Hélicoptère - Définition et Explications

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Introduction

Hélicoptère de secours Eurocopter EC-145 de la Garde aérienne suisse de sauvetage (REGA)

Un hélicoptère est un aéronef à voilure tournante dont le ou les rotors procurent à eux seuls la propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant....) et la sustentation pendant toutes les phases du vol.

Le rotor dit de sustentation, dont l'axe est sensiblement vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en...), est une sorte de grande hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme...) à pas variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...), et comporte de deux à huit surfaces aérodynamiques appelées pales, qui servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) à déplacer l'appareil à la fois dans les plans verticaux et horizontaux.

Comparé aux aéronefs classiques à ailes fixes, l'hélicoptère (Un hélicoptère est un aéronef à voilure tournante dont le ou les rotors...) est d'une conception plus complexe, il est plus onéreux à l'achat et à l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.), reste relativement lent, possède un rayon d'action réduit et ne peut pas emporter de très lourdes charges. En revanche, il est beaucoup plus maniable, peut voler dans toutes les directions (ascension verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...) ou vol à reculons) et permet le vol stationnaire.

Bell (Bell Aircraft Corporation est un constructeur aéronautique américain fondé le 10 juillet 1935....) 206B Jet Ranger III au décollage (Le décollage est la phase transitoire pendant laquelle un aéronef passe de l'état...)

Étymologie

Le mot hélicoptère a été inventé par Gustave Ponton d'Amécourt, à partir du grec helikos (hélice) et pteron (aile). Ce terme est apparu pour la première fois le 3 août 1861 dans une demande de brevet déposée en Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni....), puis le 16 juillet 1862 dans le certificat d'addition (L'addition est une opération élémentaire, permettant notamment de décrire la...) au brevet 49.077 initialement déposé le 3 avril 1861 en France. Cet inventeur construisit avec Gabriel de La Landelle un petit prototype d'hélicoptère à moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) à vapeur (), dont la chaudière (Une chaudière est un appareil (voire une installation industrielle, selon sa puissance),...) fut une des premières utilisations de l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....).

Technique

Les différentes formules de rotors

Un Kamov Ka-50 (Le Kamov Ka-50 est un hélicoptère de combat russe. C'est actuellement le seul à...) utilisant deux rotors de sustentation coaxiaux
Un Bristol type 192 Belvedere utilisant des rotors de sustentation dits « en tandem »

Il existe plusieurs formules de construction d'hélicoptères. Le premier à breveter un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) qui l'utilisait a été l'allemand Heinrich Focke. Il est composé de deux parties essentielles :

  • le rotor principal (Le rotor principal est l'élément composé de plusieurs pales qui par sa rotation permet la...), dont l'axe est vertical, assure la sustentation (la portance venant de la vitesse (On distingue :) de rotation et de l'incidence des pales), le vol en translation dans toutes les directions : verticale, longitudinale (avant, arrière) et latérale. Il assure également le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) d'attitude en tangage et en roulis de l'hélicoptère
  • le rotor de queue ou rotor anti-couple (Le rotor anticouple est un rotor auxiliaire de petite taille situé à l'arrière d'un...), appelé habituellement RAC par les pilotes d'hélicoptère, dont l'axe est sensiblement horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la...). Il empêche l'hélicoptère de tourner sur lui-même lorsque le rotor principal tourne et permet d'assurer le contrôle en lacet. Le premier qui utilisa ce dispositif pour son appareil fût le Russe Yuriev en 1912. Voir voilure tournante (La voilure est l'élément sustentateur d'un aérodyne. Elle peut être fixe (aile d'avion) ou...)

