Hélicoptère : flux d'air et réactions dans le disque rotor

Vent relatif

La connaissance du vent relatif est essentielle pour comprendre l'aérodynamique et son application pratique en vol pour le pilote. Le vent relatif est le flux d'air par rapport à un profil aérodynamique. Le mouvement d'un profil aérodynamique dans l'air crée un vent relatif. Le vent relatif se déplace dans une direction parallèle mais opposée au mouvement du profil aérodynamique.

Il y a deux parties pour enrouler le passage d'une pale de rotor :

• Partie horizontale - causée par la rotation des pales plus le mouvement de l'hélicoptère dans les airs.

• Partie verticale - causée par l'air forcé vers le bas à travers les pales du rotor plus tout mouvement de l'air par rapport aux pales causé par la montée ou la descente de l'hélicoptère.

Vent relatif de rotation (plan de trajectoire de pointe)

La rotation des pales du rotor lorsqu'elles tournent autour du mât produit un vent relatif de rotation (plan de trajectoire de pointe). Le terme de rotation fait référence à la méthode de production de vent relatif. Le vent relatif en rotation s'écoule à l'opposé de la trajectoire de vol physique du profil aérodynamique, frappant la pale à 90 ° par rapport au bord d'attaque et parallèlement au plan de rotation ; et il change constamment de direction pendant la rotation. La vitesse relative de rotation du vent est la plus élevée aux extrémités des pales, diminuant uniformément jusqu'à zéro au niveau de l'axe de rotation (centre du mât).

Vent relatif résultant

Le vent relatif résultant en vol stationnaire est un vent relatif de rotation modifié par le flux induit. Ceci est incliné vers le bas à un certain angle et à l'opposé de la trajectoire de vol effective du profil aérodynamique, plutôt que de la trajectoire de vol physique (vent relatif de rotation). Le vent relatif résultant sert également de plan de référence pour le développement des vecteurs de portance, de traînée et de force aérodynamique totale (TAF) sur le profil aérodynamique. Lorsque l'hélicoptère a un mouvement horizontal, la vitesse modifie davantage le vent relatif résultant. La composante anémométrique du vent relatif résulte du déplacement de l'hélicoptère dans les airs. Cette composante anémométrique est ajoutée ou soustraite au vent relatif de rotation selon que la pale avance ou recule par rapport au mouvement de l'hélicoptère. L'introduction du vent relatif à la vitesse modifie également l'écoulement induit. En général, la vitesse descendante de l'écoulement induit est réduite. Le schéma de circulation de l'air à travers le disque change lorsque l'avion a un mouvement horizontal. Au fur et à mesure que l'hélicoptère prend de la vitesse, l'ajout de la vitesse vers l'avant entraîne une diminution de la vitesse de l'écoulement induit. Ce changement se traduit par une efficacité améliorée (portance supplémentaire) produite à partir d'un réglage de pas de pale donné.

Flux induit (lavage vers le bas) 

À pas plat, l'air quitte le bord de fuite de la pale du rotor dans la même direction qu'il s'est déplacé sur le bord d'attaque; aucune portance ou écoulement induit n'est produit. Lorsque l'angle de pas des pales augmente, le disque du rotor induit un flux d'air descendant à travers les pales du rotor créant une composante d'air descendante qui s'ajoute au vent relatif de rotation. Parce que les pales se déplacent horizontalement, une partie de l'air est déplacée vers le bas. Les pales parcourent le même chemin et passent rapidement en un point donné. L'action des pales du rotor transforme l'air immobile en une colonne d'air descendant. Par conséquent, chaque pale a une AOA réduite en raison du downwash. Ce flux d'air descendant est appelé flux induit (downwash). Il est plus prononcé en vol stationnaire dans des conditions sans vent.

En effet de sol (IGE)

L'effet de sol est l'efficacité accrue du disque rotor causée par l'interférence du flux d'air à proximité du sol. La pression ou la densité de l'air est augmentée, ce qui agit pour diminuer la vitesse descendante de l'air. L'effet de sol permet au vent relatif d'être plus horizontal, au vecteur de portance d'être plus vertical et à la traînée induite d'être réduite. Ces conditions permettent au disque rotor d'être plus efficace. L'effet de sol maximal est obtenu en survolant des surfaces dures et lisses. Lorsque vous survolez des surfaces telles que des herbes hautes, des arbres, des buissons, un terrain accidenté et de l'eau, l'effet de sol maximal est réduit. L'efficacité du rotor est augmentée par effet de sol jusqu'à une hauteur d'environ un diamètre de rotor (mesuré du sol au disque du rotor) pour la plupart des hélicoptères. Puisque les vitesses d'écoulement induites sont diminuées, l'AOA est augmentée, ce qui nécessite un angle de pas de pale réduit et une réduction de la traînée induite. Cela réduit la puissance nécessaire pour survoler l'IGE.

