Structures d'hélicoptère

Les structures de l'hélicoptère sont conçues pour donner à l'hélicoptère ses caractéristiques de vol uniques. Une explication simplifiée de la façon dont un hélicoptère vole est que les rotors sont des profils aérodynamiques rotatifs qui fournissent une portance similaire à la façon dont les ailes fournissent une portance sur un aéronef à voilure fixe. L'air circule plus rapidement sur la surface supérieure incurvée des rotors, provoquant une pression négative et donc, soulevant l'avion. La modification de l'angle d'attaque des pales rotatives augmente ou diminue la portance, respectivement en élevant ou en abaissant l'hélicoptère. L'inclinaison du plan de rotation du rotor entraîne le déplacement horizontal de l'avion. La figure montre les principaux composants d'un hélicoptère typique.

Cellule La cellule, ou structure fondamentale, d'un hélicoptère peut être faite de matériaux composites en métal ou en bois, ou une combinaison des deux. Typiquement, un composant composite se compose de plusieurs couches de résines imprégnées de fibres, liées pour former un panneau lisse. Les sous-structures tubulaires et en tôle sont généralement en aluminium, bien que l'acier inoxydable ou le titane soient parfois utilisés dans les zones soumises à des contraintes ou à une chaleur plus élevées. La conception de la cellule englobe l'ingénierie, l'aérodynamique, la technologie des matériaux et les méthodes de fabrication pour atteindre des équilibres favorables entre performances, fiabilité et coût.

Fuselage 

Comme pour les aéronefs à voilure fixe, les fuselages et les poutres de queue des hélicoptères sont souvent des structures de type treillis ou semi-monocoques de conception à peau de contrainte. Les tubes en acier et en aluminium, l'aluminium formé et la peau en aluminium sont couramment utilisés. La conception moderne du fuselage des hélicoptères comprend également une utilisation croissante de composites avancés. Les pare-feu et les ponts moteurs sont généralement en acier inoxydable. Les fuselages d'hélicoptère varient considérablement de ceux avec un cadre en treillis, deux sièges, sans portes et un compartiment de vol monocoque à ceux avec des cabines de style avion entièrement fermées comme on en trouve sur les plus gros hélicoptères bimoteurs. La nature multidirectionnelle du vol en hélicoptère rend essentielle une large visibilité depuis le cockpit. Les grands pare-brise formés en polycarbonate, en verre ou en plexiglas sont courants. 

Train d'atterrissage ou patins 

Comme mentionné, le train d'atterrissage d'un hélicoptère peut être simplement un ensemble de patins métalliques tubulaires. De nombreux hélicoptères ont un train d'atterrissage à roues, certains rétractables.  

Groupe motopropulseur et transmission 

Les deux types de moteurs les plus couramment utilisés dans les hélicoptères sont le moteur alternatif et le moteur à turbine. Les moteurs alternatifs, également appelés moteurs à pistons, sont généralement utilisés dans les petits hélicoptères. La plupart des hélicoptères d'entraînement utilisent des moteurs alternatifs car ils sont relativement simples et peu coûteux à utiliser. Reportez-vous au Manuel des connaissances aéronautiques du pilote pour une explication détaillée et des illustrations du moteur à pistons.

Moteurs à turbine 

Les moteurs à turbine sont plus puissants et sont utilisés dans une grande variété d'hélicoptères. Ils produisent une énorme quantité d'énergie pour leur taille, mais sont généralement plus coûteux à exploiter. Le moteur à turbine utilisé dans les hélicoptères fonctionne différemment de ceux utilisés dans les applications aéronautiques. Dans la plupart des applications, les sorties d'échappement libèrent simplement les gaz consommés et ne contribuent pas au mouvement vers l'avant de l'hélicoptère. Parce que le flux d'air n'est pas une ligne droite comme dans les moteurs à réaction et n'est pas utilisé pour la propulsion, l'effet de refroidissement de l'air est limité. Environ 75 % du flux d'air entrant est utilisé pour refroidir le moteur.

Le moteur à turbine à gaz monté sur la plupart des hélicoptères est composé d'un compresseur, d'une chambre de combustion, d'une turbine et d'un ensemble de boîte de vitesses d'accessoires. Le compresseur aspire l'air filtré dans le plénum et le comprime. Les filtres de type courant sont des tubes tourbillonnants centrifuges où les débris sont éjectés vers l'extérieur et soufflés par-dessus bord avant d'entrer dans le compresseur, ou des filtres de barrière moteur (EBF), un filtre de type élément en papier, enfermé dans un cadre avec un écran/grille sur l'entrée, et généralement enduit d'une huile. Cette conception réduit considérablement l'ingestion de débris de corps étrangers (FOD). L'air comprimé est dirigé vers la section de combustion à travers des tubes de décharge où du carburant atomisé y est injecté. Le mélange carburant/air est enflammé et on le laisse se dilater. Ce gaz de combustion est ensuite forcé à travers une série de roues de turbine les faisant tourner. Ces roues de turbine alimentent à la fois le compresseur du moteur et la boîte de vitesses d'accessoires. Selon le modèle et le fabricant, la plage de régime peut varier d'une plage basse de 20 000 à une plage haute de 51 600.

