AVIATIONHélicoptères

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Technique et construction

Principe aérodynamique

Toute poussée aérodynamique est égale à la quantité de mouvement communiquée à l'air par unité de temps : F = q. ΔV (F est la poussée, q le débit d'air intéressé par le rotor, ΔV la variation de vitesse verticale qu'il subit). On en déduit que, au rendement près, la puissance nécessaire est : P = F. ΔV/2. Pour économiser la puissance, il faut donc associer faible variation de vitesse et gros débit d'air, d'où le grand diamètre des rotors.

En vol d'avancement, le débit q augmente avec la vitesse, ce qui réduit la puissance nécessaire à la sustentation. Inversement, les résistances de traînée aérodynamique croissent ; la puissance nécessaire passe par un minimum vers 90-140 km/h, puis augmente rapidement (fig. 1). Le rotor étant une aile médiocre, la finesse de l'hélicoptère est nettement inférieure à celle de l'avion.

Bilan de puissance

Dessin : Bilan de puissance

Bilan de puissance d'un hélicoptère. Pn = Pi + Pp doit être inférieur à Pd. Pd - Pn/Pn est l'excédent relatif de puissance. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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En translation, le rotor souffre, en outre, de la dissymétrie propre à une voilure tournante. En chaque point de la pale avançante, la vitesse de vol s'ajoute à celle qui est due à sa rotation ; pour la pale reculante, elle se retranche.

Rotor

Dessin : Rotor

Équilibre d'un rotor d'hélicoptère. La vitesse w1 = ωr1 + V sur la pale avançante est plus grande que celle w2 = ωr2 – V sur la pale reculante. Les pales d'un rotor articulé tournent dans un plan tel que l'équilibre des moments soit réalisé (Sf1r1 = Sf2r2). L'incidence se... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Pour équilibrer les efforts, la pale avançante doit donc travailler à incidence réduite, la pale reculante à incidence accrue. Une première limitation de vitesse intervient ainsi, quand les incidences atteignent les valeurs de décrochage. Le décrochage de pale reculante s'accompagne de vibrations, de pertes de puissance et de contrôle. Une autre limitation provient des effets de compressibilité apparaissant en zone pale avançante aux valeurs critiques Mach-incidence du profil, c'est-à-dire au voisinage de la vitesse du son.

On améliore la vitesse des hélicoptères en affinant leurs fuselages et en créant des profils spéciaux qui reculent les limites du rotor. Les modèles rapides croisent aux environs de 290 km/h, ont des vitesses maximales de l'ordre de 320 km/h, et le record de vitesse est supérieur à 400 km/h.

Typologie

Les hélicoptères modernes ont une transmission mécanique qui relie par arbres et engrenages les rotors aux moteurs. Depuis l'Alouette II (France, 1954), le turbomoteur s'est rapidement généralisé, sauf sur les modèles très légers. L'architecture générale découle du choix fait pour compenser le couple d'entraînement du rotor. La plus répandue, parce que la plus simple, comporte un petit rotor d'axe horizontal placé en bout de queue. Il existe aussi des modèles à deux rotors contrarotatifs, disposés en tandem, coaxiaux, côte à côte, engrenants ou non.

Afin de dépasser les limites de vitesse de l'hélicoptère pur, sans renoncer à ses qualités, des engins plus complexes ont été imaginés : le combiné et le convertible. Sur le premier, une propulsion d'appoint et une aile fixe soulagent le rotor de ses tâches de traction et de sustentation à grande vitesse. La formule paraît de peu d'avenir, les gains de performance ne justifiant pas sa complication. Le convertible, comme son nom le suggère, passe en vol d'une configuration hélicoptère à une configuration avion. La solution en faveur consiste à monter en extrémité d'aile deux rotors pouvant pivoter de 900, tracteurs ou porteurs suivant leur position (fig. 3). Bell et Boeing Helicopters ont développé conjointement un tel convertible pour les forces armées des États-Unis : le V-22 Osprey (26 t). C'est à ce jour, le seul convertible qui ait atteint le stade de la production industrielle de série. Son usage est exclusivement militaire.

Problèmes techniques

Transmission de puissance

Le rotor absorbe une puissance importante, et à faible régime. Les transmissions doivent donc fournir un couple important, avec un fort taux de réduction, tout en étant légères et fiables. Leur fabrication exige une haute qualification.

Rotors

À la suite de La Cierva, les rotors sont généralement articulés, leurs pales peuvent, au moyen d'axes, battre aussi bien verticalement qu'horizontalement. En rotation, elles prennent une position d'équilibre entre forces d'inertie et aérodynamiques. Cette disposition réduit la fatigue dans le rotor et régularise la portance des pales, ce qui améliore la stabilité et atténue les vibrations. Le plan des pales n'est plus nécessairement perpendiculaire à l'axe du rotor, et on verra que le pilote peut agir sur sa position.

Les pales sont maintenant fabriquées le plus souvent à partir de composites à base de fibres (carbone, [...]

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Hélicoptères

Hélicoptères
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Hélicoptère EH-101 Merlin

Hélicoptère EH-101 Merlin
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Hélicoptère Eurocopter Tigre

Hélicoptère Eurocopter Tigre
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Hélicoptère Super Stallion

Hélicoptère Super Stallion
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Écrit par :

  • : ingénieur général de l'armement, ancien directeur de la division hélicoptères de la société Aérospatiale
  • : ingénieur de l'École centrale de Lyon, docteur-ingénieur, chargé de cours à l'École nationale supérieure d'ingénieurs de construction aéronautique

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Pour citer l’article

Louis François LEGRAND, Pierre ROUGIER, « AVIATION - Hélicoptères », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 27 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/aviation-helicopteres/