La plupart des hélicoptères ont un seul rotor principal mais nécessitent un rotor séparé pour surmonter le couple. Ceci est accompli par un rotor anticouple à pas variable ou rotor de queue. C’est la conception qu’Igor Sikorsky a retenue pour son hélicoptère VS-300, et elle est devenue la convention reconnue pour la conception des 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 uniqueÉditer
Avec un hélicoptère à rotor principal unique, la création d’un couple lorsque le moteur fait tourner le rotor crée un effet de couple qui fait que le corps de l’hélicoptère tourne dans la direction opposée au rotor. Pour éliminer cet effet, il faut utiliser une sorte de commande anticouple avec une marge de puissance disponible suffisante pour permettre à l’hélicoptère de maintenir son cap et d’assurer le contrôle du lacet. Les trois commandes les plus courantes utilisées aujourd’hui sont le rotor de queue, le Fenestron d’Eurocopter (également appelé fantail) et le NOTAR de MD Helicopters.
Rotor de queueEdit
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 mono-rotor traditionnel. La position et la distance du rotor de queue par rapport au centre de gravité lui permettent de développer une poussée dans un sens opposé à la rotation du rotor principal afin de 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, modifiant ainsi la direction vers laquelle l’engin est dirigé.
Ventilateur gainé
Fenestron et FANTAIL 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 carénés comportent entre huit et dix-huit pales disposées avec un espacement irrégulier afin que le bruit soit réparti sur différentes fréquences. Le carter est solidaire de la peau de l’appareil et permet une vitesse de rotation élevée ; par conséquent, un ventilateur caréné peut avoir une taille plus petite qu’un rotor de queue classique.
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 Aérospatiale SA 341 Gazelle. Outre Eurocopter et ses prédécesseurs, un rotor de queue à ventilateur caréné a également été utilisé sur le projet d’hélicoptère militaire annulé, le RAH-66 Comanche de l’armée américaine, sous le nom de FANTAIL.
NOTAREdit
NOTAR, acronyme de NO TAil Rotor, est un système anticouple pour hélicoptère qui élimine l’utilisation du rotor de queue sur un hélicoptère. Bien que le concept ait pris du temps à être affiné, 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 nécessaire pour contrecarrer le couple dans le sens des aiguilles d’une montre produit par un rotor principal tournant dans le sens contraire des aiguilles d’une montre (vu du dessus du rotor principal), le ventilateur à pas variable pousse de l’air à basse pression à travers deux fentes sur le côté droit de la poutre de queue, ce qui fait que le vent descendant du rotor principal épouse la poutre de queue, produisant une portance et donc une mesure d’anticouple proportionnelle à la quantité de flux d’air provenant du vent descendant du rotor. Ceci est augmenté par un propulseur à jet direct qui fournit également un contrôle directionnel en lacet, 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 du concept. En décembre 1981, Hughes a fait voler pour la première fois un OH-6A équipé du système NOTAR. Un prototype de démonstration 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 y a actuellement trois hélicoptères de production qui incorporent la conception NOTAR, tous produits par MD Helicopters. Cette conception anticouple améliore également la sécurité en éliminant la possibilité pour le personnel de marcher dans le rotor de queue.
Un prédécesseur (en quelque sorte) de ce système existait sous la forme de l’hélicoptère Cierva W.9 de Grande-Bretagne, un appareil de la fin des années 1940 utilisant le ventilateur de refroidissement de son moteur à piston pour pousser l’air à travers une buse construite dans la poutre de queue afin de contrer le couple du rotor.
Jets de pointeModification
Le rotor principal peut être entraîné par des jets de pointe. Un tel système peut être alimenté par de l’air à haute pression fourni par un compresseur. L’air peut ou non être mélangé à du carburant et brûlé dans des statoréacteurs, des jets à impulsion 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 d’extrémité entraînés par de l’air comprimé non brûlé, les niveaux de bruit très élevés sont la principale raison pour laquelle les rotors à jet d’extrémité n’ont pas été largement acceptés. Cependant, la recherche sur la suppression du bruit est en cours et pourrait contribuer à rendre ce système viable.
Il existe plusieurs exemples de giravions propulsés par tip jet. Le Percival P.74 était sous-puissant et ne pouvait pas voler. Le Hiller YH-32 Hornet avait une bonne capacité de levage, mais ses performances étaient médiocres par ailleurs. D’autres appareils utilisaient une poussée auxiliaire pour le vol en translation, de sorte que les tuyères pouvaient être coupées pendant que le rotor était en autorotation. Les prototypes expérimentaux Fairey Jet Gyrodyne, Fairey Rotodyne 48 places pour passagers et les gyroplanes composés McDonnell XV-1 ont bien volé avec cette méthode. La conception la plus inhabituelle de ce type est sans doute le Rotary Rocket Roton ATV, dont le décollage était initialement prévu à l’aide d’un rotor à pointe de fusée. Le Djinn du Sud-Ouest français utilisait de l’air comprimé non brûlé pour entraîner le rotor, ce qui minimisait le bruit et lui permettait de devenir le seul hélicoptère à rotor entraîné par un jet d’extrémité à entrer en production. Le Hughes XH-17 avait un rotor entraîné par un jet de bout, qui reste le plus grand rotor jamais monté sur un hélicoptère.
