Comment vole un hélicoptère

Comment vole un hélicoptère ?
Les hélicoptères
Le mouvement rotatif
La portance est une force dirigée vers le haut qui est créée lorsqu'une
voilure fend l'air. Dans le cas d'un hélicoptère, la voilure (les pales)
se déplacent dans trois directions par rapport à l'air : horizontalement,
verticalement et suivant un mouvement circulaire. L'interaction entre les
forces générées par le mouvement dans ces plans détermine la façon dont
l'hélicoptère évolue.
La vitesse des pales dans leur mouvement de rotation autour d'un point
central est appelée vitesse angulaire, vitesse de rotation ou vitesse de
pale. La vitesse de l'air sur les pales varie selon la longueur des pales
et ceci se traduit par le fait que la portance varie le long des pales.
Ce phénomène est connu sous le nom de dissymétrie de la portance.
Dissymétrie de la portance
La géométrie élémentaire nous indique que plus la circonférence d'un
cercle est importante, plus la distance qu'un point du cercle doit
parcourir pour effectuer un tour est grande. Les points le long d'une
pale d'hélicoptère sont simplement des points qui se déplacent en cercles
concentriques autour de l'axe du rotor. Les trajectoires parcourues par
les points situés à l'extrémité de la pale sont beaucoup plus longues que
les trajectoires des points situés près du centre, mais tous les points
d'une pale mettent le même temps pour effectuer un tour. Cela signifie
que les points situés à l'extrémité des pales se déplacent plus vite que
les points situés près de l'axe du rotor.
Etant donné que les sections des pales situées à proximité de l'axe du
rotor se déplacent plus lentement, moins de portance est produite dans la
zone proche de l'axe du rotor. La différence au niveau de la quantité de
portance générée par différentes sections d'une pale d'hélicoptère
s'appelle dissymétrie de la portance.
Pour compenser la dissymétrie de la portance, les pales d'hélicoptère
sont vrillées vers l'intérieur de la pale. Ceci augmente l'angle
d'inclinaison de la pale et, par conséquent, crée une force de
sustentation plus importante.
Cette technique permet de créer une portance uniforme sur toute la
longueur des pales du rotor.
Compressibilité de l'air
Il paraît logique que davantage de portance soit générée lorsque la
vitesse de rotation des pales augmente. Cela reste vrai jusqu'à ce que la
vitesse des pales approche de la vitesse du son (environ 1000km/h). L'air
se comprime autour des pales et produit une onde de choc sur la surface
inférieure pour des vitesses de pales voisines de Mach 0,9. Ce phénomène
est appelé compressibilité de l'air. Les pales d'un hélicoptère ne sont
pas conçues pour subir cette onde de choc et le moment d'inclinaison
résultant.
Mach 0,9 est généralement accepté comme étant la vitesse de pale maximale
pour un hélicoptère ; cela correspond à une vitesse d'environ 200 n?uds.
(Les effets de la compression de l'air créent un problème pour les
hélicoptères à des vitesses beaucoup plus faibles que pour les avions à
voilure fixe, parce que la vitesse de translation des pales d'un
hélicoptère est en fait la somme de la vitesse de déplacement vers
l'avant et de la vitesse de rotation des pales.)
Configuration conique
Lorsque la portance générée par l'hélicoptère augmente, les pales
s'élèvent au-dessus de la position horizontale et adoptent une position
qui leur fait décrire un cône. Ceci se produit parce que la portance
s'exerce sur la totalité de la pale, mais que seule une extrémité de la
pale est libre de bouger vers le haut (ou vers le bas). Aussi, toute la
portance qui s'exerce sur la pale agit sur l'extrémité de la pale.
Plus l'angle au sommet de ce cône est aigu, plus la portance générée est
réduite. Ceci est dû au fait que lorsque les pales du rotor adoptent une
configuration conique, la surface efficace du disque diminue. La surface
du disque efficace est la surface couverte par une révolution de la pale.
Si les pales sont disposées selon une configuration conique, le diamètre
du disque s'en trouve « raccourci ».
Déflexion aérodynamique descendante
En tournant, les pales du rotor propulsent de l'air vers le bas. L'air
juste en dehors du disque du rotor suit une trajectoire ascendante, fait
demi-tour et se retrouve propulsé vers le bas au travers du disque du
rotor. Cela s'appelle courant d'air induit ou déflexion aérodynamique
descendante. La déflexion aérodynamique descendante ne présente aucun
problème en vol normal et lors de changements d'altitude progressifs ;
elle peut même être utilisée pour augmenter la portance, lors d'un vol
stationnaire. Cependant, lors de descentes prononcées (dépassant 30°) la
déflexion aérodynamique descendante peut être fatale.
