Rotor d'hélicoptère - Helicopter rotor

Rotor de queue pour un Sea Hawk MH-60R

Un rotor principal d'hélicoptère ou un système de rotor est la combinaison de plusieurs voilures tournantes ( pales de rotor ) et d'un système de contrôle qui génère la force de portance aérodynamique qui supporte le poids de l' hélicoptère , et la poussée qui contrecarre la traînée aérodynamique en vol vers l'avant. Chaque rotor principal est monté sur un mât vertical au-dessus de l'hélicoptère, par opposition à un rotor de queue d' hélicoptère , qui se connecte via une combinaison d' arbres d'entraînement et de boîtes de vitesses le long de la poutre de queue. Le pas des pales est généralement contrôlé par un plateau cyclique relié aux commandes de vol de l' hélicoptère . Les hélicoptères sont un exemple d'aéronef à voilure tournante ( giravion ). Le nom est dérivé des mots grecs helix , helik-, qui signifie spirale; et pteron signifiant aile.

Principes de conception

Aperçu

Le rotor de l'hélicoptère est alimenté par le moteur, via la transmission, jusqu'au mât rotatif. Le mât est un arbre métallique cylindrique qui s'étend vers le haut depuis la transmission et est entraîné par celle-ci. Au sommet du mât se trouve le point de fixation (familièrement appelé écrou Jésus ) pour les pales du rotor appelé moyeu. Les pales du rotor sont ensuite fixées au moyeu, et le moyeu peut avoir 10 à 20 fois la traînée de la pale. Les systèmes de rotor principal sont classés en fonction de la manière dont les pales du rotor principal sont fixées et se déplacent par rapport au moyeu du rotor principal. Il existe trois classifications de base : rigide, semi-rigide et entièrement articulé, bien que certains systèmes de rotor modernes utilisent une combinaison de ces classifications. Un rotor est une masse rotative finement réglée, et différents ajustements subtils réduisent les vibrations à différentes vitesses. Les rotors sont conçus pour fonctionner à un régime fixe (dans une plage étroite de quelques pour cent), mais quelques avions expérimentaux utilisaient des rotors à vitesse variable .

Contrairement aux ventilateurs de petit diamètre utilisés dans les turboréacteurs à double flux , le rotor principal d'un hélicoptère a un grand diamètre qui lui permet d'accélérer un grand volume d'air. Cela permet une vitesse de lavage descendante plus faible pour une quantité donnée de poussée. Comme il est plus efficace à basse vitesse d'accélérer légèrement une grande quantité d'air qu'une petite quantité d'air de manière importante, une faible charge de disque (poussée par surface de disque) augmente considérablement l'efficacité énergétique de l'avion, ce qui réduit la consommation de carburant et permet une autonomie raisonnable. L'efficacité de vol stationnaire (« figure de mérite ») d'un hélicoptère typique est d'environ 60 %. La troisième longueur intérieure d'une pale de rotor contribue très peu à la portance en raison de sa faible vitesse.

Lames

Les pales d'un hélicoptère sont des profils aérodynamiques longs et étroits avec un allongement élevé , une forme qui minimise la traînée des tourbillons de pointe (voir les ailes d'un planeur pour comparaison). Ils contiennent généralement un degré de lessivage qui réduit la portance générée aux extrémités, où le flux d'air est le plus rapide et la génération de vortex serait un problème important. Les pales du rotor sont fabriquées à partir de divers matériaux, notamment l'aluminium, la structure composite et l'acier ou le titane , avec des protections contre l'abrasion le long du bord d'attaque.

Les pales de giravion sont traditionnellement passives; cependant, certains hélicoptères incluent des composants actifs sur leurs pales. Le Kaman K-MAX utilise des volets de bord de fuite pour le contrôle du pas des pales et le Hiller YH-32 Hornet était propulsé par des statoréacteurs montés sur les extrémités des pales. Depuis 2010, des recherches sur le contrôle actif des pales par les volets de bord de fuite sont en cours. Les pointes de certaines pales d'hélicoptère peuvent être spécialement conçues pour réduire les turbulences et le bruit et pour offrir un vol plus efficace. Un exemple de telles pointes sont les pointes des rotors BERP créés pendant le British Experimental Rotor Programme.

