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Aérodynamique

L'AÉRODYNAMISME DE BASE

Avant d'aborder l'aérodynamique des hélicoptères, nous devons connaître quelques principes de base de l'aérodynamique : pour qu'un avion plus lourd que l'air puisse décoller du sol, il faut qu'une force ascendante au moins aussi importante que le poids de l'avion soit générée. Cette force s'appelle la flottabilité et est générée par les ailes.

Les ailes ont une certaine forme en coupe transversale - le profil. Il existe différents types de profils, en fonction des caractéristiques de vol d'un avion. Si une aile se déplace vers l'avant, le profil divise le flux d'air en une partie inférieure et une partie supérieure.

 

Comme l'air est déplacé par la courbure autour du profil, il doit parcourir un "chemin plus long", ce qui augmente la vitesse d'écoulement. Selon la loi de la mécanique des fluides (équation de Bernoulli), l'augmentation de la vitesse entraîne une réduction de la pression. Une "aspiration" se produit à la surface de l'aile. Comme le haut et le bas du profil ont une courbure différente, une "aspiration" différente est également générée. Pour un profil entièrement symétrique (ici, un profil semi-symétrique est montré), la pression négative sur le côté supérieur de l'aile est exactement la même que sur le côté inférieur.

 

Pour un profil entièrement symétrique (ici, un profil semi-symétrique est montré), la pression négative sur le côté supérieur de l'aile est exactement la même que sur le côté inférieur. Ces forces purement aérodynamiques ne sont pas suffisantes pour faire voler un avion. Une aile doit être légèrement tournée dans le flux d'air, ce qui dévie l'air vers le bas, entraînant une surpression sur le fond de l'aile, augmentant ainsi la portance globale.

 

Cet angle d'attaque provoque également une augmentation de la pression négative au sommet, car l'air doit parcourir une distance encore plus grande et donc s'accélérer davantage. L'utilisation de l'aile augmente la résistance de l'air, qui doit être compensée par une plus grande puissance de propulsion. En gros, on peut dire que plus l'avion avance vite, plus la portance augmente. En même temps, la résistance de l'air est augmentée. Pour cette raison, les avions qui ne volent que lentement ont des profils épais, avec les avions très rapides, des profils fins suffisent pour générer la portance.

Cependant, l'angle d'attaque et la vitesse ne peuvent pas être augmentés arbitrairement car le flux d'air sur le dessus peut s'arracher. C'est-à-dire que le flux ne s'écoule plus le long du profil, mais forme un vortex. D'abord, les tourbillons se forment au bord de fuite. Si l'angle d'attaque est encore augmenté, de plus en plus de tourbillons se forment vers le bord d'attaque jusqu'à ce que la portance ne soit plus suffisante pour maintenir l'avion en l'air. Cette condition de vol est appelée "décrochage" et se produit surtout lorsque l'avion vole trop lentement.

Dès que le courant circule proprement le long du profil, la flottabilité nécessaire est rétablie et l'avion vole à nouveau.

DIFFÉRENCES HÉLICOPTÈRE / AVION

Les hélicoptères diffèrent fondamentalement des avions de surface. Bien que les hélicoptères agissent également avec des forces aérodynamiques, celles-ci sont beaucoup plus difficiles à calculer et à expliquer qu'avec un avion. Cela est principalement dû au fait que le rotor en rotation crée des forces supplémentaires qui ne sont pas présentes dans un avion de surface.

Pour un avion avec des ailes, la situation est assez claire. La propulsion est assurée soit par une hélice, soit par un moteur à réaction (sauf pour un planeur). La flottabilité est générée par les ailes et l'ensemble est contrôlé par les volets, les gouvernails et les empennages.