Hors effet de sol (OGE)

L'avantage de placer l'hélicoptère près du sol est perdu au-dessus de l'altitude IGE. Au-dessus de cette altitude, la puissance nécessaire pour planer reste presque constante, dans des conditions similaires (comme le vent). La vitesse d'écoulement induite est augmentée, ce qui entraîne une diminution de l'AOA et une diminution de la portance. Dans les bonnes circonstances, ce flux descendant peut devenir si localisé que l'hélicoptère et l'air localement perturbé couleront à des taux alarmants. Un angle d'inclinaison des pales plus élevé est nécessaire pour maintenir le même AOA qu'en vol stationnaire IGE. L'angle d'inclinaison accru crée également plus de traînée. Cet angle de tangage et cette traînée accrus nécessitent plus de puissance pour survoler l'OGE que l'IGE.

Angles des pales du rotor

Deux angles permettent à un disque de rotor de produire la portance nécessaire au vol d'un hélicoptère : l'angle d'incidence et l'angle d'attaque. 

Angle d'incidence

L'angle d'incidence est l'angle entre la ligne de corde d'une pale de rotor principal ou de queue et son disque de rotor. Il s'agit d'un angle mécanique plutôt que d'un angle aérodynamique et est parfois appelé angle d'inclinaison des pales. En l'absence de flux induit, l'AOA et l'angle d'incidence sont les mêmes. Chaque fois que le flux induit, le flux ascendant (afflux) ou la vitesse modifie le vent relatif, l'angle d'attaque est différent de l'angle d'incidence. L'entrée collective et la mise en drapeau cyclique modifient l'angle d'incidence. Une modification de l'angle d'incidence modifie l'angle d'incidence, ce qui modifie le coefficient de portance, modifiant ainsi la portance produite par le profil aérodynamique.

Angle d'attaque

AOA est l'angle entre la ligne de corde du profil aérodynamique et le vent relatif résultant. C'est un angle aérodynamique et pas facile à mesurer. Il peut changer sans changement de l'angle d'inclinaison des pales (angle d'incidence, discuté plus haut).

Lorsque l'AOA est augmenté, l'air circulant sur le profil aérodynamique est dévié sur une plus grande distance, ce qui entraîne une augmentation de la vitesse de l'air et plus de portance. Au fur et à mesure que l'angle d'attaque augmente, il devient plus difficile pour l'air de circuler en douceur sur le dessus du profil aérodynamique. À ce stade, le flux d'air commence à se séparer du profil aérodynamique et entre dans un schéma de bourdonnement ou de turbulence. La turbulence entraîne une forte augmentation de la traînée et une perte de portance dans la zone où elle se produit. L'augmentation de l'AOA augmente la portance jusqu'à ce que l'angle d'attaque critique soit atteint. Toute augmentation de l'angle d'attaque au-delà de ce point produit un décrochage et une diminution rapide de la portance.

Plusieurs facteurs peuvent modifier l'AOA des pales du rotor. Le pilote a peu de contrôle direct sur l'angle d'attaque, sauf indirectement via l'entrée des commandes de vol. La mise en drapeau collective et cyclique aide à effectuer ces changements. La mise en drapeau est la rotation de la pale autour de son axe longitudinal par des entrées collectives/cycliques provoquant des changements dans l'angle de pas de la pale. La mise en drapeau collective modifie l'angle d'incidence de manière égale et dans la même direction sur toutes les pales du rotor simultanément. Cette action modifie l'angle d'attaque, ce qui modifie le coefficient de portance (CL) et affecte la portance globale du disque rotor.

La mise en drapeau cyclique modifie l'angle d'attaque de la pale de manière différentielle autour du disque du rotor et crée une portance différentielle. Les aviateurs utilisent la mise en drapeau cyclique pour contrôler l'attitude du disque du rotor. C'est le moyen de contrôler l'inclinaison vers l'arrière du rotor (blowback) causée par l'action de battement et (avec le battement des pales) de contrer la dissymétrie de portance. La mise en drapeau cyclique fait changer l'attitude du disque du rotor mais ne change pas la quantité de portance nette que le disque du rotor produit.

La plupart des changements d'angle d'attaque proviennent de changements de vitesse et de taux de montée ou de descente; d'autres, comme le battement, se produisent automatiquement en raison de la conception du système de rotor. Le battement est le mouvement de haut en bas des pales du rotor autour d'une charnière sur un système de rotor entièrement articulé. Un système semi-rigide n'a pas de charnière mais un volet en tant qu'unité. Un système de rotor rigide n'a pas de charnières verticales ou horizontales, de sorte que les pales ne peuvent pas battre ou traîner, mais elles peuvent fléchir. En fléchissant, les lames elles-mêmes compensent les efforts qui nécessitaient auparavant des charnières robustes. Il se produit en réponse à des changements de portance dus à un changement de vitesse ou à une mise en drapeau cyclique. Aucun battement ne se produit lorsque le plan de la trajectoire de pointe est perpendiculaire au mât. L'action de battement seule, ou associée à une mise en drapeau cyclique, contrôle la dissymétrie de la portance.  

Les pilotes ajustent l'angle d'attaque par une manipulation normale de l'angle d'inclinaison des pales. Si l'angle de tangage est augmenté, l'AOA augmente ; si l'angle de tangage est réduit, l'angle d'incidence est réduit.