Hélicoptère : Performances

La capacité d'un pilote à prédire les performances d'un hélicoptère est extrêmement importante. Il aide à déterminer le poids que l'hélicoptère peut transporter avant le décollage, si l'hélicoptère peut planer en toute sécurité à une altitude et à une température spécifiques, la distance nécessaire pour grimper au-dessus des obstacles et quel sera le taux de montée maximal.

Facteurs affectant les performances

Les performances d'un hélicoptère dépendent de la puissance du moteur et de la portance produite par les rotors, qu'il s'agisse du ou des rotors principaux ou du rotor de queue. Tout facteur qui affecte l'efficacité du moteur et du rotor affecte les performances. Les trois principaux facteurs qui affectent les performances sont l'altitude-densité, le poids et le vent.

Humidité (Humidité)

L'humidité seule n'est généralement pas considérée comme un facteur important dans le calcul de l'altitude-densité et des performances de l'hélicoptère; cependant, cela y contribue. Il n'y a pas de règles empiriques utilisées pour calculer les effets de l'humidité sur l'altitude-densité, mais certains fabricants incluent des graphiques avec des colonnes d'humidité relative de 80 % comme informations supplémentaires. Il semble y avoir une réduction d'environ 3 à 4 % des performances par rapport à l'air sec à la même altitude et à la même température, alors attendez-vous à une diminution des performances de vol stationnaire et de décollage dans des conditions d'humidité élevée. Bien que 3 à 4% semblent insignifiants, cela peut être la cause d'un accident lorsqu'il opère déjà aux limites de l'hélicoptère.

Lester

Le poids est l'un des facteurs les plus importants car le pilote peut le contrôler. La plupart des graphiques de performances incluent le poids comme l'une des variables. En réduisant le poids de l'hélicoptère, un pilote peut être en mesure de décoller ou d'atterrir en toute sécurité à un endroit qui autrement serait impossible. Cependant, en cas de doute sur la sécurité d'un décollage ou d'un atterrissage, retardez votre décollage jusqu'à ce que des conditions d'altitude-densité plus favorables existent. Si vous êtes en vol, essayez d'atterrir à un endroit où les conditions sont plus favorables ou à un endroit où un atterrissage peut être effectué sans nécessiter de vol stationnaire.

De plus, à des masses brutes plus élevées, la puissance accrue requise pour le vol stationnaire produit plus de couple, ce qui signifie qu'une poussée anticouple plus importante est nécessaire. Dans certains hélicoptères lors d'opérations à haute altitude, l'anticouple maximal produit par le rotor de queue pendant un vol stationnaire peut ne pas être suffisant pour surmonter le couple même si la masse brute est dans les limites.

Les vents

La direction et la vitesse du vent affectent également les performances de vol stationnaire, de décollage et de montée. La portance en translation se produit chaque fois qu'il y a un flux d'air relatif sur le disque du rotor. Cela se produit que le flux d'air relatif soit causé par le mouvement de l'hélicoptère ou par le vent. En supposant un vent de face, à mesure que la vitesse du vent augmente, la portance translationnelle augmente, ce qui réduit la puissance requise pour le vol stationnaire.

La direction du vent est également un facteur important. Les vents contraires sont les plus souhaitables car ils contribuent à la plus grande augmentation des performances. Des vents de travers et des vents arrière forts peuvent nécessiter l'utilisation d'une plus grande poussée du rotor de queue pour maintenir le contrôle directionnel. Cette poussée accrue du rotor de queue absorbe la puissance du moteur, ce qui signifie qu'il y a moins de puissance disponible pour le rotor principal pour la production de portance. Certains hélicoptères ont même un azimut du vent critique ou une carte du vent relatif maximum de sécurité. L'utilisation de l'hélicoptère au-delà de ces limites pourrait entraîner une perte d'efficacité du rotor de queue.

Les performances de décollage et de montée sont fortement affectées par le vent. Lors du décollage par vent de face, une portance en translation efficace est obtenue plus tôt, ce qui se traduit par plus de portance et un angle de montée plus raide. Lors d'un décollage avec un vent arrière, une plus grande distance est nécessaire pour accélérer grâce à la portance de translation.

Graphiques de performances

Lors de l'élaboration des tableaux de performances, les constructeurs d'aéronefs font certaines hypothèses sur l'état de l'hélicoptère et la capacité du pilote. On suppose que l'hélicoptère est en bon état de fonctionnement, vent calme et que le moteur développe sa puissance nominale. On présume que le pilote suit les procédures d'exploitation normales et qu'il a des capacités de vol moyennes. Moyen désigne un pilote capable d'effectuer correctement chacune des tâches requises et aux moments appropriés.

