Les configurations à propulsions séparées pour l'essor vertical (rotor) et la croisière (hélice ou réacteur) avaient pour objectif une double optimisation des générateurs de poussée. Ce type de VTOL est appelé convertible (ou «combiné» hélicoptère-avion) en Français, convertiplane en Anglais (ou hélicoptère « compound » ou encore « Unloaded rotor »). Ces appareils sont techniquement viables et eurent comme représentant les Lockheed XH-51A compound , AH-56A, le McDonnell XV-1 et les Piaseky 16H-1 et -1A aux Etats-Unis. En Europe, les Fairey Gyrodyne et Rotodyne, le Sud-Ouest SO-1310, le Kamov Ka-22 furent construit pour tester ce type de VTOL.

Le X-wing est une variante de convertible dans laquelle le rotor est stoppé en vol de croisière et sert alors de voilure fixe. Alors que le convertible à été abandonné après les années 60, les études ont continuées sur les X-wing (et le Y-wing, variante à rotor tripale) et peut apparaître comme une formule d'avenir. Il est cependant à noter que la firme Piasecki à récemment présenté des projets de convertibles basés sur le Blackhawk et d'autres hélicoptères classiques (voir www.piasecki.com)

Pour les convertibles, le rotor assurant l'essor vertical était progressivement « déchargé» (d’où le nom « Unloaded rotor ») au profit de la sustentation par une aile classique. La propulsion était assurée soit par hélice soit par réacteur (XH-51 compound). Les convertibles furent cependant assez vite abandonnés : la sur-motorisation, les traînées parasites, la consommation et la structure très lourde étaient trop pénalisantes.

Contrairement à beaucoup d’autres types de VTOL, il ne semble pas que les Allemands s’intéressèrent aux convertibles pendant la seconde guerre mondiale bien qu’ils furent parmi les premiers à mettre en service des hélicoptères classiques. C’est la firme McDonnell qui fut la première à étudier sérieusement les convertibles suivis de près par Fairey, Kamov et Sud-Ouest.

En 1949, McDonnell débutait les études d’un appareil de transport convertible, le XHRH-1 qui ne dépassa pas le stade de la maquette d’aménagement. Parmi les autres projets de McDonnell, on peut citer le Model 113 et surtout le XV-1 mais la plus belle réalisation en ce domaine est, sans nul doute, le Fairey Rotodyne britannique.

Le Sud-Ouest SO-1310

En France, l'intérêt pour les convertibles fut important dès le début des années 50 et suscita la construction et les essais en vol du SO-1310 Farfadet. La société Sud-Ouest avait auparavant développé l’hélicoptère à rotor à réaction SO-1110 Arriel II. Sur cet appareil, le rotor n’était pas entraîné mécaniquement par une boite de transmission reliant la turbine au rotor, comme sur les hélicoptères modernes, mais par un système de chambres de combustion en bout de pales.

Une turbomachine fournissait de l’air comprimé aux chambres de combustion, ce qui donnait déjà en soit une partie de la puissance au rotor. L’excès d’air comprimé était utilisé pour la combustion du carburant qui fournissait l’autre partie de la puissance. Un des avantages de cette formule était l’élimination du couple de rotation, puisque le rotor n’était pas relié directement à un moteur et donc à l’élimination du rotor anti-couple des hélicoptères conventionnels.

Un autre avantage du rotor à réaction était l’élimination de la boite de transmission, généralement lourde et complexe, ce qui permettait d’envisager des appareils de très grandes dimensions. Il est à noter qu’un seul hélicoptère de ce type (le SO-1220 Djinn dans les années 50) fut mis en service dans le monde.

Les essais de l’Arriel II avait été techniquement satisfaisant mais l’appareil avait le gros défaut d’avoir une consommation en carburant double des hélicoptères conventionnels. En effet, les pertes de charge dans le moyeu et les pales étaient telles que la puissance de l’air comprimé avait diminuée de moitié par rapport à ce qui avait été fourni par la turbine. La combustion en bout de pale rétablissait largement la perte de puissance mais au prix d’une consommation doublée !