Moyeu

Le rotor simple d'un Robinson R22
Tête de rotor Robinson R44
La tête de rotor d'un Sikorsky S-92

Le rotor simple d'un Robinson R22 montrant (du haut) :

  • Les éléments suivants sont entraînés par les bielles de la partie tournante du plateau cyclique .
    • Charnières de pas, permettant aux pales de se tordre autour de l'axe s'étendant du pied de pale à la pointe de pale.
  • Charnière à bascule, permettant à une lame de s'élever verticalement tandis que l'autre tombe verticalement. Ce mouvement se produit chaque fois qu'un vent relatif de translation est présent, ou en réponse à une entrée de commande cyclique.
  • Lien de ciseaux et contrepoids, porte la rotation de l'arbre principal jusqu'au plateau cyclique supérieur
  • Les couvercles en caoutchouc protègent les arbres mobiles et fixes
  • Plateaux cycliques, transmettant le pas cyclique et collectif aux pales (celui du haut tourne)
  • Trois tiges de commande non rotatives transmettent les informations de pas au plateau cyclique inférieur
  • Mât principal menant à la boîte de vitesses principale

Entièrement articulé

Schéma de la tête de rotor principal entièrement articulée

Juan de la Cierva a développé le rotor entièrement articulé pour l' autogire . La base de sa conception a permis le développement réussi de l'hélicoptère. Dans un système de rotor entièrement articulé, chaque pale de rotor est fixée au moyeu du rotor par une série de charnières qui permettent à la pale de se déplacer indépendamment des autres. Ces systèmes de rotor ont généralement trois pales ou plus. Les lames sont autorisées à battre, à plumer et à mener ou à traîner indépendamment les unes des autres. La charnière horizontale, appelée charnière battante , permet à la lame de monter et de descendre. Ce mouvement est appelé battement et est conçu pour compenser la dissymétrie de la portance . La charnière battante peut être située à des distances variables du moyeu du rotor, et il peut y avoir plus d'une charnière. La charnière verticale, appelée charnière avance-retard ou charnière de traînée , permet à la lame de se déplacer d'avant en arrière. Ce mouvement est appelé avance-retard, traînée ou chasse. Les amortisseurs sont généralement utilisés pour empêcher un mouvement de va-et-vient excessif autour de la charnière de traînée. Le but de la charnière de traînée et des amortisseurs est de compenser l'accélération et la décélération causées par la différence de traînée subie par les pales avançant et reculant. Les modèles ultérieurs sont passés des roulements traditionnels aux roulements en élastomère . Les roulements en élastomère sont naturellement infaillibles et leur usure est progressive et visible. Le contact métal sur métal des roulements plus anciens et le besoin de lubrification sont éliminés dans cette conception. La troisième charnière du système entièrement articulé est appelée charnière de mise en drapeau autour de l'axe de mise en drapeau. Cette charnière est responsable du changement de pas des pales de rotor excitées via l'entrée pilote du collectif ou du cyclique.

Une variante du système entièrement articulé est le système de rotor souple dans le plan . Ce type de rotor se retrouve sur plusieurs avions produits par Bell Helicopter, comme le OH-58D Kiowa Warrior . Ce système est similaire au type entièrement articulé en ce sens que chaque lame a la capacité de mener/de traîner et de chasser indépendamment des autres lames. La différence entre un système entièrement articulé et un système soft-in-plane est que le système soft-in-plane utilise un joug composite. Cette chape est fixée au mât et traverse les poignées de pale entre les pales et le palier de cisaillement à l'intérieur de la poignée. Ce joug transfère un certain mouvement d'une lame à une autre, généralement des lames opposées. Bien que cela ne soit pas entièrement articulé, les caractéristiques de vol sont très similaires et le temps et les coûts de maintenance sont réduits.

Rigide

Le terme "rotor rigide" fait généralement référence à un système de rotor sans charnière avec des pales fixées de manière flexible au moyeu. Irv Culver de Lockheed a développé l'un des premiers rotors rigides, qui a été testé et développé sur une série d'hélicoptères dans les années 1960 et 1970. Dans un système de rotor rigide, chaque pale bat et traîne sur des sections flexibles du pied. Un système de rotor rigide est mécaniquement plus simple qu'un système de rotor entièrement articulé. Les charges dues au battement et aux forces d'avance/retard sont absorbées par la flexion des pales du rotor, plutôt que par les charnières. En fléchissant, les lames elles-mêmes compensent les forces qui nécessitaient auparavant des charnières robustes. Le résultat est un système de rotor qui a moins de retard dans la réponse de commande en raison du grand moment de moyeu généralement généré. Le système de rotor rigide élimine ainsi le risque de choc du mât inhérent aux rotors semi-rigides.

