Helicoptere

Hélicoptère

Page d'aide sur l'homonymie Pour le fruit en forme d'aile tombant en spirale, voir Samare.
Hélicoptère de secours Eurocopter EC-145 de la Garde aérienne suisse de sauvetage (REGA)

Un hélicoptère est un aéronef à voilure tournante dont le ou les rotors procurent à eux seuls la propulsion et la sustentation pendant toutes les phases du vol.

Le rotor dit de sustentation, dont l'axe est sensiblement vertical, est une sorte de grande hélice à pas variable, et comporte de deux à huit surfaces aérodynamiques appelées pales, qui servent à déplacer l'appareil à la fois dans les plans verticaux et horizontaux.

Comparé aux aéronefs classiques à ailes fixes, l'hélicoptère est d'une conception plus complexe, il est plus onéreux à l'achat et à l'usage, reste relativement lent, possède un rayon d'action réduit et ne peut pas emporter de très lourdes charges.

Bell 206B Jet Ranger III au décollage

Sommaire

Étymologie

Le mot hélicoptère a été inventé[1] par Gustave Ponton d'Amécourt, à partir du grec helikos (hélice) et pteron (aile). Ce terme est apparu pour la première fois le 3 août 1861 dans une demande de brevet déposée en Angleterre, puis le 16 juillet 1862 dans le certificat d'addition au brevet 49.077 initialement déposé le 3 avril 1861 en France. Cet inventeur construisit avec Gabriel de La Landelle un petit prototype d'hélicoptère à moteur à vapeur, dont la chaudière fut une des premières utilisations de l'aluminium.

Histoire

Dessin de Vis aérienne de Léonard de Vinci (machine volante à voilure tournante).

Précurseurs

Depuis le IVe siècle av. J.-C., les Chinois faisaient voler de petits jouets sur le principe de l'hélicoptère pour fasciner les enfants. Par l'intermédiaire du commerce, on sait que ce jouet est arrivé jusqu'en Europe. En effet, ce type d’hélicoptère est représenté dans une peinture du IVe siècle de l'ouvrage intitulé Pao Phu Tau (抱朴子). Le livre Pao Phu Tau du IVe siècle trace également l'ébauche d'un aéronef à ailes rotatives.

En Europe, le premier à s'intéresser au concept d'hélicoptère fut le savant et ingénieur italien Léonard de Vinci. Un de ses dessins, daté de 1486, montre une machine volante à aile tournante (vis aérienne) basée sur le principe de la vis d'Archimède. Cependant, en l'absence de connaissances en aérodynamique et sans motorisation adéquate, il restera à l'état de projet.

Il faudra attendre la fin du XVIIIe siècle pour qu'une véritable avancée se produise : en 1754 le Russe Lomonossov essaie devant un aréopage scientifique un modèle complexe à deux rotors coaxiaux contrarotatifs, mus par un mécanisme d'horlogerie, et démontre l'existence d'une force de sustentation. Le 26 avril 1784, les Français Launoy et son mécanicien Bienvenu font voler devant l'Académie royale des sciences un petit modèle très simple mû par un mécanisme de ressort à arc. En 1877, un autre Italien, Enrico Forlanini parvient à faire voler un petit hélicoptère à vapeur. Dix ans plus tard le Français Trouve fait décoller un modèle doté d'un moteur électrique, dont l'alimentation est obtenue depuis le sol par de fins fils de cuivre. En 1905 les frères Henri et Armand Dufaux font décoller verticalement un appareil à moteur à explosion emportant sa propre énergie ainsi qu'une charge de 6 kg.

Début des hélicoptères (1907-1950)

Paul Cornu, en 1907, aux commandes de son hélicoptère.
Les Hélicoptères du Marquis de Pescara des années 1921 à 1925
Oehmichen N°2 1922

La grande avancée significative se produisit en 1907, année du premier vrai décollage au monde. Il aurait réussi, en Normandie à Coquainvilliers, près de Lisieux. Cet engin de 203 kilos est inventé et piloté par Paul Cornu. Pour la première fois, une machine s'est affranchie du sol sans élan avec un homme à bord. Cette date du 13 novembre 1907 est citée dans toutes les histoires de l'aviation, comme étant celle du premier vol libre d'un hélicoptère avec son pilote. D'autres essais significatifs d'hélicoptères emportant un homme sont réalisés la même année, par Louis Breguet et Charles Richet à Douai. C'est également l'époque des essais de Maurice Léger.

