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 Sujet du message: Puissance massique de nos moteurs...
MessagePosté: Mer 14 Oct, 2009 6:31 pm 
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Bonjour,

Voici une petite comparaison de nos moteurs... C'est à dire les moteurs qui nous font voler, et ceux qui le pourraient dans un avenir raisonnablement proche.

Ceux qui figurent en gras sont ceux dont le rendement énergétique est supérieur ou égal à 35%.
Compte tenu de la raréfaction des combustible, il serait absurde, à mon humble avis, de développer un nouveau moteur dont le rendement serait inférieur à cette valeur.
A titre de comparaison, le rendement d'un moteur à essence quatre temps réducté moderne (rotax par exemple) est aux alentours de 30%, nos anciens moteurs (C90, O-200...) sont plutôt à 25%, quant aux deux temps, ils sont tous en dessous de 20% !

En terme de puissance massique, calculée à la puissance de croisière.
(En effet la puissance de croisière me semble plus significative que la puissance nominale en terme d'utilisation !)

La masse prise en compte est la masse équipée (pour les deux temps, avec réducteur et échappements indispensable) mais sans huile et sans hélice... (Ce qui ramène le turbomoteur de Damien aux alentours de 25 kg - j'avais compté 35 kg au maximum pour le moteur équipé avec une hélice à pas variable électrique)

Je les ai d'abord classés par puissance (de croisière, bien sûr)
Le turbomoteur de Damien est le seul moteur de bon rendement dont la puissance continue corresponde aux besoins d'un ULM ou CNRA biplace léger. Il se classe entre le Jabiru 2200 cm3 et le Rotax 912-100HP, mais avec un gain de plus de 35 kg par rapport à ces moteurs modernes, et plus de 50 kg par rapport à un Limbach (pourtant moins puissant avec 80 ou même 68 HP !)

Si on classe les moteurs en fonction de la puissance massique, c'est à dire la puissance (toujours de croisière) divisée par la masse on voit que :

1/ le turbomoteur en cycle régénératif de Damien se place comme prévu largement en tête avec 2000 watts/kilogramme
(même si cette valeur devait baisser, l'avantage serait encore très net) :bounce:

2/ Ensuite viennent deux moteurs modernes et réductés (Rotax) le 914 Turbocompressé et le 912 de 100 HP

3/ Les "gros" moteurs en prises directe 180-200 HP sont devant les petits en prise directe modernes (Jabiru) car leur taille permet d'avoir une meilleure épaisseur relative de moulage, tout en conservant une bonne vitesse de piston à 2500-2700 t/min seulement.

4/ Les DeltaHawk (diesels concus pour l'aéronautique) se placent dans la moyenne de masse des moteurs qu'ils sont sensés remplacer. (En conformité avec leur cahier des charges) Le gain de consommation spécifique, et accessoirement le maintien de la puissance de croisière jusqu'à 18.000 ft justifie pleinement ce programme de développement.
Malgré son prix comparable à celui d'un moteur à essence neuf, ce moteur serait donc intéressant pour les CP60, CP 1320 et éventuellement CP750 même si le turbo aligné avec l'axe de tangage et non de roulis interdit la voltige... mais il est trop gros pour la plupart des autres avions Piel.

5/ La consommation spécifique très médiocre des deux temps n'est absolument pas compensée par une puissance massique exceptionnelle, dès qu'on rajoute leurs accessoires indispensables !
(on comprends mieux le succès du 4 temps en ULM, malgré un prix nettement plus élevé)

6/ Le "gros de la troupe" des moteurs de 80 à 160 HP est presque trois fois plus lourd au kW en croisière que la turbine de Damien. Même si ce dernier devait s'alourdir d'une dizaine de kg d'auxiliaires, l'écart serait encore du simple au double !

7/ A ma grande surprise et regrets, le Potez 4E20 arrive avant-dernier devant le AE300 qui est un moteur diesel Mercedes 1991 cm3 (très proche de feu le Thilert, mais renforcé et donc alourdi - d'une trentaine de kilos : la fiabilité est à ce prix) et derrière le Limbach qui n'est jamais qu'un "quatapla" VW 1700 cm3 avionné... :crybaby:

Donc, en attendant le moteur de Damien...

Bons Vols !


