Autogyre

Autogire

ULM Autogire Magni M16
Autogire La Cierva - 1932
ULM Autogire à l'atterrissage
Autogyre MT03
Détail de la tête du rotor d'un autogire Lioré C302 (1939)

L'autogire est un aéronef à voilure tournante libre. Inventé en 1923 par l'Espagnol Juan de La Cierva qui l'a nommé autogiro, il est parfois appelé gyrocoptère, par imitation de l'appellation anglaise. L'orthographe assez commune autogyre, bien que rappelant l'étymologie grecque, et latine (gyrare=mouvement circulaire) n'est pas reconnue par l'Académie française.


Sommaire

Résumé

Les autogires furent réalisés dans les années vingt par l'ingénieur espagnol Juan De La Cierva. Ils ont été brièvement utilisés avant la mise au point de l'hélicoptère. Réintroduit dans les années 1950 par Igor Bensen, seul un groupe de passionnés utilisaient ces engins pour le loisir. Quelques conceptions modernes ont permis une grande amélioration des machines actuelles. Les autogires sont sustentés par un rotor dans le plan horizontal, et propulsés par une hélice dans le plan vertical. Le rotor possède des libertés de mouvement pour assurer le fonctionnement de l'appareil. Ces appareils sont réputés très stables à condition que leur fonctionnement reste dans une certaine plage de manœuvre. Depuis quelques années, les autogires sont en plein essor. Cela est dû au faible coût global de la machine et à ses performances.

Introduction

La surveillance des jeux d'hiver à Salt Lake City a été réalisée par le Hawk 4, un autogire. Cet appareil a été préféré à un hélicoptère traditionnel pour son faible coût de production et d'utilisation. Longtemps délaissés au profit des hélicoptères, car l'autogire ne pouvait voler de manière stationnaire et avait besoin de plus de place pour décoller, les autogires furent oubliés. Dans le contexte actuel, la technologie a apporté diverses solutions pour régler les quelques défauts présentés par les autogires. Dans un monde où le carburant coûte de plus en plus cher, les autogires reviennent sur le devant de la scène grâce à leur faible consommation. Les autogires disposent d'autres qualités comme le faible coût de production et une vitesse de pointe supérieure à celle d'un hélicoptère.

Présentation d'un autogire

Un autogire est un aéronef qui ressemble à un hélicoptère. La poussée est fournie par un moteur accouplé à une hélice souvent disposé à l'arrière dans l'axe longitudinal. Un rotor incliné vers l'arrière et en rotation libre génère la portance. La direction est assurée par une gouverne et l'inclinaison du moyeu du rotor dans le plan.

Pour décoller, les pales du rotor peuvent être momentanément couplées au moteur qui entraine normalement l’hélice. Lorsque le rotor a atteint une vitesse suffisamment importante, le système est débrayé et le rotor tourne alors en auto rotation sous l’effet du vent relatif. La production d'autogire va du simple engin monoplace, au prototype militaire pouvant transporter une charge importante. Ils sont surtout utilisés pour l’observation et le loisir.

L’autogire et hélicoptère

L’autogire est un aéronef à voilure tournante. Contrairement à un hélicoptère, le rotor libre n’est pas actionné par un moteur, mais est entraîné par le vent relatif qui vient de l'avant lorsque l'appareil est en translation, propulsé par une hélice placée à l'arrière ou à l'avant de la cellule. Toutefois, lorsque l'autogire effectue une autorotation verticale, le moteur est au ralenti voire coupé, et c'est par le dessous du rotor que le vent relatif alimente le rotor et assure la rotation nécessaire a la sustentation En conséquence, l’autogire est incapable de vol stationnaire car il lui faut toujours être en mouvement, hormis dans les conditions de vent de plus de 50/60 km/h, où selon son poids, il lui est possible en utilisant son propulseur et en se mettant face au vent, d'effectuer un vol stationnaire, cela par rapport au sol et non pas par rapport à la masse d'air. Toutefois, il peut monter et descendre presque à la verticale et effectuer des atterrissages et des décollages sur de très courtes distances.