C'est la bascule historique entre des modèles de petite taille et des machines faites pour emporter leur pilote. Puis le Danois Jens Christian Ellehammer en 1912, l'Argentin Raoul Pateras Pescara de Castelluccio, marquis Pateras-Pescara (1890 - 1966), avec ses hélicoptères coaxiaux et le Français Étienne Œhmichen avec ses laboratoires volants à partir de 1920, réussissent à voler de mieux en mieux. Le marquis Raoul Pateras Pescara en particulier, est passionné par l'aviation. Sa carrière de pionnier avait commencé en 1911. Il dépose en Espagne 96 brevets de 1917 à 1931 étendus à différents pays. Tous ses appareils sont de véritables hélicoptères, pour être équipés de deux rotors coaxiaux contrarotatifs ( le Larousse de 1922 illustre le mot hélicoptère avec la photo du Pescara de 1919 à Barcelone accompagnée du texte : Système Pescara). Pour assurer les déplacements, le pilote dispose d'un manche à balai (brevet n°553.304) qu'il peut incliner dans la direction qu'il veut suivre. Il en résulte une variation cyclique du pas de chaque pale à chaque rotation. Son hélicoptère 2F boucle le kilomètre le 16 janvier 1924 en 10 minutes 33 secondes fortement secoué par des rafales. Une rafale plus forte fit qu'à 850 m, la béquille arrière toucha le sol ; il obtint le record du monde de distance en ligne droite avec son hélicoptère le 18 avril 1924[2].

Le n° 142 du 18 mai 1922 de Sciences et voyages, dans un article de 4 pages de P. James intitulé : « L'Hélicoptère supplantera-t-il l'avion ? » démontre qu'il n'y a aucune ambiguïté pour caractériser les différents modèles d'appareils. Il situe dans la même catégorie : Pateras-Pescara, Crocker-Hewitt, Petrozy et Karman, Douhéret etc. et « il peut y avoir intérêt, surtout lorsque l'hélicoptère est combiné avec un aéroplane, à employer des hélices à axe séparés, solution adoptée par Cornu, Breguet, Lacoin, etc. » Il nous informe sur ce qu'est un hélicoptère par rapport à un avion et son historique commence par les jouets de Delannoy et Bienvenu, en 1784, Philip en 1842, Coson en 1854, Bright en 1859, Landelle en 1861, etc. Pour entrer dans la période des essais d'hélicoptères en grandeur réelle, il faut s'intéresser en 1906 aux premiers essais du Léger (hélices de 6,25 m de diamètre commandées par un moteur électrique qui restait au sol, voir schéma) dans les hautes salles du Musée océanographique de Monaco. Il poursuit l'histoire par des photos du Cornu (1906), Lamé, l'appareil de M. Oemichen « une sorte d'hélicoptère, suspendu sous un ballon dirigeable », l'appareil d'étude construit à Douai en 1908 par Breguet-Richet, l'avion-hélicoptère de Decazes et Besançon de 1910. Le Pescara 2R comportant 4 photos de détail et une complète de l'appareil en vol dans le hangar. En 1924, L'Aérophile publie pour le Pescara 2F, les performances suivantes : le 16 janvier 1924, vol de 1160 m, en 8 mn 13 sec et le 29 janvier 1924, vol en circuit fermé de 750 m, en 10 mn 10 sec. Il ne fit pas enregistrer par la F.A.I. ses records. Tous les appareils Pescara répondent à la définition de l'hélicoptère. Ses appareils sont équipés de deux rotors coaxiaux contrarotatifs. Pour assurer les déplacements, le pilote dispose d'un manche à balai (brevet Fr n°553.304 déposé en espagne le 15 avril 1921) qu'il peut incliner dans la direction qu'il veut suivre. Il en résulte une variation cyclique du pas de chaque pale à chaque rotation. Les rotors produisent une poussée aérodynamique dissymétrique qui incline l'appareil dans la direction choisie. Une manette commande la variation globale du pas des rotors, permettant à l'hélicoptère de monter ou descendre verticalement. Cette innovation des commandes se retrouvent dans les appareils actuels sous les noms respectifs de commande de pas cyclique et de pas collectif. Un volant situé sur le manche à balai fait varier différemment le gauchissement des pales de chaque rotor, ce qui engendre un couple de rotation permettent le virage sur place. Le 4S qui évolue en 1931 pesant 400 kg muni d'un moteur de 40 CV dispose à l'avant d'une hélice débrayable. Le 4S peut donc fonctionner en hélicoptère ou en Autogire[3].

Les revues de l' Aérophile et l' Aéronautique des années 1919 à 1931 permettent de suivre les essais des appareils à voilure tournante. C'est dans l'Aérophile de mars 1923 que nous trouvons dans le Bulletin officiel de l'Aéroclub de France la création d'un "prix d'hélicoptères". Le commité, sur la proposition de la commision aviation cré un prix d'hélicoptères de 10.000 fr.

Il y aura un 3F en 1925 dont la puissance fut portée à 280 CV. Le Larousse de 1922 mit à l'honneur le « système Pescara » en incluant la photo de l'appareil de Barcelone dans la définition du mot « hélicoptère ». Son appareil, provenant de Barcelone, transformé en 2R va être remis en état afin d'être exposé en 2007 au Musée de l'air et de l'espace du Bourget. L'hélicoptère Pescara type 2R comprend 2 hélices de 6,4 m de diamètre, à 6 paires de pales de 0,4 m de large, tournant en sens inverse sur axes verticaux. La longueur de la nacelle est de 5 m et la hauteur est d'environ 3,2 m. Le moteur est un Rhône de 160 ch.

