Hélicoptère : vol latéral et vol vers l'avant

Vol latéral

En vol latéral, le plan de trajectoire de pointe est incliné dans la direction dans laquelle le vol est souhaité. Cela incline le vecteur portance-poussée totale vers le côté. Dans ce cas, la composante verticale ou de portance est toujours droite vers le haut et le poids vers le bas, mais la composante horizontale ou de poussée agit maintenant latéralement avec une traînée agissant du côté opposé. 

Le vol latéral peut être une condition très instable en raison de la traînée parasite du fuselage combinée à l'absence de stabilisateur horizontal pour cette direction de vol. Les altitudes élevées aident au contrôle et le pilote doit toujours balayer dans la direction du vol. Le mouvement du cyclique dans la direction de vol prévue provoque le déplacement de l'hélicoptère, contrôle la vitesse et la trajectoire au sol, mais le collectif et les pédales sont la clé d'un vol latéral réussi. Tout comme en vol vers l'avant, le collectif empêche l'hélicoptère de toucher le sol et les pédales aident à maintenir le bon cap ; même en vol latéral, la queue de l'hélicoptère doit rester derrière vous. Les entrées du cyclique doivent être douces et contrôlées, et le pilote doit toujours être conscient du plan de trajectoire de pointe par rapport au sol.

Le contact avec le sol avec les patins pendant un vol latéral entraînera très probablement un événement de capotage dynamique avant que le pilote n'ait la possibilité de réagir. Une extrême prudence doit être utilisée lors de la manœuvre latérale de l'hélicoptère pour éviter que de tels dangers ne se produisent.

Vol vers l'avant

En vol régulier vers l'avant, sans changement de vitesse ou de vitesse verticale, les quatre forces de portance, de poussée, de traînée et de poids doivent être en équilibre. Une fois que le plan de trajectoire de pointe est incliné vers l'avant, la force de poussée de portance totale est également inclinée vers l'avant. Cette force de portance-poussée résultante peut être décomposée en deux composantes - la portance agissant verticalement vers le haut et la poussée agissant horizontalement dans la direction du vol. En plus de la portance et de la poussée, il y a le poids (la force agissant vers le bas) et la traînée (la force s'opposant au mouvement d'un profil aérodynamique dans l'air).

En vol rectiligne en palier, sans accélération (le vol en palier rectiligne est un vol avec un cap constant et à une altitude constante), la portance est égale au poids et la poussée est égale à la traînée. Si la portance dépasse le poids, l'hélicoptère accélère verticalement jusqu'à ce que les forces soient en équilibre ; si la poussée est inférieure à la traînée, l'hélicoptère ralentit jusqu'à ce que les forces soient en équilibre. Lorsqu'un hélicoptère entame un mouvement vers l'avant, il commence à perdre de l'altitude car la portance est perdue lorsque la poussée est détournée vers l'avant. Cependant, lorsque l'hélicoptère commence à accélérer à partir d'un vol stationnaire, le disque du rotor devient plus efficace en raison de la portance en translation. Le résultat est un excès de puissance par rapport à ce qui est nécessaire pour planer. Une accélération continue provoque une augmentation encore plus importante du débit d'air à travers le disque du rotor (jusqu'à un maximum déterminé par la traînée et la limite de puissance du moteur), et un vol plus efficace. Afin de maintenir un vol sans accélération, le pilote doit comprendre qu'avec tout changement de puissance ou de mouvement cyclique, l'hélicoptère commence soit à monter soit à descendre. Une fois le vol rectiligne en palier obtenu, le pilote doit noter la puissance (réglage du couple) nécessaire et ne pas effectuer de réglages majeurs sur les commandes de vol.

Flux d'air en vol vers l'avant

Le flux d'air à travers le disque du rotor en vol vers l'avant varie du flux d'air en vol stationnaire. En vol vers l'avant, l'air circule à l'opposé de la trajectoire de vol de l'avion. La vitesse de ce flux d'air est égale à la vitesse d'avancement de l'hélicoptère. Étant donné que les pales du rotor tournent selon un motif circulaire, la vitesse du flux d'air à travers une pale dépend de la position de la pale dans le plan de rotation à un instant donné, de sa vitesse de rotation et de la vitesse anémométrique de l'hélicoptère. Par conséquent, le flux d'air rencontrant chaque pale varie continuellement lorsque la pale tourne. La vitesse la plus élevée du flux d'air se produit sur le côté droit (position 3 heures) de l'hélicoptère (pale avançante dans un disque de rotor qui tourne dans le sens antihoraire) et diminue jusqu'à la vitesse de rotation sur le nez. Il continue de diminuer jusqu'à ce que la vitesse la plus basse du flux d'air se produise sur le côté gauche (position 9 heures) de l'hélicoptère (pale en retrait). Au fur et à mesure que la pale continue de tourner, la vitesse du flux d'air augmente alors jusqu'à la vitesse de rotation sur la queue. Il continue d'augmenter jusqu'à ce que la lame revienne à la position 3 heures.

