Hélicoptère - Dossier : I) La sustentation

I ) La sustentation de l'hélicoptère

Pas collectif :

L'hélicoptère assure sa sustentation uniquement grâce à son rotor principal. Celui-ci en tournant dévie énormément d'air vers le bas (comme on peut le voir sur les photos) qui en réaction soulève l'appareil.

Les pales sont donc nécessairement très résistantes puisqu'elles soutiennent en vol tout le poids de l'appareil. Leur inclinaison, variable, se commande par l'intermédiaire du levier de pas collectif, situé à gauche du siège du conducteur, qui actionne un plateau tournant sur l'arbre du rotor (voir photo et vidéo).

Le pas d'une pale (noté sur le schéma en page 3) est l'angle formé par la corde avec le plan d'entraînement.

La corde étant le segment de distance maximale entre le point d'angle aigu en fin de pale (bord de fuite) et un point de la zone d'arrivée d'air (bord d'attaque).

Le plan d'entraînement étant le plan perpendiculaire à l'axe du rotor. L'axe du rotor qui contient l'arbre du rotor reste fixe par rapport au fuselage. Dans cette partie le plan d'entraînement et le plan du rotor (plan contenant l'extrémité des pales durant toute la rotation) sont confondus

Le pas collectif correspond à la valeur moyenne du pas que possèdent les pales au cours d'un tour (dans cette partie du dossier, les pales ont toujours un pas égal à cette moyenne). On dit qu'on augmente ou qu'on diminue le pas collectif lorsqu'on augmente ou qu'on diminue d'une même valeur le pas de toutes les pales.

Le décollage de l'hélicoptère se fait en différentes étapes :

D'abord, on lance la rotation du rotor jusqu'à atteindre une vitesse qui restera constante tout au long du vol (entre 300 et 550 tours/min). Le pas collectif est alors nul. L'air circule autour de la pale mais n'est pas chassé vers le bas donc l'hélicoptère ne décolle pas encore.

Ensuite on commence à augmenter le pas collectif, entraînant une déviation de l'air vers le bas d'où une pression plus faible sur le dessus de l'aile (extrados) qu'au-dessous (intrados). Il se produit alors une force de sustentation appelée portance et une force de frottement appelée traînée.

Etude de la portance et de la traînée :

Pour étudier ces deux forces on prend la pale comme référence. Ainsi ce n'est plus la pale qui se déplace dans l'air mais l'air qui se déplace autour de la pale. Deux vents principaux apparaissent ainsi :

Le vent rotor qui est dû à la rotation du rotor. Il a donc une vitesse égale à la vitesse de déplacement de l'élément de pale considéré.

Le vent induit qui est dû au mouvement descendant imprimé à l'air par le rotor. En effet le passage d'une pale provoque un déplacement vers le bas de l'air qui n'a pas le temps de retrouver son état initial avant le passage de la pale suivante. Cette dernière se retrouve donc avec un vent vertical induit. Sa vitesse est inférieure à celle du vent rotor.

La somme vectorielle des ces deux vents est appelée vent apparent . On s'intéresse donc particulièrement à l'angle d'attaque formé par l'axe du vent apparent avec l'axe de la corde.

La traînée à la même direction que alors que la portance est quant à elle dirigée perpendiculairement à .

Les valeurs des forces de portance et de traînée exprimées en Newton sont données par les formules :

P = ½ S Va² Cz T = ½ S Va² Cx

: masse volumique en kg.m^-3 (aux alentours de 1,2 kg.m^-3)
S : surface de l'élément de pale (longueur de corde multipliée par largeur de pale considérée) en m²
Va : valeur de , donc vitesse du vent apparent en m.s^-1
Cz et Cx : coefficient de portance et de traînée sans unité. Ils sont fonctions de la forme de la pale, de la viscosité de l'air et de l'angle d'attaque des pales.

Relation entre angle d'attaque et portance :

La seule façon d'augmenter la portance est donc d'augmenter l'angle d'attaque des pales. Mais il existe une valeur limite à ne pas dépasser si l'on ne veut pas assister au décrochage.

Le décrochage survient lorsque l'air, ne pouvant plus glisser le long de la surface supérieure de la pale, se décolle, créant un vide qui est comblé par de l'air venant à contre-courant. L'écoulement s'en trouve très perturbé, la portance chute alors que la traînée augmente.

Cet angle de décrochage varie selon le type de pales mais se situe en règle générale entre 12° et 18°. Jusqu'à quelques degrés en dessous de cette barre, l'augmentation de la portance peut-être considérée comme proportionnelle à celle de l'angle d'attaque , comme on peut le voir sur ces courbes représentant la portance en fonction de .

On peut aussi étudier cette relation avec le logiciel FoilSim créé par la NASA.

Résultantes verticales et horizontales de la portance et de la traînée :

Maintenant que l'on connaît les origines et les caractéristiques de la portance et de la traînée , on les reporte sur les axes du rotor et verticaux pour plus de simplicité.

L'axe vertical dirige alors la portance résultante ( + ) et l'axe horizontal la traînée résultante ( + ).

On remarque que la portance augmente la traînée résultante et que la traînée diminue la portance résultante. Cela fait partie des contraintes techniques inévitables de l'aérodynamique de l'hélicoptère.

Bilan des forces :

On augmente donc le pas collectif des pales jusqu'à ce que la portance résultante dépasse le poids de l'appareil, ce qui lui permet de décoller. Malheureusement, on augmente aussi ainsi la traînée et c'est la raison pour laquelle il faut augmenter la traction si l'on ne veut pas que le rotor ralentisse.

La traction est la force motrice s'appliquant sur le rotor et qui lui permet de tourner. Elle s'oppose directement à la traînée afin de garantir une vitesse de rotation constante.

Par conséquent le moteur est d'autant plus sollicité que le pas des pales est important. La portance résultante est, elle aussi, le plus souvent égale au poids de l'appareil : elle n'est supérieure ou inférieure que lorsqu'on augmente la vitesse d'ascension ou de descente.

Sur ce schéma on se retrouve avec une portance résultante égale au poids relatif appliqué à l'élément de pale considéré (puisque le poids se répartit sur l'ensemble des pales) donc en vol à vitesse verticale constante. Les quatre forces se compensent.

Notre hélicoptère peut enfin décoller... Maintenant il faut contrôler son orientation.

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