HÉLICOPTÈRE

PALES DU ROTOR



- Aérodynamique

- Variation d'incidence

- Débit d'air et réactions sur rotor

Introduction

Le rotor d’hélicoptère comprend plusieurs pales dont chacune présente une constitution proche de celle de l’aile d’avion. Les pales d’hélicoptère varient grandement en fonction du type d’hélicoptère et de la fonction de celui-ci. Différents types de pales ont été créés afin de s’adapter le plus possible aux spécificités de chaque hélicoptère.

Terminologie utile

Extrados : contour supérieur du profil.
Intrados : contour inférieur du profil.
Corde : la corde d'un profil est la droite A - F joignant le bord d'attaque au bord de fuite.
Sa longueur est notée  Profil lettre L
Épaisseur : l'épaisseur maximale de l’aile est la distance maximale existante entre d’une part l’extrados, d’autre part l’intrados. L'épaisseur est notée h .
Épaisseur relative : L’épaisseur relative d’un profil est le rapport de l’épaisseur maximale (t en anglais) sur la longueur de la corde.    e = h / Profil lettre L ou t / Profil lettre L
Ligne moyenne : la ligne moyenne est le lieu des points équidistants de l'extrados et de l'intrados. Cette ligne est généralement courbée ou "cambrée" est aussi appelée ligne de cambrure.
Fléche : la flèche notée f est la distance maximale entre la corde et la ligne moyenne du profil. Elle définit donc sa courbure. Courbure = f / Profil lettre L
Angle d'incidence α : c'est l'angle formé par la corde du profil et le vecteur vitesse du vent relatif. Cet angle est appelé angle of attack en anglais.

Profil Terminalogie

Différents types de pales

Pales symètriques : L’intrados et l’extrados convexes sont symétriques par rapport à la corde. La ligne moyenne est rectiligne et est confondue avec la corde.
Avantage : coût de conception réduit.
Inconvénient : performance inférieure à une pale asymétrique

Profil Pale symetrique

Pales asymètriques : La courbure de l’extrados est plus accentuée que celle de l’intrados.
Avantage : ratio poussée/traînée bon.
Inconvénient : doivent être fabriquées dans des matériaux très résistants pour supporter les pressions élevées subies en vol.

Profil Pale Asymetrique

Note : Un profil symétrique doit avoir un angle d'attaque positif pour générer une portance positive. Avec un angle d'attaque nul, aucune portance n'est générée. Si l'angle d'attaque est négatif, l'effet de soulèvement est négatif. Un profil cambré ou asymétrique peut produire une portance positive à zéro, ou même avec un petit angle d'attaque négatif.

Image Haut de page



Aérodynamique

Trois phénomènes essentiels font apparaître des éléments spécifique à cette étude :
- la vitesse de déplacement du profil varie fortement entre le pied et l’extrémité de pale.
- les pales repassent cycliquement dans la même zone en combinant leurs effets pour produire un vent induit important nécessitant une étude particulière.
- la pale peut battre verticalement, c’est à dire s’inscrire dans un plan incliné par rapport au plan d’entraînement (sollicitation par une commande cyclique ou une turbulence externe).

Définition des angles

Par définition θ est l'angle de pas, angle formé par la corde du profil de la pale et le plan de rotation des pales. α est l'angle d'incidence ou angle d'attaque, angle formé par la corde du profil et la direction du vent relatif.

DefinitionAngles

Lorsque le plan de rotation des pales est confondu avec le vent relatif θ = α

Écoulement du flux d'air autour d'une pale

Le flux d'air s'écoulant horizontalement rencontre le bord d'attaque ( appelé point de stagnation) de la pale et se divise en un flux supérieur et un flux inférieur. Lorsque la pale a une certaine incidence, ce changement soudain de direction du flux d'air provoque la formation d'une zone de basse pression (dépression) derrière le bord d'attaque sur la surface supérieure de la pale. En raison de ce gradient de pression et de la viscosité du fluide, l'écoulement sur la pale est à son tour accéléré le long de la surface supérieure de la pale. En même temps, l'écoulement forcé sous la pale est rapidement ralenti en provoquant une zone de haute pression (surpression). L'aile dans un flux d'air.

