(crédit images de synthèse : Marek Rys's Luft '46 images )

Les appareils de type « Lift Fan » (appelé aussi appareils à soufflantes carénées ou à rotors carénés) ont des systèmes de propulsions séparées. Le système de sustentation consiste en soufflantes carénées installées dans l’épaisseur des ailes et le moteur de croisière est un moteur à hélice ou un turboréacteur. La transition entre le vol vertical et le vol de croisière est obtenue par le passage de l’un à l’autre système.

Ce système est relativement simple par rapport aux rotors basculants, aux ailes basculantes ou encore aux soufflantes carénées orientables. En effet, dans le concept « Lift Fan » les rotors sont fixes et il n’y a pas besoin d’un lourd et complexe système de basculement. De plus, les problèmes aérodynamiques de basculement du rotor lors de la transition sont éliminés.

L’un des autres avantages du système à soufflantes carénées est l’utilisation du même moteur pour le vol conventionnel et le vol vertical. De plus, la faible vitesse d’échappement de l’air en sortie de soufflantes permet d’utiliser tous les types de surfaces de décollage contrairement à un avion à jet orientable, par exemple.

Evidement, il y a des inconvénients à ce système comme le fait que les rotors ne servent que dans les phases de décollage et d’atterrissage et sont autant de poids mort lors du vol conventionnel. Un autre inconvénient est un volume et une masse importante pour le système de propulsion et la difficulté d’intégrer ce système dans une cellule très aérodynamique, particulièrement dans l'aile. Cet inconvénient ne permet pas l’utilisation d’une aile mince indispensable pour atteindre de grandes vitesses.

Il n’y eut que deux appareils de ce type construits et testés dans les années soixante, le Vanguard Omniplane et le Ryan XV-5 mais les premières études sérieuses de ce type de VTOL sont encore le fait d’un constructeur allemand pendant la seconde guerre mondiale.

Focke-Wulf VTOL :

Le Professeur Heinrich Focke de Focke-Wulf, fut l’un des constructeurs d’avion les plus créatifs en matière de VTOL et d’hélicoptères. Après la fabrication sous licence de l’autogire La Cierva C-19 et C-30, il développa le concept d'hélicoptère en créant le FW-61. Il conçut également les hélicoptères Focke Achgelis Fa-223, Fa-224, Fa-226, Fa-269, Fa-283 et le Fa-284 ainsi que les autogires Fa-225, en utilisant le fuselage du planeur DSF-230 et le rotor d'un Fa-223.

Il était également le créateur du Fa-330, un cerf-volant de reconnaissance à rotor remorquée par un sous-marin. Avec l'invention de la turbine à gaz, Focke entreprit des études pour développer une nouvelle forme de VTOL conçu autour d’un système de propulsion avec rotor/hélice carénée.

La conception envisagée par Focke consistait en un rotor entraîné par turbine par l’intermédiaire d’arbre de transmission. Focke fit également breveter un concept de VTOL en 1939 avec deux rotors contrarotatifs pour résoudre le problème du couple. Les rotors étaient reliés au turbomoteur par un arbre et une boîte de transmission. La tuyère d'échappement du turbomoteur se divisait en deux et débouchait dans deux chambres de combustion auxiliaires situées sur le bord de fuite des ailes. Du carburant était injecté dans ces chambres de combustion qui servaient en fait de dispositifs de post-combustion pour fournir une poussée horizontale à l’appareil de Focke.

Après la seconde guerre mondiale, de nombreux constructeurs US se lancèrent dans l’étude de Jeep volante. Avec deux hélices carénées noyées dans la carrosserie, on développait un effet de sol particulièrement défavorable, d'où une instabilité incontrôlable de ces machines qui n'ont jamais pu quitter la proximité du sol. L'US Army a cependant réussi à faire décoller un pilote juché sur une plate-forme Hiller à simple rotor caréné, dont la translation était obtenue en se penchant courageusement dans le sens de la marche.

Vanguard Omniplane : (voir aussi monographie)

Le premier véritable « Lift-Fan » fut construit par une petite entreprise américaine à la fin des années cinquante. L’histoire du Vanguard Omniplane débute en février 1959 lorsque deux anciens ingénieurs de Piasecki créèrent la firme Vanguard Air & Marine Corporation pour concevoir et construire des avions VTOL. Les deux anciens ingénieurs de Piasecki apportèrent leur considérable expérience pour la conception de leur premier prototype, le modèle 2C. Ce petit appareil expérimental fut développé en coopération avec le Wright Air Development Center de l’USAF et le centre Ames de la NASA, qui effectua le travail de recherches en soufflerie sur le système de sustentation et les problèmes de transition.

Le modèle 2C était un appareil biplace à voilure basse avec une configuration relativement conventionnel hormis le système de propulsion. Le système de sustentation choisi était donc un système à soufflantes carénées mais contrairement au Focke-Wulf VTOL, il y avait deux soufflantes de 1,83 mètre de diamètre installées dans l’épaisseur des ailes du Vanguard 2C. Comme ces soufflantes (appelé aussi rotors carénés ou système « Lift Fan » aux USA) tournaient en sens inverse, le couple était annulé et il n’y avait pas besoin de rotors contrarotatifs lourds et compliqué.

