Aérodynamique dans un hélicoptère - Aérodynamique du vol

La gravité agissant sur la masse (la quantité de matière) d'un objet crée une force appelée poids. La pale de rotor ci-dessous pèse 100 livres. Il mesure 20 pieds de long (portée) et 1 pied de large (corde). En conséquence, sa superficie est de 20 pieds carrés.

La pale est parfaitement équilibrée sur un support précis, comme vous pouvez le voir sur la figure en la regardant de l'extrémité (la vue du profil aérodynamique). L'objectif est que la lame défie la gravité et reste exactement là où elle se trouve lorsque nous retirons le support. Si nous ne faisons rien avant de retirer le support, la lame tombera simplement au sol. Pouvons-nous exercer une force (une poussée ou une traction) opposée à la gravité qui équivaut au poids de 100 lb de la lame ? Oui, par exemple, la force électromagnétique pourrait être utilisée. Dans les hélicoptères, cependant, nous utilisons la force aérodynamique pour s'opposer au poids et pour manœuvrer. 

Chaque objet dans l'atmosphère est entouré d'un gaz qui exerce une force statique de 2 116 livres par pied carré (une force multipliée par une unité de surface, appelée pression) au niveau de la mer. Cependant, cette pression s'exerce de manière égale sur toute la lame (haut et bas) et ne crée donc aucune force utile sur la lame. Nous n'avons qu'à créer une différence d'une seule livre de différence de pression statique par pied carré de surface de lame pour avoir une force égale au poids de la lame (100 lb de pression vers le haut opposée à 100 lb de poids vers le bas).

La pression totale se compose de la pression statique et, si l'air est en mouvement, de la pression dynamique (une pression dans la direction du mouvement de l'air). Comme le montre la figure, si la pression dynamique est augmentée, la pression statique diminuera. En raison de la conception du profil aérodynamique, la vitesse de l'air passant sur l'extrados sera supérieure à celle de l'intrados, ce qui entraînera une pression dynamique plus élevée sur l'extrados que sur l'intrados. La pression dynamique plus élevée sur la surface supérieure abaisse la pression statique sur la surface supérieure. La pression statique en bas sera désormais supérieure à la pression statique en haut. La lame subira une force vers le haut. Avec juste la bonne quantité d'air passant sur la lame, la force ascendante sera égale à une livre par pied carré. Cette force vers le haut est égale à,

La force créée par l'air se déplaçant au-dessus d'un objet (ou déplaçant un objet dans l'air) est appelée force aérodynamique. Aéro signifie air. Dynamique signifie mouvement ou mouvement. En conséquence, en déplaçant l'air sur un profil aérodynamique, nous pouvons modifier les pressions statiques sur le dessus et le dessous, générant ainsi une force utile (une force aérodynamique). La partie de la force aérodynamique qui est généralement mesurée perpendiculairement à l'air circulant autour du profil aérodynamique est appelée portance et est utilisée pour s'opposer au poids. La traînée est la partie de la force aérodynamique qui est mesurée comme la résistance créée par un objet traversant l'air (ou faisant passer l'air au-dessus). La traînée agit dans le sens du courant avec le vent passant au-dessus du profil aérodynamique et retarde le mouvement vers l'avant.

Forces agissant sur l'avion

Une fois qu'un hélicoptère quitte le sol, il est soumis à quatre forces aérodynamiques ; poussée, traînée, portance et poids. Comprendre le fonctionnement de ces forces et savoir comment les contrôler à l'aide de la puissance et des commandes de vol sont essentiels au vol. Ils sont définis comme suit :

• Portance — s'oppose à la force descendante du poids, est produite par l'effet dynamique de l'air agissant sur le profil aérodynamique et agit perpendiculairement à la trajectoire de vol à travers le centre de portance.

• Poids — la charge combinée de l'avion lui-même, de l'équipage, du carburant et du fret ou des bagages. Le poids tire l'avion vers le bas à cause de la force de gravité. Il s'oppose à la portance et agit verticalement vers le bas à travers le centre de gravité (CG) de l'avion.

• Poussée — la force produite par la centrale/l'hélice ou le rotor. Il s'oppose ou surmonte la force de traînée. En règle générale, il agit parallèlement à l'axe longitudinal. Cependant, ce n'est pas toujours le cas, comme expliqué plus loin.