Pour résoudre ce problème, les ingénieurs de Sud-Ouest conçurent donc un nouvel appareil sur le principe du convertible ou la consommation excessive en carburant serait limitée aux phases de décollage et d’atterrissage. Pendant la croisière, le rotor tournerait librement (en mode autogyre) et fournirait 1/3 de la portance. La voilure classique fournirait le reste de la portance nécessaire pour le vol horizontal.

Le marché pour deux prototypes fut notifié en décembre 1951. La masse totale de l’appareil atteignait 1500 kg pour une masse à vide équipée de 1000 kg. Les performances calculées étaient, pour le vol hélicoptère, une vitesse de croisière de 150 km/h avec un plafond en translation de 2500 mètres et, pour le vol autogire, une vitesse de croisière maximale de 250 km/h avec un plafond de 3000 mètres.

La conception du SO-1310 était intéressant car excepté le rotor, l'avion ressemblait beaucoup à un petit avion privé. L’appareil avait une paire d’ailes tronquées de 6,30 mètres d’envergure montée bas sur le fuselage et qui était réglable au sol en incidence. La voilure fixe constituait également un réservoir de 400 litres de kérosène. L’appareil avait un empennage conventionnel avec une surface horizontale commandée en incidence par un volant. Le rotor tripale était semblable à celui de l’Ariel III, avec un diamètre porté à 11,20 mètres. Le SO-1310 avait un train d'atterrissage tricycle avec roue avant directrice commandée par le palonnier et munie de freins hydrauliques.

La propulsion consistait, à l’avant de l’appareil, en une turbine Turboméca Artouste II de 273 chevaux entraînant par l’intermédiaire d’un réducteur 1/14 une hélice Ratier bipale de 1,9 mètres de diamètre à régime constant. Le SO-1310 fut d’ailleurs un des seuls convertibles à avoir une hélice tractive, les autres avaient une hélice propulsive comme son alter ego américain, le McDonnell XV-1.

Pour le rotor principal, le système de propulsion était complètement séparé et consistait en un groupe turbo-compresseur Arrius I de 273 chevaux pour le premier prototype puis Arrius II de 360 chevaux pour le second. Ce groupe turbo-compresseur, placé derrière la cabine de l’appareil, alimentait en air comprimé des petites chambres de combustion placées en bout de pale sur le rotor.

Les essais au sol débutèrent à la fin de 1952 et furent très laborieux principalement en raison des problèmes avec les turbines qui étaient elles aussi en développement. Le premier vol eut lieu le 29 avril 1953 avec Jean Dabos comme pilote d’essai. Pour ce premier vol, la turbine avant n’était pas montée pour cause d’indisponibilité et le pilote se contenta de tester l’appareil en mode hélicoptère.

La première transition fut réalisée le 2 décembre 1953, toujours avec Jean Dabos aux commandes. Le pilote indiqua dans ses rapports que l’appareil était stable et agréable à piloter. Le SO-1313 était cependant complexe à piloter en raison de la présence de deux turbines à contrôler et des nombreuses commandes de vol.

L’appareil volait en croisière comme un autogyre et le pilote d’essai pu apprécier en une occasion le supplément de sécurité que cela représentait. En effet, lors d’un vol les deux turbines tombèrent en panne simultanément mais Jean Dabos pu se poser en auto-rotation sans casses sérieuses. Ce qui n’est évidemment pas possible avec un avion classique.

Malgré l’arrivé du second prototype avec turbine de 360 chevaux, les essais en vol furent rapidement stoppés par manque de financement. En effet, les militaires privilégiaient les hélicoptères classiques plus rapidement disponibles pour les opérations en Algérie et Sud-Ouest voulait engager toutes ses ressources pour le développement du SO-1220 Djinn, un hélicoptère léger également munis d’un rotor à réaction.

Le McDonnell XV-1 :

Le XV-1 était un convertible de formule similaire au SO-1310 Français et le premier appareil de ce type développé aux Etats-Unis. Le développement du XV-1 fut conduit par McDonnell et l’ingénieur Friedrich von Doblhoff sous les auspices du Wright Air Development Center de l’USAF et de l’Army Transportation Corps.