Voici quelques autres formules de construction d'hélicoptères :

  • avec deux rotors de sustentation en tandem (l'un derrière, l'autre à l'avant) leur principal promoteur a été l'Américain Frank Piasecki. Ce système dans lequel les rotors tournent en sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) permet d'annuler le couple de réaction du rotor sur la cellule.
  • avec deux rotors de sustentation coaxiaux (tournant autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du même axe) comme les appareils du constructeur russe Kamov (Kamov (en russe ?????) est une société par actions de droit russe Kamov JSC (Joint Stock Company)...) ou les prototypes Bréguet. Les hélicoptères Pescara (Pescara est une ville de 120 000 habitants, au centre d'une zone métropolitaine de 400 000...) à partir de 1919 répondent à cette caractéristique définie en 1862 par Ponton d'Amécourt et les Larousse de 1922 à 1940. Cette configuration coaxiale est certes complexe, mais permet une très grande stabilité de vol en stationnaire ou à basse vitesse et un encombrement de rotor réduit, ce qui explique son succès auprès des entreprises de travaux aériens lourds qui utilisent fréquemment des hélicoptères russes Kamov.
  • avec des rotors de sustentation dits « engrenants », dont la rotation est synchronisée de manière que leurs pales se croisent sans se toucher (Le toucher, aussi appelé tact ou taction, est l'un des cinq sens de l'homme ou de l'animal,...) pendant la rotation, comme les machines du constructeur allemand Anton Flettner, reprises par l'Américain Kaman (Kaman est une société américaine créée en 1945 par le pionnier de l'aéronautique Charles H....) réalisateur du K-Max (Hélicoptère monoplace à rotors engrenants spécialisé dans le transport de charges à...), qui de par leur conception font également l'économie d'un rotor anti-couple.

La boîte de transmission principale (La boîte de transmission principale (BTP) est un ensemble mécanique transmettant sur un...) (BTP)

Cette boîte de transmission, élément primordial de l'hélicoptère, permet la transmission de la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) des moteurs vers le rotor principal, ainsi que vers le rotor anti-couple (RAC). Elle est dimensionnée pour répondre à plusieurs contraintes mécaniques :

  • réduction de vitesse (entre la prise de mouvement « entrée » et « sortie »)
  • alimentation des accessoires
  • renvoi d'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...).

Elle est composée généralement de plusieurs engrenages appelés planètes et satellites (Satellite peut faire référence à :) permettant de réduire les vitesses de rotation de sortie moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) (plusieurs dizaines de milliers de tours par minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un...) pour les moteurs à turbine) et de transmettre la puissance au rotor principal (généralement aux alentours de 200 à 400 tr/min selon le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) rotor) ainsi qu'au RAC. Cette transmission de puissance est assumée par des engrenages (droits, hélicoïdaux, trains épicycloïdaux…). Au regard du couple transmis et des spécificités d'utilisation, le graissage est fait sous pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) et refroidi par radiateur. La BTP comporte également une ou plusieurs roues libres, pour désolidariser le rotor du moteur pour le démarrage et aussi en cas de panne ou pour permettre l'autorotation sans frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement...). La roue libre (Un système mécanique peut fonctionner en roue libre, s'il est capable d’interrompre...) est du type à galets : les galets sont coincés entre l'arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en...) menant à facettes et l'anneau extérieur de roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par...) libre. Afin d'assurer une transmission de mouvement sans à-coups, un système à ressort plaque les galets contre l'anneau extérieur. Certains constructeurs prévoient un système de décrabotage qui permet de décoincer les galets de façon permanente : cela permet d'alimenter les accessoires sans entrainer les rotors arrière et principal. Les accessoires fixés sur la BTP sont généralement ceux qui ont besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) mécanique : la ou les pompes hydrauliques, le ou les alternateurs, un entrainement pour le ventilateur (circuit de refroidissement huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à...) BTP)…

Le rotor principal

Les pales du rotor principal sont généralement entraînées par le moteur au moyen d'une boîte de transmission, appelée par son sigle BTP (boîte de transmission principale). Cependant on a aussi essayé d'utiliser la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de réaction des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) d'échappement en extrémité des pales comme sur le Djinn.