Historique de l’autogire

L'autogire a été inventé en 1923 par un ingénieur Espagnol, Juan de la Cierva. Ses trois premiers appareils manquaient de stabilité et ils s’inclinaient trop au décollage et cassaient leur pales. Sa quatrième conception, l'autogire C-19, était un autogire plus perfectionné. Montré en Angleterre en 1925 à un groupe d'officiers, ceux-ci se dirent impressionnés par son comportement et sa maniabilité. Juan de La Cierva et le marquis Raoul Pateras-Pescara se rencontraient au Real Aero-Club d'Espagne, dont le Président à cette époque était M. Ruiz Ferry qui avait transmis en 1921 ce texte qui sera publié dans le journal l'Aéronautique "M. Juan de La Cierva est l'inventeur d'un appareil dénommé autogire, présenté en mars 1921, au Real Aero-club et où la sustentation est obtenue par le déplacement d'une hélice à pas inverti, montée folle sur un axe et entrant en auto-rotation. Une hélice tractive assure au système la vitesse horizontale convenable, comme pour un avion ordinaire. M. de La Cierva a tenu à signaler, et le rapprochement s'impose en effet, que le système prêté à M de Pescara et décrit sous le nom de gyroplane semble bien être le même qu'il a voulu réaliser par son autogire".

Le brevet français no 554.031, intitulé Giroplane a été déposé en Espagne le 23 juillet 1921. "Le gyroplane objet de l'invention est un aéroplane dont la surface sustentatrice peut varier dans les limites très étendues grâce à l'utilisation des propriété bien connues de l'auto-rotation" dira Raoul Pateras-Pescara à son agent de brevet qui rédigeait celui-ci. Le Marquis Pateras-Pescara prévoiera également la possibilité que la voilure ait deux hélices tournant en sens inverse, soit un coaxial.

En 1928 un Américain, Harold Pitcairn, a acheté l’entreprise de Cierva. Pitcairn a employé un système à quatre pales pour le rotor et a proposé deux moteurs, 300 ch ou 420 ch, dans ses autogires PCA-2.

Le premier Pitcairn-Cierva PCA-1 a volé pour la première fois en 1929 et fut bientôt suivi par une version fortement améliorée, le PCA-2. En avril 1931, le PCA-2 devenait le premier aéronef à voilure tournante homologué pour utilisation commerciale aux États-Unis.

A la fin des années 1930, l’autogire était parfaitement au point ; par exemple, ce sont des KELLET KD.18 qui à partir de 1939 assuraient le transport du courrier entre Philadelphie et Camden. L’U.S. NAVY utilisait le Pitcairn P.A. 35 pour les missions d’observations. L’armée française déployait quant à elle une cinquantaine de Lioré-Olivier Léo C-131. (porte à porte à ajouter)(p.avion) Ces appareils, avaient des vitesses comprises entre 30 km/h et 210 km/h. Dès le début de la deuxième guerre mondiale, l’autogire fut abandonné : à cause de sa grande stabilité il devenait beaucoup moins maniable et par la même occasion vulnérable face aux chasseurs ennemis.

En 1931, à Barcelone, le marquis Pateras-Pescara présente son hélicoptère muni d'une hélice tractive.

Le Focke-Achgelis Fa 330 est un petit appareil (sans moteur) démontable de 73 kg. Cet appareil a été fabriqué en Allemagne pendant la 2e guerre mondiale. Il a été conçu pour fournir une plateforme élevée d'observation pour une personne tout en étant remorqué derrière un sous-marin. L’autogire est fixé au sous-marin par un câble en acier. Un pilote observateur prend place à bord, équipé de jumelles longues portées qui lui permettent de voir par temps clair à 40 km et d'un téléphone par câble. Le pilote est tracté par le sous-marin à une altitude de 100 à 150 mètres. En cas de danger, les pales sont éjectées (comme sur le Kamov Ka-50 d'aujourd'hui) et l'observateur peut effectuer un saut en parachute, le sous marin plonge et récupère le pilote un peu plus tard, une fois la menace passée.