Semi rigide

Système de rotor semi-rigide

Le rotor semi-rigide peut également être appelé rotor oscillant ou à bascule. Ce système est normalement composé de deux pales qui se rencontrent juste sous une charnière commune battante ou oscillante au niveau de l'arbre du rotor. Cela permet aux lames de battre ensemble dans des mouvements opposés comme une balançoire à bascule . Cet élingage des pales sous la charnière basculante, combiné à un angle dièdre ou conique adéquat sur les pales, minimise les variations du rayon du centre de masse de chaque pale par rapport à l'axe de rotation lorsque le rotor tourne, ce qui réduit à son tour la contrainte sur les pales des forces d'avance et de retard causées par l' effet Coriolis . Des charnières de battement secondaires peuvent également être fournies pour fournir une flexibilité suffisante pour minimiser les rebonds. La mise en drapeau est réalisée par la charnière de mise en drapeau au pied de pale, ce qui permet de modifier l'angle d'inclinaison de la pale.

Combinaison

Les systèmes de rotor modernes peuvent utiliser les principes combinés des systèmes de rotor mentionnés ci-dessus. Certains moyeux de rotor intègrent un moyeu flexible, qui permet la flexion (flexion) de la lame sans avoir besoin de roulements ou de charnières. Ces systèmes, appelés "flexures", sont généralement construits en matériau composite. Des roulements en élastomère peuvent également être utilisés à la place des roulements à rouleaux conventionnels. Les roulements en élastomère sont construits à partir d'un matériau de type caoutchouc et offrent un mouvement limité qui convient parfaitement aux applications d'hélicoptère. Les flexions et les paliers en élastomère ne nécessitent aucune lubrification et, par conséquent, nécessitent moins d'entretien. Ils absorbent également les vibrations, ce qui signifie moins de fatigue et une durée de vie plus longue pour les composants de l'hélicoptère.

Plateau oscillant

Les commandes font varier le pas des pales du rotor principal de manière cyclique tout au long de la rotation. Le pilote l'utilise pour contrôler la direction du vecteur poussée rotorique , qui définit la partie du disque rotorique où se développe la poussée maximale. Le pas collectif fait varier l'amplitude de la poussée du rotor en augmentant ou en diminuant la poussée sur tout le disque du rotor en même temps. Ces variations de pas de pale sont contrôlées en inclinant, en élevant ou en abaissant le plateau cyclique avec les commandes de vol. La grande majorité des hélicoptères maintiennent une vitesse de rotor constante (RPM) pendant le vol, laissant l'angle d'attaque des pales comme seul moyen d'ajuster la poussée du rotor.

Le plateau oscillant est constitué de deux disques ou plaques concentriques. Une plaque tourne avec le mât, relié par des liaisons folles, tandis que l'autre ne tourne pas. Le plateau tournant est également relié aux pales individuelles par des liaisons de pas et des cornes de pas. La plaque non rotative est reliée à des liaisons manipulées par des commandes pilotes, en particulier les commandes de collectif et de cyclique. Le plateau oscillant peut se déplacer verticalement et s'incliner. Grâce au déplacement et à l'inclinaison, le plateau non rotatif contrôle le plateau rotatif, qui à son tour contrôle le pas individuel des pales.

Flybar (barre stabilisatrice)

Un certain nombre d'ingénieurs, parmi lesquels Arthur M. Young aux États-Unis et l'aéromodéliste radiocommandé Dieter Schlüter en Allemagne, ont découvert que la stabilité de vol des hélicoptères pouvait être obtenue avec une barre stabilisatrice ou flybar. Le flybar a un poids ou une pagaie (ou les deux pour plus de stabilité sur les petits hélicoptères) à chaque extrémité pour maintenir un plan de rotation constant. Grâce à des liaisons mécaniques, la rotation stable de la barre se mélange au mouvement du plateau cyclique pour amortir les forces internes (direction) et externes (vent) sur le rotor. Cela permet au pilote de garder plus facilement le contrôle de l'avion. Stanley Hiller est arrivé à une méthode similaire pour améliorer la stabilité en ajoutant de courts profils aérodynamiques tronqués, ou pagaies, à chaque extrémité. Cependant, le système "Rotormatic" de Hiller a également fourni des entrées de commande cycliques au rotor principal comme une sorte de rotor de commande, et les palettes ont fourni la stabilité supplémentaire en amortissant les effets des forces externes sur le rotor.

