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...Facile...
C’est
un petit article, pas vraiment sérieux J,
que nous espérons compréhensible par n’importe quelle personne
suffisamment concentrée pour ne pas s’endormir dessus... et surtout
disposée à digérer le vocabulaire spécifique de ce domaine L.
Il comprend quatre sections : «la base » indispensable, « en savoir
plus » pour les curieux, « le pilotage » pour les amateurs, « rappels
de mécanique » pour voler à votre secours.
Suivant sa taille et qu’il emmène ou pas un pilote, on va parler d’hélicoptère grandeur ou d’hélicoptère modèle réduit, la frontière entre les deux pouvant être assez étroite. Les plus petits hélicoptères volant tiennent dans le creux de la main tandis que les plus gros approchent des 100 tonnes (poids) (MIL MI-12) (çà ne vous fait pas rêver çà...). Il existe donc des hélicoptères de toutes sortes car les applications, les savoir faire et les techniques de construction sont très variables (et pour ne pas chercher plus loin on aime toujours faire différemment du voisin, sauf quand on veut pomper...). Les modèles réduits sont en général dédié aux loisirs mais certains sont professionnels (photo, surveillance en milieu hostile) ou militaire (Drones de surveillance à pilotage automatique/GPS). Dans l’ensemble, la plupart sont des mono-rotors car çà coûte moins cher et c’est assez compact pour être facilement parqué dans un hangar. On trouve aussi des bi-rotors (en général gros et très gros porteurs) notamment en tandem (l’un derrière l’autre), rarement en parallèle sauf s’ils sont engrenés c’est à dire des rotors très rapprochés et inclinés l’un par rapport à l’autre de telle sorte que les pales ne fassent pas du tricot... (ah, les Russes J ! ! !). Certains bi-rotors sont coaxiaux (toujours les Russes J ! ! !) c’est à dire empilés l’un sous l’autre sur deux arbres coaxiaux tournant en sens inverse. Des tri-rotors, c’est plus dur à trouver et çà ressort plus de la soucoupe volante...il y a pourtant eu des tentatives ! Dans les petites tailles d’appareils, la motorisation est de type moteur thermique ou moteur à pistons ; dès que l’on dépasse, disons 4 places, on a affaire à des turbomoteurs (moteurs à turbine) souvent doublés pour améliorer la fiabilité. Les modèles réduits semblent avoir le privilège d’utiliser la propulsion électrique (plus silencieuse) bien qu’elle soit encore massivement thermique dans ce milieu. Les hélicoptères sont considérés comme des machines à voilure tournante (pas besoin de faire un dessin) mais ce ne sont pas les seuls, les autogires aussi. Dans le premier cas la voilure est active et produit souffle et sustentation à vitesse nulle, tandis que dans le second cas la voilure est passive et, tout comme un avion, produit sa sustentation grâce à sa vitesse d’avancement responsable de la mise en rotation de la voilure. Galerie photos
Sommaire
L’appareil ou la machine désigne l’ensemble de l’hélicoptère tandis que corps, fuselage ou châssis désigne tout ce qui ne tourne pas. Ce qui tourne a la désignation de rotor c’est à dire pales plus tête rotor ; cela s’applique donc au rotor principal, au rotor d’anticouple. Sur un hélicoptère mono-rotor la partie du fuselage entre le rotor principal et le rotor anticouple s’appelle poutre de queue ; sur un modèle réduit on dit plus couramment tube de queue et pour la partie cockpit on parle de bulle (évocation des verrières de nos célèbres hélicoptères Alouettes). Les moyens d’atterrissage sont en général de roues ou des patins dépendant de la taille et de l’utilisation de la machine, si ce n’est des flotteurs pour amerrir. Comme
vous l’avez tous vu, un hélicoptère est une machine capable de s’élever
dans l’air (vol vertical
par exemple) et d’effectuer un point fixe (vol
stationnaire). Il est aussi capable de se déplacer
d’un point à un autre suivant une trajectoire rectiligne (vol
de translation) ; à noter que cette
translation peut s’effectuer selon n’importe quelle orientation de la
machine (par exemple translations longitudinales avant <> arrière,
translations latérales ou obliques (orientation quelconque), etc..). Mais
il effectue aussi des rotations autour des trois axes liés à la machine : axe
de roulis (ou axe longitudinal, basculer
droite/gauche), axe de tangage
(axe transversal, piqué/cabré) et axe de
lacet (axe vertical, rotation droite/gauche).
