AVIATION - Hélicoptères

AVIATION - Hélicoptères

Aéronef sustenté et propulsé par un ou plusieurs rotors, hélices de grand diamètre, auxquels est directement appliquée la puissance motrice, l’hélicoptère diffère de l’autogire, dont le rotor, libre sur son axe, tourne en autorotation sous l’effet de la vitesse d’avancement.

L’hélicoptère, lui, peut décoller ou se poser verticalement, faire du vol stationnaire prolongé, sans dommage pour l’environnement, tout en restant parfaitement contrôlable. Il est capable, aussi, de voler en tous sens, y compris sur le côté ou en arrière. Il demeure sûr en cas de panne de moteur, car il peut se poser en vol plané, avec son rotor en régime d’autorotation.

Ces aptitudes inégalées en ont fait l’instrument indispensable de tâches civiles et militaires variées dont le nombre croît sans cesse avec les progrès techniques et économiques.

1. Une apparition tardive, un développement rapide

Historique

L’hélice chinoise, jouet connu en Europe dès le Moyen Âge, fait remonter très loin dans le temps l’invention du rotor sustentateur. L’intérêt de son application à des machines volantes a été également perçu très tôt; en témoignent les célèbres esquisses de Léonard de Vinci, les nombreux projets ou modèles volants apparus aux XVIII^e et XIX^e siècles et, en 1863, le Manifeste de l’autolocomotion aérienne de Nadar: «C’est l’hélice, la sainte hélice! [...] qui va nous emporter dans l’air, comme la vrille entre dans le bois.»

Malheureusement, les premières tentatives de vol (les Français P. Cornu et L. Breguet en 1907) ne furent guère concluantes et la plupart des pionniers se tournèrent alors, Breguet le premier, vers l’avion, d’un abord moins difficile.

L’hélicoptère pose, en effet, de redoutables problèmes de puissance, de tenue mécanique, de pilotage, qui étaient hors de portée de la technique du temps.

De fait, le progrès fut lent jusqu’en 1936, malgré la persévérance des chercheurs: S. Petroczy et T. von Kármán en Autriche, H. Berliner et G. de Bothezat aux États-Unis, l’Espagnol R. P. de Pescara en France, C. d’Ascanio en Italie, E. Oemichen en France, M. Florine en Belgique, et bien d’autres...

Cependant, dès 1923, l’autogire, de conception mécanique plus simple, fut développé par l’Espagnol Juan de La Cierva, qui apporta des solutions très élégantes et fécondes au dessin des rotors.

La technique de l’hélicoptère s’affirma ensuite, avec les appareils de L. Breguet et R. Dorand (France, 1936), de H. Focke (Allemagne, 1938) et de I. Sikorsky (États-Unis, 1939). C’est ce dernier qui, en 1942, ouvrit l’ère industrielle, avec la production en série de son modèle R 4.

L’hélicoptère put, enfin, dans les années cinquante, donner toute sa mesure grâce au turbomoteur, léger, puissant, facile à monter. Les conflits de Corée, d’Algérie, du Vietnam confirmèrent sa valeur militaire et suscitèrent le développement d’une forte industrie spécialisée. Dans les années soixante-dix, les besoins nés de la recherche et de l’exploitation pétrolières jouèrent un rôle analogue dans l’expansion du marché des appareils civils.

Les hélicoptères les plus courants pèsent entre 1,5 (4 sièges) et 25 tonnes (50 sièges). Il en existe aussi de géants de plus de 50 tonnes et de très légers de moins de 1 tonne pour 2 ou 3 sièges.

Les principaux constructeurs mondiaux sont Sikorsky et Bell aux États-Unis, Aérospatiale en France. Leurs usines emploient de 8 000 à 12 000 personnes. Il faut citer encore McDonnell Douglas (ex-Hughes), Boeing Helicopters (ex-Vertol) aux États-Unis, M.B.B. en R.F.A., Westland en Grande-Bretagne, Agusta en Italie. Enfin, des industries locales en Égypte, au Japon, en Indonésie, en Inde, en Chine... construisent, totalement ou partiellement, sous licences françaises et américaines.

La production annuelle mondiale varie, selon la conjoncture économique et militaire, entre 1 000 et 3 000 unités.

Utilisation

Toutes les armes demandent couramment à l’hélicoptère transports, liaisons, évacuations sanitaires, sauvetages.

En outre, son plus gros utilisateur, l’armée de terre, en a fait un élément important de sa manœuvre sur le champ de bataille: poste de commandement volant, déplacements rapides de matériels et de combattants, attaques de chars et autres objectifs au sol. Ces derniers rôles échoient à des appareils spécialisés, systèmes d’armes élaborés, dont certains peuvent opérer de nuit. L’hélicoptère est, certes, vulnérable aux tirs venant du sol ou du ciel; ses meilleures défenses sont le vol tactique, au plus près du terrain, et la recherche de l’effet de surprise.

