Aéronefs à voilure tournantes ou gyravion

Partie 1 l’hélicoptère

On appelle gyravion ou appareil à voilure tournante, les aérodynes dont la sustentation est assurée par un ou plusieurs rotors.

Catégories de gyravions

Hélicoptère mono-rotor	Sustentation et propulsion sont assurés par un seul rotor. Nécessite un rotor anti-couple pour éviter la rotation de la cabine en sens contraire de la rotation du rotor. Les deux rotors sont entraînés à vitesse constante par le groupe motopropulseur.	C’est le type d’hélicoptère le plus courant
Hélicoptère rotor entrainé par éjection de gaz	Hélicoptère dont le rotor est entraîné par éjection de gaz, comprimés par la turbine génératrice de gaz Palouste, injectés au niveau du moyeu rotor et canalisés jusqu'à l'extrémité des pales. L'absence de réaction au niveau du couplage moteur-rotor permet de faire l'économie d'un rotor anticouple. La totalité de la puissance est donc utilisée en portance.	Vite abandonné, très délicat à piloter et la lubrification du moyeu rotor était délicate.
Hélicoptère bi-rotors en tandem	Sustentation et propulsion par deux rotors contrarotatifs à l'avant et à l'arrière du fuselage. Synchronisation nécessaire des rotors.	Configuration utilisée sur hélicoptères lourds lorsqu'un seul rotor ne pouvait suffire.	Boeing CH-47 Chinook
Hélicoptère bi-rotors latéraux	Sustentation et propulsion par deux rotors contrarotatifs placés aux deux extrémités d'une poutre de part et d'autre du fuselage. La poutre peut participer à la sustentation. Rotors synchronisés.	Configuration utilisée sur hélicoptères lourds par des constructeurs soviétiques.	Mil V-12, plus grand hélicoptère construit.
Hélicoptère bi-rotors engrenants	Sustentation et propulsion par deux rotors contrarotatifs dont les axes forment un V. Configuration intermédiaire entre rotors côte à côte et rotors coaxiaux. Les rotors doivent être synchronisés.
Hélicoptère bi-rotors coaxiaux	Sustentation et propulsion par deux rotors contrarotatifs. Commande en lacet par différenciation du pas collectif et cyclique entre les deux rotors.	La complexité de la tête de rotor a entrainé l’abandon de cette formule	Kamov Ka-31.
Combiné hélicoptère ou gyrodyne	Sustentation par rotor. Propulsion par hélice ou réacteur. Plan de rotation du rotor sensiblement horizontal en vol de croisière pour diminuer la traînée.	Configuration utilisée sur projets pour tenter de combiner les avantages de l'hélicoptère et ceux de l'avion.
Convertiplane	Groupe motopropulseur basculant. Les hélices tournent dans le plan horizontal pendant les phases de décollage et d'atterrissage et assurent la sustentation. Elles tournent dans le plan vertical en croisière et assurent la propulsion.	Configuration utilisée sur certains ADAV.	Le V-22 Osprey
Autogires : -à décollage sur piste -à décollage court -à décollage vertical	Sustentation par rotor libre. Propulsion par une hélice. L'axe du rotor est incliné vers l'arrière par rapport au plan de vol, le rotor tourne sous l’effet du déplacement de l’autogyre. Il n’y a pas besoin de rotor anti-couple.	Ces trois types se différencient par le système de lancement du rotor mais sans modification de la silhouette générale.
Planeur autogire	Sustentation par rotor libre. Décollage assisté par treuil ou tiré par un véhicule ou un navire.	Développé par l'Allemagne pendant la deuxième guerre mondiale, comme élément d’observation.	Planeur autogire  Focke-Achgelis Fa 330.

 

Configuration d'un hélicoptère monorotor

Un hélicoptère est composé de sous-ensembles : cellule, voilure, groupe motopropulseur, commandes de vol, servitudes de bord, avionique, emports.

-La cellule est constituée du fuselage et du train d'atterrissage.

-La voilure est constituée, dans la configuration la plus courante, d'un rotor sustentateur unique et d'un rotor anticouple situé à l'extrémité d'une poutre à l'arrière du fuselage.

