Présentation de l'hélicoptère

Un hélicoptère est un aéronef qui est soulevé et propulsé par un ou plusieurs rotors horizontaux, chaque rotor étant constitué de deux ou plusieurs pales de rotor. Les hélicoptères sont classés comme giravions ou aéronefs à voilure tournante pour les distinguer des aéronefs à voilure fixe, car l'hélicoptère tire sa source de portance des pales du rotor tournant autour d'un mât. Le mot « hélicoptère » est adapté du français hélicoptère, inventé par Gustave de Ponton d'Amécourt en 1861. Il est lié aux mots grecs helix/helikos (« spirale » ou « tournant ») et pteron (« aile »).

En tant qu'avion, les principaux avantages de l'hélicoptère sont dus aux pales du rotor qui tournent dans l'air, fournissant une portance sans obliger l'avion à avancer. Cette portance permet à l'hélicoptère de planer dans une zone et de décoller et d'atterrir verticalement sans avoir besoin de pistes. Pour cette raison, les hélicoptères sont souvent utilisés dans des zones encombrées ou isolées où les aéronefs à voilure fixe ne peuvent ni décoller ni atterrir. 

Le pilotage d'un hélicoptère nécessite une formation adéquate, ciblée et axée sur la sécurité. Cela nécessite également une attention continue à la machine et à l'environnement d'exploitation. Le pilote doit travailler en trois dimensions et utiliser constamment ses deux bras et ses deux jambes pour maintenir l'hélicoptère dans un état souhaité. La coordination, le timing et le toucher de contrôle sont tous utilisés simultanément lors du pilotage d'un hélicoptère.

Bien que des hélicoptères aient été développés et construits au cours du premier demi-siècle de vol, certains ont même atteint une production limitée; ce n'est qu'en 1942 qu'un hélicoptère conçu par Igor Sikorsky a atteint la production à grande échelle, avec 131 appareils construits. Même si la plupart des conceptions précédentes utilisaient plus d'un rotor principal, c'était le rotor principal unique avec une configuration de rotor de queue anticouple qui allait être reconnu dans le monde entier comme l'hélicoptère.

Âge des turbines

En 1951, à la demande de ses contacts au Département de la Marine, Charles H. Kaman modifie son hélicoptère K-225 avec un nouveau type de moteur, le turbomoteur. Cette adaptation du moteur à turbine a fourni une grande quantité de puissance à l'hélicoptère avec une pénalité de poids inférieure à celle des moteurs à pistons, des blocs moteurs lourds et des composants auxiliaires. Le 11 décembre 1951, le K-225 est devenu le premier hélicoptère à turbine au monde. Deux ans plus tard, le 26 mars 1954, un Navy HTK-1 modifié, un autre hélicoptère Kaman, est devenu le premier hélicoptère bi-turbine à voler. Cependant, c'est l'Alouette II de Sud Aviation qui deviendra le premier hélicoptère à être produit avec un moteur à turbine.

Des hélicoptères fiables capables de vol stationnaire stable ont été développés des décennies après les avions à voilure fixe. Cela est largement dû aux exigences de densité de puissance des moteurs plus élevées que les aéronefs à voilure fixe. Les améliorations apportées aux carburants et aux moteurs au cours de la première moitié du 20e siècle ont été des facteurs critiques dans le développement des hélicoptères. La disponibilité de turbomoteurs légers dans la seconde moitié du XXe siècle a conduit au développement d'hélicoptères plus gros, plus rapides et plus performants. Alors que les hélicoptères plus petits et moins chers utilisent encore des moteurs à pistons, les turbomoteurs sont aujourd'hui le groupe motopropulseur préféré des hélicoptères.

Le turbomoteur présente les avantages suivants par rapport à un moteur alternatif : 

• Moins de vibrations 

• Augmentation des performances de l'avion 

• Fiabilité 

• Facilité d'utilisation 

Les usages 

En raison des caractéristiques de fonctionnement uniques de l'hélicoptère - sa capacité à décoller et à atterrir verticalement, à planer pendant de longues périodes et les propriétés de maniement de l'avion dans des conditions de faible vitesse - il a été choisi pour effectuer des tâches qui n'étaient auparavant pas possibles avec d'autres aéronefs ou demandaient trop de temps ou de travail pour être accomplis au sol. Aujourd'hui, les hélicoptères sont utilisés pour le transport, la construction, la lutte contre les incendies, la recherche et le sauvetage, et une variété d'autres travaux qui nécessitent ses capacités spéciales. 

Système de rotor

Le système de rotor d'hélicoptère est la partie rotative d'un hélicoptère qui génère de la portance. Un système de rotor peut être monté horizontalement, comme le sont les rotors principaux, assurant une portance verticale; et il peut être monté verticalement, tel qu'un rotor de queue, pour fournir une portance horizontale en tant que poussée pour contrer l'effet de couple. Dans le cas des rotors basculants, le rotor est monté sur une nacelle qui tourne au bord de l'aile pour faire passer le rotor d'une position montée horizontale, fournissant une portance horizontale en tant que poussée, à une position montée verticale fournissant une portance exactement comme un hélicoptère.