En 1953 Igor Bensen, a formé sa propre compagnie de fabrication d’autogires. Le premier autogire était le modèle B-7 présenté en 1955. Il a fait faire un fuselage tubulaire en aluminium, avec des lames de rotor en bois. Il était motorisé par un moteur deux temps Nelson de 42 ch., monté dans une position de poussoir derrière le pilote. Bensen s’inspire du rotor dont est doté l’hélicoptère BELL 47 qui est un rotor bipale libre en battement uniquement autour d’un axe central horizontal. Cet appareil a volé pour la première fois le 6 décembre 1955. Ceci a été suivi le 8 juillet 1957 par le premier B-8M (M = motorisé) et du début de production du B-8M, le 9 octobre 1957. Le B-8M a été actionné par un moteur McCulloch de 72ch. Les options incluaient un moteur McCulloch de 90ch et une commande mécanique de rotor permettant à l'autogire de faire des débuts de saut. Une version de flotteur du B-8M a été connue en tant qu’HYDRO-COPTER. La production de l’autogire de Bensen a continué jusqu'en 1987.

Les autogires de Bensen sont restés en tête pendant très longtemps grâce à leur simplicité et leur succès, mais malgré tout, il n’y a pas eu de développement dans ce domaine entre 1955 et 1967.

C’est en 1967 lorsque l’italien Vittorio Magni a repris la construction des autogires que le a été relancé.

Depuis 1967, Vittorio Magni a développé une gamme complète d’autogires monoplaces et biplaces. L'usine d'autogires de Magni est située à Besnate, en Italie. Il y a actuellement 350 autogires construits par Magni dans le monde, compris dans une gamme de 4 modèles différents, dont trois biplaces et un monoplace. La réussite des machines de Magni a relancé le mouvement autogire, et surtout les appareils biplaces, dès les années 1980. Ces appareils étaient différents des autres en apparence et surtout des modèles de Bensen. Les modèles de Magni sont carénés et beaucoup moins spartiates que ceux de Bensen.

Extrêmement doux et stable comme un avion, cet autogire représente la nouvelle génération. Le Xenon est construit à partir de matériaux composites qui rendent l’appareil plus confortable. Il est aussi muni d’un caisson central regroupant toutes les commandes de vol. La propulsion s’effectue grâce au moteur HIRTH F30, d'une puissance de 102 CV. Ce moteur est équipé du refroidissement forcé et d'une hélice carbone Kevlar type Ivoprop Medium d'un diamètre de 174 cm pour une poussée optimale.

Mécanique du vol des autogires

Il y a trois parties importantes à considérer sur un autogire : le rotor qui génère la portance, le chariot qui contient quasiment toute la masse de la machine et le centre de gravité, l’hélice qui engendre la poussée de l’appareil.

Lors du vol à altitude fixe, le rotor a un angle d’incidence positif constant qui lui permet d’évoluer sans perdre d’altitude.

L’autogire en vol en montée : Pour monter il suffit de basculer la tête du rotor vers l’arrière. Le phénomène de précession gyroscopique abaisse l’arrière du rotor et augmente ainsi son angle d’incidence. La seconde solution consiste à augmenter la vitesse de rotation du rotor à incidence constante.

L’autogire en vol en descente : Pour descendre il suffit de basculer la tête du rotor vers l’avant. Le même phénomène de précession gyroscopique monte l’arrière du rotor, son angle d’incidence baisse tout en restant positif. On peut aussi abaisser la vitesse du rotor à même incidence.

L’autogire en descente sans moteur : Pour le vol en descente sans propulsion, (par exemple, lorsque le moteur est défaillant), on incline fortement le rotor vers l’avant pour obtenir un angle d’incidence proche de celui utilisés en descente. Une traction T est générée qui entretient la vitesse de l’appareil.