Le dernier hélicoptère réalisé par le Marquis Pateras Pescara est le 4 S décrit par un plan dans l’Aéronautique n°143 d’avril 1931. Bien qu’il ait le même encombrement, il est deux fois plus léger ( 400 Kg ) et son moteur de 40 HP le fait évoluer à 8 mètres de hauteur par des vents de 25 à 30 Km/h.

Le Gyroplane-laboratoire, à deux rotors superposés.

Finalement, Étienne Oehmichen couvre un kilomètre en circuit fermé le 4 mai 1924 à Arbouans (près de Montbéliard). Son appareil est le n° 2 qui se présente avec quatre hélices sustentatrices, quatre hélices d'évolution, une hélice tractive. Un article de 4 pages avec photos « L'hélicoptère supplantera-t-il l'avion » de P. James dans le n° 142 du 18 mai 1922 de Sciences et voyages. L'appareil n°1 d'Oehmichen est décrit comme une sorte d'hélicoptère car il n'a pu être classé par l'auteur dans les deux catégories de véritables hélicoptères. En 1927, est publié une étude expérimentale des voilures tournantes par l'Ingénieur de l'Aéronautique M. Lapresle. En effet le Laboratoire Eiffel est chargé par le Service Technique et Industriel de l'Aéronautique pendant les années 1924, 1925 et 1926 d'étudier par l'essai de maquettes de voilures d'autogires, de gyroptères et d'hélicoptères leurs comportements. Le recueil des essais a été publié en avril 1927. Il est rappelé qu'ils entendent un fonctionnement en hélicoptère celui relatif au cas où la voilure doit assurer à elle seule la sustentation et la translation. Ce n'est en aucun cas le n°2 de M. Oehmichen qui a 12 hélices qui fonctionne sur ce principe. Il y a autant d'hélices groupées que de direction à suivre. Cet appareil ne réussi q'une ligne droite de 525 m le 17 avril 1924 (F.A.I.) et il fut battu le lendemain par le marquis Pateras-Pescara. Ce record fut battu le 10 octobre 1930 à Rome par l'Italien Marinello Nelli qui parcouru une distance en ligne droite de 1078 m en 8 min 45 sec (F.A.I.) Il fit enregistré cette durée de vol comme un record alors que Raoul Pateras-Pescara avait volé 10 min le 29 janvier 1924.

Dans les années trente, une machine nommée « gyroplane de laboratoire » réussit à voler à 100 km/h pendant une heure. L’hélicoptère reste une machine encore expérimentale jusqu’en 1940. C'est L. Breguet et Richer qui invente en 1907 le mot Gyroplane qui se trouve dans les encyclopédies Larousse de 1922.

Le VS-300 de Igor Sikorsky, le premier appareil de configuration moderne (1939), avec son hélice verticale contra-rotative de queue.

La période 1919 à 1924 voit donc les réussites d'Étienne Oehmichen et Raul Pateras Pescara. En effet, en 1924 la France, détenait avec ce dernier, le 18 avril le record de distance en véritable hélicoptère enregistré par la Fédération aéronautique internationale (FAI) et avec Oehmichen, ceux de distance en circuit fermé et d'altitude avec un combiné.

Louis Breguet et René Dorand réussirent à faire voler durant les années trente un appareil très réussi, le « Gyroplane Laboratoire », qui atteignit 100 km/h et vola plus d'une heure. Cependant, l'hélicoptère restera un véhicule expérimental jusqu'aux années 1940.

Entre temps, de nombreux pionniers se sont lancés à leur tour dans l'aventure, dont les Allemands Heinrich Focke en 1937, Anton Flettner en 1939 et l'américain d'origine russe Igor Sikorsky en 1939 avec son VS-300.

Technique

Les différentes formules de rotors

Un Kamov Ka-50 utilisant deux rotors de sustentation coaxiaux
Un Bristol Type 192 Belvedere utilisant des rotors de sustentation dits "en tandem"

Il existe plusieurs formules de construction d'hélicoptères. Le premier à breveter un projet qui l'utilisait a été l'allemand Heinrich Focke. Il est composé de deux parties essentielles :

  • le rotor principal, dont l'axe est vertical, assure la sustentation (la portance venant de la vitesse de rotation et de l'incidence des pales), le vol en translation dans toutes les directions : verticale, longitudinale (avant, arrière) et latérale. Il assure également le contrôle d'attitude en tangage et en roulis de l'hélicoptère
  • le rotor de queue ou rotor anti-couple, appelé habituellement RAC par les pilotes d'hélicoptère, dont l'axe est sensiblement horizontal. Il empêche l'hélicoptère de tourner sur lui même lorsque le rotor principal tourne et permet d'assurer le contrôle en lacet. Le premier qui utilisa ce dispositif pour son appareil fût le Russe Yuriev en 1912. Voir voilure tournante

Voici quelques autres formules de construction d'hélicoptères :

  • avec deux rotors de sustentation en tandem (l'un derrière l'autre, leur principal promoteur a été l'Américain Frank Piasecki. Ce système dans lequel les rotors tournent en sens inverse permet d'annuler le couple de réaction du rotor sur la cellule.
  • avec deux rotors de sustentation coaxiaux (tournant autour du même axe) comme les appareils du constructeur russe Kamov présentés en 2002. Les hélicoptères Pescara à partir de 1919 répondent à cette caractèristique définie en 1862 par Ponton d'Amécourt et les Larousse de 1922 à 1940.
  • avec des rotors de sustentation dits « engrenants », dont la rotation est synchronisée de manière que leurs pales se croisent sans se toucher pendant la rotation, comme les machines du constructeur allemand Anton Flettner reprises par l'Américain Kaman réalisateur du K-Max qui de par leur conception font également l'économie d'un rotor anti-couple.