Le XV-1 (appelé précédemment Model 28 puis XL-25 puis XH-35) était l'un des trois concepts de VTOL à l'étude en 1954 pour remplir des missions d'observation et de liaison. L’appareil devait également pouvoir remplir des missions d’évacuation pour deux blessés avec un personnel médical plus le pilote. Les deux autres appareils sélectionnés par les militaires étaient le « tilt rotor » Bell XV-3 et le Sikorsky S-57 (appelé aussi XV-2), un convertible plus sophistiqué à rotor escamotable et à aile delta.

Le programme MX-1604 du XV-1 fut lancé le 20 juin 1951 par une lettre d’intention des militaires américains pour la construction et les essais en vol de deux prototypes. La maquette d’aménagement fut examinée en novembre 1951 et le premier appareil terminé en septembre 1953.

Le fuselage entièrement métallique, de 9 mètres de longueur, était un hybride d’hélicoptère pour sa partie avant et d’avion bipoutre pour la partie arrière. L’aile du XV-1 était montée haute sur le fuselage, avait 7,9 mètres d’envergure et supportait deux poutres à la manière du Lockheed P-38. Les dérives, de trois mètres de hauteur, étaient montées sur les poutres tandis que l’empennage horizontal était monté entre les poutres. Le train d'atterrissage était similaire à celui d’un hélicoptère léger avec deux skis. La tête de rotor était installée dans un carénage au-dessus du fuselage, et au niveau de l’aile. Le rotor était un modèle tripale.

Le XV-1 avait une masse maximale de 2160 kg et une masse à vide de 1645 kg. La capacité en carburant était de seulement 315 litres soit une masse de 225 kg. La charge utile était de 185 kg. L’habitacle était plutôt grand et pouvait accueillir quatre à cinq personnes avec le pilote et le copilote installé cote à cote. De plus, les grandes surfaces transparentes en plexiglas donnaient une excellente visibilité au pilote et aux observateurs du champ de bataille.

Le système de propulsion était complexe et utilisait un système très semblable à celui du Farfadet. Comme sur le SO-1310, le rotor n’était pas entraîné mécaniquement par une boite de transmission reliant la turbine au rotor mais par un système de chambres de combustion en bout de pales alimentées en carburant et en air comprimé à travers le moyeu et des canalisations dans les pales.

A la différence du Farfadet, il n’y avait pas de moteur séparé pour le rotor et l’hélice bipale mais un seul moteur Continental R-975 de 525 chevaux (un moteur radial à sept cylindres). Pour fournir de l’air comprimé au rotor, ce moteur entraînait deux compresseurs qui étaient simplement stoppé en vol de croisière. Le rotor tournait alors librement et fournissait environ 15 % de la portance (contre 33 % pour le Farfadet) le reste étant fourni par la voilure fixe.

Le XV-1 avait un plafond d’environ 3600 mètres et une vitesse de croisière d’environ 190 km/h. La vitesse maximale était de 320 km/h, une valeur impressionnante pour un hélicoptère mais faible pour un avion.

Les essais en vol commencèrent le 11 février 1954 par des vols stationnaires entravés pour tester le système de propulsion. Le pilote d’essai aux commandes était John R. Noll. Le premier vol libre ne fut réalisé que le 14 juillet 1954 en raison de problèmes rencontrés avec le système d’air comprimé. La première transition du vol vertical au vol horizontal fut réalisée le 29 avril 1955.

Entre temps, le deuxième prototype du XV-1 était sorti des ateliers de McDonnell et avait commencé son programme d’essai en vol. Cette machine était légèrement différente du premier prototype avec un train d’atterrissage plus profilé et un pylône de rotor plus court pour améliorer l’aérodynamisme de l’appareil. Deux petits rotors anti-couple furent également montés à l’arrière des poutres.

En 1956, les deux appareils avaient totalisé environ 600 heures de vol et atteint une vitesse de 322 km/h, ce qui était un record du monde pour un engin à rotor, mais le programme ne conduisit pas à des applications opérationnelles. En effet, pour un gain de vitesse négligeable par rapport à un hélicoptère classique, l’appareil était très complexe. De plus, le XV-1 était handicapé par l’utilisation d’un lourd moteur à piston alors que les machines européennes qui l’avait précédé (le SO-1310) ou qui lui avait succédé (fairey Rotodyne) étaient équipées de turbomoteurs.