L’autogire en virage : Pour virer, il faut agir sur la dérive dans le sens voulu. De plus il est nécessaire de pencher le rotor dans le même sens que la dérive. Deux nouvelles forces apparaissent, Fv la force du virage et Fc la force centrifuge. Il en résulte une inclinaison de l’appareil

Décollage d’un autogire

Il existe trois types de décollages possibles selon la spécificité des autogires.
La méthode traditionnelle sans prélanceur tels qu’étaient les premiers autogires jusqu'à celui de Bensen. L’autogire décolle comme un avion, c'est-à-dire qu’il prend de l’élan au sol, le vent relatif permet au rotor de prendre de la vitesse, quand la vitesse du rotor approche les 350 tr/min à environ 40 km/h, l’autogire décolle comme un avion sur une distance relativement longue.
La seconde méthode plus récente avec un prélanceur de rotor électrique, mécanique ou hydraulique qui consiste à lancer le rotor à 250-350tr de façon à permettre une distance de décollage très courte. Le prélanceur n'est utilisé qu'au sol.
La troisième méthode est utilisée sur des autogires très perfectionnés à contrôle collectif de pas, un prélanceur très puissant permettant de lancer le rotor à ~500tr, parfois un rotor lesté pour augmenter son inertie: on parle alors d'autogire "sauteur" : en effet, lorsque le rotor est lancé, on le débraye, puis le contrôle de pas collectif permet un décollage relativement brutal et une élévation d'une trentaine de mètres d'altitude suivie immédiatement de la translation pour entretenir la rotation du rotor de façon traditionnelle.

Différentes caractéristiques des autogires

Les autogires ne décrochent pas, ils ne peuvent pas perdre brutalement leur portance. Ils ne peuvent pas non plus partir en vrille, la vrille survient lorsque qu’une aile seulement décroche. Même si les autogires on la réputation d’être très stables, il existe quelques situations qui sont souvent fatales à l’appareil. Influence du facteur de charge : Lors d’une augmentation du facteur de charge, perturbation, montée, descente, virage, il en résulte une variation du régime rotor. A chaque augmentation du facteur de charge correspond une accélération du régime rotor, le contraire se produit pour une diminution du facteur de charge. Celle-ci n’est que temporaire et ne dure que le temps de cette variation. Cependant une variation du régime rotor trop importante peut entraîner le rotor en battement. Il risque de percuter l’hélice ou la dérive, ou même de se détruire. Ce phénomène peut se produire au sol, si le pilote cherche à décoller alors que le régime rotor est trop faible (moins de 100/120 tr/min). Balancement de l’autogire : La portance n’étant pas appliquée sur le centre d’inertie mais bien au-dessus, il arrive parfois lors de perturbations que l’appareil se balance comme un pendule. Un pilote inexpérimenté tente, pour parer ce mouvement de le contrebalancer avec le manche. Il ne fait qu’entretenir ces oscillations qui finissent par renverser l’appareil alors qu’elles auraient cessé naturellement si aucune manœuvre n’avait été entreprise. La seule manœuvre qui est interdite en autogire est la plongée brutale et en général les "G" négatifs: en effet dans cette configuration, le rotor n'est plus entraîné par le vent relatif, sa vitesse de rotation et par conséquent sa portance, chutent très rapidement et le crash est alors quasiment innévitable si celà survient à basse altitude.