Tous ces déplacements et rotations étant combinables, on imagine que
toutes les trajectoires et attitudes instantanées sont possibles sous
l’action d’un pilote expérimenté. Quand on définit l’attitude de
vol on parle d’assiette; en vol stationnaire, l’assiette
est horizontale, tandis que les assiettes de translations sont inclinées
dans le sens de la translation et d’autant plus inclinées en phase d’accélération.
Le modèles réduits et quelques hélicoptères militaires sont suffisamment
solides pour effectuer des figures d’acrobatie.
A l’approche du sol, disons à un rayon rotor et moins, les conditions de
sustentations sont plus favorables requérant moins de puissance moteur en
raison de l’accroissement de la pression du souffle rotor, on dit que
l’appareil est en effet de sol (ES
et HES pour hors effet de sol).
Le moyen de sustentation de l’hélicoptère est donc sa voilure tournante (magique...). Surtout ne dites pas qu’un hélicoptère est mu par son hélice. Un hélicoptèriste (nouveau mot désignant quelqu’un, barbu de préférence, qui pourrait se prendre au sérieux...ouf, c’est pas nous !) risquerait de vous regarder avec deux grands yeux effarés ! Une hélice produit une poussée dirigée selon son axe de rotation et comme elle est à pas fixe (sauf contre ordre), il faudrait la faire tourner à vitesse variable pour ajuster la poussée. Mais vous allez voir, çà ne suffirait pas. Un hélicoptère est pourvu d’un rotor qui permet, tout en tournant à vitesse constante, de produire une poussée variable et orientable. Cette poussée peut donc être dirigée non seulement selon l’axe de rotation, mais aussi être inclinée dans n’importe quelle direction (quand on est sérieux on appelle cela une poussée vectorielle ; oui, les vecteurs en classe de seconde...). Le rotor comprend des pales (quand elles ne sont pas terribles, on parle de battoirs !), typiquement 2, mais on peut aller jusqu'à 8 (seulement je n’en ai jamais vu 8, 6 sûr) pour de très gros porteurs (masse importante). On parle de voilure tournante parce que les pales ressemblent plus à une aile d’avion qu’à une hélice (la honte...). La ligne extrême avant de la pale qui attaque l’air s’appelle bord d’attaque, tandis que la ligne extrême arrière est le bord de fuite. L’extrémité de petit rayon est le pieds de pale qui permet la fixation à la tête rotor, tandis que celle de grand rayon est le bord marginal ou saumon. On appelle corde la plus courte distance joignant la région de bord d’attaque au bord de fuite. Le dessous et le dessus s’appellent respectivement intrados et extrados. Quand on coupe une pale transversalement, on obtient une section dont le périmètre s’appelle le profil. C’est la forme du profil qui détermine les caractéristiques aérodynamiques de la pale, notamment la portance (capacité à pousser verticalement) et la traînée (résistance à l’avancement, çà gêne...). En vol stationnaire l’hélicoptère consomme beaucoup plus d’énergie que l’avion et par comparaison il vole alors comme un avion dont l’air se déroberait continuellement sous lui. Bien entendu, on cherche à avoir un maximum de poussée pour un minimum de traînée (c’est le travail de l’aérodynamicien, quelqu’un dans le vent...