Dans cette partie, nous verrons les principaux principes physiques qui régissent le vol d'un hélicoptère, puis nous nous intéresserons particulièrement à la composition du rotor et au système de commande dont il est muni.
La trainée est une force de frottement fluide s'opposant au mouvement, dans le cas de l'hélicoptère, il s'agit de frottements entre les pales et l'air.
La trainée d'un hélicoptère représente les forces de frottements de l'air qui agissent sur la pale lorsque l'hélicoptère est en activité.
Le profil de la pale est déterminant, en effet plus la pale sera large plus la surface de contact sera importante d'où une augmentation des frottements.
Le moteur de l'hélicoptère doit fournir de l'énergie pour compenser la trainée et ainsi empêcher la pale de ralentir en appliquant une force de traction.
La force de traction est générée par le moteur et permet aux pales de tourner.
La portance est la force qui permet à l'hélicoptère de décoller et de rester en suspension dans l'air.
Pour parvenir à faire décoller l'hélicoptère, elle doit compenser l'attraction terrestre, autrement dit le poids de celui-ci. Le poids est une force engendrée par l'attraction terrestre, elle dépend de l'accélération de la pesanteur et de la masse de l'objet, dans ce cas un hélicoptère.
La portance d'un hélicoptère est produite de la même façon qu'un avion.
Il s'agit d'une aile qui traverse l'air, la différence de vitesse entre l'air passant dessus et dessous la pale créé une zone de basse pression « aspirant » l'hélicoptère vers le haut.
On fait varier cette portance en faisant varier l'angle d'attaque (a).
Plus on augmente l'angle, plus la portance devient importante. Le fait d'augmenter l'angle d'attaque augmente la différence de distance à parcourir par l'air dans un même temps au dessus et au dessous de la pale.
La vitesse de l'air passant au dessus est supérieure donc la dépression créée est plus importante augmentant ainsi la portance.
En aéronautique, la notion de vent relatif est primordiale.
En effet, tout aéronef a besoin d'un flux d'air pour lui permettre de voler, et ce flux d'air est appelé vent relatif.
Le vent relatif correspond à la vitesse de l'air non pas par rapport à la Terre mais par rapport à un objet.
Dans le cas de l'hélicoptère, le vent relatif s'applique aux pales qui auront le rôle de créer la portance nécessaire pour voler.
Ce vent possède deux sources principales qui sont le mouvement rotatif des pales et le mouvement de l'hélicoptère lui même.
Ce qui fait la différence entre les hélicoptères et les autres aéronefs, c'est qu'ils peuvent décoller verticalement sans vitesse initiale grâce à leur voilure tournante.
Un hélicoptère est équipé d'une voilure tournante horizontale qui lui offre une propulsion verticale et contrairement aux avions il ne possède aucune propulsion horizontale.
Afin d'avoir un mouvement horizontal, l'hélicoptère doit donc incliner la totalité de sa voilure pour qu'une partie de la portance le propulse.
Lors du vol stationnaire, la totalité du disque rotor est parallèle au sol et la portance applique une force verticale.
Grâce au levier de pas cyclique (dont on détaillera le fonctionnement plus tard), le pilote peut modifier la répartition de la portance pour incliner l'appareil.
Une fois cette manipulation effectuée, la force exercée sur l'appareil par la voilure peut être projetée sur des axes. Comme illustré sur le dessin, la portance totale peut être décomposée en deux composantes qui sont les portances verticale et horizontale.
Ainsi une partie de l'énergie est utilisée pour faire avancer l'appareil tandis que l'autre partie en maintient l'altitude. Ce système permet à l'hélicoptère de se déplacer dans n'importe quelle direction.
Nous allons maintenant nous intéresser à la composition de cette voilure.
Celle-ci est mue par un moteur très puissant, qui est couplé avec un système de commande complexe.
Plusieurs types de pales existent. Elles se distinguent notamment en deux grandes catégories qui sont les pales symétriques et les pales asymétriques.
Les faces supérieures et inférieures des pales symétriques sont identiques. Lorsque le pas est nul, la portance l'est aussi car la distance parcourue par l'air au dessus et au dessous de la pale est la même.
Pour les pales asymétriques, la face inférieure est plate tandis que la face supérieure est bombée.
L’avantage est la création d’une poussée plus importante pour une même vitesse de rotation et l’inconvénient est que ce genre de pales subit des forces de torsion importantes qui nécessitent l’utilisation de matériaux résistants. Cette force de torsion est due au décalage entre la poussée engendrée par la surface supérieure et celle engendrée par la surface inférieure (voir schéma).
On observe que pour avoir une portance nulle sur la pâle asymétrique, il faut que celle ci soit légèrement inclinée vers l'avant.
Pour modifier la portance, il suffit de faire varier le pas (l'inclinaison) des pales. Pour cela le pilote dispose d'un levier de pas principal qui modifie simultanément le pas de toutes les pales.
Ce levier est directement relié au plateau cyclique non tournant du rotor, via des bielles de commandes. Ce plateau est surplombé d'un plateau cyclique tournant qui à une vitesse de rotation égale à celle des pales. Il est relié à l'axe de chaque pale par une biellette de pas.
Ainsi, quand le pilote le souhaite, il peut agir sur les bielles de commande qui soulèvent les plateaux cycliques. Les biellettes de pas montent et font tourner les pales autour de leur axe, ce qui leur donne un angle d'attaque plus important.
Il est aussi possible d'incliner les plateaux cycliques dans un certains sens grâce au levier de pas cyclique afin que le pas d'une pale soit différent selon sa position.
Par exemple, pour faire avancer l'hélicoptère vers l'avant, on va incliner les plateaux vers l'avant, ainsi les pales gagnent de la portance lorsqu'elles passent à l'arrière de l'appareil.
L'hélicoptère s'incline donc également vers l'avant ce qui lui donne une vitesse de déplacement horizontal. Tous les mouvements avant/arrière et droite/gauche sont assurés par ce mécanisme.
Cependant, dans ces conditions l'hélicoptère reste tout le temps orienté dans la même direction.
Pour pouvoir faire pivoter l'appareil sur lui-même, le pilote dispose de deux pédales qui lui permettent de modifier la vitesse de rotation du rotor de queue.
En effet le rotor de queue compense le couple transmis par le rotor au fuselage (voir: Contraintes ), donc si on accélère celui-ci, ce couple est plus que compensé, et si on le ralenti, le couple n'est pas totalement compensé ce qui permet de faire pivoter l'appareil dans un sens ou dans l'autre.
Ce mécanisme très complexe est d'autant plus difficile à réaliser qu'il doit être extrêmement robuste car la force centrifuge exercée par les pales est considérable. En effet, du fait de leur vitesse de rotation et de leur masse, les pales exercent sur le rotor une force de 6 à 12 tonnes pour un hélicoptère de taille moyenne et pouvant aller jusqu'à 40 tonnes sur les plus gros modèles.
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