Motorisation des Autogires

La majeure partie des autogires actuels est propulsée par des moteurs à combustion interne deux temps ou quatre temps. En altitude, la pression atmosphérique s’abaisse, cela entraîne très vite des problèmes sur les moteurs non compensés. Pour parer à ce problème, les carburateurs sont équipés de correcteurs altimétriques pour maintenir une richesse ~constante. Les moteur deux temps sont de conception plus simple et plus légers qu’un moteur quatre temps, mais leur consommation est beaucoup plus importante, le bruit peu agréable et la fiabilité très inférieure.Cependant, l'adoption de l'injection électronique sur certains moteurs (Hirth) a permis de réduire considérablement cette surconsommation à ~+20% et amélioré la fiabilité. Les moteurs quatre temps trouvent de la puissance et du couple à bas régime, leur durée de vie est donc accrue, et ils consomment moins de carburant. Mais ils sont généralement moins puissants pour une même cylindrée, et plus lourds. La puissance des moteurs sur les autogires ULM se situe majoritairement entre 50 CV et 120 CV, 122cv/90KW/450 kg au décollage étant le maxi autorisé pour un autogire ulm biplace. De nouveaux moteurs 4 temps modernes (injection) issus de l'automobile (Ecoyota) ou de la moto (Vija) font peu à peu leur apparition et concurrencent le très coûteux et assez ancien (carburateurs) Rotax 914 qui régnait jusqu'ici sur la catégorie des Autogires biplaces... Le surcroît de puissance autorisé par rapport à un 3 axes est justifié par la plus grande traînée d'un autogire, de plus une puissance "suffisante" sur un autogire étant plus un facteur de sécurité que de vitesse, leur vitesse maxi étant quasiment jamais supérieure à 180 km/h, alors que certains ulm 3 axes de très haut de gamme dépassent allègrement les 250 km/h avec 100cv...

Comparaison entre un autogire et un hélicoptère

Les autogires et les hélicoptère sont visuellement très ressemblants, mais leur fonctionnement est complètement différent. L’hélicoptère possède un rotor entraîné qui permet sa sustentation et son mouvement, et un rotor anticouple qui compense le couple inverse que subit l’appareil. Sur un autogire, le rotor horizontal assure uniquement la sustentation et l’hélice verticale donne le mouvement d’avance de l’appareil ; le rotor anticouple est alors inutile. L’autogire consomme moins de carburant étant donné que son rotor est libre ; son utilisation est donc moins coûteuse. Sa conception est plus simple mécaniquement. De plus les autogires modernes peuvent décoller quasiment à la verticale. L’autogire peut atteindre la vitesse théorique de 700 km/h, le saumon de la pale avançante avoisinerait les 1 110 km/h, proche mais inférieur à la vitesse du son. Alors que de nos jours quelques hélicoptères peinent à atteindre 350 km/h. Il n’est cependant pas possible de faire un vol stationnaire avec un autogire. Il ne peut se maintenir en altitude sans vent relatif. Sinon, il perd de l’altitude. La charge d’emport d'un hélicoptère est très supérieure a celle d’un autogire, du fait qu’il décolle de façon parfaitement verticale.

Application civile et militaire des autogires

Les autogires peuvent être utilisés pour la surveillance de certains sites, comme les forêts pour éviter les incendies. La recherche de personnes disparues, les déplacements privés. La surveillance des jeux Olympiques à Atlanta fut assurée par des autogires en raison du coût d’utilisation inférieur à celui d’un hélicoptère. Dans le Var, une personne âgée a été retrouvée grâce à l’intervention d’un autogire d’amateur. Nous pouvons aisément citer quelques exemples de l'utilisation des autogires à l'heure actuelle : La firme AAI, une filiale du groupe américain GBA (Groen Brother Aviation) a développé un autogire de surveillance quadriplace, le Hawk 4, cet appareil a déjà été utilisé pour les jeux Olympiques de Salt Lake City. Le constructeur américain American Autogiro Inc a produit le 13 février 2003 un nouvel autogire de surveillance notamment dans la protection anti-terroriste, le Sparrow Hawk. Nous pouvons citer Carter copter, un autre fabricant qui travaille en collaboration avec la NASA. La firme a réalisé un ingénieux prototype, le Mu-1. Cet appareil dispose d'une voilure fixe comme un avion et d'un rotor. Il a la possibilité de replier les pales et de voler juste avec ses ailes. Un projet d’autogire pour la lutte des incendies, il pourrait s'utiliser pour des endroits d’accès difficiles comme le 20e étage d'un immeuble ou pour éteindre les feux de forêt. Cet appareil devrait pouvoir transporter 34000 litres d'eau, en remplissant son réservoir en 45 secondes et débiterait 2300 litres par minute. Il serait 3 fois plus économique qu'un Canadair. A l’heure actuelle les autogires sont surtout utilisés pour le loisir. Certain autogires ont participé à des raids comme France Maroc aller retour soit 6 500 km en 15 jours. Un pilote a même tenté de faire le tour du monde, il est parti d’Angleterre mais a dû s’arrêter en Inde, son appareil ayant été détérioré par la mousson.

