Vol stationnaire
Le vol stationnaire est la partie la plus difficile du pilotage d'un hélicoptère. En effet, un hélicoptère génère son propre air en rafales en vol stationnaire, qui agit contre le fuselage et les gouvernes de vol. Le résultat final est des commandes constantes et des corrections par le pilote pour maintenir l'hélicoptère là où il doit être. Malgré la complexité de la tâche, les commandes en vol stationnaire sont simples. Le cyclique est utilisé pour éliminer la dérive dans le plan horizontal, en contrôlant le mouvement ou le déplacement vers l'avant, l'arrière, la droite et la gauche. La manette des gaz, si elle n'est pas contrôlée par le gouverneur, est utilisée pour contrôler les révolutions par minute (rpm). Le collectif sert à maintenir l'altitude. Les pédales sont utilisées pour contrôler la direction ou le cap du nez. C'est l'interaction de ces commandes qui rend le vol stationnaire difficile, puisqu'un ajustement dans n'importe quelle commande nécessite un ajustement des deux autres, créant un cycle de correction constante. Pendant le vol stationnaire, un hélicoptère maintient une position constante au-dessus d'un point sélectionné, généralement à quelques pieds au-dessus du sol. La capacité de vol stationnaire de l'hélicoptère provient à la fois de la composante de portance, qui est la force développée par le(s) rotor(s) principal(s) pour surmonter la gravité et le poids de l'avion, et de la composante de poussée, qui agit horizontalement pour accélérer ou décélérer l'hélicoptère dans le direction souhaitée. Les pilotes dirigent la poussée du disque rotor en utilisant le cyclique pour faire tourner le plan du disque rotor par rapport à l'horizon. Ils le font pour induire un déplacement ou compenser le vent et maintenir une position. Lors d'un vol stationnaire sans vent, toutes les forces opposées (portance, poussée, traînée et poids) sont en équilibre; ils sont égaux et opposés. Par conséquent, la portance et le poids sont égaux, ce qui fait que l'hélicoptère reste en vol stationnaire.
En vol stationnaire, la quantité de poussée du rotor principal peut être ajustée pour maintenir la hauteur de vol stationnaire souhaitée. Cela se fait en modifiant l'angle d'incidence (en déplaçant le collectif) des pales du rotor, et donc leur AOA. La modification de l'AOA modifie la traînée sur les pales du rotor, et la puissance délivrée par le moteur doit également changer pour maintenir la vitesse du rotor constante.
Le poids qui doit être supporté est le poids total de l'hélicoptère et de ses occupants. Si la quantité de portance est supérieure à la masse réelle, l'hélicoptère accélère vers le haut jusqu'à ce que la force de portance soit égale à la masse de l'hélicoptère ; si la portance est inférieure à la masse, l'hélicoptère accélère vers le bas.
La traînée d'un hélicoptère en vol stationnaire est principalement une traînée induite pendant que les pales produisent de la portance. Il y a cependant une certaine traînée de profil sur les pales lorsqu'elles tournent dans l'air et une petite quantité de traînée parasite des surfaces de l'hélicoptère ne produisant pas de portance, telles que le moyeu du rotor, les capots et le train d'atterrissage. Dans le reste de cette discussion, le terme "traînée" inclut la traînée induite, de profil et parasite.
Une conséquence importante de la production de poussée est le couple. Comme discuté précédemment, la troisième loi de Newton stipule : pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. Par conséquent, lorsque le moteur fait tourner le disque du rotor principal dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, le fuselage de l'hélicoptère veut tourner dans le sens des aiguilles d'une montre. La quantité de couple est directement liée à la quantité de puissance du moteur utilisée pour faire tourner le disque du rotor principal. Lorsque la puissance change, le couple change.
Pour contrer cette tendance à tourner induite par le couple, un rotor anticouple ou un rotor de queue est incorporé dans la plupart des conceptions d'hélicoptères. Un pilote peut faire varier la quantité de poussée produite par le rotor de queue en fonction de la quantité de couple produite par le moteur. Comme le moteur fournit plus de puissance au rotor principal, le rotor de queue doit produire plus de poussée pour surmonter l'effet de couple accru. Ce changement de commande est accompli grâce à l'utilisation de pédales anticouple.
Tendance à la traduction (dérive)
Pendant le vol stationnaire, un hélicoptère à rotor principal unique a tendance à se déplacer dans le sens de la poussée du rotor de queue. Ce mouvement latéral (ou latéral) est appelé tendance à la translation.
Pour contrecarrer cette tendance, une ou plusieurs des caractéristiques suivantes peuvent être utilisées. Tous les exemples concernent un disque de rotor principal tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
La transmission principale est montée légèrement inclinée vers la gauche (vue de derrière) de sorte que le mât du rotor ait une inclinaison intégrée pour s'opposer à la poussée du rotor de queue.
