Avro Canada VZ-9 Avrocar

Historique

A la fin des années 40, les USA lancent le projet "Silver bug" (insecte argenté).

L'objectif de ce projet est de créer un appareil VTOL (Vertical Take Off and Landing) qui permettrait de se passer de pistes en cas de bombardement.
Le design de l'appareil viendra du Canada, suite à l'abandon d'un projet dont les États-Unis apprendront l'existence et relanceront la mise en œuvre.
L'appareil sera alors basé sur la forme d'un disque, forme étudiée par les nazis durant la guerre et qui passa entre les mains alliés à la fin de celle-ci.

En 1947, Jack Frost, ingénieur chez Avro rejoint la filière canadienne Avro Canada.
Il s'entoura de chercheurs partageant les même idées que lui, comprendre des idées "non traditionnelles". Avec eux, il créa le "Special Projects Group", dont le but était de procéder à des recherches secrètes sur de nouvelles technologies.

Frost avait comme désir d'augmenter l'efficacité du compresseur sans pour autant sacrifier la simplicité de fabrication d'un réacteur. Il décida de revoir l'agencement des composants dans le réacteur. La disposition qu'il adopta est quelque peu atypique : Il couche la chambre de combustion sur le côté du compresseur au lieu de l'avoir dans l'alignement de celui-ci, comme sur un réacteur conventionnel. Ainsi, il employa un engrenage au lieu d'un axe pour faire fonctionner le tout. Son réacteur n'avait donc pas un axe de poussée conventionnel et avait la forme d'un grand disque, ce qui lui valut le surnom de "pancake engine" (moteur crêpe).

Cependant, un problème survint. La poussée générée par le réacteur s'échappa dans toutes les directions car il n'y avait pas de chambre de combustion mais une tuyère dans l'axe de la soufflante. Le réacteur se limitait à cette seule dernière. Ceci était donc difficilement adaptable à un avion conventionnel… Intervint alors le nouvel engouement des alliés pour les véhicules VTOL, ce qui donna une utilité au moteur de Frost.

A ce même moment, Avro Canada s'intéressait au concept VTOL. Frost sentit-là une belle opportunité de mettre son nouveau réacteur à l'oeuvre.
Le problème qui se posa était le suivant : Comment utiliser cette poussée annulaire pour permettre à l'appareil d'avancer ? Un problème secondaire résidait dans le fait de devoir placer le large réacteur dans une structure adéquate.
Frost proposa d'utiliser une série de ventilateurs pour rediriger vers l'arrière le flux de poussée générée sur "l'avant" du moteur. Néanmoins il savait parfaitement qu'un long trajet induisait nécessairement une perte de puissance. Afin de disposer de canalisations les plus courtes possibles, il décida de les faire passer dans les bords d'attaque, ce qui conduisit mécaniquement à adopter une très large aile delta. Pour cette raison, le design était surnommé "Avro Ace" en référence aux Aces of Spade, ceci sans doute à cause de la forme de cette aile qui ressemblait à une pelle ("spade" en anglais).

Le compresseur était localisé au milieu du moteur et les entrées d'air disposées au sommet et au bas de l'appareil. Le cockpit était quant à lui positionné derrière la crapaudine, au sommet de l'appareil. Une sorte de "colonne vertébrale" traversait l'appareil à partir du cockpit jusqu'à son bord arrière.

Lors des décollages verticaux, l'aéronef devait être posé "avant" vers le haut, supporté par de longues "jambes" d'atterrissage sortant de la colonne vertébrale de l'appareil. Les atterrissages auraient été accompli à très grand angle, rendant la visibilité durant l'approche très difficile.
Des solutions de rotation du siège du pilote ainsi que du cockpit furent envisagées, mais aucune n'apparut efficace.
Un autre problème résidait dans la grande difficulté pour assurer la stabilité lors d'un maintien en stationnaire. Cependant, les chercheurs l'avait identifié avant de procéder à la conception de l'appareil. Un solution aurait nécessité que la poussée soit dirigée vers le bas depuis une large surface, comme pour un hélicoptère, pour lequel la portance est générée par la surface totale du disque rotor.
La plupart des chercheurs se tournèrent vers une séparation du flux d'air du compresseur, redirigé au travers de tuyaux arrangés tout autour du fond de l'appareil. Ce grand nombre de tubes et moyens de déviation des flux allaient faire de l'appareil une machine difficile à fabriquer.