évidemment toujours à l’horizontale). A la base, et c’est trop souvent ignoré du commun des mortels, l’aérodynamique est régie par une relation toute simple entre vitesse, dimension de l’objet et viscosité du fluide (c’est le fameux nombre de Reynolds) : dans cette relation, vitesse et dimension de l’objet s’opposent à la viscosité (le contraire est la fluidité). Comme les liquides et les gaz ont une viscosité constante dans des conditions définies (température, pression,...) c’est le produit vitesse x dimension qui est important (plus il est grand mieux c’est). C’est pourquoi un 747 (grandes dimensions, grandes vitesses) a des performances aérodynamiques très supérieures à un petit avion ; il en est de même entre un modèle grandeur et un modèle réduit (malheureusement on doit faire avec L). Autre façon de voir : un hélicoptère avec une corde de 5cm fonctionne approximativement dans les mêmes conditions aérodynamiques qu’un avion dont la corde est de 20cm en raison des différences de vitesses d’attaque de l’air (la vitesse périphérique du rotor est de l’ordre de 4 fois celle de l’avion). Pour en revenir à nos pales, elles sont tenues et contrôlées par la tête rotor (il vaut mieux que çà tienne...imaginez un gros porteur !), organe essentiel de l’hélicoptère qui lui donne une bonne partie de ses caractéristiques dynamiques (comportement au pilotage, stabilité, vibrations, etc...). La tête rotor établit les liaisons entre l’arbre rotor (aussi mât rotor) et les pales. Sur un rotor bi-pales la tête rotor (voir figure) a donc une forme en « T » dont la partie centrale est le moyeu et les branches sont les porte pales. Ces derniers possèdent un levier ou bras de commande permettant le contrôle angulaire de la pale. Les liaisons effectuées par la tête rotor permettent :
Sur les hélicoptères grandeur modernes on tend à remplacer ces articulations (roulements) par des liaisons élastiques pour réduire les coûts et la maintenance. En
rotation la pale est soumise à des efforts de traînée qui proviennent de
la résistance à l’avancement dans l’air (couple résistif passif) et
s’opposent à l’entraînement produit par l’arbre rotor (couple moteur
actif). Elle est aussi soumises à des forces
centrifuges importantes qui mettent la pale en
forte tension dans le plan de rotation
(plan décrit par le bord marginal des pales) et lui donne sa raideur (en
modèle réduit l’ordre de grandeur est typiquement au dessus de la
centaine de kg et en modèle grandeur peut atteindre plusieurs centaines de
tonnes !). Elle est également soumise à des forces
de portance qui équilibrent la pesanteur
appliquée à la machine. La composition des forces
de portance et centrifuge donnent à la pale une forme pratiquement
rectiligne (mais pas tout à fait, un peu un « S ») appelée déformée
de la pale. En outre cette déformée est
inclinée et balayant un cône de révolution. On dit que le rotor a de la conicité.
Le rapport entre l’élévation de l’extrémité de la pale et le rayon
est de l’ordre de 3 à 8% sur un modèle grandeur (d’autant plus élevé
que la machine est chargée) et de l’ordre de 1 à 2% en modèle réduit
du fait de l’utilisation de tête rotor rigide, à des vitesses de
rotation élevées. Pour étrange que cela puisse vous paraître, la rigidité
longitudinale de la pale n’a que peu
d’importance car même si on voulait faire rigide les forces
centrifuge/portance sont tellement grandes que la pale serait toujours déformée
selon ces forces (sur les modèles grandeur on ne se fatigue pas avec cette
rigidité tant la forme en parapluie observée au repos est importante). Par
contre la rigidité en torsion
doit être la meilleur possible pour conserver un contrôle satisfaisant en
angle de pas.
