LES AUTOGIRES

MÉCANIQUE DU VOL


NOTION DE BASE

Un corps au repos reste au repos, et un corps en mouvement reste en mouvement à la même vitesse et dans la même direction à moins qu'une force extérieure n'agisse sur lui. Si toutes les forces externes s'annulent, alors l'objet en mouvement maintient une vitesse constante. Mais si cette vitesse est nulle, l'objet reste au repos. Par contre si une force externe supplémentaire est appliquée, la vitesse change en raison de cette force supplémentaire. Un autogire en vol est un typique exemple de ce principe.

Principe de fonctionnement

Un autogire est un aéronef à voilure tournante libre qui s’apparente visuellement à un hélicoptère. Mais contrairement à un hélicoptère, le rotor libre n’est pas actionné par un moteur, mais fonctionne en autorotation. Cela signifie que le rotor tourne librement sous l'effet de l'air qui s'écoule à travers les pales, plutôt que d'utiliser la puissance du moteur pour faire tourner les pales et aspirer l'air du dessus. Le seul fait qu'il y ait toujours un écoulement sur le disque de rotor dans le sens vertical vers le haut entraîne le rotor de l'autogire. Des forces sont ainsi créées pendant l'autorotation qui maintiennent les pales du rotor en rotation et créent une portance pour maintenir l'aéronef en vol. Cela signifie que le rotor présente toujours une certaine inclinaison vers l'arrière, même si cette inclinaison est très faible en vol rapide.
D'un point de vue aérodynamique, le système de rotor d'un autogire en vol normal fonctionne comme le rotor d'un hélicoptère lors d'une descente en autorotation avec moteur éteint.
Représentation des rapports d'écoulement de l'hélicoptère et de l'autogyre en vol horizontal.

Autogire Deplacement

Pour maintenir son altitude, un autogire doit voler vers l'avant afin de garantir un écoulement suffisant dans le plan de son rotor. La propulsion est alors assurée par un groupe motopropulseur à hélice orienté horizontalement, en traction ou en propulsion.

Autorotation

Pendant une autorotation verticale le vent relatif résultant peut se décomposer en deux forces :
- composante verticale : écoulement ascendant de l'air à travers le système rotor qui reste relativement constant pour une condition de vol donnée ;
- composante horizontale : flux d'air rotatif, qui est la vitesse du vent à travers les pales lorsqu'elles tournent ;
Dans une autorotation verticale, le vent provenant de la rotation de la pale se combine à l'écoulement d'air ascendant pour produire le vent relatif résultant qui frappe la pale.

 Pale angle

La composante horizontale varie considérablement en fonction de la distance du moyeu du rotor à laquelle elle est mesurée.
Exemple :
- considérons un disque de rotor de 7,60 mètres de diamètre fonctionnant à 300 r.p.m. (tours par minute) ;
- en un point situé à 30,48 centimètres à l'extérieur du moyeu du rotor, les pales se déplacent dans un cercle dont la circonférence est de 192 centimètres. Cela équivaut à 957 centimètres par seconde, soit une vitesse de rotation des pales de 33,8 kilomètres/heure.
- aux extrémités des pales, la circonférence du cercle augmente à 29,93 mètres. À la même vitesse de fonctionnement de 300 r.p.m., cela crée une vitesse en bout de pale de 120 mètres par seconde, soit 430 kilomètres/heure. Il en résulte un vent relatif total plus élevé, qui frappe les pales à un angle d'attaque plus faible.

Pal vitesse

Différentes régions du disque d'un rotor

Comme pour tout profil aérodynamique, la portance créée par les pales de rotor est perpendiculaire au vent relatif. Comme le vent relatif sur les pales du rotor en autorotation passe d'un angle d'attaque élevé à l'intérieur à un angle d'attaque plus faible à l'extérieur, la portance générée a une composante avant plus élevée près du moyeu et une composante verticale plus élevée vers les extrémités des pales. Cela crée des régions distinctes du disque rotor qui créent les forces nécessaires au vol en autorotation.