La marine, elle, oppose l’hélicoptère aux sous-marins et aux bâtiments de surface. Là aussi des systèmes d’armes complexes à base de radar, sonar, M.A.D., torpilles, missiles, grenades, etc., permettent de repérer et d’attaquer, soit de façon autonome, soit en liaison avec d’autres hélicoptères ou des navires. Les gros appareils embarqués sont munis de mécanismes de repliage automatique des pales et de la queue.

Douane, police, protection civile, garde-côtes chargent l’hélicoptère de tâches d’intérêt public variées: surveillance, sauvetage, lutte contre les fléaux naturels ou contre la délinquance...

Quant à l’utilisation civile, on peut citer, entre autres: le transport des charges et des personnes, le support des activités pétrolières (on-shore et off-shore), le traitement des cultures, l’entretien des lignes électriques, le transport médical d’urgence. Il faut cependant noter que l’hélicoptère, qui semble pourtant idéal pour accéder au cœur des villes, n’a guère pu, sauf cas particulier, s’imposer pour la desserte d’aéroports ou les liaisons inter-cités. En fait, il est difficile d’assurer la rentabilité face aux autres modes de transport, ainsi que le respect de sévères sujétions d’environnement en zone urbaine.

2. Technique et construction

Principe aérodynamique

Toute poussée aérodynamique est égale à la quantité de mouvement communiquée à l’air par unité de temps: F = q . V (F est la poussée, q le débit d’air intéressé par le rotor, V la variation de vitesse verticale qu’il subit). On en déduit que, au rendement près, la puissance nécessaire est: P = F. V/2. Pour économiser la puissance, il faut donc associer faible variation de vitesse et gros débit d’air, d’où le grand diamètre des rotors.

En vol d’avancement, le débit q augmente avec la vitesse, ce qui réduit la puissance nécessaire à la sustentation. Inversement, les résistances de traînée aérodynamique croissent; la puissance nécessaire passe par un minimum vers 60-90 km/h, puis augmente rapidement (fig. 1). Le rotor étant une aile médiocre, la finesse de l’hélicoptère est nettement inférieure à celle de l’avion.

En translation, le rotor souffre, en outre, de la dissymétrie propre à une voilure tournante. En chaque point de la pale avançante, la vitesse de vol s’ajoute à celle qui est due à sa rotation; pour la pale reculante, elle se retranche (fig. 2).

Pour équilibrer les efforts, la pale avançante doit donc travailler à incidence réduite, la pale reculante à incidence accrue. Une première limitation de vitesse intervient ainsi, quand les incidences atteignent les valeurs de décrochage. Le décrochage de pale reculante s’accompagne de vibrations, de pertes de puissance et de contrôle. Une autre limitation provient des effets de compressibilité apparaissant en zone pale avançante aux valeurs critiques Mach-incidence du profil.

On améliore la vitesse des hélicoptères en affinant leurs fuselages et en créant des profils spéciaux qui reculent les limites du rotor. Les modèles rapides croisent aux environs de 270 km/h, ont des vitesses maximales de l’ordre de 300 km/h, et le record de vitesse est supérieur à 400 km/h.

Typologie

Les hélicoptères modernes ont une transmission mécanique qui relie par arbres et engrenages les rotors aux moteurs. Depuis l’Alouette II (France, 1954), le turbomoteur s’est rapidement généralisé, sauf sur les modèles très légers. L’architecture générale découle du choix fait pour compenser le couple d’entraînement du rotor. La plus répandue, parce que la plus simple, comporte un petit rotor d’axe horizontal placé en bout de queue. Il existe aussi des modèles à deux rotors contrarotatifs, disposés en tandem, coaxiaux, côte à côte, engrenants ou non.

Afin de dépasser les limites de vitesse de l’hélicoptère pur, sans renoncer à ses qualités, des engins plus complexes ont été imaginés: le combiné et le convertible. Sur le premier, une propulsion d’appoint et une aile fixe soulagent le rotor de ses tâches de traction et de sustentation à grande vitesse. La formule paraît de peu d’avenir, les gains de performance ne justifiant pas sa complication. Le convertible, comme son nom le suggère, passe en vol d’une configuration hélicoptère à une configuration avion. La solution en faveur consiste à monter en bouts d’aile deux rotors pouvant pivoter de 90⁰, tracteurs ou porteurs suivant leur position. Bell et Boeing Helicopters ont développé conjointement un tel convertible pour les forces armées des États-Unis: le V-22 Osprey (26 t).

Problèmes techniques

Transmission de puissance

Le rotor absorbe une puissance importante, et à faible régime. Les transmissions doivent donc fournir un couple important, avec un fort taux de réduction, tout en étant légères et fiables. Leur fabrication exige une haute qualification.

Rotors

À la suite de La Cierva, les rotors sont généralement articulés, leurs pales peuvent, au moyen d’axes, battre aussi bien verticalement qu’horizontalement. En rotation, elles prennent une position d’équilibre entre forces d’inertie et aérodynamiques. Cette disposition réduit la fatigue dans le rotor et régularise la portance des pales, ce qui améliore la stabilité et atténue les vibrations. Le plan des pales n’est plus nécessairement perpendiculaire à l’axe du rotor, et on verra que le pilote peut agir sur sa position.