 

La situation est différente avec l'hélicoptère. Les pales du rotor en rotation produisent, comme une aile, la flottabilité et accélèrent l'air de haut en bas. Cela se fait en augmentant simultanément l'angle de réglage (angle entre la corde de la pale du rotor et l'axe longitudinal de l'hélicoptère) et donc aussi l'angle d'attaque de toutes les pales du rotor. C'est ce qu'on appelle le pas collectif. En conséquence, l'air est "soufflé vers le bas", comme un ventilateur, la portance globale est augmentée et l'hélicoptère commence à monter. Pour que ce dernier puisse avancer, il faut que "seul" le plan du rotor soit incliné vers l'avant, de sorte que le flux d'air à travers le rotor soit "soufflé" légèrement vers l'arrière. L'hélicoptère est commandé selon le même principe. Le plan du rotor est incliné dans la direction où l'hélicoptère doit voler. Cela semble très simple, mais en réalité, c'est un processus aérodynamique très complexe (nous en parlerons plus tard).

En général, la loi de la physique (de Newton) stipule qu'une action provoque une réaction. Cela provoque la rotation du fuselage de l'hélicoptère dans le sens inverse du sens de rotation du rotor. Pour éviter cela, la plupart des hélicoptères sont équipés d'un rotor tournant verticalement, le rotor de queue, qui compense ce couple. Avec ce rotor de queue, l'hélicoptère peut être contrôlé en vol stationnaire autour de l'axe vertical. Dans les constructions avec deux rotors principaux contrarotatifs, aucun couple n'est généré sur le fuselage, resp. les couples des deux rotors s'annulent.

 

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Face aux avions de surface, les hélicoptères peuvent rester en l'air. Cela est possible car les pales du rotor principal sont toujours en mouvement dans l'air en raison de la rotation et fournissent ainsi la portance nécessaire. Un avion de surface ne génère la portance que lorsqu'une vitesse d'avancement suffisamment élevée est atteinte. En vol stationnaire, par souci de simplicité, nous considérerons le rotor comme un disque et n'examinerons pas les conditions de chaque pale de rotor. Cela est possible parce que les forces aérodynamiques sont réparties de manière assez symétrique sur l'ensemble du disque du rotor. Pour qu'un hélicoptère puisse se maintenir en l'air, la flottabilité doit être exactement la même que son poids.

 

 

Si le pas est augmenté en même temps sur toutes les pales du rotor avec le réglage du collectif des pales, le flux d'air de haut en bas à travers le disque du rotor augmente, la flottabilité augmente et l'hélicoptère commence à se mettre en place.

 

Si l'on réduit l'angle d'attaque, la portance globale devient plus faible et l'hélicoptère commence à s'enfoncer de la même manière.

 

En raison de la rotation du rotor principal, il se produit un moment qui fait tourner la coque dans le sens inverse de la rotation du rotor principal. Cette rotation non désirée est corrigée par le rotor de queue vertical. Plus la puissance du rotor principal est importante, plus le couple est important, et le rotor de queue doit donc être plus performant pour corriger le couple. Comme le rotor de queue produit une certaine poussée horizontale, l'hélicoptère a tendance à se déplacer dans la direction appropriée. La direction dépend du sens de rotation du rotor principal.

 

Ce déplacement latéral doit à nouveau être corrigé avec le rotor principal. Le flux d'air, également appelé "Downwash", est facilement dirigé à l'encontre de la direction du déplacement, ce qui maintient l'hélicoptère en vol stationnaire en stationnaire. Les forces du rotor principal et du rotor de queue ne fonctionnent pas dans de nombreux hélicoptères dans le même plan horizontal. Pour cette raison, il se peut que l'hélicoptère soit en vol stationnaire, non pas horizontalement, mais avec une légère position transversale. Que la position transversale soit à gauche ou à droite dépend principalement du sens de rotation du rotor principal.

Le vol stationnaire nécessite généralement plus de puissance que le vol vers l'avant. Surtout, la densité de l'air joue un rôle essentiel pour la performance. Plus l'air est dense, moins la propulsion a à faire et plus l'hélicoptère peut porter de poids. Comme la densité de l'air diminue avec l'augmentation de l'altitude, le poids de l'hélicoptère doit être réduit afin de le maintenir en vol stationnaire. En principe, on peut dire que plus la température extérieure est élevée et plus l'altitude est élevée, plus les performances de l'hélicoptère sont faibles.

