplane parcourt une distance à l’horizontale de 13 km potentiellement pour 1000 mètres de dénivelé en vol plané dans des conditions calmes, sans turbulences. La vitesse moyenne est de l’ordre de 35 km/h. Toutefois, lors de compétions celle-ci peut atteindre un maximum de 80 à 100 km/h.

 

Voici un schéma complet de la structure du deltaplane

Ce vocabulaire étant particulièrement pointu et technique, voici quelques définitions permettant d’expliquer au mieux les différents constituants du deltaplane.

 

• Les haubans sont les cordages tendus entre le mât et la structure des ailes, qui permettent d’en augmenter la résistance aux tensions.
• La quille correspond au tube métallique fixé à la jonction des deux ailes, dans l’axe longitudinal, qui soutient les tubes de bord d’attaque et contribue à la rigidité de la voilure.
• Le mât est une pièce verticale fixée au centre de la quille, qui sert de support aux haubans.
• L’aile représente la surface horizontale sur laquelle s’exercent les forces aérodynamiques qui maintiennent le deltaplane dans l’air.
• La voilure correspond à l’assemblage de pièces de tissu formant une surface triangulaire, tendu sur une structure métallique pour constituer une aile.
• Le bord de fuite représente la bordure arrière de la voilure.
• La latte est la lame rigide qu’on insère dans des goussets sur la voilure afin d’en maintenir la forme.
• Le tube transversal est un tube métallique fixé au centre des ailes, perpendiculairement à la quille, qui permet à la voilure de demeurer déployée.
• Les tubes de bord d’attaque sont les deux tubes métalliques insérés sur la bordure avant de la voilure afin de la maintenir tendue.
• Le nez correspond à l’extrémité avant du deltaplane, formée par le point de rencontre des deux tubes de bord d’attaque.

 

De même, ce schéma d’un pilote de deltaplane nous a permis de mieux comprendre l’ensemble de l’équipement permettant au pilote de guider le deltaplane.

Voici quelques explications concernant le vocabulaire relatif à l’équipement du pilote.

• Le harnais est un système de courroies qui relient le pilote au deltaplane.
• Le fourreau est un sac fixé au harnais, à l’intérieur duquel se glisse le pilote, en position couchée, pour diriger le deltaplane. Il peut être également accompagné d’un parachute de secours.
• Le point d’ancrage représente la pièce permettant d’accrocher le harnais à la structure du deltaplane.
• Le trapèze est une pièce métallique de forme triangulaire, fixée à l’intersection de la quille et du tube transversal. Le pilote se situe au centre du trapèze pour diriger le deltaplane.
• La barre de commande (ou barre de contrôle) correspond à la partie inférieure du trapèze, qui permet au pilote de diriger le deltaplane.

 

1. L’influence des courants aériens sur le vol du deltaplane

 

Les courants ascendants et descendants sont les principaux outils du deltaplane. Sans eux il ne peut pas voler, le pilote doit donc les connaître parfaitement. Grâce à la petite expérience suivante, nous avons prouvé que les courants chauds ont tendance à monter et les courants froids à descendre. Comment ces propriétés peuvent-elles servir pour le pilote de deltaplane ?

En effet, lorsque le delta s’envole, il va chercher à prendre de la vitesse et de la hauteur afin de se stabiliser à une certaine hauteur propice à un bon vol. Les courants ascendants vont alors lui être très utiles. D’instinct, le deltaplane aura tendance à descendre, le pilote va donc guetter les courants chauds durant son vol. A la fin, il aura besoin d’un courant descendant doux afin de redescendre sur la terre ferme.

Cependant, il peut arriver qu’il y ait des tourbillons déstabilisants car certains sont composés à la fois de courants ascendants et descendants. Deux cas se distinguent alors :

• Dans un premier cas, le pilote, se déplaçant à une grande vitesse, il traversera cette région sans se rendre vraiment compte des turbulences.

 

• Dans un deuxième cas, le delta aura une de ses ailes plus haute que l’autre, et afin d’éviter la vrille, le pilote devra mettre tout son poids de l’autre côté afin de contrer cet effet. Une autre solution est de tirer sur le trapèze afin de gagner de la vitesse et sortir de ce tourbillon.