Le système de rotor Lockheed utilisait un gyroscope de contrôle, similaire en principe à celui de la barre stabilisatrice Bell, mais conçu à la fois pour une stabilité sans intervention et une réponse de contrôle rapide du système de rotor sans charnière.

Dans les hélicoptères à commande électrique ou les modèles à télécommande (RC), un microcontrôleur avec des capteurs gyroscopiques et un capteur Venturi peuvent remplacer le stabilisateur. Cette conception sans flybar a l'avantage d'une reconfiguration facile et de moins de pièces mécaniques.

Rotor ralenti

La plupart des rotors d'hélicoptères tournent à vitesse constante. Cependant, ralentir le rotor dans certaines situations peut apporter des avantages.

Au fur et à mesure que la vitesse d'avancement augmente, la vitesse d'avancement de la pointe du rotor se rapproche rapidement de la vitesse du son. Pour réduire le problème, la vitesse de rotation peut être ralentie, permettant à l'hélicoptère de voler plus vite.

Pour régler la portance du rotor à des vitesses plus lentes, dans une conception conventionnelle, l'angle d'attaque des pales du rotor est réduit via une commande de pas collectif. Ralentir le rotor à la place peut réduire la traînée pendant cette phase de vol et ainsi améliorer l'économie de carburant.

Configurations de rotor

La plupart des hélicoptères ont un seul rotor principal mais nécessitent un rotor séparé pour surmonter le couple. Ceci est accompli grâce à un rotor anticouple à pas variable ou un rotor de queue. C'est la conception sur laquelle Igor Sikorsky a opté pour son hélicoptère VS-300 , et c'est devenu la convention reconnue pour la conception d'hélicoptères, bien que les conceptions varient. Vus d'en haut, la grande majorité des rotors d'hélicoptères tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre ; les rotors des hélicoptères français et russes tournent dans le sens des aiguilles d'une montre.

Rotor principal unique

Antitorque : Effet de couple sur un hélicoptère

Avec un hélicoptère à rotor principal unique, la création de couple lorsque le moteur fait tourner le rotor crée un effet de couple qui fait tourner le corps de l'hélicoptère dans le sens opposé du rotor. Pour éliminer cet effet, une sorte de contrôle anticouple doit être utilisé avec une marge de puissance disponible suffisante pour permettre à l'hélicoptère de maintenir son cap et de contrôler le lacet. Les trois commandes les plus couramment utilisées aujourd'hui sont le rotor de queue, le Fenestron d'Eurocopter (également appelé fantail ) et le NOTAR de MD Helicopters .

Rotor de queue

Le rotor de queue est un rotor plus petit monté de manière à tourner verticalement ou presque verticalement à l'extrémité de la queue d'un hélicoptère traditionnel à rotor unique. La position du rotor de queue et la distance par rapport au centre de gravité lui permettent de développer une poussée dans une direction opposée à la rotation du rotor principal pour contrer l'effet de couple créé par le rotor principal. Les rotors de queue sont plus simples que les rotors principaux car ils ne nécessitent que des changements collectifs de pas pour faire varier la poussée. Le pas des pales du rotor de queue est réglable par le pilote via les pédales anti-couple, qui fournissent également un contrôle directionnel en permettant au pilote de faire tourner l'hélicoptère autour de son axe vertical, changeant ainsi la direction dans laquelle l'engin est pointé.

Ventilateur canalisé

Fenestron sur un EC 120B

Fenestron et FANTIL sont des marques déposées pour un ventilateur caréné monté à l'extrémité de la poutre de queue de l'hélicoptère et utilisé à la place d'un rotor de queue. Les ventilateurs canalisés ont entre huit et dix-huit pales disposées avec un espacement irrégulier de sorte que le bruit soit réparti sur différentes fréquences. Le boîtier est solidaire de la peau de l'avion et permet une vitesse de rotation élevée ; par conséquent, un ventilateur canalisé peut avoir une taille plus petite qu'un rotor de queue conventionnel.