La pale qui avance sur la figure, position A, se déplace dans la même direction que l'hélicoptère. La vitesse de l'air rencontrant cette pale est égale à la vitesse de rotation de la pale plus la vitesse du vent résultant de la vitesse vers l'avant. La pale reculante (position C) se déplace dans un flux d'air se déplaçant en sens inverse de l'hélicoptère. La vitesse du flux d'air rencontrant cette pale est égale à la vitesse de rotation de la pale moins la vitesse du vent résultant de la vitesse vers l'avant. Les pales (positions B et D) au-dessus du nez et de la queue se déplacent essentiellement à angle droit par rapport au flux d'air créé par la vitesse vers l'avant; la vitesse du flux d'air rencontrant ces lames est égale à la vitesse de rotation. Cela entraîne une modification de la vitesse du flux d'air sur tout le disque du rotor et une modification du modèle de portance du disque du rotor.

Lame avancée

Au fur et à mesure que la vitesse relative du vent de la pale qui avance augmente, la pale gagne en portance et commence à battre. Il atteint sa vitesse maximale de volets relevés à la position 3 heures, là où la vitesse du vent est la plus élevée. Cet upflap crée un flux d'air descendant et a le même effet que l'augmentation de la vitesse d'écoulement induite en imposant un vecteur de vitesse verticale descendante au vent relatif qui diminue l'AOA.

Lame de retraite

À mesure que la vitesse relative du vent de la pale qui recule diminue, la pale perd de la portance et commence à se rabattre. Il atteint sa vitesse maximale des volets descendants à la position 9 heures, là où la vitesse du vent est la plus faible. Ce volet crée un flux d'air ascendant et a le même effet que la diminution de la vitesse d'écoulement induite en imposant un vecteur vertical de vitesse ascendante au vent relatif qui augmente l'AOA.

Dissymétrie de portance

La dissymétrie de portance est la portance différentielle (inégale) entre les moitiés d'avance et de recul du disque du rotor causée par la vitesse différente du vent sur chaque moitié. Cette différence de portance rendrait l'hélicoptère incontrôlable dans toute situation autre que le vol stationnaire par vent calme. Il doit y avoir un moyen de compenser, de corriger ou d'éliminer cette portance inégale pour atteindre la symétrie de portance.

Lorsque l'hélicoptère se déplace dans les airs, le flux d'air relatif à travers le disque du rotor principal est différent du côté avançant du côté reculant. Le vent relatif rencontré par la pale qui avance est augmenté par la vitesse vers l'avant de l'hélicoptère, tandis que la vitesse relative du vent agissant sur la pale qui recule est réduite par la vitesse vers l'avant de l'hélicoptère. Par conséquent, en raison de la vitesse relative du vent, le côté pale qui avance du disque du rotor peut produire plus de portance que le côté pale qui recule.

Si cette condition était autorisée, un hélicoptère avec une rotation des pales du rotor principal dans le sens inverse des aiguilles d'une montre roulerait vers la gauche en raison de la différence de portance. En réalité, les pales du rotor principal battent et se mettent en drapeau automatiquement pour égaliser la portance sur le disque du rotor. Les disques de rotor articulés, généralement avec trois pales ou plus, incorporent une charnière horizontale (charnière battante) pour permettre aux pales de rotor individuelles de se déplacer, ou de battre de haut en bas lorsqu'elles tournent. Un disque de rotor semi-rigide (deux pales) utilise une charnière oscillante, qui permet aux pales de battre comme une unité. Lorsqu'une pale se relève, l'autre pale se replie. 

Comme le montre la figure, lorsque la pale de rotor atteint le côté avançant du disque de rotor (A), elle atteint sa vitesse maximale de volet vers le haut. Lorsque la pale bat vers le haut, l'angle entre la ligne de corde et le vent relatif résultant diminue. Cela diminue l'AOA, ce qui réduit la quantité de portance produite par la lame. En position (C), la pale du rotor est maintenant à sa vitesse maximale de battement vers le bas. En raison du battement vers le bas, l'angle entre la ligne de corde et le vent relatif résultant augmente. Cela augmente l'AOA et donc la quantité de portance produite par la lame. 