Fichiers joints:
Comparaison moteurs CNRA_Pcroisière.jpg
Comparaison moteurs CNRA_Pcroisière.jpg [ 157.72 Kio | Vu 2640 fois ]
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Dernière édition par Philippe Dejean le Ven 16 Oct, 2009 8:48 am, édité 1 fois.
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 Sujet du message: Re: Puissance massique de nos moteurs...
MessagePosté: Jeu 15 Oct, 2009 8:42 pm 
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Bonjour Philippe,

Dis-donc, j’ai la pression sur les résultats… :lol: Je n’ai pas de doutes sur la puissance massique de mon proto, mais pour le rendement… :blushing:

35% est un objectif tout à fait réaliste pour une microturbine (les japonais ont atteint les 50% de rendement avec des rouets céramiques), mais pour le proto je vise plutôt 28 – 30%.

35%, ce sera pour le moteur de série.


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 Sujet du message: Re: Puissance massique de nos moteurs...
MessagePosté: Ven 16 Oct, 2009 11:13 am 
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Bonjour Damien,

La pression vient d'abord du marché des moteurs stationnaires que ton moteur doit pénétrer pour étaler les séries et réduire le prix de vente...

Mais même pour une application aéronautique si ton moteur de série restait nettement en dessous des 35%, il risquerait d'être concurrencé par un petit frère du deltahawk : le même à l'échelle 0,8

Le Deltahawk 160-180-200 HP de 148 kg réduit à cette échelle donnerait un diesel 80-90-100 HP de 76 kg.
(13 kg de plus qu'un Rotax 912, mais 1 de moins qu'un Limbach, 10 de moins qu'un C90 ou un O-200, et 29 de moins qu'un Potez).
On pourrait même faire un peu plus léger en remplaçant le couple turbocompresseur-compresseur mécanique du deltaHawk par un turbo attelé (turbocompound).
Son rendement de 35% lui donnerait une consommation en croisière (75%) de :
- 10,3 kg/h (12,2 l/h) de gazole pour le 80 HP
- 11,6 kg/h (13,7 l/h) de gazole pour le 90 HP
- 12,8 kg/h (15,2 l/h) de gazole pour le 100 HP
Malgré sa masse plus élevée, un tel moteur aurait d'autant plus sa chance face à ta turbine qu'il pourrait remplacer tous des VW, C90 et O-200, (et même les Rotax 912 en déplaçant la batterie) sans problème de centrage...
J'étais encore à l'école (en 1980-81) quand j'ai fais les premiers calculs pour un tel diesel 2 temps V4 inversé turbocompound... et je ne suis pas être le seul à avoir pensé à cette approche puisque Deltahawk en fait un adapté au marché américain. Alors il pourrait bien en avoir d'autres ailleurs pour la gamme 80-100 HP...

Par contre si, en plus d'être beaucoup plus légère et polycarburant, ta turbine affiche le même rendement que ces diesels, alors il n'y aura plus de problème.

Les 35% seront au rendez-vous de la machine de série ? Parfait ! :yop:

un proto ou un pré-série un peu plus gourmand sera toujours le bienvenu pour le CP30/70 ULM ! :bounce:

En attendant, bons vols (derrière ton C90... :angel_not: )

Philippe Dejean

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Dernière édition par Philippe Dejean le Ven 16 Oct, 2009 3:31 pm, édité 5 fois.

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 Sujet du message: Re: Puissance massique de nos moteurs...
MessagePosté: Ven 16 Oct, 2009 2:10 pm 
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Bonjour Damien

Même si c'est un peu tôt pour aller aussi loin, serait-il possible de préciser la masse d'un GMP 50 kW complet :
- Turbine avec ses échangeurs, tuyauteries, câbles, etc...
- Réducteur (épicycloïdal, c'est le plus léger a priori),
- Hélice à pas variable électrique (Hoffman ou équivalent, capable du drapeau et même de la reverse...),
- L'ensemble des ses capteurs, filerie, calculateur FADEC, afficheur et "monomanette de gaz"
- Charge d'huile
- Démarreur, batterie.
(C'est à dire tout ce qui est lié au moteur sauf les capots et le bâti-moteur)

Merci d'avance

Philippe Dejean

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 Sujet du message: Re: Puissance massique de nos moteurs...
MessagePosté: Dim 18 Oct, 2009 4:50 pm 
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Bonour,
Philippe, tu aurais des choses à dire sur le deltahawk ? Je dois dire qu'il m'attire un peu pour mon diamant.
Chris


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 Sujet du message: Re: Puissance massique de nos moteurs...
MessagePosté: Lun 19 Oct, 2009 11:31 am 
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Bonjour Chris,

diamant78 a écrit:
Bonour,
Philippe, tu aurais des choses à dire sur le deltahawk ? Je dois dire qu'il m'attire un peu pour mon diamant.
Chris


Oui...