Le Fenestron a été utilisé pour la première fois à la fin des années 1960 sur le deuxième modèle expérimental du SA 340 de Sud Aviation et produit sur le modèle ultérieur de l' Aérospatiale SA 341 Gazelle . Par ailleurs , Eurocopter et ses prédécesseurs, un rotor de queue caréné a également été utilisé sur le projet d'hélicoptère militaire annulé, l' armée américaine de RAH-66 Comanche , comme FANTAIL.

NOTAIRE

Diagramme montrant le mouvement de l'air à travers le système NOTAR

NOTAR, acronyme de NO TA il R otor , est un système anti-couple pour hélicoptère qui élimine l'utilisation du rotor de queue sur un hélicoptère. Bien que le concept ait pris du temps à affiner, le système NOTAR est simple en théorie et fournit un anticouple de la même manière qu'une aile développe une portance en utilisant l' effet Coandă . Un ventilateur à pas variable est enfermé dans la section arrière du fuselage immédiatement en avant de la poutre de queue et est entraîné par la transmission du rotor principal. Pour fournir la force latérale pour contrer le couple dans le sens des aiguilles d'une montre produit par un rotor principal tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (vu du dessus du rotor principal), le ventilateur à pas variable force l'air à basse pression à travers deux fentes sur le côté droit de la poutre de queue, provoquant le downwash du rotor principal pour épouser la poutre de queue, produisant une portance et donc une mesure d'anticouple proportionnelle à la quantité d'air du rotorwash. Ceci est augmenté par un propulseur à réaction direct qui fournit également un contrôle de lacet directionnel, avec la présence d'un empennage à surface fixe près de l'extrémité de la queue, incorporant des stabilisateurs verticaux.

Le développement du système NOTAR remonte à 1975, lorsque les ingénieurs de Hughes Helicopters ont commencé le travail de développement de concept. En décembre 1981, Hughes a piloté pour la première fois un OH-6A équipé de NOTAR. Un prototype de démonstrateur plus fortement modifié a volé pour la première fois en mars 1986 et a terminé avec succès un programme d'essais en vol avancé, validant le système pour une application future dans la conception d'hélicoptères. Il existe actuellement trois hélicoptères de production qui intègrent la conception NOTAR, tous produits par MD Helicopters. Cette conception anticouple améliore également la sécurité en éliminant la possibilité que du personnel pénètre dans le rotor de queue.

Un prédécesseur (en quelque sorte) de ce système existait sous la forme de l' hélicoptère britannique Cierva W.9 , un avion de la fin des années 1940 utilisant le ventilateur de refroidissement de son moteur à pistons pour pousser l'air à travers une buse intégrée dans la poutre de queue pour contrer le couple du rotor.

Jets de pointe

Le rotor principal peut être entraîné par des buses de pointe. Un tel système peut être alimenté par de l'air à haute pression fourni par un compresseur. L'air peut être mélangé ou non avec du carburant et brûlé dans des béliers, des jets pulsés ou des fusées. Bien que cette méthode soit simple et élimine la réaction de couple, les prototypes qui ont été construits sont moins économes en carburant que les hélicoptères conventionnels. À l'exception des jets de pointe entraînés par de l'air comprimé non brûlé, les niveaux de bruit très élevés sont la raison la plus importante pour laquelle les rotors alimentés par jet de pointe ne sont pas largement acceptés. Cependant, des recherches sur la suppression du bruit sont en cours et pourraient contribuer à rendre ce système viable.

Il existe plusieurs exemples de giravions propulsés par jet de pointe. Le Percival P.74 était sous-alimenté et ne pouvait pas voler. Le Hiller YH-32 Hornet avait une bonne capacité de levage mais s'est mal comporté autrement. D'autres aéronefs utilisaient une poussée auxiliaire pour le vol en translation afin que les jets de pointe puissent être arrêtés pendant que le rotor tournait en autorotation. Le Fairey Jet Gyrodyne expérimental , les prototypes de passagers Fairey Rotodyne de 48 places et les autogires composés McDonnell XV-1 ont bien volé en utilisant cette méthode. La conception la plus inhabituelle de ce type était peut-être l' ATV Rotary Rocket Roton , qui était initialement prévu pour décoller à l'aide d'un rotor à pointe de fusée. Le Sud-Ouest Djinn français a utilisé de l'air comprimé non brûlé pour entraîner le rotor, ce qui a minimisé le bruit et l'a aidé à devenir le seul hélicoptère à rotor entraîné par jet de pointe à entrer en production. Le Hughes XH-17 était équipé d'un rotor entraîné par jet de pointe, qui reste le plus gros rotor jamais installé sur un hélicoptère.