La combinaison du battement des pales et du vent relatif lent agissant sur la pale qui recule limite normalement la vitesse d'avancement maximale d'un hélicoptère. À une vitesse d'avancement élevée, la pale qui recule cale en raison d'un AOA élevé et d'une vitesse de vent relative lente. Cette situation est appelée décrochage des pales en recul et se manifeste par un cabrage du nez, des vibrations et une tendance au roulis - généralement vers la gauche dans les hélicoptères avec une rotation des pales dans le sens antihoraire.

Les pilotes peuvent éviter le décrochage des pales en recul en ne dépassant pas la vitesse à ne jamais dépasser. Cette vitesse est désignée VNE et est indiquée sur une pancarte et marquée sur l'anémomètre par une ligne rouge.

Le battement des pales compense la dissymétrie de portance de la manière suivante. En vol stationnaire, une portance égale est produite autour du disque rotor avec un pas égal (AOI) sur toutes les pales et en tous points du disque rotor (sans tenir compte de la compensation de la tendance à la translation). Le disque rotor est parallèle à l'horizon. Pour développer une force de poussée, le disque du rotor doit être incliné dans le sens de déplacement souhaité. La mise en drapeau cyclique modifie l'angle d'incidence de manière différentielle autour du disque du rotor. Pour une rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, le mouvement cyclique vers l'avant diminue l'angle d'incidence à droite du disque rotor et l'augmente à gauche.

Lors de la transition vers le vol vers l'avant, soit à partir d'un vol stationnaire, soit au décollage depuis le sol, les pilotes doivent être conscients qu'à mesure que la vitesse de l'hélicoptère augmente, la portance en translation devient plus efficace et fait monter ou cabrer le nez (parfois appelé retour de flamme). Cette tendance est causée par les effets combinés de la dissymétrie de la portance et de l'écoulement transversal. Les pilotes doivent corriger cette tendance en maintenant une assiette constante du disque rotor qui déplacera l'hélicoptère dans la plage de vitesse dans laquelle le retour de flamme se produit. Si le nez est autorisé à cabrer en passant par cette plage de vitesse, l'avion peut également avoir tendance à rouler vers la droite. Pour corriger cette tendance, le pilote doit continuellement déplacer le cyclique vers l'avant à mesure que la vitesse de l'hélicoptère augmente jusqu'à ce que le décollage soit terminé et que l'hélicoptère soit passé en vol vers l'avant. 

La figure illustre l'inclinaison vers l'avant du disque du rotor, qui est le résultat d'un changement d'angle de pas avec le cyclique vers l'avant. En vol stationnaire, le cyclique est centré et l'angle de tangage des pales qui avancent et reculent est le même. À faible vitesse d'avancement, le déplacement du cyclique vers l'avant réduit l'angle de tangage sur la pale qui avance et augmente l'angle de tangage sur la pale qui recule. Cela provoque une légère inclinaison du disque rotor. À des vitesses d'avancement plus élevées, le pilote doit continuer à faire avancer le cyclique. Cela réduit encore l'angle de pas sur la pale qui avance et augmente encore l'angle de pas sur la pale qui recule. En conséquence, il y a encore plus d'inclinaison du disque rotor qu'à des vitesses inférieures.

Une composante de portance horizontale (poussée) génère une vitesse plus élevée de l'hélicoptère. La vitesse plus élevée induit le battement des pales pour maintenir la symétrie de la portance. La combinaison du battement et de la mise en drapeau cyclique maintient la symétrie de la portance et de l'assiette souhaitée sur le disque rotor et l'hélicoptère.

Ascenseur translationnel

L'amélioration de l'efficacité du rotor résultant du vol directionnel est appelée portance translationnelle. L'efficacité du disque de rotor en vol stationnaire est grandement améliorée avec chaque nœud de vent entrant gagné par le mouvement horizontal de l'avion ou le vent de surface. Lorsque le vent entrant produit par le mouvement de l'avion ou le vent de surface pénètre dans le disque du rotor, la turbulence et les tourbillons sont laissés derrière et le flux d'air devient plus horizontal. De plus, le rotor de queue devient plus efficace sur le plan aérodynamique lors de la transition du vol stationnaire au vol vers l'avant. Les figures montrent les différents modèles de flux d'air à différentes vitesses et comment le flux d'air affecte l'efficacité du rotor de queue.

