Hélicoptères

Le fait que l’hélicoptère obtienne sa puissance de sustentation au moyen d’un profil aérodynamique rotatif (le rotor) complique grandement les facteurs affectant son vol, car non seulement le rotor tourne, mais il se déplace également de haut en bas dans un mouvement de battement et est affecté par le mouvement horizontal ou vertical de l’hélicoptère lui-même. Contrairement aux profils habituels des avions, les profils des rotors d’hélicoptères sont généralement symétriques. La ligne de corde d’un rotor, comme celle d’une aile, est une ligne imaginaire tracée du bord d’attaque au bord de fuite du profil aérodynamique.

Le vent relatif est la direction du vent par rapport au profil aérodynamique. Dans un avion, la trajectoire de l’aile est fixe par rapport à son vol vers l’avant ; dans un hélicoptère, la trajectoire du rotor avance vers l’avant (vers le nez de l’hélicoptère) puis vers l’arrière (vers la queue de l’hélicoptère) dans le processus de son mouvement circulaire. Le vent relatif est toujours considéré comme étant parallèle et de direction opposée à la trajectoire de vol. Dans le cas d’un vol en hélicoptère, le vent relatif peut être affecté par la rotation des pales, le mouvement horizontal de l’hélicoptère, le battement des pales du rotor, la vitesse et la direction du vent. En vol, le vent relatif est une combinaison de la rotation de la pale du rotor et du mouvement de l’hélicoptère.

Comme une hélice, le rotor a un angle de pas, qui est l’angle entre le plan horizontal de rotation du disque du rotor et la ligne de corde de l’aile. Le pilote utilise la commande de pas collectif et de pas cyclique (voir ci-dessous) pour faire varier cet angle de pas. Dans un avion à voilure fixe, l’angle d’attaque (l’angle de l’aile par rapport au vent relatif) est important pour déterminer la portance. Il en va de même dans un hélicoptère, où l’angle d’attaque est l’angle auquel le vent relatif rencontre la ligne de corde de la pale de rotor.

L’angle d’attaque et l’angle de tangage sont deux conditions distinctes. La variation de l’angle de pas d’une pale de rotor modifie son angle d’attaque et donc sa portance. Un angle de pas plus élevé (jusqu’au point de décrochage) augmente la portance ; un angle de pas plus faible la diminue. Les pales individuelles d’un rotor ont leurs angles de pas réglés individuellement.

La vitesse du rotor contrôle également la portance – plus le nombre de tours par minute (rpm) est élevé, plus la portance est importante. Cependant, le pilote tentera généralement de maintenir un régime rotor constant et modifiera la force de portance en variant l’angle d’attaque.

Comme pour les aéronefs à voilure fixe, la densité de l’air (résultat de la température, de l’humidité et de la pression de l’air) affecte les performances de l’hélicoptère. Plus la densité est élevée, plus la portance sera générée ; plus la densité est faible, moins la portance sera générée. Comme pour les aéronefs à voilure fixe, une variation de la portance entraîne également une variation de la traînée. Lorsque la portance est augmentée en élargissant l’angle de tangage et donc l’angle d’attaque, la traînée augmente et ralentit le régime du rotor. Une puissance supplémentaire sera alors nécessaire pour maintenir le régime souhaité. Ainsi, alors qu’un hélicoptère est affecté comme un aéronef classique par les forces de portance, de poussée, de poids et de traînée, son mode de vol induit des effets supplémentaires.

Dans un hélicoptère, la totalité des forces de portance et de poussée générées par le rotor s’exerce perpendiculairement à son plan de rotation. Lorsqu’un hélicoptère est en vol stationnaire sans vent, le plan de rotation du rotor (le plan de trajectoire de la pointe) est parallèle au sol, et la somme des forces de poids et de traînée est exactement équilibrée par la somme des forces de poussée et de portance. En vol vertical, les composantes du poids et de la traînée sont combinées en un seul vecteur dirigé vers le bas ; les composantes de la portance et de la poussée sont combinées en un seul vecteur dirigé vers le haut. Pour réaliser un vol vers l’avant dans un hélicoptère, le plan de rotation du rotor est incliné vers l’avant. (Il faut comprendre que le mât du rotor de l’hélicoptère ne bascule pas, mais que l’angle de tangage de chacune des pales du rotor dans le plan de rotation varie). Pour un vol latéral, le plan de rotation du rotor est incliné dans la direction souhaitée. Pour un vol vers l’arrière, le plan de la rotation du rotor est incliné vers l’arrière.

Parce que le rotor est motorisé, il y a une réaction de couple égal et opposé, qui tend à faire tourner le fuselage dans une direction opposée au rotor. Ce couple est compensé par le rotor de queue (rotor anticouple) situé à l’extrémité du fuselage. Le pilote contrôle la poussée du rotor de queue au moyen de pédales, neutralisant le couple selon les besoins.

Il existe d’autres forces agissant sur un hélicoptère que l’on ne retrouve pas dans un avion conventionnel. Celles-ci comprennent l’effet de précession gyroscopique du rotor, c’est-à-dire la dissymétrie de la portance créée par le mouvement vers l’avant de l’hélicoptère, ce qui fait que la pale qui avance a plus de portance et la pale qui recule en a moins. Cela se produit parce que la pale qui avance a une vitesse combinée de la vitesse de la pale et de la vitesse de l’hélicoptère en vol avant, tandis que la pale qui recule a la différence entre la vitesse de la pale et la vitesse de l’hélicoptère. Cette différence de vitesse entraîne une différence de portance : la pale qui avance se déplace plus rapidement et génère donc plus de portance. Si cette différence n’était pas contrôlée, l’hélicoptère se mettrait à rouler. Toutefois, la différence de portance est compensée par le battement des pales et par la mise en drapeau cyclique (modification de l’angle de tangage). Comme les pales sont fixées au moyeu du rotor par des charnières à battement horizontal, qui permettent leur mouvement dans un plan vertical, la pale qui avance bat vers le haut, ce qui diminue son angle d’attaque, tandis que la pale qui recule bat vers le bas, ce qui augmente son angle d’attaque. Cette combinaison d’effets égalise la portance. (Les pales sont également fixées au moyeu par une charnière verticale, ce qui permet à chaque pale de se déplacer d’avant en arrière dans le plan de rotation. La charnière verticale amortit les vibrations et absorbe l’effet de l’accélération ou de la décélération). En outre, en vol avant, la position de la commande de pas cyclique provoque un effet similaire, contribuant à l’égalisation de la portance.

Les autres forces qui agissent sur les hélicoptères comprennent la conicité, l’effet de flexion vers le haut des pales causé par la force centrifuge ; l’effet Coriolis, l’accélération ou la décélération des pales causée par le mouvement de battement qui les rapproche (accélération) ou les éloigne (décélération) de l’axe de rotation ; et la dérive, la tendance de la poussée du rotor de queue à déplacer l’hélicoptère en vol stationnaire.