Le rotor se compose d'un mât, d'un moyeu et de pales de rotor. Le mât est un arbre métallique cylindrique creux qui s'étend vers le haut depuis et est entraîné par la transmission. Au sommet du mât se trouve le point d'attache des pales du rotor appelé moyeu. Les pales du rotor sont ensuite fixées au moyeu par plusieurs méthodes différentes. Les systèmes de rotor principal sont classés en fonction de la manière dont les pales du rotor principal sont fixées et se déplacent par rapport au moyeu du rotor principal. Il existe trois classifications de base : semi-rigide, rigide ou entièrement articulé, bien que certains systèmes de rotor modernes utilisent une combinaison technique de ces types. 

Avec un hélicoptère à rotor principal unique, un effet de couple est créé lorsque le moteur fait tourner le rotor. Ce couple fait tourner le corps de l'hélicoptère dans le sens opposé au rotor (troisième loi de Newton : chaque action a une réaction égale et opposée, comme expliqué au chapitre. Pour éliminer cet effet, une sorte de contrôle anti-couple doit être utilisé avec une marge de puissance disponible suffisante pour permettre à l'hélicoptère de maintenir son cap et d'empêcher l'avion de se déplacer de manière instable.Les trois commandes les plus couramment utilisées aujourd'hui sont le rotor de queue traditionnel, Fenestron (également appelé fantail), et le NOTAR®

Configurations des rotors 

La plupart des hélicoptères ont un seul rotor principal, mais nécessitent un rotor séparé pour surmonter le couple qui est une force de rotation ou de torsion. Ceci est accompli grâce à un pas variable, un rotor anticouple ou un rotor de queue. C'est la conception qu'Igor Sikorsky a choisie pour son hélicoptère VS-300 illustré à la figure. C'est devenu la convention reconnue pour la conception d'hélicoptères, bien que les conceptions varient. Les conceptions de rotor principal d'hélicoptère de différents fabricants tournent dans l'une des deux directions différentes (dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'elles sont vues de dessus). Cela peut prêter à confusion lors de la discussion des effets aérodynamiques sur le rotor principal entre différentes conceptions, car les effets peuvent se manifester sur les côtés opposés de chaque avion. Pour plus de clarté, tout au long de ce manuel, tous les exemples utilisent un système de rotor principal tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'ils sont vus de dessus.

Rotor tandem 

Les hélicoptères à rotor tandem (parfois appelés rotor double) ont deux grands ensembles de rotor horizontaux, au lieu d'un ensemble principal et d'un rotor de queue plus petit. Les hélicoptères à rotor unique ont besoin d'un rotor de queue pour neutraliser l'élan de torsion produit par le seul grand rotor. Les hélicoptères à rotor tandem, cependant, utilisent des rotors contrarotatifs, chacun annulant le couple de l'autre. Les pales de rotor contrarotatives ne se heurteront pas et ne se détruiront pas si elles fléchissent dans la voie de l'autre rotor. Cette configuration a l'avantage de pouvoir supporter plus de poids avec des lames plus courtes, puisqu'il y a deux ensembles de lames. De plus, toute la puissance des moteurs peut être utilisée pour la portance, alors qu'un hélicoptère à rotor unique doit utiliser une certaine puissance pour contrer le couple du rotor principal. À cause de ce,

Rotors coaxiaux 

Les rotors coaxiaux sont une paire de rotors tournant dans des sens opposés, mais montés sur un mât, avec le même axe de rotation, l'un au-dessus de l'autre. Cette configuration est une caractéristique remarquable des hélicoptères produits par le bureau de conception d'hélicoptères russe Kamov.

Rotors enchevêtrés 

Les rotors enchevêtrés sur un hélicoptère sont un ensemble de deux rotors tournant dans des directions opposées, chaque mât de rotor étant monté sur l'hélicoptère avec un léger angle par rapport à l'autre afin que les pales s'engrènent sans entrer en collision. Cette disposition permet à l'hélicoptère de fonctionner sans avoir besoin d'un rotor de queue. Il a une grande stabilité et une capacité de levage puissante. Cette configuration est parfois appelée synchropter. L'arrangement a été développé en Allemagne pour un petit hélicoptère de guerre anti-sous-marine, le Flettner Fl 282 Kolibri. Pendant la guerre froide, la société américaine Kaman Aircraft a produit le HH-43 Huskie, à des fins de lutte contre les incendies de l'USAF. Le dernier modèle Kaman K-MAX est une conception de grue aérienne dédiée utilisée pour les travaux de construction.

