Hélicoptère

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Un hélicoptère est un aéronef qui est soulevé et propulsé par un ou plusieurs grands rotors horizontaux (hélices). Les hélicoptères sont classés comme des aéronefs à voilure tournante pour les distinguer des aéronefs à voilure fixe conventionnels. Le mot hélicoptère est dérivé des mots grecs helix (spirale) et pteron (aile). L’hélicoptère à moteur a été inventé par l’inventeur slovaque Jan Bahyl. Le premier hélicoptère stable et entièrement contrôlable mis en production a été inventé par Igor Sikorsky.

Robinson Helicopter Company (USA) R44, un développement à quatre places du R22.

Par rapport aux avions à voilure fixe conventionnels, les hélicoptères sont beaucoup plus complexes, plus coûteux à acheter et à utiliser, relativement lents, ont une faible portée et une charge utile limitée. L’avantage compensateur est la maniabilité: les hélicoptères peuvent planer sur place, faire marche arrière et surtout décoller et atterrir verticalement. Sous réserve uniquement des installations de ravitaillement en carburant et des limitations de charge / altitude, un hélicoptère peut se rendre à n’importe quel endroit et atterrir n’importe où avec un disque de rotor et demi de diamètre.

Contenu

Applications

Les hélicoptères ont de nombreuses utilisations, à la fois militaires et civiles, notamment le transport de troupes, le soutien de l’infanterie, la lutte contre les incendies, les opérations à bord des navires (http://www.tropicaled.com/helicopter2.htm), le transport professionnel, l’évacuation des blessés (y compris l’évacuation médicale et le sauvetage aérien / maritime / en montagne), la surveillance policière et civile, le transport de marchandises (certains hélicoptères peuvent transporter des charges en bandoulière, accueillir des objets de forme maladroite), ou comme support pour des caméras fixes, cinématographiques ou de télévision.

Histoire

Depuis environ 400 av.J.-C., les Chinois avaient un dessus volant qui servait de jouet pour enfants. Incidemment, les frères Wright ont reçu ce jouet lorsqu’ils étaient enfants et en étaient très fascinés. Ce jouet a finalement fait son chemin vers l’Europe via le commerce et il a été représenté dans un tableau de 1463. « Pao Phu Tau » était un livre du 4ème siècle de notre ère en Chine qui décrivait certaines des idées d’un avion à voilure tournante.

La première idée quelque peu pratique d’un hélicoptère de transport humain a été conçue par Léonard de Vinci au 15ème siècle, mais ce n’est qu’après l’invention de l’avion à moteur au 20ème siècle que de véritables modèles ont été produits. Des développeurs tels que Jan Bahyl, Louis Breguet, Paul Cornu, Juan de la Cierva, Emile Berliner, Ogneslav Kostovic Stepanovic et Igor Sikorsky ont été les pionniers de ce type d’avion. Un vol du premier hélicoptère entièrement contrôlable a été démontré par Ra?teras de Pescara 1916 à Buenos Aires, Argentine. Le Bell 47 conçu par Arthur Young fut le premier hélicoptère à être autorisé (en mars 1946) pour une utilisation aux États-Unis.

Génération de portance

Un avion conventionnel est capable de voler parce que le mouvement vers l’avant de ses ailes inclinées force l’air vers le bas, créant une réaction opposée appelée portance qui force les ailes vers le haut. Un hélicoptère utilise exactement la même méthode, sauf qu’au lieu de déplacer l’avion entier, seules les ailes elles-mêmes sont déplacées. Le rotor de l’hélicoptère peut simplement être considéré comme des ailes en rotation.

Le fenestron à huit pales de l’Eurocopter EC120B.

La rotation du rotor génère une portance, mais elle applique également une force inverse au véhicule, qui ferait tourner l’hélicoptère dans la direction opposée au rotor. À basse vitesse, le moyen le plus courant de contrer ce couple est d’avoir une hélice verticale plus petite montée à l’arrière de l’avion appelée rotor de queue. Ce rotor crée une poussée qui est dans le sens opposé au couple généré par le rotor principal. Lorsque la poussée du rotor de queue est suffisante pour annuler le couple du rotor principal, l’hélicoptère ne tourne pas autour de l’arbre du rotor principal.

