« Comment peut-on répondre aux problèmes liés au rotor anti-couple de l’hélicoptère ? »
TPE Hélicoptère
Annexe
Analyse fonctionnelle de l'hélicoptère
Bête à corne
Pieuvre
FP1 : permettre aux usagers de transporter des personnes et du matériel facilement.
FC1 : permettre à l’hélicoptère de soulever un poids inférieur à la charge maximale de celui-ci
FC2 : être autonome en énergie
FC3 : être résistant aux différents climats : pluie, vent, neige, etc…
FC4 : Résister aux obstacles que peut rencontrer l’hélicoptère :
- oiseaux
-armes pour l’hélicoptère militaire
FC5 : réduire les impacts sur l’environnement tel que le bruit, la consommation, etc…
L'utilité de l'hélicoptère
Dans le domaine civil :
Sécurité et assistance
-police et gendarmerie
-aide médical d’urgence, pour le transport de blessés
-lutte contre les incendies : hélicoptère bombardier d’eau (HBE)
-sécurité civile, pour l'évacuation et le sauvetage de personnes
Transport
-transport de passagers sur lignes régulières (ex : ligne Nice/Monaco)
-transport à la demande (taxi des airs)
-transport de marchandises
-dépose de pilote de port (pour manœuvre d’arriver au port)
Autres usages
-épandage agricole (dispersion d'engrais ou d'eau)
-lutte antiacridienne (dispersion de produits pour éliminer des insectes, généralement en Afrique)
-reportage photos ou vidéo, prises de vues aériennes (compétitions sportives)
-travaux dans des lieux d'accès difficiles (ex : montagne, îles)
Dans le domaine militaire :
-reconnaissance
-lutte anti-char
-lutte antiaérienne
-appui et protection aux troupes au sol ou aux autres hélicoptères
-transport de troupes ou de matériel
-évacuation sanitaire
-sauvetage
-commandement
L’hélicoptère est très utilisé, et dans de nombreux domaines, grâce à sa capacité de décollage vertical et sa manœuvrabilité. Même si le NOTAR n’est pas très performant il reste polyvalent et s’adapte à de nombreuses missions.
Effet Coanda
Ce phénomène, découvert par l'aérodynamicien Henri Coanda, correspond à la tendance d’un fluide qui s’écoule (gaz ou liquide) à dévier sa trajectoire pour suivre la forme d’un corps à proximité. Lorsque le fluide sort d'un récipient par un orifice ou un tuyau, une partie de ce fluide aura tendance, au moment où il sort, à suivre le contour extérieur du récipient.
Sur ce schéma on voit que le filet d'eau, plutôt que de suivre une trajectoire droite de haut en bas, est attiré par le vers et suit son profil contre l'effet de la gravité.
L'effet Coanda peur être imagé par la manière dont le thé s'écoule d'une théière lorsqu'on ne l'incline pas assez : le thé sort de la théière, mais le jet adhère à la paroi extérieure pour finalement couler ailleurs que dans la tasse où il était censé arriver.
Ce phénomène dépend de la vitesse d'écoulement du jet, de l'intensité de son débit et du profil exact de l'orifice de sortie. C’est pourquoi, lorsque l'effet Coanda se manifeste à la sortie d'une théière, il suffit d'augmenter le débit du thé pour faire cesser le phénomène.
L'effet Coanda, bien utilisé, a des conséquences bénéfiques comme pour créer de la portance dans le domaine aéronautique.
Le flux d'air suit le profile de l'aile, comme la distance à parcourir et plus grande sur le dessus de celle-ci, l'air est accéléré et produit un phénomène de dépression créant ainsi la portance.
Explication plus précise de l’apparition du rotor anti-couple
Considérons le système composé, d’une part, de la cabine de l’hélicoptère, et d’autre part, du rotor principal comme décrit dans le schéma ci-dessous :
Le rotor principal entrainé par le moteur exerçant une force FCM, va tourner autour de son axe représenté par le point 0. Comme le rotor est en interaction avec la cabine et selon la 3ème loi de Newton, la cabine va tourner suivant une force de réaction notée FCR, elle aussi autour du point 0 mais dans le sens opposé.
Donc, au moment du décollage et sans un système venant contrer l’effet du couple, la rotation de la cabine en sens inverse de celle du rotor principal, rendrait l'hélicoptère impossible à piloter. Pour compenser ce couple, on doit lui opposer un couple égal en intensité. Ceci est réalisé à l'aide d'un rotor anti-couple monté à distance sur l'arrière de l'appareil, comme indiqué dans le schéma suivant :
Les deux vecteurs FCM et les deux vecteurs FCR ne représentent pas quatre forces appliquées à quatre endroits différents ( : leur point d’application respectifs), mais deux couples appliqués au point O.
Les couples s’expriment physiquement par le « moment ». Par exemple, le couple représenté par les deux vecteurs FCR appliqués respectivement aux points C et D, aura pour moment le produit MCR=½FCR½.CD et pour point d'application le point O situé sur la droite CD, tel que OC=OD.
Pour s'opposer à une grandeur, il faut une grandeur de même type, donc, ici, un moment que l'on appellera MAC. Il faut que ce moment agisse au même endroit, c'est-à-dire au point O. De plus, pour qu'il y ait équilibre, les deux moments doivent être égaux et opposés, soit MAC = - MCR. (D’après le théorème des moments, pour qu’un solide mobile autour d’un axe soit en équilibre, il faut que la somme des moments des forces qui tendent à le faire tourner dans un sens soit égal à celles qui tendent à le faire tourner dans l’autre sens. )
Cet équilibre est réalisé en appliquant en E une force FAC. Le moment de cette force, par rapport au point O, est de la forme MAC=½FAC½.OE
La force FAC exercée au niveau du rotor anti-couple doit donc respecter l’équation suivante :
FAC= -(½FCR½.CD) / OE
Ainsi, grâce au rotor anti-couple, l’hélicoptère devient pilotable. Cependant, cette force FAC cause un déplacement latéral. De plus, elle consomme beaucoup d’énergie.
En effet, une partie de la puissance motrice va être utilisée pour créer la force et une autre partie, détournée pour contrer le déplacement latéral (par l’inclinaison du rotor principal).
Les hélicoptères convertibles
Les hélicoptères convertibles sont des aéronefs munis de rotors pouvant basculer vers l'avant. L'appareil peut ainsi alterner entre le modèle hélicoptère et le modèle avion.
Les différentes phases de vol d'un hélicoptère convertible V-22 Osprey
Il dispose des avantages de l'hélicoptère, le décollage et atterrissage vertical, et celles de l'avion, la charge utile la vitesse et l'autonomie de vol. En effet, le V-22 Osprey, le modèle le plus aboutit actuellement, peut atteindre les 510 km/h et transporter plus de 9000 kg de matériel, quasiment autant que l'hélicoptère Chinook.
V-22 Osprey de face
V-22 Osprey de côté
De nouveaux modèles d'hélicoptères convertibles sont à l'étude pour exploiter au mieux les avantages offerts par ce système. Par exemple le « Project zero », un prototype du constructeur Italien Augusta Westland.
Project Zero