La boîte de transmission principale (BTP)

Cette boîte de transmission, élément primordial de l'hélicoptère, permet la transmission de la puissance des moteurs vers le rotor principal, ainsi que vers le rotor anti-couple (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.

Elle est composée généralement de plusieurs engrenages permettant de réduire les vitesses de rotation de sortie moteur (plusieurs 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). Cette transmission de puissance est assumée par des engrenages (droits, hélicoïdaux, trains épicycloïdaux..) dont les dentures ont reçu les traitements thermiques adéquats . Au regard du couple transmis, le dégagement de chaleur produit par les frottements doit être maîtrisé car il ne faut pas que la chaleur produite atteigne les valeurs de recuit des aciers employés pour les engrenages. Pour cela, une pompe interne assure la lubrification des organes de transmission afin de diminuer le frottement et d'évacuer la chaleur (soit par la paroi de la BTP, soit par un radiateur). La BTP comporte également une ou plusieurs roues libres, pour désolidariser le rotor du moteur en cas de panne et de permettre l'autorotation. La roue libre est du type à galets : les galets sont coincés entre l'arbre menant à facettes et l'anneau extérieur de roue libre. Afin d'assurer une transmission de mouvement sans à-coups, un système à ressort plaque les galets contre l'anneau extérieur. Certains constructeurs prévoient un système de décrabotage qui permet de décoincer les galets de façon permanente : cela permet d'alimenter les accessoires sans entrainer les rotors arrière et principal. Les accessoires fixés sur la BTP sont généralement ceux qui ont besoin d'énergie mécanique : la ou les pompes hydrauliques, le ou les alternateurs, un entrainement pour le ventilateur (circuit de refroidissement huile BTP)...

Le rotor principal

Les pales du rotor principal sont généralement entraînées par le moteur au moyen d'une boîte de transmission, appelée par son sigle BTP (boîte de transmission principale). Cependant on a aussi essayé d'utiliser la force de réaction des gaz d'échappement en extrémité des pales comme sur le Djinn.

Vol stationnaire

Elles ont un profil asymétrique ou symétrique et agissent en rotation suivant le même principe que les ailes d'un avion. Le rotor tournant toujours à vitesse angulaire constante, c'est la variation de l'angle d'incidence des pales (angle formé entre la corde de la pale et le vent relatif) qui provoque une modification du comportement du rotor, et par conséquent de la position de l'aéronef. Pour cabrer par exemple, il faut que le rotor ait un moment à cabrer. On modifie donc l'incidence de la pale de sorte que la portance de celle-ci soit maximale au passage à l'avant de l'appareil, et minimale à l'arrière de l'appareil. L'incidence de la pale varie donc de manière sinusoïdale en effectuant un tour rotor. Cette variation d'incidence est réalisable dans n'importe quelle direction. Elle est contrôlée par le pilote à l'aide du manche cyclique (l'équivalent du "manche à balai" sur avion. L'autre manière de contrôler l'incidence des pales est réalisée au moyen de la commande de pas général (aussi appelée pas collectif) tenue par la main gauche du pilote. Cette variation d'incidence est identique sur chacune des pales (modification générale de l'incidence - appelé ou encore le pas - des pales) et permet de contrôler la portance générale générée par le rotor (pour prendre de l'altitude ou descendre).

Le rotor de queue

Toute rotation du rotor principal entraîne un couple de réaction qui a tendance à faire tourner la cellule autour de lui et en sens inverse (3e loi de Newton). Pour contrer cet effet indésirable, on place (pour les hélicoptères à un seul rotor principal), à l'extrémité de la poutre de queue un rotor secondaire plus petit et tournant dans un plan sensiblement vertical appelé rotor anti-couple (la presence de ce RAC est inutile sur helicoptère à principe contrarotatif c'est à dire constitué de deux rotor principaux l'un au-dessus de l'autre tournant en sens opposé, annulant ainsi l'effet de couple. Ces appareils sont toutefois rares.). Le couple de réaction variant en fonction de l'incidence des pales du rotor principal (la résistance au vent est d'autant plus grande que l'angle que forme celui-ci avec la corde des pales augmente), la force à appliquer doit elle aussi pouvoir être réglée par l'intermédiaire du rotor anti-couple qui est commandé par deux pédales (le palonnier) situées aux pieds du pilote. Selon le sens dans lequel le pilote agit sur le palonnier (enfoncement de la pédale gauche ou de la pédale droite) il augmente l'incidence des pales du RAC, ce qui va davantage contrer le couple du rotor principal (« tirer » la queue), ou il diminue cette incidence et qui aura pour effet de laisser « filer » celle-ci. Le mouvement de giration en vol stationnaire est commandé à l'aide du palonnier. Selon que le rotor principal tourne dans le sens horaire comme sur les hélicoptères de conception française ou en sens anti-horaire (hélicoptères de conception américaine ou allemande avant la fusion avec Aérospatiale pour créer Eurocopter), le rotor anti-couple sera situé d'un côté ou de l'autre de la poutre de queue ou bien son souffle sera dirigé dans un sens ou dans l'autre, s'il est encastré dans un fenestron.