D'abord il est le lauréat d'un concours ouvert par la NASA pour étudier un remplaçant plus performant des moteurs d'avion à essence dans la gamme de 150 à 200 HP (en clair remplacer le O-360 et éventuellement le O-320).

En effet il est clairement apparu aux responsables, qu'il fallait attaquer ce segment qui est le plus répandu aux états unis.

- Le segment inférieur (60 à 140 HP) est partiellement grignoté par moteurs d'automobile avionnés (VW, Subaru, etc.) et par des moteurs modernes réductés (HKS 700, Sauer, Rotax 912 et 914 etc.) et défendu par les constructeurs par des versions améliorées de leurs anciens moteurs (Voir le O-235, devenu O-233 à injection électronique et fadec qui équipe le Simba). D'autre part les prix unitaires de ces moteurs plus petits rendent ce segment moins rentable.

- Le segment supérieur (230 à 360 HP) est déjà attaqué directement par le moteur diesel Renault, et indirectement par les turbines (Les TBM 700 et 850 concurrencent les bimoteurs de 2x300 à 2x420 HP et chaque turbine remplace 2 moteurs !). Même si les prix unitaires de ces moteurs est élevé, le nombre plus réduit rend ce segment également moins rentable, et il peut être attaqué ultérieurement par des versions plus puissantes issues de moteurs développés pour la gamme 150 à 200 HP.

Dans le cahier des charges du concours de la NASA, il y avait donc la possibilité de remplacer directement les moteurs existants (masse et encombrements compatibles avec les O-360) utiliser des carburants aéronautiques (Jet A1, principalement) et un net avantage énergétique.

En moteur à pistons, le rendement élevé est obtenu avec le cycle diesel, qui s'accomode très bien du Jet A1, en plus du gazole et des huiles végétales.
Deux voies sont alors possibles :

- le turbodiesel 4 temps réducté à injection haute pression mais il est très difficile sinon impossible de concilier puissance massique et fiabilité (Le Thielert Centurion était relativement léger, mais il a disparu et de l'AE300 qui l'a remplacé est nettement plus lourd)

- Le Diesel Turbo 2 Temps à assistance de balayage. On a un temps moteur par tour en se débarrassant des soupapes, du réducteur etc, etc... Par contre, il faut un moyen annexe pour souffler de l'air à travers les cylindres quand le piston est au point-mort bas. La méthode retenue par le Deltahawk, mais aussi par les Wilksch 3 et 4 cylindres, consiste à utiliser un compresseur à vis entrainé par le moteur. Le tout (moteur plus compresseur à vis) est gavé par un turbo classique.

Au début des années 80, j'avais fait la préétude d'un Diesel Turbo 2 Temps qui ressemblait au Deltahawk (V4 à 90°) inversé, mais avec une cylindrée un peu plus forte (4 litres) un régime de rotation un peu plus lent (2300 t/min), un refroidissement par air, et je n'utilisais pas de compresseur à vis, mais un moteur/générateur électrique sur le turbo. Au démarrage, le turbo lancé électriquement assurait le balayage du moteur, et en charge, l'énergie réccupérée dans les gaz chauds étant supérieure à celle nécessaire à comprimer l'air frais, la différence servait à assurer l'alimentation électrique de l'avion et à renvoyer de la puissance sur le vilebrequin via le démarreur/moteur/générateur qui y était attelé. C'était à la fois plus simple mécaniquement (pas de compresseur volumétrique) et plus prometteur sur le plan énergétique : pas besoin d'entraîner le compresseur à vis (puisqu'il n'y en avait pas !), et récupération en "turbo-compound" électrique.
Ai-je besoin de dire que je n'ai jamais eu les moyens de dépasser le stade du papier ?

Architecture du moteur ?