Si le rotor de queue est enveloppé (c’est-à-dire un ventilateur encastré dans la queue verticale), on parle de fenestron. Un rotor fenestron utilise un système entraîné par courroie pour faire tourner le ventilateur et est moins efficace, mais moins bruyant qu’un rotor de queue traditionnel. D’autres hélicoptères utilisent une conception « Notar »: ils soufflent de l’air à travers une longue fente le long de la poutre de queue, en utilisant l’effet coanda pour produire des forces pour contrer le couple. Notar est un acronyme signifiant pas de rotor de queue. Les notars ajustent la poussée en ouvrant et en fermant un couvercle circulaire coulissant près de l’extrémité de la poutre de queue.

Une autre alternative, qui permet d’économiser le poids d’une poutre de queue et d’un rotor mais ajoute ses propres complexités, consiste à utiliser deux grands rotors horizontaux qui tournent dans des directions opposées. Un exemple est le Boeing CH-47 Chinook ou le Kamov Ka-50. Tous ces systèmes sont conçus dans le même but: pour produire une vitesse de rotation nette de zéro.

La puissance nécessaire pour empêcher un hélicoptère de tourner est importante. Un rotor de queue peut utiliser jusqu’à 30% de la puissance du moteur, et cette puissance n’aide pas l’hélicoptère à produire une portance ou un mouvement vers l’avant. Pour réduire ce gaspillage pendant la croisière, l’aileron arrière est incliné pour produire une portance latérale qui aide à contrer le couple du rotor principal. À des vitesses élevées, il est courant que l’aileron arrière neutralise tout le couple, laissant ainsi plus de puissance disponible pour le vol vers l’avant. Ceci est communément appelé glissement et peut se produire en vol stationnaire les jours venteux, ce qui rend les virages en vol stationnaire difficiles.

Contrôle du vol

Un vol utile nécessite qu’un aéronef soit contrôlé dans les trois dimensions (voir dynamique de vol). Dans un avion à voilure fixe, c’est facile: de petites surfaces mobiles sont ajustées pour changer la forme de l’avion de sorte que l’air qui passe le pousse dans la direction souhaitée. Dans un hélicoptère, cependant, la vitesse n’est souvent pas suffisante pour que cette méthode soit pratique.

Pour la rotation autour de l’axe vertical (lacet), le système anti-couple est utilisé. La variation du pas du rotor de queue modifie la poussée latérale produite. Les hélicoptères à double rotor ont un différentiel entre les deux transmissions rotoriques qui peut être réglé par un moteur électrique ou hydraulique pour transmettre le couple différentiel et ainsi faire tourner l’hélicoptère. Les commandes de lacet sont généralement actionnées avec des pédales anti-couple, au sol au même endroit que les pédales de gouvernail d’un avion à voilure fixe.

Pour le tangage (inclinaison vers l’avant et vers l’arrière) ou le roulis (inclinaison latérale), l’angle d’attaque des pales du rotor principal est modifié ou cyclé pendant la rotation, créant un différentiel de portance en différents points de la voilure tournante. Une portance accrue à l’arrière de la voilure tournante fera tanger l’avion vers l’avant, une augmentation à gauche provoquera un roulis vers la droite, etc.

Enstrom (USA) 280FX Shark, un F28 aérodynamiquement restylé pour le marché des entreprises.

Les hélicoptères manœuvrent avec trois commandes de vol en plus des pédales. Le levier de commande de pas collectif commande le pas collectif, ou angle d’attaque, des pales de l’hélicoptère ensemble, c’est-à-dire de manière égale dans tout le plan de rotation de 360 degrés du système de rotor principal. Lorsque l’angle d’attaque est augmenté, la lame produit plus de portance. La commande collective est généralement un levier sur le côté gauche du pilote, près de sa jambe. Augmenter le collectif et ajouter de la puissance avec l’accélérateur fait monter un hélicoptère.

La manette des gaz contrôle la puissance absolue produite par le moteur qui est relié au rotor par une transmission. La commande des gaz est une poignée de torsion sur la commande collective. Le contrôle du régime est essentiel au bon fonctionnement pour plusieurs raisons. Les rotors d’hélicoptère sont conçus pour fonctionner à un régime spécifique. Si le régime est trop bas, une descente rapide avec la puissance, connue sous le nom de décantation avec la puissance pourrait en résulter. Si le régime est trop élevé, le moyeu du rotor principal pourrait être endommagé par des forces excessives. En général, le régime doit être maintenu dans une tolérance étroite, généralement de quelques pour cent. Dans de nombreux hélicoptères à pistons, le pilote doit gérer le régime du moteur et du rotor. Le pilote manipule la manette des gaz pour maintenir le régime du rotor et régule donc l’effet de la traînée sur le système de rotor. Les hélicoptères à turbomachines et certains hélicoptères à pistons utilisent une boucle d’asservissement dans leurs commandes de moteur pour maintenir le régime du rotor et déchargent le pilote de la responsabilité de routine de cette tâche.