Lift translationnel effectif (ETL)

Lors de la transition vers le vol vers l'avant à environ 16 à 24 nœuds, l'hélicoptère passe par une portance translationnelle efficace (ETL). Comme mentionné précédemment dans la discussion sur la portance translationnelle, les pales du rotor deviennent plus efficaces à mesure que la vitesse vers l'avant augmente. Entre 16 et 24 nœuds, le disque du rotor dépasse complètement la recirculation des anciens tourbillons et commence à travailler dans un air relativement peu perturbé. Le flux d'air à travers le disque du rotor est plus horizontal, ce qui réduit le flux induit et la traînée avec une augmentation correspondante de l'angle d'attache et de portance. La portance supplémentaire disponible à cette vitesse est appelée ETL, ce qui permet au disque rotor de fonctionner plus efficacement. Cette efficacité accrue se poursuit avec une vitesse accrue jusqu'à ce que la meilleure vitesse de montée soit atteinte et que la traînée totale soit à son point le plus bas. 

À mesure que la vitesse augmente, la portance en translation devient plus efficace, le nez se lève ou se cabre et l'avion roule vers la droite. Les effets combinés de la dissymétrie de portance, de la précession gyroscopique et de l'effet d'écoulement transversal provoquent cette tendance. Il est important de comprendre ces effets et d'anticiper leur correction. Une fois que l'hélicoptère est en transition vers l'ETL, le pilote doit appliquer une commande cyclique latérale vers l'avant et vers la gauche pour maintenir une assiette rotor-disque constante. 

Poussée translationnelle

La poussée en translation se produit lorsque le rotor de queue devient plus efficace sur le plan aérodynamique lors de la transition du vol stationnaire au vol vers l'avant. Au fur et à mesure que le rotor de queue travaille dans un air de moins en moins turbulent, cette efficacité améliorée produit plus de poussée anticouple, ce qui fait que le nez de l'avion tourne à gauche (avec un rotor principal tournant dans le sens antihoraire) et oblige le pilote à appliquer la pédale droite (diminuant l'angle d'attaque dans le sens inverse des aiguilles d'une montre). pales du rotor de queue) en réponse. De plus, pendant cette période, le flux d'air affecte les composants horizontaux du stabilisateur que l'on trouve sur la plupart des hélicoptères, ce qui tend à amener le nez de l'hélicoptère à une assiette plus horizontale.

Flux induit

Lorsque les pales du rotor tournent, elles génèrent ce qu'on appelle un vent relatif de rotation. Ce flux d'air est caractérisé comme s'écoulant parallèlement et à l'opposé du plan de rotation du rotor et frappant perpendiculairement au bord d'attaque de la pale du rotor. Ce vent relatif de rotation est utilisé pour générer de la portance. Lorsque les pales du rotor produisent de la portance, l'air est accéléré sur la feuille et projeté vers le bas. Chaque fois qu'un hélicoptère produit de la portance, il déplace de grandes masses d'air verticalement et vers le bas à travers le disque du rotor. Ce flux descendant ou induit peut modifier considérablement l'efficacité du disque rotor. Le vent relatif de rotation se combine avec le flux induit pour former le vent relatif résultant. À mesure que le débit induit augmente, le vent relatif résultant devient moins horizontal. Étant donné que l'angle d'attaque est déterminé en mesurant la différence entre la ligne de corde et le vent relatif résultant,

Effet d'écoulement transversal

Au fur et à mesure que l'hélicoptère accélère en vol vers l'avant, le débit induit tombe à près de zéro dans la zone avant du disque et augmente dans la zone arrière du disque. Ces différences de portance entre les parties avant et arrière du disque rotor sont appelées effet d'écoulement transversal. Cela augmente l'AOA au niveau de la zone du disque avant, provoquant le battement de la pale du rotor et réduit l'AOA au niveau de la zone du disque arrière, provoquant le battement de la pale du rotor. Comme le rotor agit comme un gyroscope, le déplacement maximal se produit à 90° dans le sens de rotation. Le résultat est une tendance pour l'hélicoptère à rouler légèrement vers la droite lorsqu'il accélère à environ 20 nœuds ou si le vent de face est d'environ 20 nœuds.

L'effet d'écoulement transversal est reconnu par des vibrations accrues de l'hélicoptère à des vitesses anémométriques d'environ 12 à 15 nœuds et peut être produit par un vol vers l'avant ou par le vent en vol stationnaire. Cette vibration se produit à une vitesse juste en dessous de l'ETL au décollage et après avoir traversé l'ETL lors de l'atterrissage. La vibration se produit à peu près à la même vitesse que l'ETL, car c'est à ce moment-là que le différentiel de portance le plus important existe entre les parties avant et arrière du système de rotor. Ainsi, certains pilotes confondent la vibration ressentie par effet d'écoulement transversal avec le passage par l'ETL. Pour contrecarrer l'effet d'écoulement transversal, une entrée cyclique vers la gauche peut être nécessaire.