Schéma du système NOTAR

Le rotor anti-couple conventionnel peut être remplacé pour des questions de sécurité par le système NOTAR (pour NO TAil Rotor) qui effectue la même action au travers d'une turbine entraînée par le moteur soufflant de l'air dans la queue éjecté par des fentes(McDonnell Douglas MD-520N). Cette solution possède néanmoins l'inconvénient de ne pas atteindre l'efficacité d'un RAC de conception plus classique. Une autre solution, afin d'éviter l'emploi d'un rotor anti-couple, consiste à placer un deuxième rotor principal à l'arrière tournant à l'inverse du premier et qui contre le couple de celui-ci (Boeing CH-47 Chinook). Une troisième possibilité consiste à utiliser deux rotors l'un au-dessus de l'autre et tournant aussi en sens inverse, appelé rotor contra rotatif, chacun annulant le couple de réaction de l'autre (Kamov Ka-50) ou encore deux rotor contrarotatifs engrenants situés côte-à-côte sur des mâts rotor en "V" comme sur le Flettner Fl 282 Kolibri ou le K-Max de Kaman.

Pour déplacer l'hélicoptère dans une direction ou une autre, on bascule légèrement la composante de portance du rotor principal dans la direction souhaitée. La force de sustentation, perpendiculaire au plan formé par le rotor en rotation vu de côté et auparavant verticale, va donc être inclinée et « tirer » l'hélicoptère dans le sens désiré. Ceci est obtenu en augmentant de façon sélective l'incidence des pales : celle qui aura une incidence plus grande aura aussi une portance plus importante et aura tendance à se soulever par rapport aux autres, provoquant par là l'inclinaison du rotor.

Vol en translation

Pour une pale donnée, au cours de sa rotation, son incidence va donc varier d'un angle donné au départ pour augmenter puis revenir à cette même valeur quand la pale aura terminé un tour complet. Puisqu'à chaque tour les pales connaîtront une modification de leur incidence de façon récurrente, on nomme ces changements d'état la variation cyclique et c'est pour cette raison que la commande qui provoque ces modifications est appelée commande de pas cyclique et tenue par la main droite du pilote (voir plateau cyclique). En complément, la force de sustentation ainsi inclinée garde la même valeur et voit sa composante verticale, servant effectivement à la sustentation de l'aéronef, diminuer ce qui provoque un enfoncement de celui-ci. Ceci est compensé en augmentant légèrement l'incidence générale des pales (main gauche), action qui demandera aussi une correction au niveau du palonnier.

Les pales sont de plus animées de deux types de mouvements au cours d'une rotation complète du rotor : le battement ( "flapping" en anglais dans le sens vertical) et la traînée (lead/lag en anglais) dans le sens horizontal. Il s'agit de déplacements angulaires de la partie courante de la pale par rapport au pied de pale qui est fixé au niveau du moyeu rotor. Ces mouvements sont dus aux forces aérodynamiques s'exerçant pendant le vol d'avancement : la dissymétrie de portance est la différence de portance qui existe entre la moitié avançante du disque rotor et la moitié reculante. Elle provient du fait que dans la direction du vol, le vent relatif s’ajoute au vent relatif rotatoire de la pale avançante et se soustrait de la pale reculante. La pale qui passe la queue et qui avance du côté droit de l’hélicoptère possède une vitesse air qui atteint son maximum sur la position 3 de l’horloge. Lorsque la pale continue, la vitesse air est essentiellement réduite à la vitesse rotatoire de l’air sur le nez de l’appareil. En quittant le nez, la vitesse air décroît progressivement pour atteindre son minimum à 9 heures. La vitesse air ensuite augmente progressivement et atteint de nouveau la vitesse rotatoire en passant sur la queue.(voir photos de l'amortisseur entre les pales dans l'article plateau cyclique). Pour éviter une rupture de la pale aux points sollicités en flexion, celle-ci est équipée d'articulations et de butées ou amortisseurs spéciaux. Les pales modernes en matériau composite s'affranchissent de ces articulations. Le premier hélicoptère sans articulations fut le Bo 105 de Ludwig Bölkow.

Il est utile de préciser qu'il est possible d'identifier l'origine des hélicoptères en vol. Vu de dessus, le rotor d'un hélicoptère de conception française ou russe (ainsi que soviétique) tourne dans le sens des aiguilles d'une montre (ou horaire), tandis qu'un hélicoptère construit en Italie, au Royaume-Uni, en Allemagne ou aux États-Unis tourne dans le sens contraire des aiguilles d'une montre.

