hÉlicoptÈre : aÉrodynamique et performances
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HÉLICOPTÈRE : AÉRODYNAMIQUE ET PERFORMANCES Version 1.0 03 septembre 2021 Page 1
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This manual is dedicated only for IVAOTM Network activities. This document must not be used in real aviation or in other networks.
Ce manuel est dédié exclusivement aux activités sur le réseau IVAOTM, Il ne doit pas être utilisé pour l'aviation réelle ou sur d'autres réseaux.
HELICOPTERE : AÉRODYNAMIQUE ET PERFORMANCES
1. L’aérodynamique en hélicoptère
1.1. La portance
Tout comme un avion, un hélicoptère est capable de voler grâce à la production de portance. A contrario, la
portance d’un hélicoptère est générée par l’angle de « pas » modifié par la commande de « pas général » et
à l’aide de la rotation du rotor principal.
1.2. La force anti-couple (ou l’équilibre des forces)
Cf. Hélicoptère – Les techniques de vol.
2. Les performances
2.1. Notion d’effet de sol
L’effet de sol est un résultat aérodynamique très connu en hélicoptère mais présent aussi en avion. Ce
phénomène apparait lorsqu’un aéronef se trouve proche du sol sans pour autant le toucher, rendant l’appareil
instable. On parle vulgairement de « refus de sol ».
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Cet air instable se trouvant sous l’aéronef agit tel un coussin d’air. Le flux d’air à l’intérieur d’un rotor en
puissance (c.à.d. lorsque le moteur entraine le rotor) s’effectue du haut vers le bas en accélérant à travers
le disque rotor selon la théorie de Froude.
Or, ce flux rencontre un obstacle (le sol) sur lequel les flux d’air rebondissent et repartent vers le haut. Ces
rebonds permettent de porter ou de « supporter » une partie de la masse de l’hélicoptère et d’économiser de
la puissance en augmentant la portance.
De ce fait, pour maintenir le stationnaire à masse égale un hélicoptère aura besoin de moins de puissance
dans l’effet de sol (D.E.S) que hors de l’effet de sol (H.E.S)
Cependant cet effet de sol est dépendant de plusieurs facteurs. Le plus important d’entre eux est la hauteur
du stationnaire de l’hélicoptère. On estime alors que la hauteur maximale de l’effet de sol est de l’ordre d’un
diamètre du disque rotor.
Ainsi plus la hauteur est faible, plus l’effet de sol est important.
Le gain associé à l’effet de sol résulte d’une augmentation de la portance (Fn) créée par une augmentation
de pression sur l’intrados des pales.
Cette valeur s’exprime en pourcentage et dépend de la hauteur de l’hélicoptère :
- Si Hauteur stationnaire = 1/3 Diamètre du disque rotor alors Fn = +20%
- Si Hauteur stationnaire = 1/2 Diamètre du disque rotor alors Fn = +10%
- Si Hauteur stationnaire ≈ Diamètre du disque rotor alors gain de Fn négligeable.
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La nature du sol influe également sur cet effet de sol : des surfaces en herbes hautes, en eau ou en pente diminuent l’efficacité de l’effet de sol. A contrario d’une surface en dur et plane où l’effet de sol atteindra le maximum de son efficacité.
2.2. Les conditions atmosphériques
Les performances (et donc l’efficacité de l’hélicoptère) dépendent étroitement des conditions atmosphériques
dans lesquelles il évolue. L’air sur lequel le rotor s’appuie pour générer de la portance voit ses conditions
varier selon deux critères fondamentaux :
- La densité de l’air
- La température de l’air.
En effet, plus l’air est chaud, moins il est dense et donc les performances du rotor principal sont diminuées.
Il en est de même lorsque l’altitude augmente, puisque la densité de l’air diminue. Les deux facteurs peuvent
aussi se cumuler.
Vous trouverez ci-dessous des exemples chiffrés de valeur de masses maximums autorisées pour le
décollage en fonction de paramètre d’altitude et de température.
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2.3. Les équipements optionnels
Les équipements optionnels : dispositifs de flottaison, panier à ski, caméra externe,
bearpaw (cf. photo), trains d’atterrissage haut, etc... sont des équipements rajoutés
pénalisant les performances de l’hélicoptère.