Les hélicoptères mono-rotors sont le siège d’un couple mécanique qui s’exerce entre le rotor et le reste de la machine. C’est le principe universel de mécanique : action = réaction qui en est la cause : quand le rotor tourne dans un sens, le corps de la machine veut tourner dans l’autre sens si on ne fait rien pour l’en empêcher. C’est la raison pour laquelle les mono-rotors sont équipés d’un rotor d’anticouple dont la poussée transversale compense exactement le couple d’entraînement du rotor (sinon on réaliserait une toupie qui irait directement au tapis...certains doivent s’en souvenir ! L). Le rapport entre le rotor principal et l’anticouple est adapté au couple à compenser ; sur les mono rotors l’anticouple absorbe environ 10 à 20% de la motorisation de la machine. Pour que cette compensation se fasse sans modifier l’assiette horizontale de la machine, il faut qu’elle s’applique dans le plan du rotor. C’est pourquoi certains hélicoptères ont des anticouples surélevés (plus coûteux), sinon les autres sont condamnés à voler avec une assiette d’autant plus inclinée qu’il est situé bas par rapport au plan du rotor (autrement dit, vus par l’arrière ou l’avant, la plupart des hélicoptère volent de travers !). Les bi-rotors n’ont, en principe, pas besoin de compensation car ils sont contra rotatifs et à poussée identique sur chaque rotor leurs couples s’équilibrent exactement. Sur un hélicoptère de petite taille, le rotor d’anticouple est proche du sol et très dangereux. D’autres dispositifs d’anticouple sont utilisés pour améliorer la sécurité, réduire le bruit ; notamment le système américain « NOTAR » (NO TAil Rotor) qui produit un souffle transversal en extrémité de poutre arrière, souffle contrôlé par le pilote et le système français « Fenestron » qui est une turbine carénée à pas variable.
Comme tout corps, l’hélicoptère possède un centre de gravité ; lorsqu’il est en sustentation, c‘est autour de ce centre que la machine va pivoter. En règle générale, le centre de gravité est placé sur l’axe de rotation du rotor et à bonne distance sous le plan du rotor. Lorsque la poussée est dirigée selon l’axe de rotation du rotor, elle passe donc aussi par le centre de gravité et l’appareil s’élève verticalement sans s’incliner. Ceci correspond au vol vertical ou au vol stationnaire. Lorsque la poussée est inclinée par rapport à l’axe rotor, elle ne passe plus par le centre de gravité ; il se créé alors un moment de rotation (moment) qui fait pivoter la machine tant que la direction de la poussée est écartée du centre de gravité. Ces pivotements sont nécessaires pour effectuer des manoeuvres d’approche, des mises en translation ou de l’acrobatie... Rassurez vous le pilote ne pense pas à tout çà quand il agit sur ses commandes ! Les corrections sont purement instinctives comme vous le faites sur un vélo ; la seule différence est qu’il y a plus de choses à contrôler simultanément. Pour en revenir au rotor, celui-ci produit une poussée qui dépend de l’angle de pas appliqué aux pales (angle que fait la corde de la pale avec le plan perpendiculaire à l’axe rotor, appelé plan d’entraînement). A noter que pendant les changements d’attitude de vol notamment, le plan de rotation (vu précédemment) et le plan d’entraînement ne coïncident pas surtout dans le cas de tête rotor articulées. Avec un profil de pale symétrique, la poussée est positive, nulle ou négative suivant que l’angle de pas est lui-même positif, nul ou négatif. Lorsque l’on fait varier uniquement la poussée axiale par modification de l’angle de pas, on dit que l’on agit en commande de pas collectif. Lorsque l’on ne modifie pas la poussée mais qu’on l’oriente dans une direction différente de l’axe rotor, on dit que l’on agit en commande de pas cyclique. La commande de pas cyclique modifie l’angle de pas en plus et en moins (variation sinusoïdale de valeur moyenne nulle, un peu de trigo ça fait pas de mal !) au cours de chaque révolution du rotor (une révolution égale 360 degrés). La position de la pale est définie par son angle d’azimut c’est à dire l’angle que fait l’axe de pas (aussi axe longitudinal de la pale) par rapport au plan médian de la machine (voir figure). Sous une commande de cyclique le contrôle du pas est donc effectué en fonction de l’azimut. Pour
le pilote, le pas collectif et le pas cyclique correspondent à des organes
de commande distincts. Avec la commande de collectif on fait monter ou
descendre la machine et avec le pas cyclique on incline en avant ou en arrière
(tangage) et sur la droite ou la gauche (roulis). La commande de lacet,
orientation droite/gauche est obtenue en agissant sur le pas collectif du
rotor d’anticouple. Sur les bi-rotors en tandem on agit en sens opposé
sur les cycliques des deux rotors. Sur les bi-rotors coaxiaux on augmente le
pas collectif d’un rotor tandis qu’on le diminue sur l’autre façon équivalente
ou vice versa; la différence de couple qui en résulte fait tourner
l’appareil dans le sens souhaité . Lorsque la machine effectue une
translation rectiligne à grande vitesse, on trouve qu’au passage des
pales en position transverse, la vitesse propre de la pale s’ajoute à la
vitesse d’avancement de la machine dans le cas de la pale
avançante tandis qu’elle est retranchée
dans le cas de la pale reculante.