Rotor de queue 

Le rotor de queue est un rotor plus petit monté verticalement ou presque verticalement sur la queue d'un hélicoptère traditionnel à rotor unique. Le rotor de queue pousse ou tire contre la queue pour contrer le couple. Le système d'entraînement du rotor de queue se compose d'un arbre d'entraînement alimenté par la transmission principale et d'une boîte de vitesses montée à l'extrémité de la poutre de queue. L'arbre d'entraînement peut être constitué d'un arbre long ou d'une série d'arbres plus courts reliés aux deux extrémités par des accouplements flexibles. Les accouplements flexibles permettent à l'arbre d'entraînement de fléchir avec la poutre de queue.

La boîte de vitesses à l'extrémité de la poutre de queue fournit un entraînement angulaire pour le rotor de queue et peut également inclure un engrenage pour ajuster la sortie à la vitesse de rotation optimale généralement mesurée en tours par minute (tr/min) pour le rotor de queue. Sur certains hélicoptères plus gros, des boîtes de vitesses intermédiaires sont utilisées pour incliner l'arbre d'entraînement du rotor de queue le long de la poutre de queue ou du cône de queue jusqu'au sommet du pylône du rotor de queue, qui sert également de profil stabilisateur vertical pour atténuer les besoins en puissance du rotor de queue dans vol vers l'avant. Le pylône (ou aileron vertical) peut également fournir un anticouple limité dans certaines plages de vitesse en cas de défaillance du rotor de queue ou des commandes de vol du rotor de queue.

Vol de contrôle

Cyclique

La commande cyclique est généralement située entre les jambes du pilote et est communément appelée « manche cyclique » ou simplement « cyclique ». Sur la plupart des hélicoptères, le cyclique est similaire à un joystick ; cependant, les hélicoptères Robinson ont des systèmes de contrôle cyclique à barre en T uniques. Quelques hélicoptères ont des commandes cycliques qui descendent dans le cockpit depuis le dessus tandis que d'autres utilisent des commandes cycliques latérales.

La commande est appelée cyclique car elle peut faire varier le pas des pales du rotor à chaque révolution du système de rotor principal (c'est-à-dire à chaque cycle de rotation) pour développer une portance inégale (poussée). Le résultat est d'incliner le disque du rotor dans une direction particulière, entraînant le déplacement de l'hélicoptère dans cette direction. Si le pilote pousse le cyclique vers l'avant, le disque du rotor s'incline vers l'avant et le rotor produit une poussée vers l'avant. Si le pilote pousse le cyclique sur le côté, le disque du rotor s'incline de ce côté et produit une poussée dans cette direction, ce qui fait planer l'hélicoptère sur le côté.

Collectif

Pédales anticouple

Manette de Gaz

Les rotors d'hélicoptère sont conçus pour fonctionner à un régime spécifique. L'accélérateur contrôle la puissance produite par le moteur, qui est relié au rotor par une transmission. Le but de la manette des gaz est de maintenir une puissance moteur suffisante pour maintenir le régime du rotor dans les limites autorisées afin de produire une portance suffisante pour le vol. Dans les hélicoptères monomoteurs, s'ils en sont équipés, la commande des gaz est généralement une poignée tournante montée sur la commande de collectif, mais il peut également s'agir d'un mécanisme à levier dans les systèmes entièrement régis. Les hélicoptères multimoteurs ont généralement un levier de puissance ou un commutateur de mode pour chaque moteur.

Conditions de vol

Il existe deux conditions de vol de base pour un hélicoptère : le vol stationnaire et le vol vers l'avant. 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 le besoin d'entrées de contrôle constantes et de 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 sens horizontal, c'est-à-dire pour contrôler l'avant et l'arrière, la droite et la gauche. 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 si difficile, 

Le déplacement du cyclique vers l'avant provoque initialement le piqué du nez, avec une augmentation de la vitesse et une perte d'altitude qui en résultent. Le cyclique arrière provoque initialement le cabrage du nez, ralentissant l'hélicoptère et le faisant monter; cependant, lorsque l'hélicoptère atteint un état d'équilibre, le stabilisateur horizontal aide à niveler l'hélicoptère pour minimiser la traînée, contrairement à un avion. La variation par rapport au niveau absolu dépend de l'hélicoptère particulier et de la fonction du stabilisateur horizontal.

L'augmentation du collectif (puissance) tout en maintenant une vitesse constante induit une montée tandis que la diminution du collectif provoque une descente. La coordination de ces deux entrées, collectif bas plus cyclique arrière ou collectif haut plus cyclique avant, entraîne des changements de vitesse tout en maintenant une altitude constante.

Les pédales remplissent la même fonction dans un hélicoptère et un avion à voilure fixe, pour maintenir un vol équilibré. Cela se fait en appliquant l'entrée de la pédale dans la direction nécessaire pour centrer la balle dans l'indicateur de virage et d'inclinaison.