En 1952, le design de l'aéronef fut jugé suffisamment avancé pour que le Canadian Defense Research Board offre un contrat de 400 000$. En 1953, une maquette en bois fut construite. Le projet, visiblement trop coûteux pour les militaires s'étant auparavant impliqués dans de nombreux projets de aux coûts démesurés, fut annulé.



Le 11 février 1953, l'histoire de ce projet fut lâchée au journal Toronto Star avec des photos d'un prototype, visiblement pour acquérir des fonds supplémentaires. Cinq jours plus tard, le Ministère aux productions de la Défense annonça à la Chambre des Communes qu'Avro travaillait effectivement sur une "maquette" de soucoupe volante capable de voler à 2 400 km/h et de grimper verticalement. Toutefois, aucun fond supplémentaire ne fut accordé.

Alors que le projet Y continuait, Frost s'était entre-temps intéressé à l'effet Coanda. Il implique que les fluide en déplacement suivent énergiquement les formes convexes. Vous ne le savez peut-être pas mais vous subissez l'effet Coanda tous les jours. Il lui arrive même parfois de vous énerver.  Lorsque vous versez un liquide, par exemple depuis une cafetière dans un verre, le café, une fois arrivé au bec verseur, à tendance à suivre la courbure et de redescendre de l'autre côté avant de tomber à côté de la tasse à cause de la gravité. Ceci est l'effet Coanda. Comme les liquides ont tendance à suivre les formes convexes, c'est pour cela que les bec verseurs sont… pointus.
Frost se rendit compte que ce phénomène physique pourrait être utilisé sur son appareil afin de produire un engin VTOL plus pratique. Le flux devrait plutôt sortir par le haut de l'appareil et se trouver redirigé vers le bas par un dispositif semblable à des volets.
Ce mécanisme devrait produire une portance sur tout le pourtour de l'appareil lui permettant d'atterrir à plat et non plus debout comme dans le Projet Y.

Il réalisa une série de petites expériences en utilisant de l'air comprimé au lieu d'un réacteur afin de sélectionner une forme adéquate, et décida que le disque serait la meilleure solution.

En continuant ses expériences, il se rendit compte que le même système de direction du flux qu'il avait imaginé pour les opérations VTOL fonctionnerait tout aussi bien pour le vol vers l'avant. Dans ce cas, la forme circulaire était par elle-même une bonne surface, puisque neutre en termes de direction de portance. De fait, elle pourrait voler sur les côtés aussi facilement qu'elle avancerait.

Ceci apparut alors comme offrant une solution à un des problèmes les plus fastidieux du projet, pour un appareil efficace aux vitesses subsoniques et supersoniques. La portance subsonique est générée par le flux tout autour de l'aile suivant le carénage. La portance supersonique est générée par ondes de choc. Aucun design unique ne pourrait offrir de hautes performances pour les deux régimes. Ainsi un disque pourrait résoudre ce problème en étant seulement configuré pour les performance subsonique et en utilisant le flux de poussée pour générer de la portance sous le semblant d'aile. Le design originel serait alors créé pour les performances supersoniques, tout en ayant de bonnes capacités subsoniques et VTOL, le tout en un.

Malheureusement, tous ces essais ne menèrent à rien suite à l'abandon du programme en 1953. A rien ? C'était sans compter sur les Etats-Unis d'Amérique.

Courant 1953, un groupe d'experts de défense des USA visitèrent les locaux d'Avro Canada pour voir le nouveau chasseur à réaction CF-100. Durant la visite, Frost se joignit au groupe et le "dérouta" vers les locaux des "Special Projects" afin de montrer la maquette du Projet Y, les modèles réduits et dessins (dont certains n'avaient jamais été vus par les responsables de la compagnie) concernant un appareil à la forme complètement circulaire connu sous la désignation de Projet Y-2.

