Un rotor d’hélicoptère fonctionne-t-il précisément comme une hélice d’avion ?

Une hélice dédiée à la traction ou la propulsion d’un avion fonctionne de telle manière que son plan de rotation est perpendiculaire à l’air relatif. Pour les pales d’un rotor d’hélicoptère, ce n’est pas toujours le cas. De plus, les pales doivent jouer à la fois un rôle moteur et assurer la sustentation de l’hélicoptère.

Dans le cas de l’avion, l’aile a la même vitesse que le fuselage et il faut que tout l’avion atteigne une certaine vitesse pour
que la portance de l’aile puisse vaincre la pesanteur.

Etude comparée du fonctionnement d’une hélice et d’un rotor

Pour les hélicoptères, ce qui fait office d’aile pour l’avion, est remplacé par une voilure tournante, appelée aussi rotor. Or, on sait que la portance d’une aile dépend d’une part de son incidence, c’est-à-dire de l’angle sous lequel elle est attaquée par l’air relatif, mais aussi qu’elle est proportionnelle au carré de la vitesse (voir l’article sur la loi de la portance). Quand la vitesse est triplée, la portance est donc 9 fois plus élevée.

Pour un hélicoptère qui ne se déplace pas horizontalement, la portance générée sur le rotor étant indépendante de la vitesse propre de l’appareil, il peut donc s’arracher à la pesanteur sans se déplacer. C’est le principe du vol vertical.
On peut voir dans ce cas particulier un point commun entre le fonctionnement de l’hélice d’avion et celui du rotor d’hélicoptère dans le cas du vol vertical. Tous deux produisent en effet une traction dirigée suivant leur axe de rotation.

Mais l’hélicoptère est avant tout un engin de transport destiné à se déplacer horizontalement. Le déplacement est dans une direction perpendiculaire à l’axe de rotation du rotor, tandis que l’axe d’une hélice`d’avion se déplace lui dans la direction du déplacement général de l’aéronef. De là découle la principale différence entre un rotor et une hélice.

Contrer le couple de renversement pour une sustentation symétrique ?

Apparition d’un couple de renversement

Considérons un rotor constitué par exemple de huit pales. Le sens de rotation du rotor et du déplacement général de l’aéronef sont donnés sur le schéma ci-contre.

A droite de l’appareil, les vitesses de déplacement de l’hélicoptère et de rotation de la pale sont de même sens, la vitesse. de rotation et la vitesse de translation s’ajoutent donc.

Au contraire, à gauche les vitesses de déplacement de l’hélicoptère et de rotation de la pale sont de sens contraires.

Il en résulte que le flux d’air relatif est plus rapide à droite et donc que la portance sera également supérieure. Si rien n’était fait pour contrer cet effet appelé « couple de renversement, notre hélicoptère aurait une tendance naturelle à s’incliner à gauche. autour donc de son axe de roulis.

Dans le cas de nos 8 pales, on pourrait tout à fait avoir :

P1=P5=0 et P7>P6 et P8>P3>P2 et P4

Si donc le rotor d’un hélicoptère était constitué comme une hélice classique avec des pales encastrées dans le moyeu, le couple de renversement tendrait à faire basculer l’hélicoptère, jusqu’à le renverser complètement.

C’est la difficulté qui fit échouer les premiers tests des autogires dont l’invention remonte à 1923 par Juan de La Cierva, avant qu’il ne trouve le dispositif des charnières de battement. Cette solution consiste à remplacer l’encastrement des pales sur le moyeu par une articulation. La pale est libre de s’élever ou de s’abaisser autour de cette articulation, effectuant ainsi des battements verticaux.

Les moyeux des rotors des hélicoptères modernes sont des systèmes complexes qui impriment aux pales un mouvement oscillant au cours de la rotation.

Sur cette vidéo ralentie 8 fois on remarque bien que l’incidence de la pale n’est pas constante au cours d’une rotation.

Contrer le couple induit pour une stabilité en lacet

Un deuxième couple vient perturber la stabilité de l’hélicoptère. Il s’agit du couple induit par la rotation du rotor principal et qui tend à mettre l’hélicoptère en rotation autour de l’axe de lacet. Il est du aux forces de frottement au niveau du moyeu qui, bien que très réduites ne sont pas nulles. L’hélicoptère a une tendance naturelle à suivre la même rotation que le rotor.

C’est pour contrôler l’attitude de l’hélicoptère en lacet que, sur la plupart d’entre eux nous trouvons un rotor anti-couple au bout de la queue. Sa fonction est d’assurer la stabilité et le contrôle en lacet

Comment l’hélicoptère peut-il se déplacer grâce au rotor ?

Le plateau cyclique du rotor est incliné à gauche.
L’incidence et donc la portance
sont supérieures à droite du rotor
CC BY-SA : Zephyris

C’est le rotor principal qui assure la mise en déplacement horizontal de l’hélicoptère. Cette opération est rendue possible grâce à une une partir du moyeu appelée « plateau cyclique » et qui permet au pilote de commander une dissymétrie dans la portance de l’appareil.

Celle-ci induit un couple de renversement qui dans ce cas la est utile au pilotage de l’hélicoptère. En effet, pour faire avancer un hélicoptère, il est nécessaire de le basculer vers l’avant, pour le faire tourner à gauche, le basculer à gauche etc …

En vidéo

Sur cette vidéo on peut repérer le rotor principal, le rotor anti-couple, le moyeu avec son plateau cyclique, l’articulation anti-battement au niveau de l’attache de la pale sur le moyeu.

Cas des multirotors

Avec ses deux hélices contrarotatives et le Sikorsky S-97 Raider est un hélicoptère pouvant atteindre les 440 km/h

Certains hélicoptères, mais aussi des drones ont recours à des versions simplifiées des rotors d’hélicoptère que nous venons de décrire.

Pour commencer une des solutions pratiques est d’utiliser deux rotors dits « contrarotatifs » (tournant en sens inverse l’un de l’autre). Dans ce cas là : pas de couple de renversement parasite. La technologie du plateau cyclique reste nécessaire pour permettre le pilotage.

Sur ce drone à 6 rotors, on peut se rendre compte de l’absence de plateau cyclique et d’articulation pour les pales. l’hélice est en prise directe sur l’arbre de sortie de chaque moteur électrique. (MULTIROTOR G4 Surveying Robot)

Les drones dits « multirotors » sont dotés de moyeux qui, eux, peuvent être vraiment simplifiés. En effet, la gestion des couples de renversement parasites est naturellement compensée par la répartition des rotors et la gestion de l’inclinaison propre au pilotage de l’appareil est assurée par régulation de la puissance des différents rotors.

Chaque rotor dispose pour cela d’un moteur (souvent électrique) indépendant.

Pour finir, Jetons un coup d’oeil sur le fonctionnement du Chinook (source Tweeter), célèbre hélicoptère de transport de l’armée américaine, doté de deux rotors dits en « tandem ». A nouveau, dans ce cas, le rotor anti-couple est superflu.

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