 Traînée - une force de ralentissement vers l'arrière causée par la perturbation du flux d'air par l'aile, le rotor, le fuselage et d'autres objets saillants. La traînée s'oppose à la poussée et agit vers l'arrière parallèlement au vent relatif.

Lever

La portance est générée lorsqu'un objet change la direction d'écoulement d'un fluide ou lorsque le fluide est forcé de se déplacer par l'objet qui le traverse. Lorsque l'objet et le fluide se déplacent l'un par rapport à l'autre et que l'objet fait tourner le flux de fluide dans une direction perpendiculaire à ce flux, la force nécessaire pour effectuer ce travail crée une force égale et opposée qui est la portance. L'objet peut se déplacer à travers un fluide stationnaire, ou le fluide peut s'écouler devant un objet stationnaire - ces deux éléments sont effectivement identiques car, en principe, seul le cadre de référence du spectateur diffère. La portance générée par un profil aérodynamique dépend de facteurs tels que : 

• Vitesse du flux d'air 

• Densité de l'air 

• Superficie totale du segment ou profil aérodynamique 

• Angle d'attaque (AOA) entre l'air et le profil aérodynamique

L'AOA est l'angle auquel le profil aérodynamique rencontre le flux d'air venant en sens inverse (ou vice versa). Dans le cas d'un hélicoptère, l'objet est la pale du rotor (aile) et le fluide est l'air. La portance se produit lorsqu'une masse d'air est déviée et elle agit toujours perpendiculairement au vent relatif résultant. Un profil aérodynamique symétrique doit avoir un AOA positif pour générer une portance positive. A un AOA nul, aucune portance n'est générée. À un AOA négatif, une portance négative est générée. Un profil aérodynamique cambré ou non symétrique peut produire une portance positive à zéro, voire une petite AOA négative.

Le concept de base de l'ascenseur est simple. Cependant, les détails de la façon dont le mouvement relatif de l'air et du profil aérodynamique interagissent pour produire l'action de rotation qui génère la portance sont complexes. Dans tous les cas, provoquant une portance, une plaque plate inclinée, un cylindre rotatif, un profil aérodynamique, etc., le flux rencontrant le bord d'attaque de l'objet est forcé de se diviser sur et sous l'objet. Le changement soudain de direction au-dessus de l'objet provoque la formation d'une zone de basse pression derrière le bord d'attaque sur la surface supérieure de l'objet. À son tour, en raison de ce gradient de pression et de la viscosité du fluide, l'écoulement sur l'objet est accéléré vers le bas le long de la surface supérieure de l'objet. Dans le même temps, le flux forcé sous l'objet est rapidement ralenti ou stagné provoquant une zone de haute pression. Cela provoque également une accélération du flux le long de la surface supérieure de l'objet.

Principe de Bernoulli

Le principe de Bernoulli décrit la relation entre la pression interne du fluide et la vitesse du fluide. C'est un énoncé de la loi de conservation de l'énergie et aide à expliquer pourquoi un profil aérodynamique développe une force aérodynamique. Le concept de conservation de l'énergie stipule que l'énergie ne peut pas être créée ou détruite et que la quantité d'énergie entrant dans un système doit également en sortir. Plus précisément, dans ce cas, l'"énergie" à laquelle il est fait référence est la pression dynamique (l'énergie cinétique de l'air - plus de vitesse, plus d'énergie cinétique) et la pression statique de l'air (énergie potentielle). Ceux-ci changeront entre eux, mais l'énergie de pression totale reste constante à l'intérieur du tube.

Un tube simple avec une partie resserrée près du centre de sa longueur illustre ce principe. Un exemple est l'eau courante à travers un tuyau d'arrosage. La masse de débit par unité de surface (section transversale du tube) est le débit massique. Dans la figure, le débit dans le tube est constant, sans accélération ni décélération ; ainsi, le débit massique à travers le tube doit être le même aux stations 1, 2 et 3. Si la section transversale à l'une de ces stations - ou à tout point donné - dans le tube est réduite, la vitesse du fluide doit augmenter pour maintenir un débit massique constant afin de déplacer la même quantité de fluide dans une zone plus petite. La continuité du débit massique fait que l'air se déplace plus rapidement à travers le venturi. En d'autres termes, le fluide accélère en proportion directe de la réduction de surface.