Pour un moteur en cycle 2 temps turbo à balayage, la vitesse de rotation optimale en terme énegétique est de l'ordre de 2400 T/min : pas besoin de réducteur.
La cylindrée unitaire optimale tourne autour de 800 cm3, pour une puissance par cylindre de 35 à 55 HP suivant le taux de remplissage des cylindres (température de l'air frais, c'est à dire présence ou non d'un intercooler, et de la pression d'admission).
Le DeltaHawk a donc naturellement 4 cylindres équi-répartis à 90 degrés de vilebrequin les uns des autres, ce qui, pour obtenir le moteur le plus compact possible correspond à un V4 à refroidissement liquide. Le compresseur à vis entrainé par courroie est logé dans le V (le moteur peut continuer à tourner à mi-puissance sans ce compresseur).
La pompe à injection moyenne pression (possibilité de tourner au biocarburant) est directement entrainée par le bout arrière du vilebrequin.
Le turbo est également placé à l'arrière du moteur.

C'est presque un sans-faute :
Il tient son cahier des charges : il peut remplacer directement les O-360 (juste 1 kg de plus - masse équipée). Aucun paramètre de fonctionnement ne peut laisser craindre de pb de fiabilité. Il est plus compact et permet des capots mieux profilés. Son refroidissement liquide peut assurer une moindre trainée de refroidissement. Il peut maintenir sa puissance de croisière jusqu'à 18000 ft (le double du O-360). Même son empilement Turbo/compresseur à vis est moins élégant que le turbocompound électrique, il est sûrement plus fiable... (aucun besoin de circuit électrique)

Il a quand même quelques points de détail qui me dérangent un peu, mais qui pourraient être facilement corrigés :

1/ Le Deltahawk ne peut pas être utilisé en voltige, principalement par ce que son turbo serait détruit par le couple gyroscopique. Il me semble que ça pourrait être amélioré en plaçant l'axe du turbo selon l'axe où un avion de voltige tourne le plus vite : l'axe de roulis. Comme le Deltahawk existe en version haute ou inversée, il ne devrait pas être bien difficile de faire un kit de graissage comparable à celui du IO-360 de voltige.

2/ Dans les versions présentées, le radiateur, et l'intercooler quand il existe, sont directement placés sous le moteur. C'est très bien pour raccoucir les tuyauteries, mais il y aurait peut être mieux à faire pour affiner les capotages...

C'est donc un excellent moteur pour un Diamant ou un Saphir... Et sous réserve d'amélioration mineures, pour un Béryl...

Comment se procurer ce moteur ?
Il sera disponible à partir de 2010.
Pour le commander, il faut remplir une fiche de commande qui précise le type d'avion, etc... et la renvoyer au constructeur qui répondra s'il accepte cette application, et si oui, la date prévue de livraison et le prix définitif. L'acheteur a alors 15 jours pour accepter la proposition et renvoyer une avance 5000 dollars US pour valider sa commande.

Le seul problème à mon avis pour les amateurs, c'est que même si sur le site officiel de Deltahawk, on démontre qu'une solution à base de leur moteur est un peu moins chère à l'achat qu'une solution à base de O-360, et que la différences de coût de carburant est particulièrement intéressante, on parle là de moteurs flambants-neufs.
Même avec un change Euro-dollar favorable un prix de moteur nu aux alentours de 30000 dollars et pratiquement le double pour un équipement complet avec hélice, ça fait encore pas mal d'euros pour un amateur qui vole relativement peu...

Voilà...

Bons vols à tous

Philippe Dejean

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Dernière édition par Philippe Dejean le Jeu 17 Juin, 2010 4:24 pm, édité 2 fois.

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 Sujet du message: Re: Puissance massique de nos moteurs...
MessagePosté: Lun 19 Oct, 2009 9:35 pm 
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ouai, c'est sûr que le prix est vraiment dissuasif ... et même si le $ est interressant il y a les taxes douanières ...

Cela me fait lancer un autre débat, quid à votre avis de l'après 100 LL ? (c'est vers 2012 que ça devrait commencer à se compliquer c'est ça ?).

Chris


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 Sujet du message: Re: Puissance massique de nos moteurs...
MessagePosté: Jeu 22 Oct, 2009 3:55 pm 
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Bonjour Chris,

Tu écris :

diamant78 a écrit:
quid à votre avis de l'après 100 LL ? (c'est vers 2012 que ça devrait commencer à se compliquer c'est ça ?).


