Quelques notions

Principe de fonctionnement de l'hélicoptère

Notion de base :

L’hélice de l’avion assure une traction, elle "tire" l’avion en se vissant dans l’air comme une vis dans du bois. Au décollage, lorsque l’avion va assez vite, son aile génère une portance qui lui permet de voler
“La portance est une fleur qui nait de la vitesse”
Le rotor de l’hélicoptère est à la fois l’aile et l’hélice. Il assure traction ET portance en tournant.

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Les forces en présence

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Eclaté de Bell 47

Le principe du vol

Le rotor est entrainé en rotation par un groupe moto-propulseur, constitué d’un moteur (à pistons ou turbine), d’un embrayage et d’un réducteur aussi appelé BTP (boitier de transmission principal)

Image © GWM Westland

Comme pour l’hélice, le rotor exerce sur l’air un couple dû à son mouvement. L’air en retour (principe action = réaction) exerce un autre couple d’intensité égale mais de sens opposé.
Imaginez que vous perciez un mûr avec une perceuse de 1000 Cv. Vous tournerez avec la perceuse.
C’est ce qui se passe avec le rotor principal. Pour permettre le vol on dispose généralement à l’arrière un rotor anti-couple (ou rotor de queue). Si ce système est le plus courant, on utilise parfois d’autre moyen comme le fenestron (Gazelle) ou un puissant jet d’air (Hughes 500 notar) ou bien 2 rotors contra rotatif sur 2 axes séparés (banane volante Piasecki) ou sur le même axe (Kamov).

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Le rotor anti couple consomme en viron 10% de la puissance moteur. Il est bruyant, il est dangereux, il est sensible au vent de travers, il est couteux, il est fragile. Toutes ces raisons font que les constructeurs cherchent à l’optimiser et/ou si possible l’éviter.

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Pour évoluer dans toutes les directions, le pilote incline le disque rotor dans la direction choisie.

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Le pilote dispose de trois commandes :

• Le palonnier manipulé par les pieds qui contrôle l’axe de lacet c’est à dire le pas du rotor anti couple
  
• Le manche à balais ou cyclique qui contrôle les axes de tangage et de roulis
  
• Enfin le pas général ou collectif situé à gauche du pilote qui contrôle le moteur et le pas des pales.
  
  
  Les commandes de vol et leurs actions
  
  Le principe de l’anti couple.
  

  

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Pour contrôler les organes mécaniques de sa machine, le pilote dispose d’instruments disposés sur une console. Il indiquent par exemple l’altitude, la vitesse, la régime du moteur et du rotor, les couples de ces derniers, la radio...

Concernant l’anticouple, il est utilisé en permanence par le pilote, à chaque variation de régime du rotor principal le pilote doit effectuer une correction sur l’axe de lacet (anticouple), comme par exemple lors du décollage. L’efficacité de cet organe est fondamentale car les capacités de vol d’un hélicoptère peuvent être limitées par vent de travers du fait de l’anticouple, le pilote risque en effet de se retrouver ’en butée’ (commande braquée au maximum) !

Enfin, en vol rectiligne stabilisé, le pilote veille à la symétrie de son vol grâce à un petit brin de laine fixé sur le Plexiglas de la cabine, en agissant sur l’axe de lacet. On retrouve ce petit ustensile sur les planeurs pour les même raisons !

Le rotor

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Vous l’avez compris, tout le principe du vol de l’hélicoptère est basé sur cette ’aile en hélice’. Tout le problème consiste à assurer la portance nécessaire au vol, mais aussi les la possibilité de diriger précisément l’hélico. Il ne faut pas oublier qu’une pale même légère (quelques kilos), est soumise à des efforts très importants durant le vol (l’équivalent de plusieurs ’tonnes’), et qu’elle doit donc être solide mais en même temps rester souple !