Double rotors

Les rotors jumelés tournent dans des directions opposées pour contrer l'effet de couple sur l'avion sans compter sur un rotor de queue anticouple. Cela permet à l'avion d'appliquer la puissance qui aurait entraîné un rotor de queue aux rotors principaux, augmentant ainsi la capacité de levage. Principalement, trois configurations courantes utilisent l'effet contrarotatif sur les giravions. Les rotors tandem sont deux rotors, l'un monté derrière l'autre. Les rotors coaxiaux sont deux rotors montés l'un au-dessus de l'autre sur le même axe. Les rotors engrenant sont deux rotors montés à proximité l'un de l'autre à un angle suffisant pour permettre aux rotors de s'engrèner sur le dessus de l'avion. Une autre configuration, trouvée sur les rotors basculants et certains des premiers hélicoptères, est appelée rotors transversaux, où une paire de rotors est montée à chaque extrémité d'une structure de type aile ou d'un stabilisateur.

Tandem

Les rotors tandem sont deux ensembles de rotors principaux horizontaux montés l'un derrière l'autre. Les rotors tandem réalisent des changements d' assiette pour accélérer et décélérer l'hélicoptère grâce à un processus appelé pas cyclique. Pour avancer et accélérer, les deux rotors augmentent le pas à l'arrière et réduisent le pas à l'avant (cyclique) en gardant le même couple sur les deux rotors, le vol latéral est obtenu en augmentant le pas d'un côté et en réduisant le pas de l'autre. Le contrôle du lacet se développe grâce à un pas cyclique opposé dans chaque rotor. Pour pivoter à droite, le rotor avant s'incline à droite et le rotor arrière s'incline à gauche. Pour pivoter à gauche, le rotor avant s'incline à gauche et le rotor arrière s'incline à droite. Toute la puissance du rotor contribue à la portance, et il est plus simple de gérer les changements du centre de gravité avant-arrière. Cependant, cela nécessite la dépense de deux grands rotors plutôt que le plus commun, un grand rotor principal et un rotor de queue beaucoup plus petit. Le Boeing CH-47 Chinook est l'hélicoptère à rotor en tandem le plus répandu.

Coaxial

Kamov Ka-50 de l'armée de l'air russe, avec rotors coaxiaux

Les rotors coaxiaux sont une paire de rotors montés l'un au-dessus de l'autre sur le même arbre et tournant dans des directions opposées. L'avantage du rotor coaxial est qu'en vol vers l'avant, la portance apportée par les moitiés avançantes de chaque rotor compense la moitié reculant de l'autre, éliminant l'un des effets clés de la dissymétrie de la portance : le décrochage de la pale reculante . Cependant, d'autres considérations de conception affectent les rotors coaxiaux. Il y a une complexité mécanique accrue du système de rotor car il nécessite des liaisons et des plateaux cycliques pour deux systèmes de rotor. De plus, comme les rotors doivent tourner dans des directions opposées, le mât est plus complexe et les tringleries de commande pour les changements de pas du système de rotor supérieur doivent passer par le système de rotor inférieur.

Engrenage

Les rotors engrenant sur un hélicoptère sont un ensemble de deux rotors tournant dans des directions opposées avec chaque mât de rotor monté sur l'hélicoptère avec un léger angle par rapport à l'autre de sorte que les pales s'engrènent sans entrer en collision. Cette configuration est parfois appelée synchropteur. Les rotors engrenant ont une stabilité élevée et une capacité de levage puissante. L'arrangement a été mis au point dans l'Allemagne nazie en 1939 avec le design réussi Flettner Fl 265 d' Anton Flettner , et plus tard placé en production limitée comme le succès Flettner Fl 282 Kolibri , utilisé par la Kriegsmarine allemande en petit nombre (24 cellules produites) comme un expérimental hélicoptère léger de lutte anti-sous-marine . Pendant la guerre froide , une société américaine, Kaman Aircraft , a produit le HH-43 Huskie pour les missions de lutte contre les incendies et de sauvetage de l' USAF . Le dernier modèle Kaman, le Kaman K-MAX , est une conception de grue aérienne dédiée.