Le cyclique modifie cycliquement le pas des pales, faisant varier la portance dans le plan du disque du rotor. C’est ainsi que le pilote provoque l’inclinaison de l’avion et le déplacement de l’hélicoptère. Le cyclique est généralement contrôlé par le manche devant le pilote.

Lorsqu’un hélicoptère avance, les pales du rotor d’un côté se déplacent à la vitesse de pointe du rotor plus la vitesse de l’avion et s’appelle la pale qui avance. Lorsque la pale bascule de l’autre côté de l’hélicoptère, elle se déplace à la vitesse de pointe du rotor moins la vitesse de l’avion et s’appelle la pale en retrait. Pour compenser l’augmentation de la portance sur la pale qui avance et la diminution de la portance sur la pale qui recule — la portance étant fonction de l’angle d’attaque de la pale et de sa vitesse relative — l’angle d’attaque des pales est régulé par la géométrie du système de commande des pales du rotor et des mécanismes qui permettent aux pales de battre de haut en bas. Ce fait d’avancer et de reculer les pales définit les limitations de vitesse de l’hélicoptère.

Si l’angle d’attaque d’une aile, y compris les pales du rotor, est trop élevé, le flux d’air au-dessus de l’aile se sépare, entraînant une perte instantanée de portance et une augmentation de la traînée. Cette condition est appelée décrochage aérodynamique. Sur un hélicoptère, cela peut se produire de l’une des trois manières suivantes.

1. À mesure que la vitesse de l’hélicoptère augmente, les pales qui avancent se rapprochent de la vitesse du son et génèrent des ondes de choc qui perturbent le flux d’air au-dessus de la pale, entraînant une perte de portance.
2. À mesure que la vitesse de l’hélicoptère augmente, la pale en retrait subit des vitesses relatives plus faibles et les commandes compensent avec un angle d’attaque plus élevé. Avec une vitesse relative suffisamment faible et un angle d’attaque suffisamment élevé, le décrochage aérodynamique est inévitable. C’est ce qu’on appelle le décrochage de la lame en retrait.
3. Toute condition de vol à bas régime du rotor accompagnée d’une application croissante du pas collectif entraînera un décrochage aérodynamique.

Les hélicoptères sont des avions motorisés, mais ils peuvent toujours voler sans puissance en utilisant l’élan dans les rotors et en utilisant le mouvement vers le bas pour forcer l’air à travers les rotors. Les rotors agissent comme un « moulin à vent » et tournent. Cette technique, connue sous le nom d’autorotation, donnera quelques secondes précieuses à l’équipage de l’hélicoptère pour trouver rapidement un point d’atterrissage en cas de panne de son moteur.

Ex-éclaireur militaire de Westland AH.1 (XV134), maintenant sur le registre d’État civil du Royaume-Uni.

Les hélicoptères sont toujours conçus de telle sorte que même en cas de panne des moteurs, l’autorotation alimentera le rotor de queue ou le différentiel de couple. Les hélicoptères conservent toutes les commandes de vol lorsqu’ils ne sont pas alimentés.

Une caractéristique très particulière du cyclique est que la portance est faite pour se produire 90 degrés de rotation avant le sens d’inclinaison. En effet, lorsque l’on essaie d’incliner un objet en rotation (comme un rotor), il se déplace perpendiculairement à la direction de la force. C’est ce qu’on appelle la « précession gyroscopique ». Ainsi, les forces de contrôle sur le rotor sont tournées de 90 degrés avant le mouvement souhaité. Par exemple, un mouvement vers l’avant nécessite moins de portance à l’avant du disque et plus de portance à l’arrière du disque, de sorte que le pilote pousse le cyclique vers l’avant. Les tringleries de commande de l’hélicoptère font pivoter les forces de tangage de 90 degrés vers l’arrière contre la rotation du rotor, pour pousser sur les côtés du rotor plutôt que sur son avant et son arrière.

Il a fallu de nombreuses années aux inventeurs pour reconnaître la précession et apprendre à organiser le système de contrôle du cyclique pour le surmonter.