Effet de sol en vol stationnaire
Lorsqu'un hélicoptère est en vol stationnaire à moins d'une longueur de
pale du sol, la déflexion aérodynamique descendante exerce sur la surface
une pression vers le bas. Un coussin d'air artificiel est alors créé,
l'air « rebondissant » sur le sol et remontant dans les pales du rotor.
Au sein d'un coussin d'air dû à l'effet de sol, il faut moins de
puissance pour maintenir l'hélicoptère en l'air, étant donné que la
déflexion aérodynamique descendante qui rebondit sur le sol s'ajoute à la
portance produite par la rotation des pales du rotor. Lorsqu'ils sont en
vol stationnaire au sein d'un effet de sol, les pilotes peuvent diminuer
l'angle de pas collectif des pales (c'est-à-dire l'angle d'attaque des
pales) et réduire la puissance du moteur. Le vol stationnaire en dehors
de l'effet de sol exige plus de puissance que n'importe quelle autre
man?uvre de l'hélicoptère.
Les surfaces lisses (comme l'asphalte ou le ciment) génèrent un coussin
d'air plus dense. Un terrain accidenté a tendance à perturber le courant
d'air et à rendre le coussin d'air moins uniforme.
Descente auto-entretenue
Si un hélicoptère effectue une descente verticale extrêmement rapide avec
une faible vitesse horizontale, il peut se retrouver pris dans sa propre
déflexion aérodynamique descendante, et le pilote pourra éprouver des
difficultés à générer suffisamment de portance pour arrêter la descente.
Cette situation est appelée descente auto-entretenue, également connue
sous le nom d'anneau tourbillonnaire.
Lorsqu'un hélicoptère effectue une descente auto-entretenue, sa vitesse
verticale de descente est supérieure à la vitesse de l'air pris dans la
déflexion aérodynamique descendante. Cela signifie que le flux
aérodynamique en dessous de la partie interne du disque du rotor ne crée
plus de portance, l'air circule en fait vers le haut par rapport au
disque. La portance est créée dans la mauvaise direction, entraînant
l'appareil vers le bas dans le sens de la descente.
Couple
Le fonctionnement bizarre des premiers modèles d'hélicoptères à été,
pendant des siècles, la cause de beaucoup de frustrations pour leurs
constructeurs. A chaque fois qu'un modèle décollait, il chavirait d'un
côté ou se mettait à tourner ou à sauter de façon incontrôlable. Ce n'est
que plus tard que l'on comprit que ce comportement était le résultat d'un
couple : l'axe du rotor du modèle tournait dans un sens, tandis que le
reste de l'appareil se mettait en rotation dans le sens inverse.
Pourquoi y a-t-il un couple ? La troisième loi de Newton déclare que pour
toute action, il y a une réaction égale et opposée. Dans ce cas, la
réaction est un couple. Le fuselage d'un hélicoptère tourne dans le sens
inverse de celui dans lequel tourne son rotor.
Le rotor de queue
De nombreux hélicoptères disposent d'un rotor de queue pour compenser le
couple. Le pilote utilise les pédales du palonnier (qui contrôlent la
vitesse de rotation du rotor de queue) pour exercer une force dans le
sens inverse du couple créée par la rotation des pales. Le rotor de queue
génère cette force de la même manière que le rotor principal génère de la
portance : les pédales du palonnier augmentent ou diminuent l'angle
d'attaque des pales, ce qui augmentent ou diminue l'intensité de la force
créée par le rotor de queue. Le rotor de queue peut également être
utilisé pour donner du lacet à l'appareil lors d'un vol stationnaire et
pour effectuer des virages plus serrés.
|[pic] |
|(Boeing C-47 'Chinook') |
Les rotors controréactifs
Une autre manière de contourner ce problème de couple est de disposer de
deux rotors principaux tournant à la même vitesse mais dans des sens de
rotation contraire.
Les deux couples générés par chacun des rotors principaux sont alors de
même intensité mais de direction opposée ; ce qui tend à les annihiler
mutuellement. Toutefois, la difficulté de conception de tels rotors est
si importante que la solution utilisant le rotor de queue reste
privilégiée par les constructeurs d'hélicoptères.
Vol stationnaire et tendance à la translation
En vol stationnaire, les hélicoptères équipés d'un rotor de queue ont
tendance à dériver sur le côté parce que le rotor de queue « pousse »
littéralement l'appareil. C'est ce qu'on appelle la tendance à la
translation. Les hélicoptères équipés de pales qui tournent dans le sens
inverse des aiguilles d'une montre dérivent vers la droite. Pour
compenser cette dérive, le pilote peut incliner vers la gauche le disque
du rotor dans son ensemble. Ceci entraîne le rotor principal à exercer
davantage de force contre le rotor de queue
Certains modèles modernes d'hélicoptères ont des fonctions intégrées qui
prennent en compte la tendance à la translation. Le rotor principal peut
s'incliner légèrement vers la gauche lorsque la