L'USAF accepta alors de reprendre le projet à sa charge et de fournir les fonds nécessaires au Special Project Group de Frost. S'ensuivit un contrat de 750 000 dollars US. En 1956, Avro se déclara suffisamment intéressé pour investir 2.5 millions de dollars dans la construction d'un prototype. En mars 1957, l'USAF ajouta des fonds au programme et de fait, l'appareil devint le Weapons System 606A.

De larges variétés de design furent étudiées pour un appareil VTOL mais toutes arrivèrent au même résultat: une forme de disque était requise. Ceci conduisit au Projet 1794 qui impliqua un chasseur supersonique de forme circulaire. De nombreux modèles réduits furent testés en soufflerie. 
Il disposait d'une section surélevée au centre, au dessus du moteur, dont l'entrée d'air était couverte d'une série de persiennes, fermées en cas de vol horizontal. Frost estima les performances de ce concept à près de Mach 3.5 à 30 000m d'altitude.

Il y eut débat au sujet de ce projet au sein de l'USAF car de nombreux lobby tentaient de gagner des fonds pour leurs propres projets (comme celui des bombardiers à propulsion nucléaire). En 1955, un article faisant suite à celui du Toronto Star fut publié dans Look Magazine. Parmi les nombreuses affirmations il y avait des spéculations comme quoi les UFO récemment vus étaient en réalité des soucoupes volantes de conception soviétique. L'article décrivait l'appareil avec des schémas à l'appui qui n'étaient pas sans rappeler le design imaginé par Avro.



Un nouveau moteur propulsant une soufflante fut proposé en tant qu'Avro PV-704 (PV pour "Private Venture" = "entreprise secrète"), le tout mu par six réacteur Amstrong Siddley Viper soufflants à travers l'anneau extérieur du rotor central.
Des tests eurent lieu même s'ils furent loin d'être aisés. En effet des pertes d'huiles assez hasardeuses entraînèrent trois incendies.
Un dernier test eut lieu en 1956. Il fut désastreux et presque létal lorsque le moteur commença à surchauffer dangereusement.
En conséquence, Frost fut convaincu qu'il lui fallait un véhicule moins dangereux pour continuer les essais en sécurité.

Dans le but de rassembler les données de vol sur le concept de base alors que pendant ce temps-là le développement du moteur continuait, Frost proposa en 1958 de construire un appareil plus petit (par rapport au Projet Y-2) qu'il nomma Avrocar.
De son côté, l'US Army, impliquée dans une large variété d'expériences sur de petit appareil VTOL devant être des "jeep volante", s'intéressa au concept de l'Avrocar.

Frost posa le design de son petit prototype pour satisfaire aux demandes des deux armées, l'USAF (projet WS 606A) et l'Army.
Les conditions initiales étaient:

- Capacité de soutenir un vol stationnaire de 10min sous effet de sol
- Distance franchissable de 40km avec une charge de 450kg

Le nouveau plan suscita l'enthousiasme et un contrat de 2 millions de $ (USAF + Army) fut attribué à Avro pour la construction et les essais de deux Avrocar que l'Army appela VZ-9 AV (AV pour Avro).
L'intérêt que portait l'Army à l'Avrocar était très élevé. Bernard Lindenbaum (un ingénieur Américain) se souvient d'un voyage à Washington à la fin des années 50 effectué pour demander des fonds additionnels pour l'étude de la réduction de traînée des hélicoptères. Bien que les fonds furent alloués, il entendit un général de l'Army faire remarquer que les hélicoptères de l'Army seraient bientôt remplacés par des Avrocar.

