Manuel du pilote helico
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Manuel du pilote helico
par enrimores Lun 25 Aoû - 11:56
Comment vole un hélicoptère ?
I. Les hélicoptères
Ce dossier demande une certaine conaissance de départ :
Ce dossier demande une certaine conaissance de départ :
A. 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.
1. 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.
2. 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 nœuds. (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.)
3. 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 ».
4. 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.a) 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 manœuvre 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.
b) 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.
5. Couple
Le fonctionnement bizarre des premiers modèle 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.
a) 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.
b) 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.
c) Vol stationnaire et tendance à la translation
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 commande de pas cyclique est au neutre. Ou le système de commande peut incliner le rotor vers la gauche lorsque l’on augmente le pas collectif au cours d’un vol stationnaire.
B. Le mouvement horizontal
A l’inverse d’un avion à voilure fixe, qui utilisent la poussée des moteurs pour se propulser vers l’avant, un hélicoptère se déplace vers l’avant (ou vers l’arrière, ou encore sur le coté) en inclinant sa portance.Pour avancer, un pilote ajuste sa commande de pas cyclique, qui ajuste l’angle de chaque pale le long de sa trajectoire de rotation, de manière à ce que l’ensemble du disque du rotor (le plan de rotation du rotor et des pales) reste incliné vers le bas. Lorsque l’appareil est en vol stationnaire, le disque du rotor est parallèle au sol, et la totalité de la portance qu’il génère pousse l’avion vers le haut. Une fois que le disque du rotor est incliné, la portance est également inclinée. Lorsque le disque est incliné vers l’avant, davantage de portance est générée vers l’avant de l’hélicoptère que vers l’arrière, et l’hélicoptère avance.
Etant donné qu’une partie de la portance est dirigée vers l’avant lorsqu’un hélicoptère avance, la composante verticale de la portance est plus faible. Par conséquent, il faut générer davantage de portance totale pour que l’avion puisse avancer à une altitude constante. La même chose se produit lorsque l’on tourne (incline sur un coté), étant donné que la portance est déportée vers le côté.
1. Portance de translation
La portance est initialement produite lorsque les pales du rotor tournent et que leur surface inclinée fend l’air. Lorsque l’hélicoptère passe d’un vol stationnaire à un mouvement vers l’avant, de l’air circule le long de l’hélicoptère, du nez vers la queue. Cet air passe également sur les pales en rotation, créant une portance supplémentaire. La portance créée par le mouvement horizontal d’un hélicoptère est appelée portance de translation.
Tout comme la portance ‘normale’ augmente lorsque la vitesse des pales augmente, la portance de translation augmente, jusqu’à un certain point. La portance de translation commence à se faire sentir à partir d’une vitesse d’environ 20 nœuds.
2. Asymétrie de la portance
La vitesse et la portance des pales deviennent plus compliquée lorsqu’un hélicoptère se déplace horizontalement, parce que les pales de l’hélicoptère ont un mouvement de rotation circulaire et que leur vitesse de rotation vient s’ajouter ou se soustraire à leur vitesse horizontale à différent point de leur cycle de rotation.
Pendant la moitié de la rotation, les pales vont en direction du nez de l’hélicoptère. Pendant l‘autre moitié, elles vont en direction de la queue.
Les pales qui vont en direction du nez (les pales avançantes) se déplacent vers l’avant avec une certaine vitesse, ses pales avancent également à cette même vitesse. Pour les pales avançantes, la somme de ces deux vitesses est égale à la vitesse de l’air qui passe sur la pale.
Les pales qui vont en direction de la queue (les pales reculantes) se déplacent en fait dans la direction opposée au mouvement de l’hélicoptère. Dans ce cas, la vitesse de l’air qui passe sur les pales est la vitesse aérodynamique de l’avion vers l’avant moins la vitesse à laquelle les pales se déplacent vers la queue.
Etant donné que la vitesse de la pale varie au cours d’une révolution de la pale, la quantité de portance qu’elle crée fluctue. Les pales avançantes créent plus de portance, et les pales reculantes génèrent moins de portance. Ceci entraîne une asymétrie de la portance, ce qui signifie que la portance sur un coté du disque du rotor n’est pas égale à la portance de l’autre côté.
3. Décrochage des pales reculantes
Lorsque la vitesse de l’hélicoptère vers l’avant augmente, la vitesse aérodynamique autour des pales reculantes diminue, ce qui signifie que la portance générée par les pales reculantes diminue. Afin de compenser cette réduction de portance, l’angle d’attaque des pales reculantes doit être accru, de manière à équilibrer la portance sur le côté gauche et sur le côté droit du disque du rotor. (Pour ce faire, le pilote déplace la commande de pas cyclique du côté où la portance est la plus grande). Cependant, une augmentation trop importante de l’angle d’attaque résulte en un décrochage. Une poche au sein de laquelle les filets d’air sont décollés se forme près du centre du disque du rotor.
Les pales décrochent et sortent du décrochage à mesure qu’elles traversent cette zone. Cela provoque des vibrations qui avertissent le pilote que les pales ont décroché et qu’elles peuvent être endommagées si la situation de décrochage empire. Si vous continuez à augmenter la vitesse aérodynamique au-delà de ce stade, la zone de décrochage devient plus grande, les vibrations s’intensifient et finalement, soit le rotor est détruit, soit l’appareil part en roulis sur un côté, étant donné que la portance générée du côté du rotor, où à lieu le décrochage, est moindre.
4. Atterrissage autorotatif
Dans le cas d’une panne moteur et/ou d’un décrochage de pale impossible à rattraper, un pilote peut être contraint à effectuer un atterrissage autorotatif. Un atterrissage autorotatif est un atterrissage effectué sans puissance moteur. Tandis que l’hélicoptère descend, de l’air circule vers le haut au travers du disque du rotor. Le système du rotor est conçu de manière à ce que ce courant ascendant entretienne le mouvement de rotation des pales, et en fournir une quantité minime peut permettrez au pilote de rester en l’air suffisamment longtemps pour atterrir sans s’écraser.
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