Je ne connais pas la date, mais quand ça arrivera, il se passera probablement la même chose que lors de la disparition de la 80/87 et de la 100/130 :
Necessité de changer de carburant (on se rabattra probablement vers un clône du SP95 ou SP98 automobile) avec ou sans ajout d'additif suivant les moteurs. Pour certains moteurs, des modifications mineures seront peut-être nécessaires.

Si la filliaire de contrôle "aéronautique" est conservée, le prix au litre ne baissera pas du tout (bien au contraire) et la qualité, pas trop.

Nous, les amateurs, pourrons probablement profiter du prix d'un carburant auto relativement moins cher, mais sous notre responsabilité (toujours avec ou sans additifs suivant les moteurs). Le problème lié au mélange des 5 à 10 % d'alcool du SP95 et de l'humidité peut poser des problèmes accrus de givrage, et de séparation de phase intempestive :

Le mélange de 90 ou 95% d'essence et de 5 ou 10% d'alcool accepte d'abord très bien l'humidité pour faire un mélange homogène. Puis, quand le taux d'humidité augmente, le mélange se sépare en deux : au dessus, l'essence seule, et au dessous un mélange d'alcool et d'eau.
Si le phénomène se produit au sol, une purge attentive avant le vol peut éliminer le problème.
Par contre le phénomène peut se produire en vol (une petite quantité d'humidité qui fait basculer l'équilibre étant aspirée par les mises à l'air libre au cours du vidage normal du réservoir)
Si le en vol moteur aspire l'essence, il ne se passe pas grand chose. Le pouvoir calorifique augmente un peu et le taux d'octane descent un peu, mais comme en même temps le mélange air-essence est un peu plus riche, ça se passe plutôt bien. Par contre, si le moteur aspire une "bulle" d'eau alcoolisée il a toute les chances de caler net !

Une solution consisterait à passer directement à l'éthanol-véhicule (E85). Celà résoudrait le problème de l'humidité (possibilité de garder un mélange stable avec une quantité d'humidité très supérieure). L'éthanol est aussi très bon en terme d'indice d'octane. Il serait alors possible de changer les pistons pour faire augmenter le taux de compression (de 8,5:1 à 10:1 environ) avec un léger gain en rendement.
Mais l'éthanol étant beaucoup moins énergétique que l'essence, il faudrait augmenter de près de 40% le diamètre des gicleurs, et ça se traduirait par une perte importante (environ la moitié) de distance franchissable avec réserve, et les problèmes d'avitaillement correspondants. C'est donc une solution qui sera plus facilement utilisable par les avions école de début ou les remorqueurs de planeurs qui restent en local du terrain de base que pour les avions de voyages...

Dans tous les cas, le circuit carburant (joints et durits, voire les réservoirs en composites) devra être adapté à la présence d'alcool.


Concernant le Deltahawk, tu écris :

diamant78 a écrit:
c'est sûr que le prix est vraiment dissuasif ... et même si le $ est intéressant il y a les taxes douanières ...


Le prix est élevé, certes, mais quelle que soit la destination de ce moteur en terme d'usage, il a plusieurs avantages propres sur le O-360 qu'il remplace.

- Le gain sur le coût de carburant :
Le DH consomme 24 litres à l'heure de Jet A1 au plus à 1,50 Euro/litre au lieu de 36 litres de 100LL à 2 euro/litre.
Le gain sur le poste carburant est donc au moins égal à :
(36 x 2) - (24 x 1,50) = 36 Euros/heure
Si, on remplace le Jet A1 par du gazole routier, ou même du FOD ou des bio-carburants pour des applications en local du terrain (remorquage de planeurs)
le gain sur le poste carburant peut atteindre près de 50 Euros/heure

- Le gain de distance franchissable ou de masse utile :
Avec le même réservoir, l'avion volera environ 50 % de temps de plus, soit une augmentation de la distance franchissable de 50% environ également.
Pour la même distance franchissable, la masse de carburant économisée représente de la capacité d'emport accrue (bagage ou disparition de la limitation du nombre de place)

- Le gain de plafond pratique :
Avec son turbocompresseur, le DH peut maintenir sa puissance de croisière jusqu'au niveau 180, alors que le O-360 s'essouffle à partir d'à peine la moitié de cette altitude. Surtout pour un avion de voyage à long rayon d'action, l'avantage de pouvoir survoler des reliefs avec une bonne marge d'altitude peut se révéler particulièrement intéressant.