Des fonds additionnel de 700 000$ attribués par l'USAF (initialement non prévus pour le programme 606A) rejoignirent alors le projet Avrocar. En mars 1959, un contrat additionnel de 1.77 millions de $ fut signé pour un second prototype. A la sortie d'usine de l'appareil, les performances attendues étaient largement supérieures aux conditions initiales:

- Vmax : 420km/h
- Plafond : 3000m
- Autonomie : 210km avec une charge de 450kg
- Capacité de stationnaire sans effet de sol avec une charge de 1100kg
- Masse maximale au décollage avec transition en vol horizontal en dehors de l'effet de sol calculée à 2560kg
- Masse maximale au décollage avec transition en vol horizontal avec effet de sol calculée à 3160kg 

Alors que les deux premiers modèles fonctionnels étaient en train d'être fabriqué, un désastre arriva. Le gouvernement canadien annula le programme CF-105 Arrow d'Avro le 20 février 1959. Le résultat fut le licenciement de presque tous les employés d'Avro Canada, dont ceux du Special Projects Group. Cependant, trois jours après l'annonce de l'annulation de l'Arrow, nombre des employés du Special Projects furent réembauchés. L'équipe se retrouva avec du personnel rapporté des équipes du CF-100 et CF-105 et le Special Projects Group dut être déplacé dans le bâtiment principal, lequel était presque vide. Ainsi, les responsables de la compagnie se trouvèrent plus impliqués dans les opérations du SPG.

Le bureau des projets de l'USAF, fidèle au projet d'Avro, recommanda que le WS-606A et tout le travail lié à celui-ci (y compris l'Avrocar) soit annulé. L'ordre de tout stopper fut donné et Frost fut forcé une fois de plus d'essayer de sauver le projet. Dans un effort complexe, Frost trouva d'excellents arguments pour que les Etats-Unis continuent à le financer. Plus tard en mai 1959, l'USAF ré-autorisa Avro à continuer le programme "soucoupe volante".

Le design :

L'Avrocar était un appareil en forme de disque avec la même forme qu'un frisbee. La surface supérieure du disque était assez courbée mais son bas beaucoup moins. Le disque avait un diamètre de 5,5m et une épaisseur de 1.1m. La poutre principale de la structure était un large triangle équilatéral auquel les divers équipements étaient rattachés.

Le "turborotor" à 124 pales était placé au centre du triangle, avec la majorité du flux de poussée dirigée directement vers le bas au travers d'une ouverture dans le plancher. Une partie de ce flux était séparée et redirigée pour faire fonctionner le système de contrôle qui parcourait le pourtour extérieur du disque. La puissance pour le rotor était générée par trois réacteurs Continental J69-T-9 rattachés à la structure principale. Chaque moteur avait ses propres réservoirs de carburant et d'huile et les différentes systèmes de support, bien que ceux-ci devaient être interconnectés sur les futurs modèles. La majorité de la structure était faite d'aluminium pour une masse à vide de 1 400kg.



Le contrôle du pilote s'effectuait à l'aide d'un unique joystick. Le tangage et le roulis étaient contrôlés de manière conventionnelle (joystick avant/arrière gauche/droite) et le gouvernail l'était en faisant pivoter le joystick sur lui même. Aucun câblage mécanique n'était utilisé, le joystick contrôlant la pression du flux d'air sous haute pression tout autour de l'appareil.

Le système de contrôle de la déviation de poussée consistait en un large anneau situé tout autour du disque principal, avec la partie plate à l'intérieur. Les contrôles du pilote bougeaient l'anneau en rapport avec le reste de l'appareil, affectant le flux d'air. La portance verticale pouvait être augmentée en baissant entièrement l'anneau. Incliner l'anneau entraînait une poussée asymétrique pour le contrôle directionnel.

Il fut découvert que l'appareil était naturellement instable en vol horizontal puisque le centre aérodynamique de pression était loin en avant du centre de gravité. L'Avrocar disposait cependant d'un contrôle de stabilité mécanique qui était indépendant des actions du pilote.
Le rotor avait quant à lui une assez grande vitesse angulaire (ou "fréquence angulaire"; c'est à dire la vitesse de rotation) ce qui était attendu par le chercheur comme source d'un puissant effet gyroscopique, entraînant ainsi une direction "normale" de vol.