-Le groupe motopropulseur est constitué d'un moteur à pistons ou d'une ou plusieurs turbines entraînant les rotors.

On trouvera sur les plus petits hélicoptères des moteurs à explosions, Citroën a même conçu un hélicoptère à moteur Wenkel mais hélas sans suite. Actuellement la plupart des hélicoptères sont motorisés par des GMP de turbomoteur à turbine libre.

Ce type de turbomoteur est constitué de 2 turbines

   -   la turbine à gaz constituée d'un ou plusieurs compresseurs et d'une turbine appelée "turbine haute pression" à un ou plusieurs étages.

   -  puis une seconde turbine (turbine de puissance) appelée "turbine libre" à un ou plusieurs étages qui entraîne le récepteur.

Cette turbine va transformer l'énergie cinétique et thermique en énergie mécanique. La quasi-totalité de l'énergie est ainsi récupérée par la turbine libre, la poussée

 

Turbine libre avec axe de liaison central qui comprend

   -   un générateur de gaz composé d'un compresseur centrifuge et d'une turbine haute pression.

                    -   une turbine libre et un boîtier réducteur avec un arbre de sortie incliné.

L'axe reliant la turbine libre au réducteur passe à intérieur de l'axe de liaison de l'attelage compresseur/turbine haute pression.

Sur ce type de turbomoteur la chambre de combustion annulaire est inversée.

Un calculateur électronique de régulation (E.E.C.U) assure les fonctions de démarrage automatique, protection surchauffe / surcouple / pompage / extinction et gestion de la puissance. C'est EECU qui régule la puissance du moteur afin que la vitesse du rotor soit constante. Sur les petits hélicoptères la puissance est gérée par le pilote.

 

 

 

-Turbine libre avec axe de liaison à l'extérieur de la partie chaude qui comprend :

   -   un générateur de gaz composé d'un compresseur axial, suivi d'un compresseur centrifuge et d'une turbine haute pression qui entraîne les deux compresseurs.

   -   une turbine libre et un boîtier réducteur avec un arbre de sortie situé en-dessous de la partie chaude.

Ce turbomoteur comporte une chambre de combustion annulaire à injection centrifuge.

L'injection centrifuge permet d'avoir une qualité de pulvérisation très bonne à faible débit.

 

-La boîte de transmission principale (BTP), c’est un élément primordial de l'hélicoptère, elle permet la transmission de la puissance des moteurs vers le rotor principal, ainsi que vers le rotor anticouple (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.

De type épicycloïdale, elle est composée de plusieurs engrenages appelés « planétaires » et « satellites » permettant de réduire la vitesse de rotation de sortie moteur (plusieurs dizaines de milliers de tours par minute 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 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 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.

-Les commandes de vol comprennent des leviers et des pédales disposés à l'intérieur du poste de pilotage. Ces éléments sont le plus souvent doublées, pour le pilote et le copilote. Les commandes principales sont :

-le levier de pas cyclique (manche) : le cyclique contrôle l’inclinaison du disque du rotor principal en créant une modification cyclique de l'angle d'attaque des pales ;

-le pas général (ou collectif) : le collectif contrôle l’angle d'attaque moyen des pales du rotor principal, ce qui a pour conséquence de modifier la portance générée par le rotor ;

-le palonnier augmente ou diminue l'incidence des pales du rotor de queue, et donc la force de poussée générée par celui-ci. Ainsi, les palonniers ont pour but de faire tourner l'hélicoptère dans l'axe du rotor principal grâce au rotor de queue. La poussée du RAC (rotor anticouple) doit permettre de compenser le couple généré par le rotor principal.

-Les servitudes de bord, ensemble des systèmes qui fournissent ou transmettent l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'hélicoptère ainsi que la vie à bord :

-circuit carburant pour l'alimentation des moteurs ;

-circuit électrique pour l'alimentation de l'avionique et des commandes de vol ;

-circuit hydraulique pour le fonctionnement des commandes de vol, du train d'atterrissage, et autres (treuil...) ;

-circuit d'air conditionné.

-L'avionique est l'ensemble des équipements électroniques (capteurs, calculateurs, actionneurs, système de communication).