Comme les vitesses combinées de chaque pales peuvent facilement être du
simple au double, une moitié du rotor porte beaucoup moins que l’autre
(la portance est proportionnelle au carré de la vitesse de la pale). Pour
que la trajectoire reste rectiligne, il faut donc compenser cette différence
en augmentant le pas sur la pale reculante et en le diminuant sur la pale
avançante. Le pilote impose alors une correction de cyclique en... roulis (vous
avez trouvé !) pour partir tout droit dans le
mur... L
En modélisme, les commandes sont produites par déplacement des mini-manches sur l’émetteur de radiocommande qui envoie les signaux correspondants à un récepteur placé sur la machine. Ces signaux sont décodés par le récepteur et adressé aux servos correspondants (en principe, il y a autant de servos que de directions de déplacement sur les manches, c’est à dire deux par manche). Un servo (pour servomécanismes) est en fait un actionneur comprenant un moteur électrique, une démultiplication à engrenages (moins de vitesse et plus de force sur le levier de sortie appelé palonnier) et une électronique de contrôle. Le but est de faire en sorte que le servo reproduise sur son palonnier le plus fidèlement possible les mouvements des manches sous l’action du pilote (position angulaire, vitesse de déplacement). On trouve ainsi un servo de tangage, un servo de roulis, un servo de lacet, un servo de collectif (plus un servo de commande moteur (gaz) couplé à la commande de collectif). Les servos étant installés sur le corps de la machine et le rotor tournant par rapport au corps il est nécessaire de créer une interface mécanique entre partie fixe et partie en rotation. La commande d‘angle de pas du rotor s’effectue alors par l’intermédiaire d’un plateau orientable appelé plateau cyclique (voir figure). Il est placé sur l’arbre rotor à courte distance de la tête rotor. Il permet d’établir un lien entre les commandes associées au corps de la machine et les commandes des pales en rotation. Le plateau est monté sur rotule coulissante, c’est à dire qu’il peut monter, descendre sur l’arbre rotor (collectif) et s’incliner dans n’importe quelle direction (tangage/roulis). Il est maintenu par un guide qui l’empêche de tourner avec l’arbre. Il possède au centre une bague qui, elle, est associée à la rotation de l’arbre rotor par un mécanisme (sorte de compas) appelé entraîneur. Une biellette par pale établit la liaison entre le bras de commande du porte pale et la bague centrale équipée de points d’attache (rotules). Chaque pieds de pale recopie alors l’angle donné par l’orientation du plateau (collectif/tangage/roulis). Ainsi il suffit d’orienter le plateau par un minimum de 3 points (A, B, C sur la figure) à l’aide des servos. Ce principe est valable aussi bien pour les modèles grandeur que réduits. Les articulations de commandes sont réalisées par des chapes à rotules, constituant des biellettes. Dans la pratique du modèle réduit, la mécanique de commande est plus compliquée que cela, en raison de la présence de la barre de Bell/Hiller (voir dans ce site l’article qui traite du sujet) qui donne des caractéristiques stabilisantes au rotor. Cette barre de stabilisation est un substitut aux réflexes humains qui ne sont pas assez rapides en cas de turbulences.
Principe de la tête rotor et du plateau cyclique
Sommaire
Sur
les modèles grandeurs et les modèles réduits les organes de commandes
sont distribués de façon différente. Les pieds sont utilisés sur les modèles
grandeurs pour le lacet ce qui ne peut être le cas du modéliste qui est
debout ; toutes les commandes sont donc distribuées sur deux mini manches,
en principe à gauche tangage/roulis et à droite collectif/lacet (mais
l’inverse est aussi utilisé).