Vol stationnaire

Elles ont un profil asymétrique ou symétrique et agissent en rotation suivant le même principe que les ailes d'un avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale...). Le rotor tournant toujours à vitesse angulaire (En physique, et plus spécifiquement en mécanique, la vitesse angulaire ω, aussi appelée...) constante, c'est la variation de l'angle d'incidence des pales (angle formé entre la corde de la pale (Une pale d'hélice (avion) ou de rotor (hélicoptère) est une surface portante en...) et le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...) relatif) qui provoque une modification du comportement du rotor, et par conséquent de la position de l'aéronef (Un aéronef est un moyen de transport capable d'évoluer au sein de l'atmosphère...). Pour cabrer par exemple, il faut que le rotor ait un moment à cabrer. On modifie donc l'incidence de la pale de sorte que la portance de celle-ci soit maximale au passage à l'avant de l'appareil, et minimale à l'arrière de l'appareil. L'incidence de la pale varie donc de manière sinusoïdale en effectuant un tour rotor. Cette variation d'incidence est réalisable dans n'importe quelle direction. Elle est contrôlée par le pilote à l'aide du manche cyclique (l'équivalent du manche à balai sur un avion. L'autre manière de contrôler l'incidence des pales est réalisée au moyen de la commande de pas général (aussi appelée pas collectif) tenue par la main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à...) gauche du pilote. Cette variation d'incidence est identique sur chacune des pales (modification générale de l'incidence - appelé ou encore le pas - des pales) et permet de contrôler la portance générale générée par le rotor (pour prendre de l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...) ou descendre).

Le rotor de queue

L'entraînement du rotor principal entraîne un couple de réaction qui a tendance à faire tourner la cellule autour de lui et en sens inverse (3e loi de Newton), sauf dans le cas d'un rotor mû par réaction (voir hélicoptère Djinn, à éjection d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) en bout de pale). Pour contrer cet effet indésirable, on place (pour les hélicoptères à un seul rotor principal), à l'extrémité de la poutre de queue (La poutre de queue est la partie d'un hélicoptère à l'extrémité de laquelle est disposé le...) un rotor secondaire plus petit et tournant dans un plan sensiblement vertical appelé rotor anti-couple (la présence de ce RAC est inutile sur un hélicoptère à principe contrarotatif (ex. : Kamov), c'est-à-dire constitué de deux rotors principaux l'un au-dessus de l'autre et tournant en sens opposés, annulant ainsi l'effet de couple. Le couple de réaction variant en fonction de l'incidence des pales du rotor principal (la résistance au vent est d'autant plus grande que l'angle que forme celui-ci avec la corde des pales augmente), la force à appliquer doit elle aussi pouvoir être réglée par l'intermédiaire du rotor anti-couple qui est commandé par deux pédales (le palonnier) situées aux pieds du pilote. Selon le sens dans lequel le pilote agit sur le palonnier (enfoncement de la pédale gauche ou de la pédale droite) il augmente l'incidence des pales du RAC, ce qui va davantage contrer le couple du rotor principal (« tirer » la queue), ou il diminue cette incidence et qui aura pour effet de laisser « filer » celle-ci. Le mouvement de giration en vol stationnaire est commandé à l'aide du palonnier. Selon que le rotor principal tourne dans le sens horaire comme sur les hélicoptères de conception française, soviétique et russe; ou en sens anti-horaire comme c'est le cas des hélicoptères de conception américaine, britannique, italienne (Italienne est le nom communément utilisé pour le cordage servant a manœuvrer un enrouleur....) ou allemande (avant la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) entre la Deutsche Aerospace AG et Aérospatiale (L'aérospatiale (nom commun féminin singulier) est une discipline scientifique qui...) pour créer le groupe Eurocopter), le rotor anti-couple sera situé d'un côté ou de l'autre de la poutre de queue ou bien son souffle sera dirigé dans un sens ou dans l'autre, s'il est encastré dans un fenestron.

Schéma du système NOTAR (Le NOTAR (NO TAil Rotor) est une formule de dispositif anti-couple pour hélicoptères mise au...)

Le rotor anti-couple conventionnel peut être remplacé pour des questions de sécurité par le système NOTAR (pour NO TAil Rotor) qui effectue la même action au travers d'une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...) entraînée par le moteur soufflant dans la queue de l'air éjecté par des fentes (McDonnell Douglas MD-520N). Cette solution possède néanmoins l'inconvénient de ne pas atteindre l'efficacité d'un RAC de conception plus classique. Une autre solution, afin d'éviter l'emploi d'un rotor anti-couple, consiste à placer un deuxième rotor principal à l'arrière et tournant à l'inverse du premier et qui contre le couple de celui-ci (Boeing CH-47 Chinook). Une troisième possibilité consiste à utiliser deux rotors l'un au-dessus de l'autre et tournant aussi en sens inverse, appelé rotor contra-rotatif, chacun annulant le couple de réaction de l'autre (Kamov Ka-50) ou encore deux rotors contrarotatifs engrenants situés côte-à-côte sur des mâts rotor en V comme sur le Flettner Fl 282 Kolibri (Le Flettner Fl 282 Kolibri était un hélicoptère de reconnaissance et d’observation...) ou le K-Max de Kaman.