Bernoulli (pression totale = pression dynamique + pression statique) indique que l'augmentation de la vitesse augmentera la pression dynamique dans le sens du courant. Comme la pression totale dans le tube doit rester constante, la pression statique sur les côtés du venturi va diminuer. L'effet Venturi est le terme utilisé pour décrire ce phénomène.

La figure illustre des plaques d'un pied carré dans le flux dynamique et sur les côtés du tube indiquant la pression statique, avec la pression correspondante. Au point 2, il est plus facile de visualiser la réduction de pression statique sur le dessus du profil aérodynamique par rapport au bas du profil aérodynamique, qui est représenté comme à l'extérieur du tube et donc à la pression statique ambiante. Gardez à l'esprit qu'avec les pales réelles, ce n'est pas aussi simple que cet exemple car la pression statique inférieure est influencée par la conception et l'angle de la pale, entre autres. Cependant, l'idée de base est que c'est le différentiel de pression statique entre le haut et le bas multiplié par la surface de la pale qui génère la force aérodynamique.

Flux venturi

Alors que la quantité d'énergie totale dans un système fermé (le tube) ne change pas, la forme de l'énergie peut être modifiée. La pression de l'air en circulation peut être comparée à l'énergie en ce que la pression totale de l'air en circulation reste toujours constante à moins que de l'énergie ne soit ajoutée ou supprimée. La pression d'écoulement du fluide a deux composantes : la pression statique et la pression dynamique. La pression statique est la composante de pression mesurée dans le débit mais qui ne se déplace pas avec le débit lorsque la pression est mesurée. La pression statique est également appelée force par unité de surface agissant sur une surface. La pression dynamique du flux est ce composant existant à la suite du mouvement de l'air. La somme de ces deux pressions est la pression totale. Lorsque l'air s'écoule à travers l'étranglement, la pression statique diminue à mesure que la vitesse augmente. Cela augmente la pression dynamique. La figure représente la moitié inférieure de la zone resserrée du tube, qui ressemble à la moitié supérieure d'un profil aérodynamique. Même avec la moitié supérieure du tube retirée, l'air accélère toujours sur la zone incurvée car les couches d'air supérieures restreignent le débit, tout comme la moitié supérieure du tube rétréci. Cette accélération provoque une diminution de la pression statique au-dessus de la partie incurvée et crée un différentiel de pression provoqué par la variation des pressions statique et dynamique.

Troisième loi du mouvement de Newton

Une portance supplémentaire est fournie par la surface inférieure de la pale du rotor lorsque l'air frappant le dessous est dévié vers le bas. Selon la troisième loi du mouvement de Newton, « pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée », l'air qui est dévié vers le bas produit également une réaction vers le haut (soulèvement).

Puisque l'air ressemble beaucoup à l'eau, l'explication de cette source de portance peut être comparée à l'effet de planage des skis sur l'eau. La portance qui supporte les skis nautiques (et le skieur) est la force causée par la pression d'impact et la déviation de l'eau des surfaces inférieures des skis.  

Dans la plupart des conditions de vol, la pression d'impact et la déviation de l'air de la surface inférieure de la pale du rotor fournissent un pourcentage relativement faible de la portance totale. La majorité de la portance est le résultat d'une diminution de la pression au-dessus de la lame, plutôt que de l'augmentation de la pression en dessous. 

Lester

Normalement, le poids est considéré comme une valeur fixe connue, comme le poids de l'hélicoptère, du carburant et des occupants. Pour soulever l'hélicoptère du sol verticalement, le disque du rotor doit générer une portance suffisante pour surmonter ou compenser le poids total de l'hélicoptère et de ses occupants. La première loi de Newton stipule : "Tout objet dans un état de mouvement uniforme a tendance à rester dans cet état de mouvement à moins qu'une force externe ne lui soit appliquée." Dans ce cas, l'objet est l'hélicoptère, qu'il soit en vol stationnaire ou au sol, et la force externe qui lui est appliquée est la portance, qui est obtenue en augmentant l'angle de pas des pales du rotor principal. Cette action force l'hélicoptère à se mettre en mouvement, sans quoi l'hélicoptère resterait au sol ou en vol stationnaire.