La transmission est montée de manière à ce que l'arbre du rotor soit vertical par rapport au fuselage, l'hélicoptère "se bloque" en patin gauche bas en vol stationnaire. (L'inverse est vrai pour les disques de rotor tournant dans le sens des aiguilles d'une montre vus de dessus.)
Le fuselage de l'hélicoptère sera également incliné lorsque le rotor de queue se trouve sous le disque du rotor principal et fournit une poussée anticouple. L'inclinaison du fuselage est causée par l'équilibre imparfait de la poussée du rotor de queue contre le couple du rotor principal dans le même plan. L'hélicoptère s'incline en raison de deux forces distinctes, l'inclinaison du disque du rotor principal pour neutraliser la tendance à la translation et la poussée inférieure du rotor de queue sous le plan de l'action du couple.
En vol vers l'avant, le rotor de queue continue de pousser vers la droite et l'hélicoptère fait un petit angle avec le vent lorsque les rotors sont de niveau et que la boule de glissement est au milieu. C'est ce qu'on appelle le dérapage inhérent. Pour certains hélicoptères plus gros, l'aileron vertical ou le stabilisateur est souvent conçu avec le rotor de queue monté dessus pour corriger ce glissement latéral et éliminer une partie de l'inclinaison en vol stationnaire. (En montant le rotor de queue au-dessus de l'ailette ou du pylône vertical, l'anticouple est plus aligné ou plus proche du plan de couple horizontal, ce qui réduit l'inclinaison de la cellule (ou du corps) par rapport au rotor de queue.) En outre, le fait d'avoir le le rotor de queue plus haut du sol réduit le risque que des objets entrent en contact avec les pales, mais au prix d'un poids et d'une complexité accrus.
Les commandes de vol peuvent être réglées de manière à ce que le disque du rotor soit légèrement incliné vers la gauche lorsque le cyclique est centré. Quelle que soit la méthode utilisée, le plan de la trajectoire de la pointe est légèrement incliné vers la gauche en vol stationnaire.
Action pendulaire
Le fuselage de l'hélicoptère, à rotor principal unique, étant suspendu en un point unique et ayant une masse importante, il est libre d'osciller soit longitudinalement, soit latéralement à la manière d'un pendule. Cette action pendulaire peut être exagérée par un surcontrôle ; par conséquent, les mouvements de contrôle doivent être fluides et non exagérés.
Le stabilisateur horizontal aide à niveler l'hélicoptère en vol vers l'avant. Cependant, en vol arrière, le stabilisateur horizontal peut presser la queue vers le bas, entraînant une collision avec la queue si l'hélicoptère est déplacé vers l'arrière face au vent. Normalement, avec l'hélicoptère principalement face au vent, le stabilisateur horizontal subit moins de vent de face lorsque l'hélicoptère commence à reculer (vent arrière). Lorsque la vitesse au sol du vol vers l'arrière est égale à la vitesse du vent, l'hélicoptère est simplement en vol stationnaire sans vent. Cependant, le vol stationnaire vers l'arrière face au vent nécessite une attention et une prudence considérables pour éviter les collisions avec la queue.
Il est important de noter qu'il existe une différence dans la quantité d'action pendulaire entre un système semi-rigide et un système entièrement articulé. Du fait de la liaison dure (décalage) de ces derniers, la force centrifuge en traction sur les pales est transmise au fuselage, et le fuselage a tendance à suivre l'attitude du rotor. Le système semi-rigide est un véritable pendule, avec une poussée nécessaire pour créer un moment autour du CG du fuselage pour permettre le contrôle du fuselage. Cela entre en jeu plus tard lorsque le cognement de mât est discuté.
Conné
Pour qu'un hélicoptère génère de la portance, les pales du rotor doivent tourner. La rotation du disque du rotor entraîne les pales dans les airs, créant une composante de vent relative sans avoir à déplacer la cellule dans les airs comme avec un avion ou un planeur. Selon le mouvement des pales et de la cellule de l'hélicoptère, de nombreux facteurs font varier la direction relative du vent. La rotation du disque du rotor crée une force centrifuge (inertie), qui a tendance à tirer les pales directement vers l'extérieur du moyeu du rotor principal : plus la rotation est rapide, plus la force centrifuge est grande, plus la rotation est lente, plus la force centrifuge est faible. Cette force donne aux pales du rotor leur rigidité et, à son tour, la force de supporter le poids de l'hélicoptère. La force centrifuge maximale générée est déterminée par le nombre maximal de tours de fonctionnement du rotor par minute (tr/min).