L'équipage était de deux hommes, positionnés dans deux cockpit séparés. Durant les essais, un seul pilote était à bord bien qu'un certain nombre de vol furent effectués avec un observateur dans le second cockpit. Jusqu'à ce que les problèmes de contrôle furent complètement résolus, le pilote acquit un "touché" pour le joystick très sensible. Potocki, le pilote d'essai, était même capable d'effectuer une démonstration de vol sans les mains. Néanmoins, les pilotes d'essais Peter Cope (USAF), Walter J. Hodgson (USAF) et Fred J. Drinkwater III (NASA), qui tous trois pilotèrent l'Avrocar, le considéraient comme un appareil très technique à prendre en mains. Drinkwater compara le vol en Avrocar au fait d'essayer de tenir en équilibre sur un ballon.

Les essais :

Le premier Avrocar, numéroté 58-7055, sorti de l'usine d'Avro en mai 1959.

Du 9 juin au 7 octobre 1959 il effectua des essais stationnaire en soufflerie. Malheureusement, les gaz chauds d'échappement revenaient se mélanger dans les entrées d'air lors de phases stationnaires, ce qui réduisait la poussée. De plus, l'aube ne générait de la portance qu'à partir d'une faible partie de sa surface, ce qui réduisit d'autant la poussée disponible.
Les canalisations se trouvèrent aussi avoir plus de pertes qu'espéré. Une série de modifications ne fut pas capable de corriger de manière conséquente le problème. Celui-ci réduisait la portance maximale à hautes altitudes en dehors de l'effet de sol de 1300 kg (moins que la masse à vide de l'appareil) à 1944 kg. Ceci voulait dire que l'appareil serait incapable de se maintenir en stationnaire sans effet de sol. A la suite de ces essais, le véhicule fut envoyé au centre de la NASA pour des essais en soufflerie.

Le second prototype, numéroté 59-4975, fut terminé en août 1959. Le 29 septembre, il effectua la première tentative de stationnaire en captif. Après que l'appareil fut en l'air, un tangage incontrôlable couplé à des oscillations en roulis se déclenchèrent. Le pilote, W.D "Spud" Potocki, coupa immédiatement les moteurs. Des modifications furent apportées au système de stabilité pour procurer une plus grande autorité de contrôle de la part du pilote et dans le même temps de nouvelle longes furent fabriquées pour contrôler ce genre de problème à l'avenir.
Aussi longtemps que les essais continuaient, il devint évident que le problème était inhérent au design de l'engin. Le phénomène fut surnommé par les ingénieurs "hubcapping" en référence aux tournoiements qu'effectue un enjoliveur (hubcap) lorsqu'il quitte une jante et tombe sur la route.

Ils trouvèrent d'où provenait le problème. Alors que l'appareil était sous l'effet de sol, l'air sous haute pression localisé sous l'appareil était piégé, remplissant ainsi toute la surface sous l'Avrocar et lui offrant un coussin d'air stable. Quand l'appareil s'élevait dans les airs en dehors de l'effet de sol, le flux devenait alors une étroite colonne que Frost nomma "tree trunking" (la formation en tronc d'arbre). Aux altitudes intermédiaires l'appareil effectuait la transition d'un régime (avec effet de sol) vers l'autre (sans effet de sol), transition durant laquelle une partie de l'appareil serait entièrement supportée alors que sous l'autre partie, la portance disparaîtrait. Ceci mena alors à un fort mouvement de tangage vers la partie sans portance. Aussitôt que cela se produisait, ce côté se rapprochait du sol, rétablissant ainsi le coussin d'air alors que l'autre partie était élevée au dessus de cette limite. Ce processus se répèterait inlassablement, l'appareil roulant d'un côté sur l'autre.
Des modifications furent apportées pour essayer de résoudre le problème. 52 trous durent être percés dans le fond de l'appareil, localisés radialement à même distance du centre.