Region Pale

La zone d'autorotation, ou région motrice, crée une force aérodynamique totale avec une composante avant qui dépasse toutes les forces de traînée arrière et maintient les pales en rotation.

Region Motrice

La zone autorotative génère une force aérodynamique totale avec une composante verticale plus élevée qui permet à l'autogire de rester en l'air.

Region autorotative

Près du centre du disque du rotor, se trouve une zone de décrochage où la composante rotationnelle du vent relatif est si faible que l'angle d'attaque résultant est au-delà de la limite de décrochage du profil. La région de décrochage crée une traînée dans le sens contraire de la rotation qui doit être surmontée par les forces d'action vers l'avant générées par la région motrice.

Region decrochage

Autorotation en vol vers l'avant

Comme les autogires sont normalement utilisés en vol vers l'avant, la composante du vent relatif qui frappe les pales du rotor en raison de la vitesse vers l'avant doit également être prise en compte. Cette composante n'a aucun effet sur les principes aérodynamiques qui entraînent l'autorotation des pales, mais elle provoque un déplacement des zones du disque du rotor.
Lorsqu'un autogire se déplace, la vitesse de l'autogire s'ajoute au vent relatif qui frappe la pale qui avance et se soustrait au vent relatif qui frappe la pale qui recule. Pour éviter des forces de portance inégales sur les deux côtés du disque du rotor, la pale qui avance s'incline vers le haut, ce qui diminue l'angle d'attaque et la portance, tandis que la pale qui recule s'incline vers le bas, ce qui augmente l'angle d'attaque et la portance.
Les angles d'attaque plus faibles de la pale qui avance font tomber une plus grande partie de la pale dans la zone motrice, tandis que les angles d'attaque plus élevés de la pale qui recule font décrocher une plus grande partie de la pale. Il en résulte un déplacement des régions du rotor vers le côté rétracté du disque, dans une mesure directement liée à la vitesse d'avancement de l'autogire.

Autogire Pale Region

Forces agissant sur un autogire

Comme pour tout aéronef plus lourd que l'air, les quatre forces agissant sur l'autogire en vol sont la portance, le poids, la poussée et la traînée. L'autogire tire sa portance du rotor et sa poussée directement du moteur par l'intermédiaire d'une hélice.
La force produite par le rotor de l'autogire peut être divisée en deux composantes :
    - La portance du rotor `\vec{Rz}`
    - La traînée du rotor `\vec{Rx}`Rotor
Pour obtenir la réaction de traînée totale de l'avion, il faut également ajouter :
    - La traînée du fuselage et du train d'atterrissage `\vec{Rx}`FuselageTrain
Les autres forces sont :
    - La traction   `\vec{Tu}`
    - Le poids   `\vec{mg}`

Quatre Forces

Pour maintenir le vol en palier:
- la force de traction ou de propulsion de l'hélice `\vec{Tu}` doit être égale à la traînée totale de l'avion `\vec{Rx}`Rotor plus `\vec{Rx}`FuselageTrain.
- en négligeant la force verticale relativement faible du stabilisateur horizontal `\vec{Rz}`stab la force de portance du rotor `\vec{Rz}` doit être égale à la masse de l'avion `\vec{mg}`.

Contrairement à un hélicoptère, en vol propulsé vers l'avant, la force résultante du rotor d'un autogire agit vers l'arrière.