Twin rotorsEdit
Les twin rotors tournent dans des directions opposées pour contrecarrer l’effet de couple sur l’appareil 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 contre-rotatif sur les giravions. Les rotors tandem sont constitués de 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 à engrènement sont deux rotors montés l’un près de l’autre avec un angle suffisant pour que les rotors s’engrènent au-dessus de l’avion. Une autre configuration – que l’on retrouve sur les tiltrotors et certains premiers hélicoptères – est appelée rotors transversaux, où une paire de rotors est montée à chaque extrémité d’une structure de type aile ou outrigger.
TandemEdit
Les rotors tandem sont deux ensembles de rotor principal horizontal montés l’un derrière l’autre. Les rotors tandem réalisent des changements d’assiette en tangage pour accélérer et décélérer l’hélicoptère par un processus appelé tangage 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 par l’opposition du pas cyclique dans chaque rotor. Pour pivoter à droite, le rotor avant s’incline à droite et le rotor arrière s’incline à gauche. Pour pivoter vers la gauche, le rotor avant s’incline vers la gauche et le rotor arrière s’incline vers la droite. Toute la puissance du rotor contribue à la portance, et il est plus simple de gérer les changements du centre de gravité de l’avant vers l’arrière. Cependant, cela nécessite l’achat de deux grands rotors plutôt que d’un grand rotor principal et d’un rotor de queue beaucoup plus petit, ce qui est plus courant. Le Boeing CH-47 Chinook est l’hélicoptère à rotor en tandem le plus courant.
Edit coaxial
Les rotors coaxiaux sont une paire de rotors montés l’un au-dessus de l’autre sur le même arbre et tournant en sens inverse. L’avantage du rotor coaxial est que, en vol vers l’avant, la portance fournie par les moitiés qui avancent de chaque rotor compense la moitié qui recule de l’autre, éliminant ainsi l’un des effets clés de la dissymétrie de la portance : le décrochage des pales qui reculent. Cependant, d’autres considérations de conception affectent les rotors coaxiaux. La complexité mécanique du système de rotor est accrue, car il faut 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 liaisons de commande pour les changements de pas du système de rotor supérieur doivent passer par le système de rotor inférieur.
IntermeshingEdit
Les rotors à engrènement sur un hélicoptère sont un ensemble de deux rotors tournant en sens inverse, chaque mât de rotor étant monté sur l’hélicoptère avec un léger angle par rapport à l’autre, de sorte que les pales s’engrènent sans se heurter. Cette configuration est parfois appelée synchroptère. Les rotors à engrènement ont une grande stabilité et une puissante capacité de levage. Cette configuration a été mise au point dans l’Allemagne nazie en 1939 avec le projet Flettner Fl 265 d’Anton Flettner, et plus tard, elle a fait l’objet d’une production limitée sous la forme du Flettner Fl 282 Kolibri, utilisé par la Kriegsmarine allemande en petit nombre (24 cellules produites) comme hélicoptère léger expérimental 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 l’incendie et de sauvetage de l’USAF. Le dernier modèle de Kaman, le Kaman K-MAX, est une conception dédiée à la grue aérienne.
TransverseEdit
Les rotors transversaux sont montés à l’extrémité des ailes ou des stabilisateurs perpendiculaires au corps de l’avion. Comme les rotors tandem et les rotors engrenants, le rotor transversal utilise également le pas collectif différentiel. Mais comme les rotors engrenants, les rotors transversaux utilisent ce concept pour les changements 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 grand hélicoptère jamais construit au monde, le Mil Mi-12. C’est également la configuration que l’on retrouve sur les tiltrotateurs tels que le Bell-Boeing V-22 Osprey et l’AgustaWestland AW609.
Quad rotorEdit
Etienne Oehmichen, Paris, France, 1921 Source
A quad rotor or quadrotor comprises four rotors in an « X » configuration. Rotors to the left and right are in a transverse configuration while those in the front and to the rear are in a tandem configuration.
An advantage of quad rotors on small aircraft such as drones is the opportunity for mechanical simplicity. A quadcopter using electric motors and fixed-pitch rotors has only four moving parts. 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 aérodynamiques sont
- symétriques
- asymétriques
Les pales symétriques sont très stables, ce qui permet de maintenir la torsion des pales et les charges de contrôle de vol au minimum.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 sur la corde où l’on considère que la résultante de toutes les forces aérodynamiques est concentrée.Aujourd’hui, les concepteurs utilisent des profils plus fins et obtiennent la rigidité requise en utilisant des matériaux composites.
En outre, certains profils sont de conception asymétrique, ce qui signifie que les surfaces supérieure et inférieure n’ont pas la même cambrure.Normalement, ces profils ne seraient pas aussi stables, mais cela peut être corrigé en courbant le bord de fuite pour produire les mêmes caractéristiques que les profils symétriques. C’est ce qu’on appelle le « reflexing ». 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 pression se trouve derrière le point de pivotement d’une pale de rotor, il a tendance à faire cabrer le disque du rotor. Lorsque l’angle d’attaque augmente, le centre de pression se déplace vers l’avant. S’il se déplace en avant du point de pivot, le pas du disque du 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 se mettre en drapeau, à conduire et à s’incliner de manière plus importante.