Nous avons vu précédemment que des phénomènes physiques permettaient aux hélicoptères de décoller, puis de se déplacer dans les airs. Mais il y en a aussi qui viennent perturber le vol de l’appareil et ajoutent des contraintes lors du déplacement de l’hélicoptère.
On observe 4 grandes contraintes qui sont les suivantes.
Lorsque l’hélicoptère est au sol et que son moteur tourne, les pales sont toutes dans un plan horizontal. Dès que l’hélicoptère va commencer à décoller, puis quand il sera dans les airs, les pales vont s’élever et sortir de ce plan horizontal.
La position qu’elles adoptent leurs font former un cône (voir image).
Cet effet de cône dépend de plusieurs paramètres : La vitesse de rotation des pales, la masse de l’appareil et la force de gravité.
Si la masse ou la gravité augmentent, l’effet de cône augmente lui aussi. Si on considère une masse et une gravité constante, plus la vitesse des pales diminue, plus l’effet de cône est important.
Les pales s’élèvent lors du déplacement de l’hélicoptères, car elles ne sont fixes qu’au niveau du rotor, et donc le bout des pales est libre de se déplacer verticalement.
La présence de cet effet de cône agit sur la portance des pales. En effet plus l’angle du sommet du cône est petit, moins la portance des pales est grande ce qui va perturber le vol de l’hélicoptère.
L’efficacité étant moindre les pales doivent tourner plus vite pour maintenir l’hélicoptère dans le même état (vitesse, altitude).
L'hélicoptère est confronté à un autre problème majeur qui s'applique à la portance qui n'est pas homogène sur l'ensemble de la surface de la voilure.
Pour l'explication suivante nous considérerons que la vitesse en bout de pale pour un hélicoptère en vol stationnaire est de 400 km/h. Nous parlerons par la suite de pale avançante et de pale reculante.
La pale avançante est la pale qui part de la queue de l'appareil et qui arrive jusqu'au nez de l'hélicoptère.
La pale reculante est celle qui se trouve à l'opposé du disque rotor et qui fait donc le chemin contraire, elle part du nez et arrive à la queue de l'appareil.
Lorsque l'hélicoptère se déplace horizontalement à une vitesse de 200km/h, la vitesse de l'hélicoptère vient s'ajouter à celle de la pale avancante. On a donc 400 km/h pour la vitesse de rotation de la pale plus les 200 km/h du déplacement de l'hélicoptère, on obtient donc un vent relatif total de 600 km/h en bout de pale avançante.
Pour la pale reculante, la vitesse du vent relatif sera donc de 400 km/h auxquels on soustrait 200 km/h dû au déplacement de l'hélicoptère ce qui nous fait un total de 200km/h. Il y a donc un écart entre les vents relatifs des pales avançantes et reculantes assez important.
Cette différence de vitesse se traduit par une augmentation ou une diminution de la portance des pales. La portance du côté pale avancante sera plus élevée que du côté de la pale reculante.
Pour réduire cette différence de portance les rotors sont équipés d'une articulation de battement. Cette articulation de battement a un rôle différent selon que la pale avance ou recule.
La pale avançante, qui a un vent relatif plus rapide, pourra s'élever grâce à la portance et à l'articulation de battement et sera retenue par la biellette qui va en diminuer le pas, et donc la portance.
Pour la pale reculante, comme la vitesse du vent relatif est assez faible, la pale va s'abaisser. La biellette va permettre d'augmenter le pas de la pale qui va gagner en portance.
Ce processus permet d'équilibrer la portance sur l'ensemble de la voilure.
C'est ce phénomène qui impose des limites de vitesse aux hélicoptères car si leur vitesse est trop importante, l'appareil peut perdre totalement la portance sur le côté pale reculante et donc causer une perte de contrôle de l'hélicoptère.
Pour contrer ce problème, on pourrait augmenter la vitesse du rotor et donc la vitesse des pales. Cependant elles seraient confrontées au mur du son.
L'équilibre de la portance est également altéré par un autre phénomène lié à la rotation des pales. En effet, il y a une grande différence de vitesse entre les extrémité des pales et leur base qui est proche de l'axe du rotor.