Technique de vol

Aspects physiques

Comme pour l'avion, la vitesse relative de l'air et de la voilure génère une action mécanique qui permet à l'engin de voler. On distingue deux composantes de cette action aérodynamique:

  • la traînée qui est la résistance à l'avancement. De son action sur le rotor de l'hélicoptère, il résulte un couple tendant à faire tourner l'appareil autour de son axe, d'où la nécessité d'un dispositif anti-couple.
  • la portance qui soulève l'appareil.

Animation

Le contrôle d'un appareil repose alors sur la gestion de cette portance. Alors que sur les avions, des volets permettent de modifier la portance des ailes pour virer monter... sur l'hélicoptère, comme sur les éoliennes, on modifie le pas et l'inclinaison des pales. Cependant, il existe une différence. Si sur l'avion on agit individuellement sur chaque gouverne, sur l'hélicoptère on contrôle la portance d'une pale suivant sa position par rapport à l'appareil. C'est le rôle du plateau cyclique, pièce principale du dispositif de commande de vol.

Vol stationnaire.

Le rotor de l'hélicoptère étant entraîné à vitesse constante, les déplacements verticaux de l'hélicoptère sont obtenus par la seule modification du pas des pales. À ce stade du vol, la portance des pales reste identique sur un tour du rotor. Il existe une position où la portance globale s'oppose exactement au poids de l'appareil : l'hélicoptère peut rester immobile. Si elle lui est inférieure, l'appareil descend. Si elle est supérieure, il monte.

Vol en translation.

Pour que l'hélicoptère avance il faut une force à composante horizontale. Si on augmente la portance des pales lorsqu'elles passent derrière le rotor, leur plan de rotation s'incline vers l'avant, grâce à une articulation en battement reliant chaque pale à l'axe de rotation, et l'inclinaison de la portance produit la composante horizontale nécessaire. Il reste toutefois une composante verticale principale qui s'oppose au poids permettant le maintien en l'air, et la composante horizontale motrice engendre le mouvement d'avancement, donc accélération jusqu'à une vitesse où la traînée globale (résistance à l'avancement de l'hélicoptère) s'équilibrera avec la composante motrice.

Le principe est le même quelle que soit la direction de déplacement souhaitée.

Cas particulier : le vol en cas de panne de moteur

En cas de panne du/des moteur(s), le pilote d'hélicoptère doit se poser en autorotation, c'est un cas de vol spécifique à l'hélicoptère mais aussi à l'autogyre. Cette manœuvre peut s'apparenter au vol plané en avion.

Si le(s) moteur(s) ne tourne(nt) plus, les rotors ne sont donc plus entrainés, mais les rotors continuent à tourner grâce à une roue libre, et le vent relatif (de bas en haut pour l'hélico) va entretenir le régime du rotor principal (le rotor de queue est toujours mécaniquement lié au rotor principal). Puisque les pales continuent à tourner, l'hélicoptère ne va pas tomber comme une pierre, sa chute est ralentie, et même contrôlée, seulement ses vitesses horizontales et verticales sont encore trop grandes, le pilote va effectuer différentes actions permettant d'amener son hélicoptère dans une configuration permettant un posé en douceur.

Lors d'une panne moteur, le pilote d'un hélicoptère doit effectuer les actions suivantes :

Mise en autorotation

Il s'agit pour le pilote de baisser rapidement le pas général (jusqu'à la butée de plein petit pas si nécessaire), puis ensuite de maintenir un régime rotor dans une plage autorisée (indiqué sur l'instrument correspondant) d'après le manuel de vol du constructeur de l'appareil.

Descente

Il faudra ensuite conserver une vitesse horizontale de l'ordre de 50 à 70 kt pendant la descente. Le pilote peut prendre la vitesse qu'il souhaite suivant l'aérologie et le relief. (Le taux de chute sera tout de même de l'ordre de 1500 à 2000 ft/min). Le pilote devra alors choisir un secteur d'atterrissage adapté pour se poser avec une composante de vent de face (c’est-à-dire avec un vent de secteur avant de plus ou moins 40°).

Atterrissage

À une hauteur sol dépendant de plusieurs facteurs (le type d'hélicoptère, le taux de descente, de la vitesse propre et aussi de la vitesse sol finale recherchée), il faut ensuite réaliser un "flare" en cabrant la machine. Le "flare" va permettre de diminuer (casser) la vitesse horizontale et la vitesse verticale afin de pouvoir réaliser un atterrissage, soit glissé en sécurité, soit posé à plat si le sol ou l'environnement ne permet pas un posé glissé. Enfin à une hauteur comprise entre 3 ft et 10 ft (soit entre 1 m et 3 m) reprendre une assiette nulle ou très légèrement positive et soutenir la machine au pas général pour amortir le contact avec le sol en convertissant l'énergie cinétique du rotor en force de sustentation. L'art de l'autorotation réside dans le dosage de cette mise de pas : effectuée trop haut, l'appareil se retrouve sans tours rotor et tombe, effectuée trop tard ou pas bien dosée et l'appareil heurte le sol avec une vitesse verticale importante et peut être gravement endommagé.