À l'aide de ces hypothèses, le constructeur développe des données de performances pour l'hélicoptère sur la base d'essais en vol réels. Cependant, ils ne testent pas l'hélicoptère dans toutes les conditions indiquées sur un tableau de performances. Au lieu de cela, ils évaluent des données spécifiques et dérivent mathématiquement les données restantes. 

Diagramme hauteur/vitesse

Le diagramme hauteur/vitesse (H/V) montre les combinaisons de vitesse et de hauteur au-dessus du sol, ce qui permettra à un pilote moyen de réussir un atterrissage après une panne moteur. En étudiant attentivement le diagramme hauteur/vitesse, un pilote est capable d'éviter les combinaisons d'altitude et de vitesse qui peuvent ne pas laisser suffisamment de temps ou d'altitude pour entrer dans une descente en autorotation stabilisée.

Dans l'explication la plus simple, le diagramme H/V est un diagramme dans lequel les zones ombrées doivent être évitées, car le pilote peut être incapable de terminer un atterrissage en autorotation sans dommage. Le diagramme H/V contient généralement un profil de décollage, où le diagramme peut être parcouru d'une hauteur et d'une vitesse nulles à la croisière, sans entrer dans les zones ombrées ou avec une exposition minimale aux zones ombrées. 

La partie grise sur le côté gauche du diagramme marque un profil de vol qui ne permet probablement pas au pilote de réussir une autorotation, principalement en raison d'une vitesse insuffisante pour entrer dans un profil d'autorotation à temps pour éviter un crash. La zone ombrée en bas à droite est dangereuse en raison de la vitesse et de la proximité du sol, ce qui réduit considérablement le temps de réaction du pilote en cas de panne mécanique ou d'autres urgences en vol. Cette zone ombrée en bas à droite n'est pas représentée dans les diagrammes H/V pour les hélicoptères multimoteurs capables de planer et de voler en toute sécurité avec une seule panne de moteur.

Les exemples suivants illustrent davantage la pertinence du diagramme H/V pour un hélicoptère monomoteur.

À basse altitude avec une faible vitesse, comme un taxi en vol stationnaire, le pilote peut simplement utiliser l'énergie cinétique du disque du rotor pour amortir l'atterrissage avec le collectif, convertissant l'inertie de rotation en portance. L'avion se trouve dans une partie sûre du diagramme H/V. À l'extrémité de l'échelle (par exemple, un taxi stationnaire de trois pieds au pas), même un échec complet à reconnaître la perte de puissance résultant en un atterrissage non amorti serait probablement survivable.

Au fur et à mesure que la vitesse augmente sans augmentation de la hauteur, il arrive un moment où le temps de réaction du pilote serait insuffisant pour réagir avec un arrondi à temps pour empêcher un impact au sol à grande vitesse, et donc probablement mortel. Une autre chose à considérer est la longueur de la poutre de queue et le temps de réponse des commandes de vol de l'hélicoptère à basse vitesse et à basse altitude. Même de petites augmentations de hauteur donnent au pilote beaucoup plus de temps pour réagir; par conséquent, la partie inférieure droite du diagramme H/V est généralement un gradient peu profond. Si la vitesse est supérieure à la vitesse d'autorotation idéale, l'instinct du pilote est généralement d'arrondir pour convertir la vitesse en hauteur et augmenter le régime du rotor par conicité, ce qui les fait également sortir immédiatement de la courbe de l'homme mort.

À l'inverse, une augmentation de la hauteur sans augmentation correspondante de la vitesse place l'avion au-dessus d'une hauteur d'impact non amortie survivable, et éventuellement au-dessus d'une hauteur où l'inertie du rotor peut être convertie en une portance suffisante pour permettre un atterrissage survivable. Cela se produit brusquement avec des vitesses bien inférieures à la vitesse d'autorotation idéale (généralement 40 à 80 nœuds). Le pilote doit avoir suffisamment de temps pour accélérer jusqu'à la vitesse d'autorotation afin de réussir l'autorotation ; cela est directement lié à une exigence de hauteur. Au-dessus d'une certaine hauteur, le pilote peut atteindre une vitesse d'autorotation même à partir d'un départ à zéro nœud, plaçant ainsi des vol stationnaires OGE élevés en dehors de la courbe.