La stabilité

La stabilité est conçue dans les avions pour réduire la charge de travail du pilote et augmenter la sécurité. Un avion stable requiert moins d'attention de la part du pilote pour maintenir l'attitude de vol désirée, et se corrigera même s'il est perturbé par une rafale de vent ou d'autres forces extérieures. À l'inverse, un avion instable exige une attention constante pour maintenir le contrôle de l'appareil.
Plusieurs facteurs contribuent à la stabilité d'un autogyre. L'un d'eux est l'emplacement du stabilisateur horizontal. Un autre est l'emplacement de la traînée du fuselage par rapport au centre de gravité. Un troisième est le moment d'inertie autour de l'axe de tangage, tandis qu'un quatrième est la relation entre la ligne de poussée de l'hélice et la position verticale du centre de gravité ( CG). Cependant, la relation qui est probablement la plus critique est la relation entre la ligne de force du rotor et la position horizontale du centre de gravité.
Stabilisateur horizontal
Un stabilisateur horizontal contribue à la stabilité longitudinale, son efficacité étant d'autant plus grande qu'il est éloigné du centre de gravité. Il est également plus efficace à des vitesses élevées, car la portance est proportionnelle au carré de la vitesse. La vitesse d'un autogire n'étant pas très élevée, les constructeurs peuvent obtenir la stabilité souhaitée en variant la taille de l'empennage horizontal, en modifiant la distance qui le sépare du centre de gravité ou en le plaçant dans le sillage de l'hélice.
Gouverne de direction
La gouverne de direction est actionnée par des pédales du palonnier et permet de contrôler le mouvement de lacet de l'avion. Sur un autogyre, ce contrôle est réalisé d'une manière plus similaire à la gouverne de direction d'un avion qu'aux pédales anticouple d'un hélicoptère. Le gouvernail de direction est utilisé pour maintenir un vol coordonné et peut parfois nécessiter des interventions pour compenser le couple de l'hélice. La sensibilité et l'efficacité du gouvernail sont directement proportionnelles à la vitesse de l'écoulement de l'air sur la surface du gouvernail. Par conséquent, de nombreux gouvernails d'autogyre sont situés dans le souffle de l'hélice et offrent un excellent contrôle lorsque le moteur développe sa poussée.

Autogire Empennage Horizon

Centre de gravité

Si l'endroit où se concentrent les forces de traînée du fuselage ou le centre de poussée se trouve derrière le CG, l'autogire est considéré comme plus stable. Ceci est particulièrement vrai pour la stabilité en lacet autour de l'axe vertical. Cependant, pour atteindre cette condition, il doit y avoir une surface de l'empennage vertical suffisante. De plus, le centre de poussée longitudinal de l'autogire doit être équilibré afin que le mouvement cyclique soit suffisant pour empêcher le nez de piquer ou de cabrer, car la poussée s'accumule sur la zone frontale de l'autogire lorsque la vitesse augmente.
La ligne de poussée de l'hélice d'un autogyre peut être située en dessous du centre de gravité à gauche sur le dessin. Mais la ligne de poussée de l'hélice peut se situer au-dessus ou au niveau du centre de gravité.
Sans modifier le poids total et le centre de gravité d'un autogire, plus les poids sont éloignés du CG, plus l'autogire est stable.

Autogire CG haut Bas

Étant donné que certains autogyres n'ont pas d'empennages horizontaux et que les lignes de poussée des hélices sont différentes, les fabricants d'autogires peuvent obtenir la stabilité désirée en plaçant le centre de gravité devant ou derrière la ligne de force du rotor.
Supposons que le CG soit situé derrière la ligne de force du rotor en vol vers l'avant. Si une rafale de vent augmente l'angle d'attaque, la force du rotor augmente. Il y a également une augmentation de la différence entre la portance produite sur les pales qui avancent et celles qui reculent. Cela augmente l'angle de battement et provoque le cabrage du rotor. Ce mouvement de tangage augmente le moment autour du centre de gravité, ce qui entraîne une augmentation plus importante de l'angle d'attaque. Le résultat est une condition instable.
Si le CG se trouve devant la ligne de force du rotor, une rafale de vent, qui augmente l'angle d'attaque, fait réagir le disque du rotor de la même manière, mais maintenant l'augmentation de la force du rotor et le battement des pales diminuent le moment. Cela tend à diminuer l'angle d'attaque, et crée une condition stable.

Autogire CG avant arriere

Source de ce chapitre :
Rotorcraft Flying Handbook-FAA
For Fyroplane Use Only


Dessin Autogire Fin

Image Fin