3. La puissance en hélicoptère
3.1. Les différentes puissances
Ci-dessous, quelques définitions expliquant la puissance nécessaire afin d’être en sustentation dans l’air :
Pour économiser de la puissance, il est nécessaire d’associer une faible variation de vitesse et un gros débit
d’air, d’où le grand diamètre des rotors. En vol d’avancement, le débit d’air brassé par le rotor augmente
avec la vitesse, ce qui réduit la puissance nécessaire à la sustentation.
Inversement, les résistances de traînée aérodynamique augmentent.
De ce fait la variation de puissance n’est pas linéaire et met en évidence la variation notable de puissance à
haute vitesse.
3.2. La courbe de puissance
La puissance nécessaire à la sustentation de l’hélicoptère n’est pas illimitée mais dépend obligatoirement de
la celle délivrée par le ou les moteurs.
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Le diagramme précédent montre la puissance maximale disponible générée par le moteur ainsi que la courbe
de puissance totale pour maintenir l’hélicoptère en sustentation à altitude constante en fonction de sa
vitesse :
- Le point A indique la puissance nécessaire pour tenir le stationnaire Hors Effet de Sol (H.E.S)
- Le point B indique la puissance nécessaire pour tenir le stationnaire Dans l’Effet de Sol (D.E.S)
- Le minimum de la courbe de puissance : permet d’obtenir la consommation horaire minimum et donc
l’autonomie maximale
- Le point C permet d’obtenir la finesse Max ou rayon d’action maximum (à savoir la distance maximale
atteinte en consommant le moins de carburant)
- La différence entre la puissance nécessaire et la puissance maximale est appelée réserve de
puissance.
3.3. Les facteurs influençant la puissance
3.3.1. Pour les turbomoteurs
Hormis les éléments cités ci-dessus, le chauffage et le désembuage constituent des facteurs
supplémentaires réduisant la puissance maximale disponible par le moteur.
En effet, pour faire fonctionner ces deux éléments, une ponction d’air au niveau de l’étage du compresseur
du moteur à turbine est effectuée. Cet air comprimé et chaud est directement prélevé dans la masse d’air
nécessaire au mélange air/essence.
Ce mélange est donc plus riche: il aura un pouvoir calorifique supérieur au mélange stœchiométrique, ce qui
entrainera une élévation de la température des gaz d’échappement en sortie de tuyère (ou E.G.T: Exhaust
Gaz Temperature).
Cette indication (E.G.T. ou T4 en fonction des modèles d’hélicoptères) constitue un des trois paramètres
moteur permettant au pilote de connaître la réserve de puissance du moteur.
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Cf. Hélicoptère – les commandes et instruments.
3.3.2. Pour les moteurs à pistons
Le chauffage/désembuage n’a pas d’impact sur la puissance du moteur car généralement cet air est
directement pris de l’extérieur puis conduit autour de la tuyauterie de l’échappement où il se réchauffe avant
d’être délivré dans la cabine.
Cependant, pour les moteurs à piston fonctionnant à l’aide d’un carburateur (comme sur les modèles
Robinson R22 et R44 Raven I), un dispositif spécial appelé « réchauffe carbu » est installé.
Le carburateur est un dispositif qui permet de réaliser le mélange air/essence par l’action d’un papillon des
gaz. Pour ce faire, ce dernier utilise l’effet Venturi pour créer une dépression. Il s’agit d’un phénomène
physique répondant à la loi de Bernouilli.
Cette dernière établie qu’au passage d’un fluide dans une section rétrécie, la vitesse de ce flux va augmenter
et créer une forte décroissance de sa température.
Or, dans ce carburateur, le mélange composé d’air et d’essence subissant une forte chute de température
peut givrer jusqu’à empêcher tout passage du carburant au moteur et donc donner lieu à une extinction
moteur.
Pour pallier à ce problème, le pilote à l’aide d’une sonde de température carburateur peut agir en décidant
d’utiliser la « réchauffe carbu ». Ce système permet d’envoyer plus ou moins d’air chaud dans le carburateur
pour éviter toute forme de givrage.
Cependant cet air chaud alimentant le moteur est donc moins dense et va diminuer les performances de
puissance.
L’utilisation de cette réchauffe carburateur doit être faite selon les procédures décrites au manuel de vol. Par
exemple, sur Robinson R22, la réchauffe carburateur doit être tirée plein chaud lorsque le pas général est
descendu.
Robinson estime que l’utilisation plein chaud de la réchauffe carburateur diminue de 1.5 Pouces la puissance
maximale disponible.
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