Le profil typique de décollage en toute sécurité implique l'initiation du vol vers l'avant à partir d'une hauteur de train d'atterrissage de 2 à 3 pieds, ne gagnant de l'altitude que lorsque l'hélicoptère accélère par portance en translation, à mesure que la vitesse s'approche d'une vitesse d'autorotation sûre. À ce stade, une partie de la poussée accrue disponible peut être utilisée pour atteindre une vitesse de montée sûre, ce qui maintiendra l'hélicoptère hors des zones ombrées ou hachurées du diagramme H/V. Bien que les hélicoptères ne soient pas limités à effectuer des manœuvres qui les placeront dans la zone ombrée du diagramme H/V, il est important que les pilotes comprennent que le fonctionnement dans ces zones ombrées expose le pilote, l'aéronef et les passagers à un certain danger si le moteur ou dysfonctionnement de la transmission. Le pilote doit toujours évaluer le risque de la manœuvre par rapport à la valeur opérationnelle. 

L'effet du poids par rapport à l'altitude de la densité

Le diagramme hauteur/vitesse décrit les situations d'altitude et de vitesse à partir desquelles une autorotation réussie peut être effectuée. Le temps requis, et donc l'altitude nécessaire pour atteindre une descente en autorotation en régime permanent, dépend de la masse de l'hélicoptère et de l'altitude-densité. Pour cette raison, le diagramme H/V n'est valide que lorsque l'hélicoptère est exploité conformément au tableau de la masse brute en fonction de l'altitude-densité. S'il est publié, ce tableau se trouve dans le RFM de l'hélicoptère en question. Le tableau de la masse brute par rapport à l'altitude-densité n'est pas destiné à fournir une restriction à la masse brute, mais à être un avis sur la capacité d'autorotation de l'hélicoptère pendant le décollage et la montée. Cependant, un pilote doit se rendre compte qu'à des masses brutes supérieures à celles recommandées par le tableau des masses brutes en fonction de l'altitude-densité,

En supposant une altitude-densité de 8 500 pieds, le diagramme hauteur/vitesse de la figure serait valide jusqu'à un poids brut d'environ 2 500 livres. Ceci est trouvé en entrant dans le graphique de la figure à une altitude-densité de 8 500 pieds (point A), puis en se déplaçant horizontalement jusqu'à la ligne continue (point B). En se déplaçant verticalement vers le bas du graphique (point C), avec l'altitude-densité existante, la masse brute maximale sous laquelle le diagramme hauteur/vitesse est applicable est de 2 500 livres.

La production de graphiques et de diagrammes de performances pour les hélicoptères est réglementaire, comme indiqué dans le titre 14 du Code of Federal Regulations (14 CFR) Part 27, Airworthiness Standards. Ces tableaux établissent des paramètres de fonctionnement plus sûrs. Bien que cela ne soit pas réglementaire, le pilote doit effectuer une évaluation complète des risques afin d'examiner attentivement le risque le plus élevé avant d'opérer dans les zones ombrées du diagramme hauteur/vitesse.

Performances d'autorotation

La plupart des tableaux de performances en autorotation indiquent que les performances de descente en autorotation sont fonction de la vitesse indiquée (IAS) et ne sont essentiellement pas affectées par l'altitude-densité et la masse brute. Gardez à l'esprit qu'à un moment donné, l'énergie potentielle dépensée pendant l'autorotation est convertie en énergie cinétique pour la phase d'arrondi et de toucher des roues de la manœuvre. C'est à ce point que les altitudes-densité accrues et les masses brutes plus lourdes ont un grand impact sur la réussite de l'autorotation. Le disque du rotor doit pouvoir surmonter l'élan descendant de l'hélicoptère et fournir suffisamment de portance pour amortir l'atterrissage. Avec des altitudes-densité et des masses brutes accrues, le potentiel de portance est réduit et un angle de tangage collectif (angle d'incidence) plus élevé est nécessaire.

Pendant l'autorotation, la gravité fournit la source d'énergie alimentant le rotor en provoquant un flux ascendant à travers le rotor pendant la descente. Cela revient à dire que l'énergie potentielle est échangée contre de l'énergie cinétique pour faire tourner le rotor lorsque l'avion descend.