Or la portance dépend directement de la vitesse des pales, la force de poussée est donc bien supérieure en bout de pale. Pour annuler cette différence, les pales sont vrillées. Ainsi, l'angle d'attaque sera toujours plus grand au niveau du rotor. Ce système très simple permet de répartir uniformément la portance sur l'ensemble de la pale.
L’effet de sol n'est pas une contrainte en lui même, mais c'est son absence qui en est une. Celui-ci se produit lorsque l’hélicoptère se rapproche ou est proche du sol, il se manifeste lorsque l’altitude de l’hélicoptère est moins élevée que l’envergure des pales.
Ce phénomène a plusieurs effets, notamment une augmentation de la portance pour des paramètres de vols équivalents à plus haute altitude, comme l’angle d’attaque des pales.
Ceci est du à la création d’un coussin d’air sous l’hélicoptère produit par l’écoulement de l’air sous le rotor qui disparait avec la prise d’altitude.
On peut noter aussi que l’appareil est plus stable, subit moins de turbulences grâce à l’atténuation des vortex en bout de pale.
L’effet de sol varie aussi selon la nature du sol. Un sol solide et dense produira plus d’effet de sol que par exemple une surface d’eau ou de hautes herbes. Il varie aussi selon les conditions climatiques en cas de grands vents, le coussin d’air sera déporté et annihilera l’effet de sol de même qu’un terrain avec une forte pente.
Ainsi, lorsque l'appareil est en vol et qu'il est trop éloigné du sol, des vortex importants se produisent au bout des pales. Ces vortex sont des vent tourbillonnants. Dans le cas de l'hélicoptère, le flux d'air du au vortex remonte au dessus de la pales et vient en diminuer la portance.
Lorsque les premiers hélicoptères ont été testés, l'appareil pivotait sur lui même. Les pales tournaient dans un sens alors que le fuselage lui, tournait dans le sens inverse.
Cette rotation de la cabine est explicable grâce à la troisième loi de Newton. Cette loi de Newton nous dit que si un corps A exerce une force sur un corps B, alors ce corps B exerce une force égale mais opposée sur le corps A.
Dans le cas de l’hélicoptère, afin de faire tourner les pales, le moteur qui est solidaire du fuselage (corps A) exerce une force sur le rotor (corps B). D'après la troisième loi de Newton, le rotor va donc exercer une force égale et opposée sur le fuselage. L’hélicoptère va donc pivoter dans le sens inverse de la rotation des pales.
Pour éviter ce phénomène que l’on appelle un couple en mécanique on observe deux grandes catégories.
La première catégorie regroupe les hélicoptères munis d'un rotor principal et d'un rotor anti-couple.
Ce rotor anti-couple est placé verticalement sur la queue de l’appareil. Il permet de compenser la force qui faisait pivoter l’hélicoptère sur lui-même.
Grâce à ce rotor l’appareil reste stable et ne tournoie plus sans que le pilote ne l’ai décidé.
Point négatif : le rotor anti-couple fait dévier l’hélicoptère sur la droite (ou la gauche selon le sens de rotation du rotor).
Un autre système beaucoup moins rependu existe. Celui-ci consiste à remplacer le rotor de queue par un jet d'air comprimé par la turbine principale.
La deuxième catégorie est celle qui regroupe les hélicoptères qui possèdent deux rotors principaux appelés rotors contrarotatifs.
Ces rotors sont tous les deux dans le plan horizontal. Pour contrer l’effet de couple ils vont chacun tourner dans un sens différent, l’effet de couple sera alors annulé et le pilotage de l’hélicoptère ne sera pas affecté.
Malheureusement, la conception de ces rotors-contrarotatifs est assez complexe et onéreuse c’est pourquoi la majorité des hélicoptères possède des rotors anti-couple.
Sources:
http://www.letrainpassion.com/Tel_Avion/vol-helicopteres.pdf
http://aerodream-fr.net/index.php?file=Dossiers&op=article&artid=21
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