Les commandes de vol

Commandes d'une Alouette III

Le pilote possède trois systèmes principaux de commandes : le levier de pas cyclique (manche), le pas général (ou collectif) et les palonniers (pédales). Le cyclique contrôle l’inclinaison du rotor principal en créant une modification de l'angle d'incidence des pales.

Le collectif contrôle l’angle de pas de toutes les pales, 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. Il faut bien avoir à l'esprit que la poussée du RAC doit permettre de compenser le couple généré par le rotor principal. Ainsi, toute variation de la puissance mise en jeu sur le rotor principal, donc de la position du collectif, nécessite une action au palonnier.

Tout ceci fait que l’hélicoptère est une machine incroyablement complexe du point de vue aérodynamique comme nous l'avons vu plus haut mais c'est aussi et de très loin la plus manœuvrable.

Aspect technologique

La mise en œuvre opérationnelle (depuis 1950)

Double rotors ou simple rotor

Un CH-47 Chinook à double mat et double rotor contra-rotatif.
Une maquette du Kolibri allemand de la seconde guerre mondiale, avec ses deux rotors côte à côte se croisant lors de la rotation des pales.

Dès le début, les hélicoptères ont été handicapés par la question du couple : si un seul rotor soutient l'appareil, celui-ci tournera dans le sens inverse de la rotation du rotor, rendant l'appareil incontrôlable.

Des années 1900 aux années 1940, la seule solution retenue a été celle de l'utilisation de 2 rotors de sustentation, l'un tournant de gauche à droite, et l'autre de droite à gauche, ces rotations inversées neutralisant l'effet de couple.

Trois configurations ont été mises en œuvre pour ces doubles rotors :

  • deux rotors séparés, montés sur deux mâts distant l'un de l'autre.
  • deux rotors montés l'un au-dessus de l'autre sur un même mât.
  • deux rotors « engrenants » montés à quelques centimètres l'un de l'autre, côte à côte, mais légèrement inclinés et se croisant en sens inverse (un système qu'on trouve sur le kolibri allemand).

Ces configurations à double rotor restaient complexes et coûteuses, et jusqu'aux années 1940, l'hélicoptère n'est resté qu'au stade des projets ou des prototypes, sans jamais connaître de production de série.

La percée est venue d'un ingénieur américain d'origine russe, Igor Sikorsky. Le 14 septembre 1939, il réalisa le premier vol (au bout d'un câble) de son VS-300 (Vought-Sikorsky 300), un appareil équipé d’un seul rotor principal tripale entraîné par un moteur de 75 cv (56 kW). Afin de permettre l'existence d'un seul rotor (horizontal), l'effet rotatif du couple était compensé par un rotor secondaire dit « anti-couple », placée (verticalement) au bout d'une queue. Cette innovation permit de simplifier les structures et d'alléger les coûts, et c'est cette configuration qui s’imposa par la suite chez la plupart des constructeurs, même si dans les années 1940, les premiers hélicoptères à connaître une (petite) production en série, les hélicoptères allemands Flettner Fl 282 Kolibri et Focke-Achgelis FA 223 Drache auront encore la configuration bi-rotors (côte à côte).

L'engagement militaire (depuis 1950)

Durant la Seconde Guerre mondiale, les Allemands s'intéressèrent à ce type d'appareils. Ils mirent notamment au point un hélicoptère léger de reconnaissance, le Flettner Fl 282 Kolibri, ainsi qu'un hélicoptère de transport, le Focke-Achgelis FA 223 Drache. Ces appareils étaient tous deux équipés de deux rotors contra-rotatifs, empêchant l'appareil de tourner sur lui-même. Ces appareils furent très peu utilisés durant le conflit.

Le premier véritable engagement opérationnel d'hélicoptères eut lieu durant la guerre de Corée. Il servait alors essentiellement à évacuer rapidement des blessés de positions difficilement accessibles. Ce fut également le cas durant la guerre d'Indochine. Durant la guerre d'Algérie, il sera massivement utilisé par l'armée française pour déplacer rapidement de petits contingents sur les lieux des combats, leur procurant ainsi une mobilité incomparable ; procéder également à de nombreuses évacuations sanitaires ; certains seront armés de canon, de mitrailleuses et même de lance roquettes (Sikorsky H-34) et missiles (Sud-Aviation Alouette II).

Un hélicoptère d'attaque Mil Mi-24 d'origine soviétique.

De même, durant la guerre du Viêt Nam, les États-Unis en feront un emploi systématique au point que l'on surnommera cette guerre «la guerre de l'hélicoptère». C'est au cours de cette guerre que naîtra le concept d'hélicoptère de combat avec le Bell AH-1 Cobra. Désormais, l'hélicoptère ne sert plus seulement au transport : équipé de mitrailleuses, de canons, et de missiles, il apporte un appui appréciable aux troupes au sol et s'avère également redoutable dans la lutte anti-char.

De fait, jusqu'au milieu des années 1950, les hélicoptères étaient propulsés par des moteurs à explosion (même principe que ceux équipant les automobiles) en étoile ou en ligne. Il faut attendre 1955 et la mise en service de l'Alouette II de Sud-Aviation pour voir apparaître le premier hélicoptère de série propulsé par une turbine. Bénéficiant d'une grande souplesse et d'une forte puissance, ce type de moteur est particulièrement bien adapté aux hélicoptères.

