Document Word (370 Ko)

Un hélicoptère est équipé d’une voilure tournante qui lui permet d’assurer à la fois sa
portance et sa propulsion. Le rotor principal agit en ce sens. Il est contrôlé selon les trois axes
par différents organes :
- le rotor de queue permet de contrôler le lacet et également de contrer le couple
engendré par le rotor principal ;
- le rotor principal via le plateau cyclique va lui contrôler l’appareil en tangage et en
roulis.
Stabilité longitudinale et plateau cyclique :
La notion de pas est primordiale pour les hélicoptères : on distingue un pas cyclique et
un pas collectif. La poussée du rotor est fonction de sa vitesse de rotation, de sa géométrie et
du coefficient de portance des pales. Pour un appareil classique, la géométrie du rotor est
propre au modèle de l’hélicoptère, et la vitesse de rotation fournie par la turbine est constante.
Ainsi c’est le coefficient de portance des pales qui, en augmentant ou diminuant, va permettre
la montée ou la descente de l’appareil. En d’autres termes c’est le pas collectif β qui agit sur le
Cz (pour des pales à profil symétrique, aux faibles valeurs de β, on a : Cz = 0,12* β). Le pas
collectif est souvent appelé simplement pas ou pas général.
Lorsque le pilote veut agir sur le tangage ou le roulis, il actionne en fait le plateau
cyclique. Ce dernier est constitué de deux couronnes superposées, coulissant légèrement
autour du mât du rotor principal selon une petite liaison rotule. Le mât se termine par un
moyeu auquel sont fixées les pales. La couronne du bas est fixe par rapport à l’hélicoptère, et
celle du haut est en rotation avec le mât. Un roulement assure le contact des deux couronnes.
Il parait clair maintenant que la couronne du haut (tournant à la même vitesse que les pales)
va transmettre les ordres de commande aux pales, et celle du bas (fixe) va recevoir les ordres
de commande du pilote via des servos en trois points : un pour le pas collectif β, un pour le
tangage β’, un pour le roulis β’’. β’ et β’’ sont des pas cycliques.
1 : couronne fixe (bleu)
4 : commande en roulis
6 : bielles de pas vers les deux pales
2 : couronne mobile (argent)
5 : commande en tangage
8 : bielle de pas cyclique combiné vers les
3 : roulement
7 : commande de pas
pales
La stabilité longitudinale ou en tangage est donc assurée par le plateau cyclique.
Supposons que l’hélicoptère ait à s’incliner plus vers l’avant (pour accélérer ou se stabiliser).
Il faut nécessairement que la portance engendrée par la pale arrière augmente, et celle
engendrée par la pale avant diminue. Du fait du retard de réaction des pales en rotation (effet
gyroscopique), il faut créer l’impulsion 90° avant le point où l’on désire que la pale change de
position. Ainsi le pilote agit sur le manche, l’ordre de commande est relayé par des servos
jusqu’à la commande en tangage qui incline la gauche du plateau cyclique vers le bas et donc
90° plus tard (à l’avant) le pas cyclique β’ diminue, et la portance chute. L’effet est opposé à
l’arrière. En conclusion le disque rotor s’incline vers l’avant. Il est possible d’assimiler le pas
cyclique β’ (idem pour β’’) à une correction propre à chaque pale, par rapport au pas collectif
qui est maintenu constant en considérant l’ensemble du disque rotor.
Le dessin ci-dessus montre également que la portance locale est différente de la
portance moyenne de la pale, et que la portance locale varie selon sa longueur. Pour simplifier
un peu on parle presque toujours de la portance moyenne d’une pale.
Enfin il faut noter que le plateau cyclique est également crucial pour le bon
fonctionnement de la pale avançante, et de la pale reculante. Leur incidence respective doit
être absolument différente : celle de la pale avançante est plus faible que celle de la pale
reculante. Cette dernière a un risque de décrochage dit « décrochage dynamique », alors que
la pale avançante est soumise à un régime transsonique. C’est d’ailleurs cet effet qui limite la
vitesse d’avance des hélicoptères en vol.
Les traînées :
Le fuselage et la structure (mât et patins) sont soumis à une traînée globale composée
d’une traînée de pression et une traînée de frottement. Les pales des rotors doivent contrer
également la traînée aérodynamique (pression et frottement) causée par les filets d’air, d’où
l’importance du choix du ou des profils pour les pales. Comme il sera expliqué plus loin dans
ce rapport (partie D.2.), à la différence des avions où l’aile est bâtie selon un profil extrapolé,
les pales d’hélicoptères peuvent avoir trois profils différents extrapolés aussi. La traînée
aérodynamique des pales est compensée par le couple moteur. Ainsi en vol d’avance,
l’assiette de l’hélicoptère donne la composante horizontale de la poussée permettant de
vaincre la traînée globale du fuselage et de la structure.
Les polaires :
Chaque profil de pale a une polaire associée. La recherche d’une finesse avantageuse
est importante, mais pour les hélicoptères le concept de stabilité de la polaire sur quelques
degrés l’est aussi. En effet le pas cyclique varie sans cesse et une polaire dont le Cz est
acceptable à β et à peu près constant jusque β’ et β’’ est très appréciable.
Le vrillage et le bruit
Le vrillage α d’une pale est très important. Il permet de conserver un nombre de
Reynolds constant le long de la pale. L’emplanture doit être plus vrillée que l’extrémité. La
raison est expliquée dans la suite du rapport (cf. partie D.2.).
Une voilure tournante possède un inconvénient majeur : une signature acoustique
bruyante. Ceci est dû au caractère instationnaire et turbulent de l’écoulement autour des pales.
La pale qui arrive au contact du sillage de la précédente traverse les tourbillons ce qui
implique un accroissement du niveau sonore. On peut logiquement penser qu’un rotor
composé de deux pales seulement est alors un bon compromis, mais cela augmente la charge
par pale et donc le niveau sonore ne diminue pas. Une solution est le développement des pales
actives, dont le principe est le suivant :
Grâce à des gouvernes actives, il est possible de faire varier les portances locales de
façon optimale en fonction du temps à l'aide de volets de bord de fuite... L'objectif est de faire
en sorte que les tourbillons soient moins intenses et passent plus loin de la pale suivante.