En 1957, le programme fut terminé et les deux XV-1, qui ont survécu aux essais en vol, furent donné à l’Army Aviation Center Museum de Fort Rucker et au National Air and Space Museum de Washington.

Les Piasecki 16H-1 et 16H-1A :

En 1962, le pionnier des hélicoptères Franck Piasecki se lança à son tour dans l’étude des hélicoptères compound mais en utilisant un concept plus simple que le rotor à réaction des SO-1310 et XV-1. En effet, le Piasecki 16H-1 Pathfinder était très proche d’un hélicoptère classique avec un rotor tout à fait conventionnel. Le Piasecki 16H-1 avait d’ailleurs les qualités de vol d'un hélicoptère conventionnel mais utilisait ses ailes et l’hélice propulsive pour décharger le rotor et pour augmenter sa vitesse jusqu’à 280 km/h. L’appareil fut développé par Piasecki sur fond propre pour un usage civil.

Le Pathfinder était propulsé par une turbine Pratt & Whitney PT6 de 405 chevaux. Ce moteur actionnait un rotor à trois pales entièrement articulé de 12.5 mètres de diamètres et, via un arbre de transmission, une hélice propulsive carénée de 1.68 mètres de diamètre situé à l’extrémité de la queue. Le contrôle directionnel et l’effet anti-couple était assuré par quatre palettes orientables derrière le carénage de l’hélice.

Quand la vitesse de l’appareil augmentait, le rotor était progressivement « déchargé » et une partie de la portance était prise en charge par la voilure fixe. Sur un appareil à rotor conventionnel, ce système permettait de réduire les problèmes de « pale avançante » et de vibration qui limitent la vitesse maximale des hélicoptères classiques. Le principe fut d’ailleurs repris un peu plus tard sur les hélicoptères d’attaque Lockheed AH-56A et Sikorsky S-66.

La masse en charge était de 1184 kg et la longueur du fuselage de 7.62 mètres. Le 16H-1 réalisa son premier vol le 21 février 1962. L’appareil mesurait 11.28 mètres de long et avait une envergure de 6.1 mètres.

En mai 1964, 185 heures de vol avaient été accumulées et l’appareil avait atteint la vitesse de 270 km/h, quand Piasecki reçu un contrat pour étudier une version plus rapide, le Piasecki 16H-1A Pathfinder II. Cet appareil était un démonstrateur technologique dans le cadre de la réponse de Piasecki pour le programme d’hélicoptère d’attaque AAFSS (Advanced Aerial Fire Support System) de l’US Army. Les autres concurrents de ce concours étaient, entre autres, l’AH-56A Cheyenne et le Sikorsky S-66, deux autres hélicoptères compound très sophistiqués.

Le Pathfinder II était équipé d'un turbomoteur General Electric T58 de 1050 chevaux, d'un nouveau système de transmission et d’une nouvelle hélice propulsive (une hartzell tripale) adaptée à la puissance accrue. La taille du rotor était augmenté jusqu'à 13.42 mètres de diamètre (en fait, il s’agissait du rotor de l’hélicoptère H-21), et le fuselage allongé pour embarquer huit passagers. Les essais en vol du Pathfinder II débutèrent le 15 novembre 1965 accumulant plus de 40 heures de vol. En mai 1966, l’appareil atteignit 360 km/h mais c’est le Lockheed AH-56A qui fut déclaré vainqueur du programme AAFSS.

Prochainement : les autres convertibles : le rotodyne, l'AH-56 etc...

Sources :

1) X-planes de Jay Miller
2) Les avions Vought de Bernard Millot
3) Les avions de combat Français de Jean Cuny
4) British Secret Projects de Tony Buttler
5) X-Planes de H. Cowin
6) Curtiss X-Planes de F.H. Dean
Sites web :
V/STOL: The First Half-Century
VTOL/ADAV:Les appareils à décollage et atterrissage verticaux
GERMAN VTO & HELICOPTER PROJECTS OF WORLD WAR II