Limitations du vol en voilure tournante

La limitation la plus évidente de l’hélicoptère est sa vitesse lente. Le record actuel est d’environ 400km/h établi par le Lynx de Westland. Il y a plusieurs raisons pour lesquelles un hélicoptère ne peut pas voler aussi vite qu’un avion à voilure fixe.

• Lorsque l’hélicoptère est au repos, les extrémités extérieures du rotor se déplacent à une vitesse déterminée par la longueur de la pale et le régime. Dans un hélicoptère en mouvement, cependant, la vitesse des pales par rapport à l’air dépend de la vitesse de l’hélicoptère, ainsi que de leur vitesse de rotation. La vitesse de la pale du rotor en marche avant est beaucoup plus élevée que celle de l’hélicoptère lui-même. Il est possible que cette lame dépasse la vitesse du son et produise ainsi une traînée et des vibrations considérablement accrues. Il est théoriquement possible d’avoir des rotors spiralés, similaires en principe à des ailes à pas variable, qui pourraient dépasser la vitesse du son, mais aucun matériau actuellement connu n’est assez léger, assez solide et suffisamment flexible pour les construire.
• La plupart des rotors ne sont pas rigides. Étant donné que la pale qui avance a une vitesse plus élevée que la pale qui recule, une pale parfaitement rigide générerait plus de portance de ce côté et ferait basculer l’avion. En conséquence, les pales du rotor sont conçues pour « battre » – soulever et tordre de telle sorte que la pale qui avance bat vers le haut et développe un angle d’attaque plus petit, produisant ainsi moins de portance qu’une pale rigide. Inversement, la lame en retrait se rabat vers le bas, développe un angle d’attaque plus élevé et génère plus de portance. À des vitesses élevées, la force exercée sur les rotors est telle qu’ils « battent » excessivement et que la pale en retrait peut atteindre un angle et un décrochage trop élevés. Dans certaines conceptions, le moyeu est rigide. Les lames sont fabriquées à partir de composites qui peuvent se plier sans se casser. Des rotors entièrement rigides existent et créent des hélicoptères très réactifs. Dans la plupart de ces conceptions, la portance varie cycliquement et en fonction de la vitesse de l’hélicoptère. Le réglage se fait soit en ajustant l’angle d’attaque des pales, soit par des dispositifs à vide alimentés par le moteur qui aspirent de l’air dans les pales, en ajustant la portance.

L’hélicoptère à double rotor Westland Belvedere était doté d’une grande porte de chargement et d’un palan externe et servait au transport de personnel/ parachutiste, à l’évacuation des blessés et au levage de charges importantes. Le Belvedere avait une série de production de seulement 26 exemplaires et est entré en service dans la RAF en 1961.

• La conception de la tête de rotation est un facteur limitant sur de nombreux hélicoptères. Les situations de faible ou de G négatif rencontrées dans un système semi-rigide entraîneront un battement des pales jusqu’à ce qu’elles heurtent la poutre de queue ou une autre structure de cellule, suivi d’une séparation du rotor et d’un impact catastrophique sur le terrain.

• Les hélicoptères sont sensibles aux effets potentiellement désastreux de l’anneau de vortex. Dans ceux-ci, le vent descendant du rotor provoque la formation d’un vortex circulaire autour du rotor. Si cet anneau est augmenté par le terrain, le vent, la pluie ou les embruns marins, l’hélicoptère peut perdre suffisamment de portance pour s’installer avec de la puissance et toucher le sol.

Au cours des dernières années du 20ème siècle, les concepteurs ont commencé à travailler sur la réduction du bruit des hélicoptères. Les communautés urbaines ont souvent exprimé une grande aversion pour les avions bruyants, et les hélicoptères de police et de passagers peuvent être impopulaires. La refonte a fait suite à la fermeture de certains héliports de la ville et à l’action du gouvernement pour limiter les trajectoires de vol dans les parcs nationaux et d’autres lieux de beauté naturelle.

Les hélicoptères vibrent. Un hélicoptère non ajusté peut facilement vibrer tellement qu’il se secouera. Pour réduire les vibrations, tous les hélicoptères ont des réglages de rotor en hauteur et en tangage. La plupart ont également des amortisseurs de vibrations pour la hauteur et le pas. Certains utilisent également des systèmes de rétroaction mécanique pour détecter et contrer les vibrations. Habituellement, le système de rétroaction utilise une masse comme « référence stable » et une tringlerie de la masse actionne un volet pour ajuster l’angle d’attaque du rotor pour contrer les vibrations. Le réglage est difficile en partie parce que la mesure de la vibration est difficile. Le système de mesure de réglage le plus courant consiste à utiliser une lampe flash stroboscopique et à observer des marques peintes ou des réflecteurs colorés sur la face inférieure des pales du rotor. Le système traditionnel low-tech consiste à monter de la craie colorée sur les pointes du rotor et à voir comment elles marquent une feuille de lin.