Une fois ces modifications effectuées et fonctionnant, le premier vol complet eut lieu le 12 novembre 1959. Cet essai prouva que le système de contrôle du flux était inadéquat. Après cinq vols, les essais furent temporairement stoppés le 5 décembre 1959. Jusque là, l'Avrocar n'avait effectué que 18.5 h de test. Les essais continuèrent en janvier 1960 et apparurent comme beaucoup plus prometteurs. 

Un nouveau design fut installé durant l'hiver. Les déflecteurs originels furent remplacés par un unique anneau sous le volet annulaire. Cependant, alors que le nouveau système de contrôle augmentait les qualités en stationnaire, l'appareil était devenu instable aux vitesses plus élevées, vers 56km/h.

Le premier Avrocar, toujours à la NASA, avait aussi été modifié de façon assez similaire. En avril 1960, il fut testé dans la soufflerie de 40m. Le problème devint net: l'anneau bloquait une trop grande quantité de la poussée du réacteur ce qui faisait que la poussée totale s'en trouvait grandement réduite. Au fur et à mesure que l'appareil accélérait, le flux de dessous réduisait la mise en re-circulation de l'air, réduisant ainsi la portance à cause d'un flux sur les surfaces supérieures. Ceci était plutôt inattendu puisque la re-circulation était considérée comme une mauvaise chose à cause de la perte de poussée du moteur. Ses effets positifs sur la portance n'avaient pas été imaginés.

Avro était convaincu que le concept était toujours viable et proposa un nouveau programme pour revoir la propulsion et le système de contrôle. A la place du volet annulaire et des déflecteurs, ou plus tard de l'anneau de contrôle, le nouveau système incluait deux systèmes de contrôle séparés. Un pour le stationnaire et un pour le vol horizontal.

Pour le stationnaire, une série de "portes de transitions" étaient ouverte dans les tuyères, les bouchant et redirigeant le flux vers le bas, sous l'appareil. Le contrôle durant ce régime était généré en bougeant la partie extérieure du volet, concentrant le flux.
Aux vitesses élevées, les portes étaient fermées permettant au flux d'air de sortir sur les flans de l'appareil, où une série de contrôles semblables à des volets étaient installés. Le nouveau système de contrôle couvrait les 3/4 de la circonférence extérieure de l'appareil. La partie "avant" contenait uniquement les parties nécessaires au stationnaire.

Les modifications furent effectués sur le modèle détenu par la NASA et les essais reprirent en avril 1961. Le nouveau design offrait un bien meilleur contrôle en stationnaire et une portance bien supérieure. Le véhicule pouvait maintenant se déplacer à 190 km/h, une belle amélioration en comparaison des 56 km/h précédemment atteints…
Cependant il demeurait instable en tangage et avait une facheuse tendance à lever le nez. Les ingénieurs de la NASA tentèrent de modifier cela en ajoutant un queue en T mais celle-ci perturbait le flux du turborotor et donc n'aidait pas.

Le 9 juin 1961, une seconde évaluation en vol de l'Avrocar commune NASA/USAF fut effectuée avec le second prototype modifié dans l'usine d'Avro. Durant ces essais, l'Avrocar atteint 37 km/h. Le vol au dessus de l'altitude critique était dangereux voire même impossible à cause de l'instabilité inhérente à l'engin. Le rapport du test pointa du doigt de nombreux problèmes de contrôle de l'appareil.

L'annulation du programme :

Avant que les modifications puissent être finies, les fonds alloués furent totalement dépensés en mars 1961. Les propositions de Frost pour un nouveau design ne furent pas acceptées et l'Avrocar, ainsi que le programme commun WS-606A furent officiellement annulés en décembre 1961 par les militaires US. Avro encouragea son équipe à continuer les recherches mais aucun gouvernement ne s'intéressa plus à cela.
En 1961, de nombreuses propositions, incluant le chasseur VTOL Avro P470 (concept dérivé du projet du SPG), furent soumises à l'OTAN dans le cadre de la compétition pour un chasseur bombardier tactique. Celle-ci fut remportée par le Harrier.


Texte de Flavien, avec son aimable autorisation.