Dans la figure, la courbe S-300 montre les différentes combinaisons de vitesses horizontales et verticales qui fournissent l'énergie requise pour maintenir le rotor en rotation à une vitesse constante de 471 tr/min. Par exemple, une vitesse de 54 mph avec une vitesse verticale correspondante de 1 600 pieds par minute (fpm) fournira suffisamment d'énergie cinétique pour maintenir le rotor à 471 tr/min. Le rotor ne se soucie pas de savoir si l'air vient de l'avant ou du bas tant que le total est suffisant pour maintenir le régime. Tout point sur la courbe maintiendra la vitesse du rotor. Cependant, le pilote s'en soucie car s'il glisse par exemple à 30 nœuds, le taux de descente correspondant sera supérieur à 2 200 pi/min. Puisqu'il y a peu de vitesse pour une décélération (ou "arrondi") pour réduire le taux de descente avant le toucher des roues,

Les élèves qui comprennent parfaitement cette relation comprennent pourquoi les autorotations d'entraînement sont généralement limitées à des vitesses comprises entre la vitesse minimale de descente et la vitesse maximale de distance (généralement environ 25 % plus rapide que la vitesse minimale de descente).

Se référer à une courbe similaire à celle illustrée sur la figure est utile pour comprendre les conséquences du non maintien de la vitesse anémométrique cible lors de l'exécution d'une autorotation. En termes simples, le pilote doit savoir pourquoi la vitesse est le facteur le plus important affectant le taux de descente.

Performances en vol stationnaire

Les performances de l'hélicoptère dépendent de la capacité ou non de l'hélicoptère à survoler. Plus de puissance est nécessaire pendant le vol stationnaire que dans tout autre régime de vol. Obstacles mis à part, si un vol stationnaire peut être maintenu, un décollage peut être effectué, en particulier avec l'avantage supplémentaire de la portance en translation. Des cartes de vol stationnaire sont fournies pour le vol stationnaire en effet de sol (IGE) et hors effet de sol (OGE) dans diverses conditions de masse brute, d'altitude, de température et de puissance. Le plafond flottant IGE est généralement plus élevé que le plafond flottant OGE en raison de l'avantage de portance supplémentaire produit par l'effet de sol. Un pilote doit toujours planifier un vol stationnaire OGE lorsqu'il atterrit dans une zone incertaine ou non vérifiée. À mesure que l'altitude-densité augmente, il faut plus de puissance pour effectuer un vol stationnaire. À un moment donné, la puissance requise est égale à la puissance disponible. Cela établit le plafond flottant dans les conditions existantes. Tout ajustement du poids brut en faisant varier le carburant, la charge utile ou les deux affecte le plafond de vol stationnaire. Plus le poids brut est lourd, plus le plafond flottant est bas. À mesure que le poids brut diminue, le plafond de vol stationnaire augmente.

Performances de montée

La plupart des facteurs affectant les performances de vol stationnaire et de décollage affectent également les performances de montée. De plus, l'air turbulent, les techniques de pilotage et l'état général de l'hélicoptère peuvent faire varier les performances de montée.

Un hélicoptère piloté à la meilleure vitesse de montée (VY) obtient le plus grand gain d'altitude sur une période de temps donnée. Cette vitesse est normalement utilisée pendant la montée après que tous les obstacles ont été franchis et est généralement maintenue jusqu'à atteindre l'altitude de croisière. Le taux de montée ne doit pas être confondu avec l'angle de montée. L'angle de montée est fonction de l'altitude gagnée sur une distance donnée. Le VY donne le taux de montée le plus élevé, mais pas l'angle de montée le plus raide, et peut ne pas être suffisant pour franchir les obstacles. Le meilleur angle de vitesse de montée (VX) dépend de la puissance disponible. S'il y a un surplus de puissance disponible, l'hélicoptère peut monter verticalement, donc VX est nul.

La direction et la vitesse du vent ont un effet sur les performances de montée, mais elles sont souvent mal comprises. La vitesse anémométrique est la vitesse à laquelle l'hélicoptère se déplace dans l'atmosphère et n'est pas affecté par le vent. Le vent atmosphérique n'affecte que la vitesse sol ou la vitesse à laquelle l'hélicoptère se déplace au-dessus de la surface de la Terre. Ainsi, la seule performance de montée affectée par le vent atmosphérique est l'angle de montée et non le taux de montée.

Lors de la planification des performances de montée, il est d'abord important de planifier les réglages de couple au vol en palier. Les tableaux de performances de montée montrent le changement de couple, au-dessus ou au-dessous du couple, requis pour le vol en palier sous la même masse brute et les mêmes conditions atmosphériques pour obtenir un taux de montée ou de descente donné.