-Les emports sont généralement situés sur les côtés d'un hélicoptère. Il s'agit d'ancrages permettant de fixer les différents modules que peut emporter l'aéronef.

-Sous-ensembles spécifiques

         - La barre de Bell (ou flybar) Ce dispositif ne se retrouve que sur les hélicoptères à 2 pales. Il permet :

                   - D’apporter une stabilisation gyroscopique

                   - De réduire la charge du cyclique

                   - De compenser l'effet à cabrer d'un hélico en translation avant rapide.

         -Le fenestron est une cavité carénée hébergeant le rotor anti-couple de queue d'un hélicoptère.

Les rotors de queue conventionnels ont de 2 à 4 pales. Les rotors de queue dans des fenestrons ont de 8 à 18 pales de taille plus réduite. Elles ont des angles d'incidence différents, en sorte que le bruit est réparti sur différentes fréquences et, de ce fait, moins intense. Le fenestron permet une vitesse de rotation supérieure. Ce type d'architecture n'a d'intérêt que sur les machines de petit à moyen tonnage du fait du surcroît de consommation.

 

Principe de fonctionnement de l’hélicoptère

L’hélice de l’avion assure une traction, lorsque l’avion se déplace, son aile génère une portance qui lui permet de voler. Sur un hélicoptère, le rotor est à la fois l’aile et l’hélice. Il assure la traction et la portance en tournant.

 

Mécanique de vol

Bilan de forces

Forces s'appliquant sur les pales du rotor

La trainée est une force de frottement s'opposant au mouvement, dans le cas de l'hélicoptère, il s'agit de frottements entre les pales et l'air. 
La trainée d'un hélicoptère représente les forces de frottements de l'air qui agissent sur la pale lorsque l'hélicoptère.

. Le moteur de l'hélicoptère fournit de l'énergie pour compenser la trainée c’est la traction.

La portance

La portance est la force qui permet à l'hélicoptère de décoller et de rester en suspension dans l'air.

 Elle doit compenser le poids de l’hélicoptère.

La portance d'un hélicoptère est produite de la même façon qu'une aile d’avion, sauf que cette aile est animée d’un mouvement de rotation et sa vitesse ne dépend pas de la vitesse de l’hélicoptère mais de celle du rotor.
La portance varie selon l'angle d'attaque. Plus on augmente l'angle, plus la portance devient importante.

Le vent relatif

Dans le cas de l'hélicoptère, le vent relatif s'applique aux pales qui créent la portance. Ce vent possède deux composantes, le mouvement rotatif des pales et le mouvement de l'hélicoptère. Les hélicoptères peuvent ainsi décoller verticalement sans vitesse initiale grâce à leur voilure tournante. 

Le mouvement horizontal

Un hélicoptère est équipé d'une voilure tournante horizontale qui lui offre une propulsion verticale et ne possède aucune propulsion horizontale. Afin d'avoir un mouvement horizontal, l'hélicoptère doit incliner le plan de son rotor pour qu'une partie de la portance le propulse. 

Répartition de la portance

Lors du vol stationnaire, la totalité du rotor est parallèle au sol et la portance applique une force verticale. Grâce au  cyclique, le pilote peut modifier la répartition de la portance pour incliner l'appareil.

La portance totale peut être décomposée en deux composantes qui sont les portances verticale et horizontale (qui devient alors force de traction). Une partie de l'énergie est utilisée pour faire avancer l'appareil tandis que l'autre le maintien en l’air.
 

Les pales

Comme pour les ailes d’avions, on distinguera les pales symétriques et les pales asymétriques. 

Comparaison des pales symétriques et asymétriques

Structure et fonctionnement du rotor

	Position initiale, cyclique au neutre, collectif au neutre
	On augmente le collectif, ce qui remonte le plateau. Par l’intermédiaire des tiges de commande, l'angle d'incidence des pales est augmenté, ce qui augmente la portance et permet à l'hélicoptère de monter. En diminuant le collectif on provoque l’effet inverse pour faire descendre l’hélicoptère.
	Le plateau a été incliné par le cyclique, qui a commandé différemment chaque tige de commande. L'angle d'incidence de chaque pale dépend de sa position dans la rotation. La portance sera donc moins importante du côté ou le plateau est penché, ce qui permettra à l'hélicoptère d'avancer, de reculer, ou de se déplacer latéralement.