Le poids de l'hélicoptère peut également être influencé par les charges aérodynamiques. Lorsque vous inclinez un hélicoptère tout en maintenant une altitude constante, la charge « G » ou le facteur de charge augmente. Le facteur de charge est la charge réelle sur les pales du rotor à tout moment, divisée par la charge normale ou le poids brut (poids de l'hélicoptère et de son contenu). Chaque fois qu'un hélicoptère vole dans une trajectoire de vol courbe à altitude constante, la charge supportée par les pales du rotor est supérieure au poids total de l'hélicoptère. Plus la trajectoire de vol courbe est serrée, plus la pente est raide; plus l'arrondi ou le retrait d'un piqué est rapide, plus la charge supportée par le rotor est importante. Par conséquent, plus le facteur de charge doit être élevé.

Pour surmonter ce facteur de charge supplémentaire, l'hélicoptère doit être capable de produire plus de portance. Si la puissance excédentaire du moteur n'est pas disponible, l'hélicoptère descend ou doit décélérer pour maintenir la même altitude. Le facteur de charge et, par conséquent, l'augmentation de poids brut apparent est relativement faible dans les berges jusqu'à 30°. Même ainsi, dans le bon ensemble de circonstances défavorables, telles qu'une altitude à haute densité, un air turbulent, une masse brute élevée et une mauvaise technique de pilotage, une puissance suffisante ou excessive peut ne pas être disponible pour maintenir l'altitude et la vitesse. Les pilotes doivent tenir compte de tous ces facteurs tout au long du vol, du point de montée au vol stationnaire jusqu'à l'atterrissage. Au-dessus de 30° d'inclinaison, l'augmentation apparente de la masse brute s'envole. A 30° d'inclinaison, ou de tangage, l'augmentation apparente n'est que de 16 %, mais à 60°, c'est le double de la charge sur les ailes et le disque du rotor. Par exemple, si le poids de l'hélicoptère est de 1 600 livres, le poids supporté par le disque du rotor dans une inclinaison de 30° à une altitude constante serait de 1 856 livres (1 600 + 16 % (ou 256)). Dans une banque à 60°, ce serait 3 200 livres ; dans une inclinaison de 80°, ce serait presque six fois plus, soit 8 000 livres. Il est important de noter que chaque pale de rotor doit supporter un pourcentage du poids brut. Dans un système à deux pales, chaque pale de l'hélicoptère de 1 600 livres, comme indiqué ci-dessus, devrait soulever 50 % ou 800 livres. Si ce même hélicoptère avait trois pales de rotor, chaque pale n'aurait à soulever que 33 %, soit 533 livres. Une autre cause de facteurs de charge importants est l'air agité ou turbulent. Les fortes rafales verticales produites par la turbulence peuvent provoquer une augmentation soudaine de l'angle d'attaque,

Chaque type d'hélicoptère a ses propres limites qui sont basées sur la structure, la taille et les capacités de l'avion. Quel que soit le poids que l'on peut transporter ou la puissance du moteur qu'il peut avoir, ils sont tous sensibles à la surcharge aérodynamique. Malheureusement, si le pilote tente de repousser les limites des performances, la conséquence peut être fatale. Les forces aérodynamiques affectent chaque mouvement d'un hélicoptère, qu'il s'agisse d'augmenter le collectif ou d'un angle d'inclinaison prononcé. Anticiper les résultats d'une manœuvre particulière ou du réglage d'une commande de vol n'est pas une bonne technique de pilotage. Au lieu de cela, les pilotes doivent vraiment comprendre les capacités de l'hélicoptère en toutes circonstances et prévoir de ne jamais dépasser le domaine de vol dans toutes les situations.

Poussée

La poussée, comme la portance, est générée par la rotation du disque du rotor principal. Dans un hélicoptère, la poussée peut être vers l'avant, vers l'arrière, latéralement ou verticalement. La portance et la poussée résultantes déterminent la direction du mouvement de l'hélicoptère. 

Le rapport de solidité est le rapport de la surface totale des pales du rotor, qui est la surface combinée de toutes les pales du rotor principal, à la surface totale du disque du rotor. Ce rapport fournit un moyen de mesurer le potentiel d'un disque de rotor à fournir une poussée et une portance. Les calculs mathématiques nécessaires pour calculer le rapport de solidité de chaque hélicoptère peuvent ne pas être importants pour la plupart des pilotes, mais ce qui devrait l'être, ce sont les capacités du disque rotor à produire et à maintenir la portance. De nombreux accidents d'hélicoptère sont dus à une surcharge du disque rotor. En termes simples, les pilotes tentent des manœuvres qui nécessitent plus de portance que le disque du rotor ne peut produire ou plus de puissance que le groupe motopropulseur de l'hélicoptère ne peut fournir. Essayer d'atterrir avec une assiette en cabré ainsi que toute autre condition défavorable (c'est-à-dire, un poids brut élevé ou des rafales de vent) est le plus susceptible de se terminer par un désastre.