Dès les années 1940, les Allemands ont réalisé un giroglyder tracté par un sous marin, qui pouvait observer l’horizon et prévenir l’arrivée de navires ennemis. Les porte-avions américains disposaient d'autogires, ils furent vite remplacés par l’hélicoptère qui pouvait repêcher plus facilement les personnes à la mer grâce au vol stationnaire. Aujourd’hui, l’armée américaine s’intéresse au faible coût de fabrication et de consommation des autogires. Nous pouvons donner quelques illustrations du renouveau de l’autogire dans le domaine militaire : Le Hawk 6G est un Skymaster (avion utilisé durant la guerre du Viêt Nam) qui a été transformé en autogire. Cet appareil dispose d’une turbine Rolls-Royce 250 de 420 CV. Il peut décoller verticalement et dispose d’une grande capacité de chargement.

Le groupe américain BOEING a réalisé un autogire militaire, cet appareil n'a pas de pilote, il dispose d'un rotor très spécifique permettant la mise en stationnaire de l'autogire. BOEING prévoit une version qui posséderait un pilote humain. Le groupe Carter Copter que nous avons cité précédemment, travaille avec la NASA sur un projet très spécial d'autogire de grande dimension qui peut transporter du matériel et des hommes pour l'armée. Il pourrait décoller et atterrir verticalement.

Conclusion

De nombreuses entreprises s’intéressent au faible coût des autogires, ainsi qu’à ses diverses caractéristiques le rendant plus intéressant qu’un hélicoptère traditionnel. Depuis les trente dernières années l’augmentation incessante du prix des carburants et les améliorations techniques mises en place sur les autogires, le remettent sur les devants de la scène. Sa réutilisation est encore trop récente pour évaluer la concurrence qui oppose les autogires et les hélicoptères. L’hélicoptère est aujourd’hui encore utilisé pour la totalité des besoins de vol stationnaire ou a faible vitesse. Il faudra encore beaucoup de temps à l’autogire pour convaincre l’ensemble de la communauté aéronautique.

Anecdote

Un autogire appelé Petite Nellie est utilisé dans le film de James Bond On ne vit que deux fois .

Cet autogire, livré en kit par Q dans 4 valises, est monté en peu de temps sous les yeux éberlués des services secrets japonais alors convaincus de leur avance technologique.

Un autogire est aussi utilisé par un des personnages du monde post apocalyptique du film Mad Max 2.

Un autogire géant

En 1957 apparut le Fairey Gyrodyne, un appareil britannique prototype de 57 places spécialement développé pour les liaisons de ville à ville et les applications militaires. Cette machine extraordinaire était un autogire muni de courtes ailes et tracté par 2 turbopropulseurs en vol de translation, mais devenait un hélicoptère au décollage et à l'atterrissage : son rotor était alors mû par des jets en bout des pales du rotor ce qui lui permettait de se passer de rotor anti-couple, (tout comme le Djinn, un petit hélicoptère de liaison Français), le décollage et l'atterrissage étaient verticaux. Le projet a été stoppé en 1962, essentiellement pour des raisons politiques. L'appareil, qui fonctionnait parfaitement, intéressait beaucoup les militaires et le carnet de commandes était bien garni... Ses performances étaient remarquables : 370 km/h en vitesse de croisière, consommation très inférieure à celle d'un hélicoptère, coût d'achat et d'exploitation deux fois moins élevés... Et aussi grande sécurité d'utilisation, ce que ne peuvent prétendre les engins de type "tilt rotor" (moteurs basculants) actuels qui ont déjà fait de nombreuses victimes par perte de contrôle du fait de leur instabilité (pilotage impossible sans contrôle de stabilité gérée par informatique).

Voir aussi

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