Lorsque la portance des pales augmente (lors d'un décollage, par exemple), deux forces majeures agissent en même temps : la force centrifuge agissant vers l'extérieur et la portance agissant vers le haut. Le résultat de ces deux forces est que les pales adoptent une trajectoire conique au lieu de rester dans le plan perpendiculaire au mât. Cela peut être vu dans n'importe quel hélicoptère lorsqu'il décolle; le disque du rotor passe d'une forme plate à une forme légèrement conique.
Si le régime du rotor est autorisé à descendre trop bas (en dessous du régime minimum du rotor sous tension, par exemple), la force centrifuge devient plus petite et l'angle de cône devient beaucoup plus grand. En d'autres termes, si le régime diminue trop, à un moment donné, les pales du rotor se replient sans aucune chance de récupération.
Effet Coriolis (loi de conservation du moment cinétique)
L'effet Coriolis est également appelé loi de conservation du moment cinétique. Il stipule que la valeur du moment cinétique d'un corps en rotation ne change pas à moins qu'une force externe ne soit appliquée. En d'autres termes, un corps en rotation continue de tourner avec la même vitesse de rotation jusqu'à ce qu'une force externe soit appliquée pour modifier la vitesse de rotation. Le moment angulaire est le moment d'inertie (la masse multipliée par la distance du centre de rotation au carré) multiplié par la vitesse de rotation.
Les changements de vitesse angulaire, appelés accélération et décélération angulaires, se produisent lorsque la masse d'un corps en rotation se rapproche ou s'éloigne de l'axe de rotation. La vitesse de la masse en rotation varie proportionnellement au carré du rayon.
Un excellent exemple de ce principe en action est un patineur artistique effectuant une pirouette sur des patins à glace. Le patineur commence la rotation sur un pied, avec l'autre jambe et les deux bras tendus. La rotation du corps du patineur est relativement lente. Lorsqu'un patineur tire les deux bras et une jambe vers l'intérieur, le moment d'inertie (la masse multipliée par le rayon au carré) devient beaucoup plus petit et le corps tourne presque plus vite que l'œil ne peut suivre. Parce que le moment cinétique doit, par la loi de la nature, rester le même (aucune force externe appliquée), la vitesse angulaire doit augmenter.
La pale de rotor tournant autour du moyeu de rotor possède un moment cinétique. Au fur et à mesure que le rotor commence à se cône en raison des manœuvres de chargement G, le diamètre du disque du rotor se rétrécit. En raison de la conservation du moment cinétique, les pales augmentent la vitesse même si les extrémités des pales ont une distance plus courte à parcourir en raison du diamètre réduit du disque. L'action entraîne une augmentation du régime du rotor, ce qui entraîne une légère augmentation de la portance. La plupart des pilotes arrêtent cette augmentation de régime avec une augmentation du pas collectif. Cette augmentation de la portance du régime des pales est quelque peu annulée par la zone de disque légèrement plus petite lorsque les pales se cône vers le haut.
Précession gyroscopique
Le rotor principal en rotation d'un hélicoptère agit comme un gyroscope. En tant que tel, il possède les propriétés d'action gyroscopique, dont l'une est la précession. La précession gyroscopique est l'action résultante ou la déviation d'un objet en rotation lorsqu'une force est appliquée à cet objet. Cette action se produit à environ 90° dans le sens de rotation à partir du point où la force est appliquée (ou 90° plus tard dans le cycle de rotation).
Examinez un disque de rotor à deux pales pour voir comment la précession gyroscopique affecte le mouvement du plan de la trajectoire de la pointe. Le déplacement de la commande de pas cyclique augmente l'angle d'incidence d'une pale de rotor avec pour résultat une plus grande force de levage appliquée à ce point dans le plan de rotation. Ce même mouvement de commande diminue simultanément l'angle d'incidence de l'autre lame de la même quantité, diminuant ainsi la force de levage appliquée à ce point dans le plan de rotation. La pale avec l'angle d'incidence accru a tendance à se relever; la pale avec l'angle d'incidence diminué a tendance à se rabattre. Parce que le disque du rotor agit comme un gyroscope, les pales atteignent leur déviation maximale à un point situé à environ 90° plus loin dans le plan de rotation. L'angle d'incidence des pales reculantes est augmenté, et l'angle d'incidence des pales avançantes est diminué, ce qui entraîne un basculement vers l'avant du plan de trajectoire de pointe, puisque la déviation maximale a lieu 90° plus tard lorsque les pales sont à l'arrière et à l'avant, respectivement. Dans un disque de rotor utilisant trois pales ou plus, le mouvement de la commande de pas cyclique modifie l'angle d'incidence de chaque pale d'une quantité appropriée de sorte que le résultat final est le même.