Le
pilotage doit être entrepris dans la sérénité, requiert énormément de
concentration et ne tolère pas la moindre distraction. C’est en même
temps une école d’humilité et de modestie : c’est quand on se croit «
bon » que les risques sont les plus élevés (l’autosatisfaction n’est
pas un bon compagnon, soyez en convaincu). Il faut toujours être à
l’aguet de l’événement critique qui va vous mettre au tapis.
On
ne saurait trop vous recommander de vous entraîner journellement au
simulateur. Le pilotage de base s’acquiert en quelques heures tandis que
la maîtrise du vol stationnaire sur 360 degrés demande des dizaines
d’heures et, en fait, a besoin d’être travaillé tout le temps. Le
stationnaire latéral semble le plus difficile à contrôler en raison de la
très faible inertie
de roulis (vivacité) et de la mauvaise visualisation de l’assiette. Tout
le monde peut apprendre, certains mettront beaucoup plus de temps que
d’autres et plus on est jeune mieux c’est (à commencer vers 7 ans !
mais vous en avez 70, alors allez-y !). C’est beaucoup plus une question
de détermination (volonté) que de capacité personnelle. Pour
s’entraîner, il faut méthode
et rigueur. Les
champions disent tous qu’il faut une bonne machine, un peu de talent et énormément
de travail. Partir et voler en faisant n’importe quoi n’a aucun sens.
Pour vous aider voici quelques conseils (principes de base : travailler
surtout ce que vous savez le moins bien faire, on apprend plus par ses
erreurs que par ses succès :
commencer
par le stationnaire vue arrière (minimum une dizaine d’heures) avec
une machine réglée facile puis de plus en plus vive et turbulences de
plus en plus fortes. Au début et même pendant longtemps vous allez «
surpiloter », c’est à dire donner beaucoup trop d’ampleur à vos
commandes, mais çà se tassera (c’est en forgeant qu’on devient
forgeron). Ne vous inquiétez pas d’être déstabilisé, ce qui compte
c’est de récupérer le plus vite possible l’assiette de la machine
; provoquez même ce genre de situation. Mais battez vous pour éviter
le crash qui normalement doit être mal ressenti un peu comme dans la réalité. progressivement
dévier la vue arrière vers des positions de plus en plus latérales
jusqu'à commencer vraiment le stationnaire latéral. Maîtriser aussi
bien une position que sa symétrique. Imposez vous de voler le plus bas
possible pour vous forcer à contrôler l’altitude en effet de sol et
près d’un repère pour ne pas trop dériver. commencer
des translations sous forme de 8 en maîtrisant progressivement
l’altitude (le plus bas possible) et les vitesses réduites (pas si
facile de ne pas se laisser emballer...). commencer le stationnaire de face (çà
vient vite) et ¾ face. essayer
de maîtriser correctement le passage de latéral droit à latéral
gauche par la vue de face (par la vue arrière c’est trop facile). varier
les translations : boucles devant soi, translation latérales vues arrière
et de face, translations latérales de type godille (simple à voir,
difficile à expliquer : translation oblique avec inversion de direction
à chaque extrémité de translation). maîtriser
progressivement les rotations en stationnaire sur 360 degrés (rotations
ultra lentes, une minute par tour). Mais
regardez... c’est grâce à tout çà que vous savez faire un beau
stationnaire, queue vers vous, ...Facile
... je
vous l’avait dit. Vous êtes même tellement bon que vous avez trouvé le
point d’équilibre et la machine ne bouge plus ! tiens, on dirait
qu’elle dérive... le réveil va être dur, vous êtes resté trop
longtemps sans passer de corrections et vous avez perdu le fil... de
l’eau, non de l’assiette. Il faut toujours « microcorriger » (par
opposition à surpiloter), que çà vous serve de leçon...Qui était le
pilote ? C’était moi, dis-je, tête baissée...
Alors
vous êtes mûr pour l’acro...mais bien sûr ce ne sont que des conseils
issus de l’expérience.
A quand votre
premier stationnaire sur le dos ? ? ?
Dans cette
section, il s’agit seulement de donner des définitions simplifiées : ...Facile... |
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Boyer
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