 

 

Contraintes s’exerçant sur l’hélicoptère

L’effet de cône

Lorsque l’hélicoptère est au sol et que son moteur tourne, les pales sont toutes dans un plan horizontal. Dès que l’hélicoptère va commencer à décoller, puis quand il sera dans les airs, les pales vont s’élever et sortir de ce plan horizontal. La position qu’elles adoptent leurs font former un cône.
Cet effet de cône dépend de plusieurs paramètres : La vitesse de rotation des pales, la masse de l’appareil et la force de gravité. Si la masse ou la gravité augmentent, l’effet de cône augmente lui aussi. Si on considère une masse et une gravité constante, plus la vitesse des pales diminue, plus l’effet de cône est important. 
Les pales s’élèvent lors du déplacement de l’hélicoptères, car elles ne sont fixes qu’au niveau du rotor, et donc le bout des pales est libre de se déplacer verticalement. 
La présence de cet effet de cône agit sur la portance des pales. En effet plus l’angle du sommet du cône est petit, moins la portance des pales est grande ce qui va perturber le vol de l’hélicoptère. L’efficacité étant moindre les pales doivent tourner plus vite pour maintenir l’hélicoptère dans le même état (vitesse, altitude). 

Répartition de la portance

Vent relatif sur chaque pale

L'hélicoptère est confronté à un autre problème qui lui est spécifique, la portance n'est pas homogène sur l'ensemble de la surface de la voilure. 
La vitesse en bout de pale pour un hélicoptère en vol stationnaire est de 400 km/h.. La pale avançante est la pale qui part de la queue de l'appareil et qui arrive jusqu'au nez de l'hélicoptère. La pale reculante est celle qui se trouve à l'opposé du disque rotor et qui fait donc le chemin contraire, elle part du nez et arrive vers la queue de l'appareil. 

Lorsque l'hélicoptère se déplace horizontalement à une vitesse de 200km/h, la vitesse de l'hélicoptère vient s'ajouter à celle de la pale avançante. On a donc une vitesse instantanée de la pale de  l 400 km/h +200 km/h du au déplacement de l'hélicoptère, soit un vent relatif total de 600 km/h en bout de pale avançante. Pour la pale reculante, on a donc une vitesse instantanée de la pale de   400 km/h -200 km/h dû au déplacement de l'hélicoptère, soit un vent relatif total de 200 km/h. Il y a donc un écart entre les vents relatifs s’exerçant sur les pales avançantes et reculantes. 

La portance du côté pale avançante sera plus élevée que du côté de la pale reculante. Pour réduire cette différence de portance les rotors sont équipés d'une articulation de battement. Cette articulation de battement a un rôle différent selon que la pale avance ou recule. 

La pale avançante, qui a un vent relatif plus rapide, pourra s'élever grâce à la portance et à l'articulation de battement et sera retenue par la biellette qui va en diminuer le pas, et donc la portance. 
Pour la pale reculante, comme la vitesse du vent relatif est assez faible, la pale va s'abaisser. La biellette va permettre d'augmenter le pas de la pale qui va gagner en portance. Ce processus permet d'équilibrer la portance sur l'ensemble de la voilure. 

Limites du système
Si la vitesse de l’hélicoptère est trop importante, l'appareil peut décrocher. Le décrochage de la pale reculante survient lorsque l'angle d'incidence limite de la pale reculante est atteint. Un mouvement à cabrer est alors ressenti, suivi d'un mouvement de roulis côté pale reculante si le pilote ne réagit pas suffisamment rapidement en réduisant sa vitesse.

Pour contrer ce problème, on pourrait  augmenter la vitesse du rotor et donc la vitesse des pales, mais  l’extrémité de la pale avançante ne peut dépasser la vitesse du son.