Le modèle 2C utilisait en partie la technologie d'un précédent programme VTOL, le Jacobs Convertiplane. Vanguard avait racheté tous les plans, résultats d’essais et prototypes de ce programme et beaucoup d’éléments mécaniques furent réutilisés pour la construction du modèle 2C.

En plus des éléments mécaniques récupérés sur le Jacobs 104 Convertiplane, les ingénieurs de Vanguard se servirent d’un fuselage d’avion léger Ercoupe pour leur appareil. Ce fuselage avait une longueur de 7,62 mètres et une masse de 1180 kg.

L’appareil avait un seul moteur pour actionner une hélice propulsive d’un diamètre de 1,52 mètres montée dans la queue de l’appareil et les deux rotors de sustentation. L'installation motrice était assez complexe et comprenait un arbre pour entraîner l’hélice arrière et un système de poulies et courroies pour faire tourner les rotors de sustentation.

Un embrayage était installé entre la transmission centrale et les poulies pour déconnecter les rotors de sustentation pendant le vol conventionnel. Les rotors d'aile avaient trois pales en aluminium dont les roulements étaient capables de mille heures d'utilisation. Mais puisque les rotors de sustentation étaient utilisés seulement au décollage et à l’atterrissage, Vanguard ne s'attendait à aucun problème avec ceux-ci. Le moteur, un Lycoming O-540-A1A à piston six cylindres de 265 chevaux, était monté au milieu du fuselage.

Les ailes du modèle 2C avaient un faible allongement et une forte épaisseur avec un profil NASA 4421 modifiée. L'aile était construite avec deux panneaux extérieurs boulonnés à la section centrale. Les transmissions étaient soutenues dans leurs conduits respectifs par quatre redresseurs fixés aux parois des conduits.

Le moteur était démarré avec les rotors d'aile débrayés et l’hélice arrière sur le petit pas. Les rotors d’ailes étaient alors embrayés et l’appareil décollait verticalement. Le propulseur de queue fournissait ensuite la poussée nécessaire pour faire la transition en vol horizontal. Quand une vitesse horizontale suffisante était atteinte, les rotors d'aile étaient débrayés et les ailes assuraient seules la portance nécessaire.

En vol sustenté, le contrôle du roulis était obtenu par des changements de pas différentiels des rotors d'ailes. Des volets et le gouvernail de direction montés derrière l’hélice propulsive permettaient le contrôle en tangage et lacet. En vol conventionnel, le contrôle de l’appareil en roulis, lacet et tangage était assuré avec les surfaces de vol comme sur n’importe quel autre avion classique.

Les essais au sol débutèrent en août 1959 et quelques vols sustentés furent suivis d’essais en soufflerie par la NASA. Vanguard envisageait de remplacer par la suite le moteur par un Lycoming IS0720 de 520 chevaux ce qui permettrait d’obtenir une vitesse de croisière de 320 km/h et une distance franchissable de 880 km. Le modèle 2C devait être produit au prix de seulement $40.000 et à une cadence de mille unités par an ce qui était plus qu’ambitieux !

Cependant, le modèle 2C fut modifié en 1961, par l’ajout d’un système de commande amélioré, et surtout par le remplacement du moteur à piston par une turbine Lycoming YT53-L-1 de 860 Chevaux. Le nez de l’appareil fut également agrandi de 1,5 mètres pour loger une troisième soufflante de sustentation. L’appareil ainsi modifié fut appelé modèle 2D. La soufflante de nez améliorait le contrôle en tangage et lacet, par l'utilisation de palettes mobiles de sortie. Le modèle 2D réalisa des vols verticaux entravés mais fut endommagé suite à une rupture mécanique et les essais furent interrompu début 1962.

Vanguard avait prévu de nombreux dérivés de son modèle 2C, comme le modèle 8, qui devait avoir une vitesse supérieure à 418 km/h ou le modèle 7 qui devait emporter 32 hommes de troupe ou quatre tonnes de charge utile à une vitesse de croisière de 460 km/h. Malheureusement, aucun de ces modèles ne sera construit et l’aventure de Vanguard dans le domaine de VTOL s’arrêta au stade du modèle 2D en 1962.

Ryan XV-5 : (voir aussi monographie du XV-5)

En novembre 1961, Ryan et General Electric avaient reçu un contrat du Transportation Research Command de l’US Army pour construire deux prototypes d’appareil à soufflantes carénées baptisé XV-5. Ryan avait une expérience non négligeable des VTOL ayant développé quelques années plus tôt le « Tail-Sitter » à réaction X-13 et le Ryan 92 (VZ-3 pour l'US Army), un VTOL à aile soufflée mais General Electric, qui développait le système de soufflantes, était le responsable du projet.

General Electric avait commencé à expérimenter le concept de soufflante de sustentation pendant les années 50. Ces expérimentations menèrent à plus de 500 heures de test du système de propulsion qui aboutirent par des essais complets dans la soufflerie du centre de recherches Ames de la NASA.