La puissance est fournie aux systèmes de rotor principal et de rotor de queue par l'intermédiaire de l'unité de roue libre qui est fixée à l'arbre de transmission de puissance de la boîte de vitesses d'accessoires. Les gaz de combustion sont finalement expulsés par une sortie d'échappement. La température du gaz est mesurée à différents endroits et est référencée différemment par chaque fabricant. Certains termes courants sont : la température inter-turbine (ITT), la température des gaz d'échappement (EGT) ou la température de sortie de la turbine (TOT). TOT est utilisé tout au long de cette discussion à des fins de simplicité.

Transmission 

Le système de transmission transfère la puissance du moteur au rotor principal, au rotor de queue et à d'autres accessoires dans des conditions de vol normales. Les principaux composants du système de transmission sont la transmission du rotor principal, le système d'entraînement du rotor de queue, l'embrayage et l'unité de roue libre. L'unité de roue libre, ou embrayage autorotatif, permet à la transmission du rotor principal d'entraîner l'arbre d'entraînement du rotor de queue pendant l'autorotation. Les transmissions d'hélicoptère sont normalement lubrifiées et refroidies avec leur propre alimentation en huile. Une jauge visuelle est fournie pour vérifier le niveau d'huile. Certaines transmissions ont des détecteurs de copeaux situés dans le puisard. Ces détecteurs sont câblés à des voyants d'avertissement situés sur le tableau de bord du pilote qui s'allument en cas de problème interne. Certains détecteurs de copeaux sur les hélicoptères modernes ont une capacité de « combustion » et tentent de corriger la situation sans intervention du pilote. Si le problème ne peut pas être corrigé par lui-même, le pilote doit se référer aux procédures d'urgence de cet hélicoptère particulier. 

Système de rotor principal 

Le système de rotor est la partie rotative d'un hélicoptère qui génère de la portance. Le rotor se compose d'un mât, d'un moyeu et de pales de rotor. Le mât est un arbre métallique cylindrique qui s'étend vers le haut depuis et est entraîné, et parfois soutenu, 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 un certain nombre de 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 : rigide, semi-rigide ou entièrement articulé.

Système de rotor rigide 

Le plus simple est le système de rotor rigide. Dans ce système, les pales du rotor sont fixées de manière rigide au moyeu du rotor principal et ne sont pas libres de glisser d'avant en arrière (traînée) ou de monter et descendre (flap). Les forces tendant à faire agir les pales du rotor sont absorbées par les propriétés flexibles de la pale. Le pas des pales, cependant, peut être ajusté par rotation autour de l'axe d'envergure via les charnières de mise en drapeau.

Système de rotor semi-rigide 

Le système de rotor semi-rigide de la figure utilise une charnière oscillante au point de fixation de la lame. Bien qu'elle soit empêchée de glisser d'avant en arrière, la charnière oscillante permet aux lames de battre de haut en bas. Avec cette charnière, lorsqu'une lame se relève, l'autre se replie.

Le battement est causé par un phénomène connu sous le nom de dissymétrie de portance. Lorsque le plan de rotation des pales du rotor est incliné et que l'hélicoptère commence à avancer, une pale qui avance et une pale qui recule s'établissent (sur les systèmes bipales). La vitesse relative du vent est plus grande sur une pale qui avance que sur une pale qui recule. Cela provoque le développement d'une plus grande portance sur la lame qui avance, la faisant se lever ou battre. Lorsque la rotation de la lame atteint le point où la lame devient la lame qui recule, la portance supplémentaire est perdue et la lame se rabat vers le bas.

Système de rotor entièrement articulé 

Les systèmes de pales de rotor entièrement articulés fournissent des charnières qui permettent aux rotors de se déplacer d'avant en arrière, ainsi que de haut en bas. Ce mouvement d'avance, de traînée ou de chasse, comme on l'appelle, est une réponse à l'effet Coriolis lors des changements de vitesse de rotation. Au début de la rotation, les pales tardent jusqu'à ce que la force centrifuge soit pleinement développée. Une fois en rotation, une réduction de vitesse amène les pales à diriger le moyeu du rotor principal jusqu'à ce que les forces s'équilibrent. Les fluctuations constantes de la vitesse des pales du rotor font que les pales « chassent ». Ils sont libres de le faire dans un système entièrement articulé car ils sont montés sur la charnière de traînée verticale.