Utilisations

L'hélicoptère possède un avantage considérable sur l'avion : son aptitude à effectuer un vol stationnaire (maintenir une position fixe en vol -ou sustentation-) qui lui permet d'atteindre des endroits inaccessibles à son homologue à voilure fixe qui doit presque toujours utiliser une piste. En contrepartie, l'hélicoptère a besoin d'un moteur bien plus puissant afin de se soulever du sol, limitant en cela sa capacité d'emport.

Les particularités qui font l'intérêt de l'hélicoptère sont sa capacité à décoller et atterrir verticalement, son accès possible aux lieux étroits et la possibilité de se déplacer lentement et dans tous les axes (en particulier latéralement et à reculons). L'hélicoptère est donc doué d'une manœuvrabilité adaptée à un certain nombre de situations spécifiques.

Utilisations civiles

On appelle activités civiles tout ce qui n'est pas expressément militaire. Elles comprennent donc, en plus des hélicoptères privés et des sociétés de transport de passagers ou de travail aérien, les activités dites « parapubliques » comme les services :

Mais aussi, les activités de l'aviation civile :

  • transport de passagers sur des lignes régulières (comme la liaison Nice-Monaco) ;
  • transport à la demande, et/ou VIP (dont le baptême de l'air).
  • transport off shore (activité spécifique bien différente du transport à la demande) ;
  • transport de marchandises (ou levage de matériel de construction et de travaux) ;
  • épandage agricole ;
  • dépose de pilote de port (généralement sur des navires pour l'accostage de ces derniers au port) ;
  • école (pour former des pilotes privées et professionnels) ;
  • vols techniques (relevé topographiques, relevé électrique, dans ce cas l'appareil doit être alors spécialement équipé pour ces relevés) ;
  • vols de prises de vues aériennes (photos, vidéos...) ;
  • assistance de personnel pour la réalisation de travaux (sur des lignes à hautes tension comme sur les pylônes ou en montagne pour la construction ou des chantiers) ;
  • surveillance de lignes électriques (RTE et SNCF) ;
  • relevé de données servant à calibrer des stations pour l'émissions d'ondes hautes fréquences.

Utilisations militaires

Dans les armées, les différents types d'hélicoptères servent à de nombreux usages : reconnaissance, lutte antichar, lutte antiaérienne, appui-protection aux troupes au sol ou aux autres hélicoptères, transport de troupes ou de matériel, évacuation sanitaire, sauvetage, commandement et guerre électronique, lutte anti-sous-marine, etc.

Économie

Principaux constructeurs

  • Constructeurs d'hélicoptères

Notes et références

  1. (fr) Thierry Le Roy, « L'hélicoptère : une invention prometteuse au XIXe siècle. », dans Pour la Science (ISSN 0153-4092), Les génies de la science, n°31, mai-juillet 2007.
  2. Voir les documents d'enregistrement à la FAI.
  3. Voir un article « Pionnier de l'aviation » par l'Ingénieur Christian de Pescara le n° 88 du Petit Cantonal de Navarrenx- Siret : 429 162 639 000 18

Voir aussi

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Articles connexes

Bibliographie

  • Edmond Blanc, ingénieur des Arts et manufactures, Capitaine Aviateur, Ingénieur des constructions Aéronautiques en 1931 écrit le livre "Toute l'Aviation" dans la collection scientifique moderne édité par la société Parisienne d'édition à Paris. La préface est de Laurent Eynac premier ministre.
  • René Mouille, « Des capots aux moyeux rotors : des hélicoptères presque en plastique », dans Revue aerospatiale, N° hors série 20 ans d'Aerospatiale, janvier 1990
  • (fr) Henri-James Marze (Eurocopter France), Jean-Jacques Philippe (ONERA), « L'hélicoptère silencieux, un programme de recherches en cours, une réalité de demain », dans Nouvelle revue Aéronautique et Astronautique, N° 2, juin 1994, (ISSN 1247-5793).
  • Bernard Bombeau, « Hélicoptères : La genèse de Léonard de Vinci à Louis Breguet », 364 pages, (ISBN 12708992058). Le livre contient des erreurs sur Raoul Pateras-Pescara (1890 1966) et ses hélicoptères.
  • Christian de Pescara (AAMA), « Les inventions du marquis de Pescara », dans Pégase, n°126, octobre 2007, (ISBN 0399-9939).
  • J. Gordon Leishman, « Principles of Helicopter Aerodynamics », (ISBN 9780521858601).
  • Philippe Poulet, Frédéric Ogeret, La fabuleuse histoire de l'hélicoptère : un siècle de voilures tournantes, Editions Mission Spéciale Productions, Paris 312 pages - 40 dessins techniques et des centaines de photographies - voir détails www.helicopassion.com, 2007 
  • Jean Courvoisier, "Hélicoptère - Manuel du Pilote", éditions Etienne Chiron (ISBN 2-7027-0610-X)

Liens et documents externes

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