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La principale difficulté est de ’transmettre’ au rotor les ’ordres’ mécaniques donnés par le pilote. Or si le rotor tourne, pas les commandes ! On utilise pour ce faire un système de plateaux tournants, le plateau inférieur est incliné ou déplacé suivant l’axe du rotor par les commandes, il transmet ces mouvements au plateau supérieur auquel il est lié. Seulement, le plateau supérieur est lié aux biellettes qui commandent le mouvement des pales !

Maintenant que l’on sait commander le rotor, on s’aperçoit en vol que pour des raisons de phénomène mécaniques (précession gyroscopique notamment), il faut assurer au niveau du pied de pale des articulations sans quoi le rotor est sa tête sont complètement rigides et cassent à la première sollicitation ! Elles sont au nombre de trois : articulation de : pas, traînée, et battement . Sur les rotors de technologie ancienne, on assure ces articulation à l’aide de pièces métalliques reliées entre-elles par des roulement à billes.

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Cette technologie tend à disparaître, elle est lourde, chère, et nécessite une maintenance importante (lubrifications...). On tend à la remplacer par une technologie faisant appel aux matériaux composites qui assurent les articulations grâceà leur flexibilité naturelle !

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Image d’une tête de rotor "Starflex" c’est à dire en composite qui équipe les écureuils par exemple. Notez aussi les deux plateaux cycliques et leurs vérins de commande.

Image © Eurocopter

Schéma de principe de la tête "Starflex"

Image © Eurocopter

Vues éclatées de pale de tecnologie ancienne. Les pales d’aujourd’hui sont réalisées entièrement en fibres composites.

Image © Eurocopter

Schéma de principe et réalisation d’un plateau cyclique.

La BTP

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Vue d’une BTP éclatée

Image © Eurocopter

Très bel éclaté en 3D d’une BTP d’une Alouette II. Notez la complexité de l’ensemble.

Schéma de principe de la BTP

Les moteurs

Pour entraîné le ou les rotors, on utilise le puissance délivrée par un ou des moteurs. Ces derniers sont dits à combustion internes et sont de deux technologie : à piston ou à turbine.

Dans le cas d’un moteur à piston, essence ou diesel (sachant qu’on ne trouve quasiment que de des moteurs à essence (100 LL)), le moteur brûle un mélange air-essence qui en s’enflammant expulse le piston vers le bas moteur, et fait ainsi tourner le vilebrequin (arbre qui relie tous les pistons). Les pistons montants et descendant chacun alternativement suivant un cycle bien établit, on obtient un mouvement de rotation régulier du vilebrequin qui entraîne alors la BTP.

Voici le schéma d’un moteur 4 cylindres - 4 temps :

Image © Edition Atlas

Vilebrequin : 17 - Piston : 22 - Soupapes : 3 - Arbre à cames : 10.

Voici en coupe le fonctionnement d’UN piston, ce cycle mécanique est basé sur le cycle thermique Beau de Rochas qui en découvrit le principe. Il se déroule en 4 temps :

Admission-compression-détente-échappement :


On voit bien ici le mouvement alternatif des soupapes entraînées par l’arbre à cames.

Voici donc pour les principes DE BASE.

Pour les turbines, on utilise aussi la transformation de l’énergie chimique d’un carburant en énergie mécanique par un principe cycle thermique - puissance mécanique. Ici la combustion du carburant le kérosène (un genre de fioul, moins ’pure’ que l’essence) fait tourner des aubes de turbines qui entraînent la BTP. La turbine est plus puissante et moins encombrante qu’un moteur à piston mais elle coûte plus cher et consomme plus. Une turbine moyenne tourne à 25.000 trs/min, elle est donc très bruyante, mais elle est aussi plus fiable car ne risque pas le ’serrage’ (blocage des pistons par manque d’huile ou surchauffe).

Image © Turboméca

Image © Turboméca

Image © Turboméca

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Superbe coupe d’une turbine. On retrouve le compresseur, la chambre de combustion et la turbine.