Une ou plusieurs charnières horizontales assurent le battement sur un système de rotor entièrement articulé. De plus, la charnière de mise en drapeau permet des changements de pas de pale en permettant une rotation autour de l'axe d'envergure. Divers amortisseurs et butées peuvent être trouvés sur différentes conceptions pour réduire les chocs et limiter les déplacements dans certaines directions. La figure montre un système de rotor principal entièrement articulé avec les caractéristiques décrites.

Il existe de nombreuses conceptions et variations sur les trois types de systèmes de rotor principal. Les ingénieurs recherchent continuellement des moyens de réduire les vibrations et le bruit causés par les pièces rotatives de l'hélicoptère. À cette fin, l'utilisation de paliers en élastomère dans les systèmes de rotor principal est en augmentation. Ces roulements en polymère ont la capacité de se déformer et de reprendre leur forme d'origine. En tant que tels, ils peuvent absorber les vibrations qui seraient normalement transmises par des roulements en acier. Ils ne nécessitent pas non plus de lubrification régulière, ce qui réduit l'entretien.

Certains rotors principaux d'hélicoptères modernes ont été conçus avec des flexions. Ce sont des moyeux et des composants de moyeu qui sont fabriqués à partir de matériaux composites avancés. Ils sont conçus pour reprendre les efforts de chasse de lame et de dissymétrie de portance par flexion. Ainsi, de nombreuses charnières et roulements peuvent être éliminés du système de rotor principal traditionnel. Le résultat est un mât de rotor plus simple avec moins d'entretien grâce à moins de pièces mobiles. Souvent, les conceptions utilisant des flexions intègrent des appuis en élastomère.

Système anticouple 

Habituellement, les hélicoptères ont entre deux et sept pales de rotor principal. Ces rotors sont généralement constitués d'une structure composite. La grande masse en rotation des pales du rotor principal d'un hélicoptère produit un couple. Ce couple augmente avec la puissance du moteur et tente de faire tourner le fuselage dans le sens opposé. La poutre de queue et le rotor de queue, ou rotor anticouple, contrecarrent cet effet de couple. Contrôlé par des pédales, le contre-couple du rotor de queue doit être modulé lorsque les niveaux de puissance du moteur sont modifiés. Cela se fait en modifiant le pas des pales du rotor de queue. Ceci, à son tour, modifie la quantité de contre-couple et l'avion peut être tourné autour de son axe vertical, permettant au pilote de contrôler la direction à laquelle l'hélicoptère fait face.

Semblable à un stabilisateur vertical sur l'empennage d'un avion, un aileron ou un pylône est également une caractéristique commune sur les giravions. Normalement, il supporte l'ensemble du rotor de queue, bien que certains rotors de queue soient montés sur le cône de queue de la flèche. De plus, un élément horizontal appelé stabilisateur est souvent construit au niveau du cône de queue ou sur le pylône.

Un Fenestron® est une conception unique de rotor de queue qui est en fait un ventilateur canalisé multipale monté dans le pylône vertical. Il fonctionne de la même manière qu'un rotor de queue ordinaire, fournissant une poussée latérale pour contrer le couple produit par les rotors principaux. 

Un système anticouple NOTAR® n'a pas de rotor visible monté sur la poutre de queue. Au lieu de cela, un ventilateur réglable entraîné par le moteur est situé à l'intérieur de la poutre de queue. NOTAR® est un acronyme qui signifie « sans rotor de queue ». Lorsque la vitesse du rotor principal change, la vitesse du ventilateur NOTAR® change. L'air est évacué par deux longues fentes sur le côté droit de la poutre de queue, entraînant le lavage du rotor principal pour épouser le côté droit de la poutre de queue, provoquant à son tour un écoulement laminaire et une basse pression (effet Coanda). Cette basse pression provoque une force opposée au couple produit par le rotor principal. De plus, le reste de l'air du ventilateur est envoyé à travers la poutre de queue vers un évent sur le côté arrière gauche de la flèche où il est expulsé. Cette action vers la gauche provoque une réaction opposée vers la droite, qui est la direction nécessaire pour contrer le couple du rotor principal.

Les contrôles 

Les commandes d'un hélicoptère diffèrent légèrement de celles que l'on trouve dans un avion. Le collectif, actionné par le pilote avec la main gauche, est tiré vers le haut ou poussé vers le bas pour augmenter ou diminuer l'angle d'attaque sur toutes les pales du rotor simultanément. Cela augmente ou diminue la portance et déplace l'avion vers le haut ou vers le bas. La commande des gaz du moteur est située sur la poignée à l'extrémité du collectif. Le cyclique est le « manche » de commande situé entre les jambes du pilote. Il peut être déplacé dans n'importe quelle direction pour incliner le plan de rotation des pales du rotor. Cela amène l'hélicoptère à se déplacer dans la direction dans laquelle le cyclique est déplacé. Comme indiqué, les pédales commandent le pas des pales du rotor de queue, équilibrant ainsi le couple du rotor principal. Les figures illustrent les commandes trouvées dans un hélicoptère typique.