Hélicoptère

Selon la définition officielle, 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.

Chaque 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 le plan vertical et horizontal.

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.

Cependant, il possède un avantage considérable sur l'avion : son aptitude à effectuer un vol stationnaire (maintenir une position fixe en vol) 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.

Depuis le IVe siècle av. J.-C. déjà les hommes faisaient voler des jouets.
Ce type d’hélicoptère est représenté dans une peinture du IVe siècle de l'ouvrage intitulé Pao Phu Tau (抱朴子). Léonard de Vinci en 1486 fit un dessin qui montre une machine volante à aile tournante.
Il faut attendre le XVIIIe siècle pour voir un projet.
La grande avancée significative se produisit en 1907, année du premier vrai décollage.
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.

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, il apparaît dans une peinture de 1463.
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 italien Léonard de Vinci.
Un de ses dessins, daté de 1486, montre une machine volante à aile tournante, 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, mûs par un mécanisme d'horlogerie, et démontre l'existence d'une force de sustentation.
Le 26 avril 1784, les Français Launoy et 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.

C'est en 1907 que le premier véritable décollage au monde d'un hélicoptère à plus de 1,50 mètre du sol est réussi, en Normandie à Coquainvilliers, près de Lisieux. Cet engin de 203 kilos est inventé et piloté par Paul Cornu.
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 de Pescara ( 1890 - 1966), et le Français Étienne Oehmichen à partir de 1920, réussissent à voler de mieux en mieux.
Le marquis Raoul Pateras Pescara en particulier, est passionné par l'aviation.
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 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 hélicoptère le 18 avril 1924[1].
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 CV.

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 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.


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 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.

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 bi-rotor, le Focke-Achgelis FA 223 Drache. Cependant, ces appareils furent très peu utilisés durant le conflit.

Le premier véritable engagement opérationnel d'hélicoptères eu 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 H34) et missiles (Sud-Aviation Alouette II).

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, de roquettes 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.



Le constructeur européen Eurocopter, filiale à 100 % du groupe EADS, est aujourd'hui leader mondial sur le marché des hélicoptères.
L'Europe possède à elle seule 5000 hélicoptères.
Les hélicoptères se spécialisent (caméra de détection, etc.) et de nouveaux concepts/prototypes sont testés.

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). Il est donc doué d'une manœuvrabilité adaptée à un certain nombre de situations spécifiques comme :

Utilisations

le combat militaire : reconnaissance, lutte anti-chars, lutte anti-aéronefs, appui-protection aux troupes au sol ou aux autres hélicoptères, transport de troupes ou de matériel, etc. ;
la lutte contre les incendies ;
le transport civil (vol touristique) ;
l'évacuation de personnes en détresse, que ce soit sur terre, en mer ou en montagne (voir Recherche et sauvetage, treuil) ;
l'assistance de personels pour la réalisation de travaux (sur des lignes à hautes tension ou en montagne) ;
le relevé de données servant à calibrer des stations pour l'émissions d'ondes hautes fréquences ;
la surveillance des services de police et douanier, ainsi que l'observation ;
le transport de marchandises (ou levage de matèriel de contruction et de travaux) ;
l'épandage agricole ;
l'utilisation pour des prises de vue spécifiques au cinéma, à la télévision ou encore en photographie.


Composition

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

le rotor principal, dont l'axe est vertical. Il 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, 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.

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'états-unien 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
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.


Principe de fonctionnement

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


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 de la position de l'aéronef : pour monter (à vitesse constante), on augmente l'incidence (sur un avion, on cabre l'appareil) et pour descendre, on la diminue (sur un avion, on le fait piquer). Cette variation d'incidence est identique sur chacune des pales (modification générale de l'incidence - appelé ou encore le pas - des pales) et se fait au moyen de la commande de pas général (aussi appelée pas collectif) tenue par la main gauche du pilote

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. 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, 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 étasunienne 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.


Le rotor anti-couple conventionnel peut être avantageusement 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). 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. 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 dûs aux forces aérodynamiques s'exerçant pendant le vol d'avancement : la pale avançante est freinée par le vent venant de face et la pale reculante a tendance à accélérer par rapport à la vitesse de rotation du rotor car elle reçoit le vent par l'arrière (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 parfois 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.




Principe du vol de l'hélicoptère

Aspect physique

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.

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.

Les commandes de vol

Le pilote possède 3 systèmes principaux de commandes, le levier de pas cyclique (manche), le pas général (ou collectif) , et les palonniers (pédales). Le manche contrôle l’angle du rotor principal en inclinant la tête du rotor sur lequel sont fixées les pales à l’aide de biellettes de pas dans la direction du déplacement désiré par l’intermédiaire du plateau cyclique fixe et tournant. Le collectif contrôle l’angle de pas commun de toutes les pales, en conjonction avec le plateau cyclique qui modifie la portance générée par le rotor.

Le palonnier augmente ou diminue la portance du rotor de queue qui doit varier en fonction de la puissance mise en jeu sur le rotor principal, donc de la position du collectif.

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