Le XV-5 était équipé d'une soufflante de sustentation de 1.52 mètres de diamètre noyé dans chaque aile et d'une soufflante de 0.91 mètres de diamètre dans le nez pour la sustentation et le contrôle en lacet. Ces soufflantes tiraient leur puissance de l'échappement de deux turboréacteurs J85-5B et avaient une architecture relativement simple par rapport aux soufflantes à pas variable du Vanguard Omniplane.

Le système Lift Fan du XV-5 était en fait un système d'augmentation de poussée. En effet, la poussée des turboréacteurs était augmenté en convertissant les gaz d'échappement chaud et à grande vitesse en une plus grande quantité d’air à température ambiante et vitesse plus faible. Ce concept d’entraînement direct par les gaz d’échappement réduisait fortement la masse du système en éliminant les arbres et boites de transmission par rapport à un système comme celui du Vanguard Omniplane.

Les deux soufflantes de sustentation étaient protégées par des panneaux articulés sur le dessus des ailes. En croisière, ces panneaux étaient fermés pour sauvegarder l’aérodynamique de l’appareil et en vol vertical, ils étaient ouverts pour fournir la poussée verticale. Il y avait également des auvents, sorte de volets mobiles qui permettait d’orienter la poussée et de la moduler dans une certaine mesure.

Les deux réacteurs fournissaient un total de 2413 kg de poussée ce qui était suffisant pour le vol horizontal. Avec les trois soufflantes de sustentation, cette poussée passait à 6700 kgp ce qui permettait de soulever les 5600 kilogrammes du XV-5 en vol vertical.

Pour effectuer la transition du vol sustenté vers le vol conventionnel, les auvents étaient inclinés vers l'arrière pour diriger les gaz vers l'arrière. Pendant que le XV-5 accélérait, le pilote dérivait l'échappement des turboréacteurs vers les tuyères arrières et fermait les panneaux et les auvents. C’était exactement l’inverse pour l’atterrissage vertical.

Les commandes de vol étaient conventionnelles avec une manette des gaz, un manche et un palonnier reliés aux empennages horizontaux, à la dérive, et aux ailerons. Pour le vol vertical, le pilote avait un manche spécial du côté gauche. Ce manche fonctionnait comme la commande de pas collectif d'un hélicoptère, mais en faisant varier l’inclinaison des auvents de soufflantes pour moduler leur poussée.

Le pilote disposait également d’un commutateur sur ce manche qui permettait de démarrer ou d’arrêter le fonctionnement des soufflantes. En vol vertical, le manche à balai et le palonnier permettait de contrôler l’attitude de l’appareil (roulis, lacet, etc), en modulant l’orientation des auvents de soufflante.

Après la fin de la construction du premier XV-5, Ryan commença les essais statiques dans son usine de San Diego, ainsi qu’à Edwards AFB et au centre Ames de la NASA. Ces essais montrèrent que la plupart des systèmes fonctionnaient comme prévu.

Le premier décollage vertical fut réalisé à Edwards AFB le 16 juillet 1964 suivis de plus de trente décollages verticaux pour tester le vol sustenté. La deuxième phase des essais en vol devait démontrer les capacités de l’appareil à faire des vols VTOL complets avec double transition. Le premier vol de ce type fut réalisé en décembre 1964.

Les tests ont continué jusqu'à un grave accident, le 27 avril 1965, qui provoqua la mort du pilote d'essai de Ryan et la perte de l’appareil. Plusieurs modifications furent apportées au XV-5 survivant et les essais furent poursuivis mais, le 5 octobre 1966, le XV-5 eut à nouveau un grave accident dans lequel le pilote fut tué. A ce moment, les deux XV-5 totalisaient 338 vols et 138 heures de vol.

En 1967, en vue d’essais au centre Ames de la NASA, le XV-5 fut expédié chez Ryan pour réparer l’appareil et faire des modifications pour améliorer les performances, l'entretien et la fiabilité. Toutes ces modifications augmentaient la masse à vide et l’appareil fut rebaptisé XV-5B et peint dans les couleurs de la NASA avec le numéro 705.

Le XV-5B fit trois vols de contrôle en mode conventionnel les 15 et 16 juillet 1968 et le 18 juillet à Edwards AFB. Il est ensuite entré en service au centre Ames à partir du 28 août. La NASA a utilisé le XV-5B jusqu'en janvier 1974, effectuant des recherches sur les V/STOL.

Après le succès du XV-5, Ryan proposa plusieurs appareils utilisant le principe des soufflantes de sustentation ainsi bien pour le transport que pour des intercepteurs mais sans succès. Cependant, ce concept vient de réapparaître sous une forme un peu différente avec le Lockheed X-35C et son successeur F-35 qui utilisent une soufflante située dans le fuselage et, cette fois-ci, entraînée mécaniquement par le turboréacteur.

Comme le X-35C utilise aussi une tuyère orientable pour les phases de vol stationnaire, cet appareil n’est pas à proprement parlé un « Lift Fan » mais un VTOL hybride. Cet exemple montre cependant que le concept « Lift fan » demeure d’actualité.

Breguet Br-1110 : (en construction)

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