 

En effet, gérer son delta dans un tourbillon est très important afin d’éviter les tumblings, ou culbutes de delta qui peuvent provoquer la rupture de la machine. A ce stade, une seule solution s’impose alors : déployer le parachute de secours !

Jean Pierre Petit raconte sur le site Gegair un accident dont il a été témoin le dimanche 30 août 1998, au lieu-dit du « col Saint Jean », dans les Alpes. Les conditions étaient apparemment excellentes, un vent léger du Nord et des courants ascendants thermodynamiques. En apparence donc, aucune turbulence et aucune difficulté pour le pilote ici de parapente. Seulement soudain, la voile s’est refermée formant un « Z ». L’homme a chuté d’une vingtaine de mètres en criant avant que sa voile ne se rouvre. L’incident a duré au total trois secondes. Si l’on n’en croît les amateurs de vol libre, c’est un accident assez courant dont les chutes peuvent aller jusqu’à 50 mètres. Ces « cisaillements » se produisent souvent près des sols ou des reliefs. Les accidents les plus graves sont souvent dus à des atterrissages forcés à une vitesse trop élevée provenant par exemple d’une chute.

Voici le plus souvent les conditions météorologiques que l’on trouve pour pratiquer le deltaplane :

– Le matin, l’air est calme et doux, le soleil n’a pas encore chauffé les masses d’air.

– En milieu de journée, une masse d’air chaud s’est formée dans la vallée et un léger vent va venir libérer des « bulles » d’air chaud. L’air surchauffé va alors créer des ascendances qui vont transporter cette masse d’air chaud contre les pentes ou les reliefs. Le système de courants aériens est donc très instable.

– Dans l’après-midi, la masse d’air générale va monter avec par-dessus de nouvelles bulles d’air correspondant à des ascendances d’air chaud plus prononcées (deux à quatre m/s). Les ultra-légers peuvent jouer sur ce système en faisant des allers et retours entre le relief et la plaine. C’est à ce moment-là qu’interviennent des turbulences imprévisibles et locales qui peuvent conduire à des tumblings.

	Voici un schéma d’un lieu type pour faire du deltaplane avec les différents courants aériens

 

Afin de mettre en évidence les mouvements des courants chauds et froids dont se sert le deltaplane pour voler, nous avons réalisé une expérience à l’aide d’une cartouche d’encre et deux verres d’eau de température différente. Nous avons choisi la cartouche d’encre et l’eau car les fluides ont les mêmes propriétés que l’air.

Liste du matériel utilisé :

–           2 verres d’eau (un d’eau chaude et un d’eau froide)

–           Une cartouche d’encre

–           Un glaçon

–           Un poids

Voici notre protocole expérimental que nous avons appliqué :

1) Mettre le glaçon dans le verre d’eau froide afin d’accélérer plus tard  le processus.

2) Mettre un poids en dessous de la cartouche et la plongez dans l’eau chaude.

3) Après cinq minutes, la sortir, la percer puis la plongez dans l’eau froide.

4) Observez.

Nous avons ainsi observé que l’eau chaude de la cartouche remonte vers le haut du verre qui contient de l’eau froide.

Ainsi, tout est une question de densité. En effet, toutes les matières subissent un changement de densité suivant leur température. Un corps froid va se contracter et par conséquent, prendre moins de place. Un même volume condensé va donc être plus lourd et plus dense. A l’inverse, l’air se dilate lorsqu’il chauffe. Sa masse volumique est donc plus faible que l’air froid d’où l’observation de l’encre chaude qui remonte vers l’eau froide.

Ce phénomène est visible dans la nature autant concernant les courants aériens que ceux marins. C’est cela que les deltaplanes utilisent pour prendre de l’altitude. Dans ce cas, les pilotes repèrent les courants d’airs chauds afin de les utiliser pour reprendre de l’altitude lors de leur vol et ne pas descendre près du sol. Ce phénomène est aussi bien utilisé par les deltaplanes que par les oiseaux ; ont-ils d’autres points de convergence ?