L'équilibre de la portance est également altéré par un autre phénomène lié à la rotation des pales. En effet, il y a une grande différence de vitesse entre l’extrémité de la pale et sa base qui est proche de l'axe du rotor. Or la portance dépend directement de la vitesse des pales, la force de poussée est supérieure en bout de pale. Pour annuler cette différence, les pales sont vrillées. Ainsi, l'angle d'attaque sera toujours plus grand au niveau du rotor. Ce système très simple permet de répartir uniformément la portance sur l'ensemble de la pale. 

L'état de vortex

Il se rencontre lors d'une descente lente, la vitesse verticale des filets d'air à l'infini aval est inférieure à la vitesse induite par le rotor, une inversion de vitesse du flux d'air se produit sous le rotor. Les pales tournent dans leur propre remous et l'air forme un anneau tourbillonnaire isolant le rotor qui n'est plus traversé par le flux d'air. Cette configuration "état de vortex" est dangereuse car le rotor, en zone de décrochage, n'est plus contrôlable. Pour en sortir il faut partir en translation ou réduire le pas pour une mise en autorotation.  Lorsque l'appareil est en vol et éloigné du sol, des vortex importants se produisent au bout des pales. Ces vortex sont des vents tourbillonnants. Dans le cas de l'hélicoptère, le flux d'air du au vortex remonte au-dessus de la pale et diminue la portance. 

 

 

 

 

C’est en grande partie ce vortex qui est responsable du bruit de battement caractéristique de l’hélico. Pour l’atténuer, on peut modifier la forme de l’extrémité de la pale (pale blue edge). En plus de réduire le bruit, en diminuant le vortex, on peut emporter une charge plus importante, et cela limite aussi l’envolée de poussière ou de neige poudreuse en approche d’atterrissage.

 

 

 

 

 

 

L'effet de sol

Lorsque l’hélicoptère se rapproche ou est proche du sol, ou lorsque l’altitude de l’hélicoptère est moins élevée que l’envergure des pales, la portance bénéficie de l’effet de sol. Cet effet, se manifeste par une augmentation de la portance pour des paramètres de vols équivalents à plus haute altitude, comme l’angle d’attaque des pales. Ceci est dû à la création d’un coussin d’air sous l’hélicoptère produit par l’écoulement de l’air sous le rotor qui disparait avec la prise d’altitude. 

On peut noter aussi que l’appareil est plus stable, subit moins de turbulences grâce à l’atténuation des vortex en bout de pale. L’effet de sol varie aussi selon la nature du sol. Un sol solide et dense produira plus d’effet de sol qu’une surface liquide ou de hautes herbes. Il varie aussi selon les conditions climatiques en cas de grands vents, le coussin d’air sera déporté et annihilera l’effet de sol de même qu’un terrain avec une forte pente.

L’effet de couple

La rotation du rotor entraine la rotation de la cabine dans l’autre sens (c’est l’effet de couple). Cette rotation de la cabine est explicable grâce à la troisième loi de Newton.

Dans le cas de l’hélicoptère, afin de faire tourner les pales, le moteur qui est solidaire du fuselage exerce une force sur le rotor. D'après la troisième loi de Newton, le rotor va donc exercer une force égale et opposée sur le fuselage. L’hélicoptère va donc pivoter dans le sens inverse de la rotation des pales. 

Effet du rotor de queue sur le fuselage

Pour éviter ce phénomène, soit on adjoint aux hélicoptères munis d'un rotor principal un rotor anti-couple. Ce rotor anti-couple est placé verticalement sur la queue de l’appareil permet de compenser la force qui faisait pivoter l’hélicoptère sur lui-même. L’appareil reste stable mais le rotor anti-couple fait dévier l’hélicoptère sur la droite (ou la gauche selon le sens de rotation du rotor). 
Soit on remplace le rotor de queue par un jet d'air comprimé par la turbine principale. 

 

La deuxième catégorie est celle qui regroupe les hélicoptères qui possèdent deux rotors principaux appelés rotors contrarotatifs. Ces rotors sont tous les deux dans le plan horizontal. Pour contrer l’effet de couple ils sont controrotatifs, l’effet de couple de l’un annule celui de l’autre. Mais c’est un système lourd et onéreux.

 

 

 

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