Une autre influence sur les performances est la baisse des prix. Si le flux d'air peut s'écouler sans entrave, cette condition est appelée effet de sol en suspension (HOGE).

 

If the helicopter is hovering near the ground, hovering is called hovering in the ground effect (HIGE). The downwash, which must be diverted to the side, creates a kind of air cushion. As a result, the helicopter requires less power for stationary hovering.

Plus l'hélicoptère est en vol stationnaire au-dessus du sol, plus l'impact de l'effet de sol est faible. À une hauteur de vol d'environ 1,5 fois le diamètre du rotor, il n'y a plus d'effet de sol. La qualité du sol et, surtout, la pente du terrain ont une grande influence sur l'effet de sol. Plus le sol est incliné, mieux le vent descendant peut s'écouler et plus l'effet de sol est faible.

VOL AVANCÉ

Le plus grand avantage des hélicoptères est probablement qu'ils peuvent à la fois flotter et voler vers l'avant. Le passage du vol stationnaire au vol en avant est appelé "transition" et est un processus extrêmement compliqué, tant du point de vue aérodynamique que mécanique.

Par souci de simplicité, nous considérerons le rotor comme un disque et non les conditions aérodynamiques sur la seule pale du rotor. Comme nous l'avons déjà mentionné, l'air en vol stationnaire est accéléré de haut en bas par le rotor. Pour que l'hélicoptère puisse passer en vol vers l'avant, il faut que tout le disque du rotor soit incliné vers l'avant.

 


 

 

En raison de l'inclinaison vers l'avant, l'air n'est plus vertical vers le bas, mais accéléré vers l'arrière. L'hélicoptère se déplace alors vers l'avant. Mais comme la portance n'agit plus verticalement vers le haut, le pilote doit légèrement augmenter les performances dans la phase de démarrage afin d'obtenir le bon équilibre entre la flottabilité et le poids.

 

En raison de la rotation du rotor, des vitesses d'avancement différentes se produisent sur les pales du rotor pendant le vol vers l'avant. La pale du rotor, que l'on voit se déplacer vers l'avant, est déplacée comme une pale d'attaque, celle qui se déplace vers l'arrière comme une pale de retour.


La vitesse d'écoulement dépend de la vitesse d'avancement, de la vitesse du rotor et du diamètre du rotor. En supposant que l'hélicoptère avance à une vitesse de 200 km/h et que la vitesse en bout de pale est de 750 km/h, les conditions suivantes se présentent sur le rotor :

 

La lame de tête atteint une vitesse efficace de 950 km/h (750 + 200) en bout de pale. Cette vitesse est déjà très proche de la vitesse du son. À la racine de la pale, un afflux de plus de 200 km/h est encore atteint.

 

Le retour de la feuille ne se fait qu'à une vitesse de 550 km/h à l'extrémité de la lame (750 - 200). La vitesse d'écoulement diminue, plus on se rapproche du centre de rotation. Dans la zone du pied de la pale, la pale peut même être pilotée par l'arrière et n'offre donc plus de flottabilité dans cette zone.

 

On sait que la flottabilité dépend de la vitesse d'écoulement et de l'angle d'attaque (en plus du type de profil). Afin d'obtenir des rapports de flottabilité raisonnablement constants sur l'ensemble du disque du rotor, l'angle d'attaque pendant la rotation de la pale doit être constamment modifié, car la vitesse d'écoulement change en effet constamment. Ce réglage de l'angle d'attaque est appelé réglage cyclique du pas. Les limites en vol vers l'avant sont, dans l'hélicoptère actuel, d'environ 400 km / h. Au-delà de cette vitesse, de grandes parties de la pale d'attaque se trouveraient dans le domaine supersonique et une grande partie de la pale de retour serait décrochée. Aucun profil d'aile ne peut couvrir une telle plage de vitesse.

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