Atterrissage

Sur un navire

Un pont héliporté est un tapis d’hélicoptère sur le pont d’un navire, généralement situé à l’arrière et toujours à l’écart des obstacles qui s’avéreraient dangereux pour un atterrissage en hélicoptère. Dans la marine américaine, il est communément et correctement appelé le poste de pilotage. L’atterrissage à bord de certains hélicoptères est facilité par l’utilisation d’un dispositif de remorquage qui consiste à attacher un câble à une sonde située au fond de l’avion avant l’atterrissage. La tension est maintenue sur le câble pendant la descente de l’hélicoptère, ce qui aide le pilote à positionner avec précision l’avion sur le pont; une fois sur le pont, les poutres de verrouillage se ferment sur la sonde, verrouillant l’avion au poste de pilotage. Cet appareil a été mis au point par la Marine royale canadienne et s’appelait « Beartrap ». américain. La mise en œuvre de ce dispositif par la Marine, basée sur Beartrap, s’appelle le système « RAST » (pour Recovery Assist, Secure et Traverse) et fait partie intégrante du système d’armes LAMPS MK III (SH-60B).

Dangers du vol en hélicoptère

Comme pour tout véhicule en mouvement, une utilisation en dehors des régimes sécuritaires peut entraîner une perte de contrôle, des dommages structurels ou un décès. Pour les hélicoptères, les dangers sont particulièrement aigus car ils volent à une altitude relativement basse, avec peu de temps pour réagir à un événement soudain. Voici une liste de certains des dangers potentiels:

• Décrochage de la pale en retrait
• Décantation avec puissance
• Résonance du sol
• Condition de faible G
• Fonctionnant dans la zone ombrée du diagramme hauteur-vitesse

Chacune de ces conditions est potentiellement fatale et la récupération pourrait ne pas être possible. Pour cette raison, un bon pilotage exige de fonctionner dans des régimes de vol sûrs et d’éviter à tout prix des conditions dangereuses.

Modèles d’hélicoptères et identification

Hélicoptère Kamov Ka-50 avec rotors coaxiaux contrarotatifs.

Pour identifier les hélicoptères conventionnels en vol, il est utile de savoir que vu de dessous, le rotor d’un hélicoptère de conception française, russe, soviétique ou ukrainienne tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, tandis que celui d’un hélicoptère construit en Italie, au Royaume-Uni ou aux États-Unis tourne dans le sens des aiguilles d’une montre (voir liste des modèles d’hélicoptères).

Certaines entreprises, notamment Schweizer aux États-Unis, développent des variantes télécommandées d’hélicoptères légers pour une utilisation sur les futurs champs de bataille.

Les types hybrides qui combinent les caractéristiques des hélicoptères et des conceptions à voilure fixe comprennent le Fairey Rotodyne expérimental des années 1950 et le Bell Boeing Osprey, qui est commandé par l’US Marine Corps et est le premier avion à rotor inclinable produit en série à entrer en service.

Un hélicoptère ne doit pas être confondu avec un autogyre, qui est un prédécesseur historique de l’hélicoptère qui tire sa portance d’un rotor non alimenté.

Certains surnoms courants pour les hélicoptères sont « copter », « chopper », « whirlybird », « helo » (common U.S. Marine) ou « perruche à la paraffine » (ce dernier terme étant principalement utilisé dans l’industrie pétrolière offshore britannique).

• Modèle: Brevet américain : « Les aéronefs, en particulier les aéronefs de type amphibie à sustentation directe et les moyens de construction et d’exploitation de ceux-ci »
• Histoire des hélicoptères (http://centennialofflight.com/history/helicopter.html)
• Page contenant une image d’un haut volant chinois (http://www.aerospaceweb.org/design/helicopter/history.shtml)
• Développement d’hélicoptères au début du 20e siècle (http://www.centennialofflight.gov/essay/Rotary/early_20th_century/HE2.htm)
• Description d’un hélicoptère (http://www.centennialofflight.gov/essay/Dictionary/helicopter/DI27.htm)

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