Pour déplacer l'hélicoptère dans une direction ou une autre, on bascule (Une bascule ou un basculeur est un circuit intégré logique doté d'une sortie et d'une ou...) légèrement la composante de portance du rotor principal dans la direction souhaitée. La force de sustentation, perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) au plan formé par le rotor en rotation vu de côté et auparavant verticale, va donc être inclinée et « tirer » l'hélicoptère dans le sens désiré. Ceci est obtenu en augmentant de façon sélective l'incidence des pales : celle qui aura une incidence plus grande aura aussi une portance plus importante et aura tendance à se soulever par rapport aux autres, provoquant par là l'inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un...) du rotor.

Vol en translation

Pour une pale donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...), au cours de sa rotation, son incidence va donc varier d'un angle donné au départ pour augmenter puis revenir à cette même valeur quand la pale aura terminé un tour complet. Puisqu'à chaque tour les pales connaîtront une modification de leur incidence de façon récurrente, on nomme ces changements d'état la variation cyclique et c'est pour cette raison que la commande qui provoque ces modifications est appelée commande de pas cyclique et tenue par la main droite du pilote (voir plateau cyclique). En complément, la force de sustentation ainsi inclinée garde la même valeur et voit sa composante verticale, servant effectivement à la sustentation de l'aéronef, diminuer ce qui provoque un enfoncement de celui-ci. Ceci est compensé en augmentant légèrement l'incidence générale des pales (main gauche), action qui demandera aussi une correction au niveau du palonnier.

Les pales sont de plus animées de deux types de mouvements au cours d'une rotation complète du rotor : le battement (En acoustique, le battement est une interférence entre deux sons de fréquences...) (flapping en anglais dans le sens vertical) et la traînée (En mécanique des fluides, la traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un...) (lead/lag en anglais) dans le sens horizontal. Il s'agit de déplacements angulaires de la partie courante de la pale par rapport au pied de pale qui est fixé au niveau du moyeu rotor. Ces mouvements sont dus aux forces aérodynamiques s'exerçant pendant le vol d'avancement : la dissymétrie de portance est la différence de portance qui existe entre la moitié avançante du disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une...) rotor et la moitié reculante. Elle provient du fait que dans la direction du vol, le vent relatif s’ajoute au vent relatif rotatoire de la pale avançante et se soustrait de la pale reculante. La pale qui passe la queue et qui avance du côté droit de l’hélicoptère possède une vitesse air qui atteint son maximum sur la position 3h de l’horloge. Lorsque la pale continue, la vitesse air est essentiellement réduite à la vitesse rotatoire de l’air sur le nez (Le nez (du latin nasus) est chez l'homme la saillie médiane du visage située au-dessus de...) de l’appareil. En quittant le nez, la vitesse air décroît progressivement pour atteindre son minimum à 9 heures (L'heure est une unité de mesure  :). La vitesse air ensuite augmente progressivement et atteint de nouveau la vitesse rotatoire en passant sur la queue.(voir photos de l'amortisseur (Un amortisseur est un système destiné à limiter voire supprimer les oscillations d'un objet ou...) entre les pales dans l'article plateau cyclique). Pour éviter une rupture de la pale aux points sollicités en flexion, celle-ci est équipée d'articulations et de butées ou amortisseurs spéciaux. Les pales modernes en matériau composite (Le matériau composite est un assemblage d'au moins deux matériaux non miscibles (mais...) s'affranchissent de ces articulations. Le premier hélicoptère sans articulations fut le Bo 105 (Le Bo 105 est un hélicoptère léger bimoteur polyvalent allemand développé à partir de 1961...) de Ludwig Bölkow.

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