Transversal

Des rotors transversaux sont montés à l'extrémité d'ailes ou de stabilisateurs perpendiculaires au corps de l'avion. Semblable aux rotors tandem et aux rotors engrenant, le rotor transversal utilise également le pas collectif différentiel. Mais comme les rotors engrenant, les rotors transversaux utilisent le concept de changement d'attitude en roulis du giravion. Cette configuration se retrouve sur deux des premiers hélicoptères viables, le Focke-Wulf Fw 61 et le Focke-Achgelis Fa 223 , ainsi que sur le plus gros hélicoptère au monde jamais construit, le Mil Mi-12 . C'est aussi la configuration que l'on retrouve sur les tiltrotors tels que le Bell-Boeing V-22 Osprey et l' AgustaWestland AW609 .

Rotor quadruple

Etienne Oehmichen, Paris, France, 1921 Source

Un rotor quad ou quadrotor comprend quatre rotors dans une configuration "X". Les rotors à gauche et à droite sont dans une configuration transversale tandis que ceux à l'avant et à l'arrière sont dans une configuration en tandem.

Un avantage des rotors quad sur les petits avions tels que les drones est la possibilité de simplicité mécanique. Un quadricoptère utilisant des moteurs électriques et des rotors à pas fixe n'a que quatre pièces mobiles. Le tangage, le lacet et le roulis peuvent être contrôlés en modifiant la portance relative des différentes paires de rotors sans modifier la portance totale.

Les deux familles de profils sont

  • profils aérodynamiques symétriques
  • profils aérodynamiques asymétriques

Les pales symétriques sont très stables, ce qui permet de minimiser la torsion des pales et les charges de contrôle de vol. Cette stabilité est obtenue en maintenant le centre de pression pratiquement inchangé lorsque l'angle d'attaque change. Le centre de pression est le point imaginaire de la ligne de corde où la résultante de toutes les forces aérodynamiques est considérée comme concentrée. Aujourd'hui, les concepteurs utilisent des profils aérodynamiques plus fins et obtiennent la rigidité requise en utilisant des matériaux composites.

Certains profils aérodynamiques sont de conception asymétrique, ce qui signifie que les surfaces supérieure et inférieure n'ont pas le même carrossage. Normalement, ces profils aérodynamiques ne seraient pas aussi stables, mais cela peut être corrigé en pliant le bord de fuite pour produire les mêmes caractéristiques que les profils aérodynamiques symétriques. C'est ce qu'on appelle "réfléchir". L'utilisation de ce type de pale de rotor permet au système de rotor de fonctionner à des vitesses d'avancement plus élevées. L'une des raisons pour lesquelles une pale de rotor asymétrique n'est pas aussi stable est que le centre de pression change avec les changements d'angle d'attaque. Lorsque le centre de la force de levage de la pression se trouve derrière le point de pivot d'une pale de rotor, il a tendance à faire cabrer le disque du rotor. Au fur et à mesure que l'angle d'attaque augmente, le centre de pression se déplace vers l'avant. S'il se déplace devant le point de pivot, le pas du disque de rotor diminue. Étant donné que l'angle d'attaque des pales du rotor change constamment au cours de chaque cycle de rotation, les pales ont tendance à battre, à mettre en drapeau, à avancer et à retarder davantage.

Limites et dangers

Vidéo externe
icône vidéo Bumping de mât - Causes et prévention , US Army

Les hélicoptères à rotors basculants, par exemple le système bipale des Bell , Robinson et autres, ne doivent pas être soumis à une condition de faible g car ces systèmes de rotor ne contrôlent pas l'assiette du fuselage. Cela peut faire en sorte que le fuselage adopte une assiette contrôlée par l'élan et la poussée du rotor de queue qui provoque l'intersection de la poutre de queue avec le plan de trajectoire de pointe du rotor principal ou que les pieds des pales entrent en contact avec l'arbre d'entraînement du rotor principal, provoquant la séparation des pales du moyeu (cognement du mât).

Abrasion en milieu sableux

Effet Kopp-Etchells

Lors de l'utilisation dans des environnements sablonneux, le sable frappant les pales du rotor en mouvement érode leur surface. Cela peut endommager les rotors et poser des problèmes de maintenance graves et coûteux.