Pour les avions neufs de construction industrielle, qui sont naturellement équipés de moteurs neufs, DeltaHawk prétend que sa solution de GMP est moins chère que l'équivalent à base de O-360. Même en négligeant cet avantage, on peut supposer que le DH ne revient pas plus cher que le O-360.
Le TBO des deux moteurs est le même : 2000 heures, donc pas d'avantage non plus pour l'un ou pour l'autre solution.

Les avantages du DH par rapport au O-360 listés précédemment sont donc accessible sans surcoût, et il me semble clair que le DH devrait prendre une bonne part du marche des avions neufs destinés aux clubs, aux loueurs et aux écoles de pilotage.

Pour l'amateur, le DH ne se mesure pas à un O-360 neuf mais généralement à un moteur à moitié potentiel, ou même moins, qui est ne peut plus raisonner aussi simplement :
Traditionnellement, il utilise un moteur qui n'est pas neuf, mais beaucoup moins cher à l'achat

Comparaison d'une solution "amateur" à 20000 Euros pour un GMP complet avec hélice Constant speed et 1000 Heures de potentiel, et un GMP à DH neuf, 2000 heures de potentiel à 60000 Euros.
La différence est supposée financée par un emprunt à 5% sur la durée d'utilisation prévue : 1000 heures/nombre d'heures/an)
L'économie de carburant est basée sur la valeur conservative de Jet A1 à 1,50 Euro/litre

Si l'amateur vole 200 Heures par an, il doit rembourser 9240 Euro/an pendant 5 ans. L'économie de carburant est de 7200 Euro/an. Le surcôut cumulé sur 5 ans est de 10200 Euros, à comparer à la valeur résiduelle du GMP qui a encore 50% de son potentiel (soit au moins 20000 Euros), alors que le O-360 d'occasion est à bout de potentiel. (En clair, ça vaut le coup !)

Si l'amateur vole 100 Heures par an, il doit rembourser 5180 Euro/an pendant 10 ans. L'économie de carburant est de 3600 Euro/an. Le surcôut cumulé sur 10 ans est de 15800 Euros, à comparer à la valeur résiduelle du GMP qui a encore 50% de son potentiel (soit au moins 20000 Euros), alors que le O-360 d'occasion est à bout de potentiel. (En clair, ça vaut encore le coup !)

Si l'amateur vole 66 Heures 40 minutes par an, il doit rembourser 3850 Euro/an pendant 15 ans. L'économie de carburant est de 2400 Euro/an. Le surcôut cumulé sur 15 ans est de 21750 Euros, à comparer à la valeur résiduelle du GMP qui a encore 50% de son potentiel (soit au moins 20000 Euros), alors que le O-360 d'occasion est à bout de potentiel (C'est limite, en tournant au Jet A1 à 1,5Euro/litre, mais en tournant au FOD à 1 Euro/litre, le gain sur le carburant passe à 3200 Euros/an et le surcoût cumulé n'est plus que de 9750 Euros)

Si l'amateur vole 50 Heures par an au FOD à 1 Euro/litre, il doit rembourser 3210 Euro/an pendant 20 ans. L'économie de carburant (FOD) est de 2400 Euro/an. Le surcôut cumulé sur 20 ans est de 16200 Euros, à comparer à la valeur résiduelle du GMP qui a encore 50% de son potentiel (soit au moins 20000 Euros), alors que le O-360 d'occasion est à bout de potentiel (dans ces conditions, ça vaut encore le coup !).


Ces calculs montrent que l'intérêt économique pour un faible nombre d'heure dépend beaucoup du prix du carburant diesel, et du différentiel avec le prix de la 100 LL. Mais compte tenu de la disparition prochaine de la 100 LL, des risques mécaniques et donc les surcoûts qui en découlent d'une part et de l'augmentation des performances (distance franchissable, masse utile et plafond pratique) d'autre part, je ne pense pas que même pour le constructeur amateur, le prix du Deltahawk soit "vraiment dissuasif" par rapport au O-360 avec hélice CS.


Bons vols

Philippe Dejean

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