Les pales sont maintenant fabriquées le plus souvent à partir de composites à base de fibres (carbone, verre, Kevlar...) qui permettent une bonne qualité des profils et une excellente tenue à la fatigue. Pour les moyeux, la tendance est aussi à l’emploi de pièces en composites et au remplacement des articulations classiques par des paliers en élastomères ou des pièces flexibles.

Vibrations et fatigue

On vient de le voir, une pale en translation subit des sollicitations variables au cours de sa rotation, sources de vibrations d’autant plus fortes que le nombre de pales est réduit et la vitesse élevée. Elles peuvent être atténuées par divers moyens: suspension du rotor, amortisseurs dynamiques, etc.

En outre, ces sollicitations alternées se transmettent aux constituants du rotor, des commandes de vol et des transmissions. Ils doivent être soigneusement étudiés et fabriqués pour éviter tout risque de rupture en fatigue.

Pilotage et stabilité

Un levier de pas collectif, à main gauche du pilote, agit simultanément sur le pas de toutes les pales et dose ainsi la portance. Devant le pilote, un manche de pas cyclique sert à moduler le pas des pales au cours de leur rotation. Il en résulte un basculement du disque rotor et de sa poussée qui permet le contrôle longitudinal et latéral de l’appareil.

Les pédales de direction agissent sur le pas du rotor auxiliaire: il est ainsi possible d’équilibrer le couple du rotor principal et de s’orienter dans la direction désirée.

Analogue à celui de l’avion en vol de croisière, le pilotage de l’hélicoptère présente des difficultés particulières en vol vertical ou lent. En effet, dans ces conditions, les oscillations pendulaires de l’appareil et les réactions du rotor à ces mouvements se couplent de façon divergente. La forte instabilité qui en résulte oblige le pilote à intervenir en permanence, en anticipant les réactions de sa machine. Des opérations précises, par temps turbulent ou mauvaise visibilité, peuvent nécessiter une stabilisation automatique.

3. Perspectives

Les progrès constants de l’aérodynamique, des structures et des moteurs font espérer des gains notables de charge payante et de consommation; la vitesse peut encore être améliorée, mais 350/400 km/h paraissent une limite pratique.

Cependant, les efforts sont surtout orientés vers deux objectifs prioritaires pour les emplois civils et militaires:

– exécuter facilement les missions, en toutes circonstances;

– réduire significativement les coûts d’exploitation.

Sur le premier point, il faut d’abord réduire la sensibilité à l’ambiance. La protection des moteurs et des rotors contre pluie, embruns, grêle, givre, sable, foudre, etc., est de plus en plus complète. Par ailleurs, le travail des équipages est facilité par une instrumentation perfectionnée: pilotes automatiques, synthétiseurs de vol regroupant sur un même écran toutes les données, gestion par ordinateur du vol et de la santé des organes, commandes électriques, etc. Enfin, une large réserve de puissance rend possible l’exécution des missions en altitude et par temps chaud, et l’utilisation de plusieurs moteurs assure la sécurité en cas de panne de l’un d’eux.

Ces perfectionnements, nécessaires pour bien des missions, ne doivent pas faire oublier que le plus grand défi lancé à l’hélicoptère est certainement la baisse de son coût. On s’y efforce par la simplification des organes, l’emploi de matériaux nouveaux (composites), la diminution du nombre de pièces vitales, l’allongement de leur durée de vie, la simplification de la maintenance. Dans certains cas, l’accroissement de la capacité unitaire, de la vitesse commerciale contribue à ce résultat. Il n’en reste pas moins qu’il faut payer le prix du vol vertical et que l’hélicoptère, avec sa forte motorisation, la haute qualité exigée de ses composants, restera toujours plus coûteux que l’avion équivalent.

L’«hélicoptère populaire», dont rêvent certains, n’est donc pas pour demain. Il y a d’ailleurs un autre obstacle: l’engin présente, entre les mains d’opérateurs inexpérimentés, indisciplinés ou malintentionnés, un tel «potentiel de nuisance» que les communautés tentent de s’en protéger par des réglementations de plus en plus restrictives. Tout cela fait que l’usage de l’hélicoptère reste essentiellement affaire de professionnels. Son utilisation privée s’intensifie néanmoins, mais restera pour longtemps le privilège d’une minorité.

L’hélicoptère sera-t-il supplanté par des formules nouvelles telles que le convertible? Il ne le semble pas, étant donné sa supériorité dans les phases de vol vertical ou lent, qui sont à la base de la plupart de ses emplois. Le convertible devrait plutôt se montrer complémentaire, quand les exigences de vitesse et d’autonomie éliminent l’hélicoptère pur.

Ayant donné à notre civilisation technique le pouvoir extraordinaire du vol vertical, l’hélicoptère est destiné à y occuper une place toujours plus grande, qu’il s’agisse de combattre, mais aussi de transporter, de travailler ou de sauver.

Encyclopédie Universelle. 2012.