Les bandes d'abrasion sur les pales de rotor d'hélicoptère sont en métal, souvent en titane ou en nickel , qui sont très durs, mais moins durs que le sable. Lorsqu'un hélicoptère vole au ras du sol dans des environnements désertiques, le sable heurtant la pale du rotor peut provoquer une érosion. La nuit, le sable frappant la bande d'abrasion métallique provoque une couronne ou un halo visible autour des pales du rotor. L'effet est provoqué par l' oxydation pyrophorique des particules érodées, et par la triboluminescence par laquelle l'impact avec les particules de sable produit une photoluminescence.

Le photographe de combat et journaliste Michael Yon a observé l'effet alors qu'il accompagnait des soldats américains en Afghanistan. Lorsqu'il a découvert que l'effet n'avait pas de nom, il a inventé le nom d'effet Kopp-Etchells d' après deux soldats morts à la guerre, un américain et un britannique.

Histoire

Un hélicoptère en bambou japonais Taketombo décoré . Le jouet se compose d'un rotor attaché à un bâton.
Le premier autogire à voler avec succès en 1923, inventé par Juan de la Cierva .

L'utilisation d'un rotor pour le vol vertical existe depuis 400 avant JC sous la forme du bambou-copter , un ancien jouet chinois. Le bambou-copter est tourné en faisant rouler un bâton attaché à un rotor. La rotation crée une portance et le jouet vole lorsqu'il est relâché. Le livre du philosophe Ge Hong le Baopuzi (Maître qui embrasse la simplicité), écrit vers 317, décrit l'utilisation apocryphe d'un possible rotor dans les avions : « Certains ont fait des voitures volantes [feiche 飛車] avec du bois de la partie intérieure du jujube. l'arbre, à l'aide de cuir de bœuf (sangles) attachées à des lames de retour de manière à mettre la machine en mouvement. Léonard de Vinci a conçu une machine connue sous le nom de « vis aérienne » avec un rotor basé sur une vis à eau . Le polymathe russe Mikhail Lomonosov a développé un rotor basé sur le jouet chinois. Le naturaliste français Christian de Launoy a construit son rotor en plumes de dinde. Sir George Cayley , inspiré par le jouet chinois dans son enfance, a créé de multiples machines à vol vertical avec des rotors en tôle d'étain. Alphonse Pénaud développera plus tard les jouets d'hélicoptères à rotor coaxial en 1870, alimentés par des élastiques. L'un de ces jouets, offert en cadeau par leur père, inspirerait les frères Wright à poursuivre le rêve de voler.

Avant le développement des hélicoptères motorisés au milieu du 20e siècle, le pionnier de l' autogire Juan de la Cierva a recherché et développé de nombreux principes fondamentaux du rotor. De la Cierva est crédité du développement réussi de systèmes de rotor multi-pales entièrement articulés. Ces systèmes, sous leurs diverses formes modifiées, sont à la base de la plupart des systèmes de rotors d'hélicoptères multipales modernes.

La première tentative réussie de conception d'hélicoptère à rotor unique utilisait un rotor principal à quatre pales, tel que conçu par les ingénieurs aéronautiques soviétiques Boris N. Yuriev et Alexei M. Cheremukhin, tous deux travaillant à l' Institut Tsentralniy Aerogidrodinamicheskiy (TsAGI, l'Institut central d'aérohydrodynamique ) près de Moscou au début des années 1930. Leur hélicoptère TsAGI 1-EA a pu voler lors d'essais à basse altitude en 1931-1932, avec Cheremukhin le volant jusqu'à 605 mètres (1 985 pieds) à la mi-août 1932.

Dans les années 1930, Arthur Young a amélioré la stabilité des systèmes de rotor à deux pales avec l'introduction d'une barre stabilisatrice. Ce système a été utilisé dans plusieurs modèles d' hélicoptères Bell et Hiller . La variante du système Hiller utilisant des palettes aérodynamiques aux extrémités du flybar a été utilisée dans bon nombre des premières conceptions d' hélicoptères télécommandés , depuis leurs origines des années 1970 jusqu'au tout début du 21e siècle.

À la fin des années 1940, la fabrication de pales de rotor d'hélicoptère était un travail qui a inspiré John T. Parsons à être un pionnier de la commande numérique (NC). NC et CNC (commande numérique informatisée) se sont avérés être une nouvelle technologie importante qui a ensuite affecté toutes les industries d' usinage .

Les références

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