Le rotor de queue produit également de la poussée. La quantité de poussée est variable grâce à l'utilisation des pédales anticouple et est utilisée pour contrôler le lacet de l'hélicoptère.

Glisser

La force qui résiste au mouvement d'un hélicoptère dans les airs et qui est produite lorsque la portance est développée est appelée traînée. La traînée doit être surmontée par le moteur pour faire tourner le rotor. La traînée agit toujours parallèlement au vent relatif. La traînée totale est composée de trois types de traînée : de profil, induite et parasite.

Faire glisser le profil

La traînée de profil se développe à partir de la résistance de frottement des pales traversant l'air. Il ne change pas de manière significative avec l'angle d'attaque du profil aérodynamique mais augmente modérément lorsque la vitesse augmente. La traînée de profil est composée de la traînée de forme et du frottement de peau. La traînée de forme résulte du sillage turbulent causé par la séparation du flux d'air de la surface d'une structure. La quantité de traînée est liée à la fois à la taille et à la forme de la structure qui dépasse dans le vent relatif.

Le frottement cutané est causé par la rugosité de la surface. Même si la surface semble lisse, elle peut être assez rugueuse lorsqu'elle est vue au microscope. Une fine couche d'air s'accroche à la surface rugueuse et crée de petits tourbillons qui contribuent à la traînée.

Traînée induite

La traînée induite est générée par la circulation du flux d'air autour de la pale du rotor lors de la création de la portance. La zone de haute pression sous la pale rejoint la zone de basse pression au-dessus de la pale au bord de fuite et aux extrémités du rotor. Cela provoque une spirale, ou vortex, qui traîne derrière chaque pale chaque fois qu'une portance est produite. Ces tourbillons dévient le flux d'air vers le bas à proximité de la pale, créant une augmentation du balayage vers le bas. La pale fonctionne donc dans un vent relatif moyen incliné vers le bas et vers l'arrière à proximité de la pale. Parce que la portance produite par la pale est perpendiculaire au vent relatif, la portance est inclinée vers l'arrière de la même quantité. La composante de portance qui agit vers l'arrière est la traînée induite.

À mesure que le différentiel de pression atmosphérique augmente avec une augmentation de l'angle d'attaque, des tourbillons plus forts se forment et la traînée induite augmente. Étant donné que l'AOA de la pale est généralement plus faible à des vitesses plus élevées et plus élevée à basse vitesse, la traînée induite diminue à mesure que la vitesse augmente et augmente à mesure que la vitesse diminue. La traînée induite est la principale cause de traînée à des vitesses inférieures.

Traînée parasitaire

La traînée parasite est présente chaque fois que l'hélicoptère se déplace dans les airs. Ce type de traînée augmente avec la vitesse. Les composants non porteurs de l'hélicoptère, tels que la cabine, le mât rotor, la queue et le train d'atterrissage, contribuent à la traînée parasite. Toute perte d'élan du flux d'air, due à des éléments tels que des ouvertures pour le refroidissement du moteur, crée une traînée parasite supplémentaire. En raison de son augmentation rapide avec l'augmentation de la vitesse, la traînée parasite est la principale cause de traînée à des vitesses plus élevées. La traînée parasite varie avec le carré de la vitesse ; par conséquent, doubler la vitesse augmente la traînée parasite quatre fois.

Traînée totale

La traînée totale d'un hélicoptère est la somme des trois forces de traînée. À mesure que la vitesse augmente, la traînée parasite augmente, tandis que la traînée induite diminue. La traînée de profil reste relativement constante sur toute la plage de vitesse avec une certaine augmentation à des vitesses plus élevées. La combinaison de toutes les forces de traînée donne une courbe de traînée totale. Le point bas de la courbe de traînée totale indique la vitesse à laquelle la traînée est minimisée. C'est le point où le rapport portance / traînée est le plus élevé et est appelé L / DMAX. A cette vitesse, la capacité de portance totale de l'hélicoptère, comparée à la traînée totale de l'hélicoptère, est la plus favorable. C'est un facteur important dans les performances de l'hélicoptère.