Aero Ecoulement Air

L'ensemble des surpressions à l'intrados et dépressions à l'extrados génére une résultante aérodynamique  Lettre Ra. Cette résultante varie avec l'angle d'incidence et son point d'application s'appelle le centre de poussée .
Cette résultante aérodynamique  Lettre Ra peut se décomposer en:
- une force perpendiculaire au vent relatif appelée portance  Lettre Rz
- une force parallèle au vent relatif appelée traînée  Lettre Rx

PalesEcoulchemaRzRx

La portance

La portance agit perpendiculairement au vent relatif. Elle augmente avec le carré de la vitesse, et varie en fonction de la surface de la pale. L'incidence (angle d'attaque) a son importance dans la génération de portance ainsi que la densité de l'air.
Pour un angle d’incidence donné d'un élément de pale, la portance sera donnée par l'équation:

Rz = 1/2 ρ VR2 x S x Cz

En projetant la portance sur l’axe rotor on obtient la poussée axiale.

La traînée

C'est la force qui résiste au mouvement d'un hélicoptère dans les airs et qui est produite lorsque la portance est développée. La traînée doit être surmontée par le moteur pour faire tourner le rotor. La traînée agit toujours parallèlement au vent relatif.
La traînée totale est composée de trois types de traînée :
- de forme ;
- induite ;
- parasite.
Traînée forme, comme son nom l’indique elle est liée à la forme du profil. En effet, les écoulements sont différents en fonction des profils, et donc les différences de pressions entre le bord d'attaque et le bord de fuite ne sont pas identiques. D'autre part lorsqu'un fluide visqueux s'écoule autour d'un objet solide, il se forme des tourbillons et les filets de l'écoulement ne sont plus lisses.
Traînée induite est générée par la circulation de l'air autour de la pale du rotor qui crée de la portance. La zone haute pression sous la pale rejoint la zone basse pression au-dessus de la pale au bord de fuite et aux extrémités du rotor.
Traînée parasiste est présente chaque fois que l'hélicoptère se déplace dans les airs. Ce type de traînée augmente avec la vitesse. Les éléments de l'hélicoptère qui ne participe pas à la portance, comme la cabine, le mât rotor, la queue et le train d'atterrissage contribuent à la traînée parasite, ainsi que les ouvertures pour le refroidissement du moteur. En raison de son augmentation rapide avec l'augmentation de la vitesse, la traînée parasite est la principale cause de traînée à des vitesses plus élevées car elle varie avec le carré de la vitesse.
Traînée totale est la somme des trois forces de traînée. À mesure que la vitesse augmente, la traînée parasite augmente, tandis que la traînée induite diminue. La traînée de profil demeure relativement constante dans toute la plage de vitesses, avec une certaine augmentation à des vitesses plus élevées. La combinaison de toutes les forces de traînée donne une courbe de traînée totale. Le point le plus bas de la courbe de traînée totale indique la vitesse à laquelle la traînée est réduite au minimum. C'est le point où le rapport entre la portance et la traînée est le plus élevé . À cette vitesse, la capacité de portance totale de l'hélicoptère, comparée à la traînée totale de l'hélicoptère, est la plus favorable. C'est un facteur important dans les performances de l'hélicoptère.

Pale trainee
Image Haut de page



Variation d'incidence le long de la pale

La vitesse nécessaire pour engendrer une portance est réalisée par la mise en rotation des pales entraînées par le mât rotor. La vitesse des pales dans leur mouvement de rotation autour d’un point central est appelée vitesse angulaire ou vitesse de rotation. On notera ω la vitesse angulaire de rotation du rotor exprimée en radian par seconde ou tour par minute. Elle est en général maintenue fixe durant tout le vol.
La vitesse du flux d'air sur les pales varie selon la longueur des pales. Etant donné que les sections des pales situées à proximité de l’axe du rotor se déplacent plus lentement que celle du bout de pale, Il apparaît donc une diminution, le long de la pale, de l’intensité de la portance et de la traînée.

DissymetriePortance

La différence au niveau de la quantité de portance générée par différentes sections d’une pale d’hélicoptère s’appelle dissymétrie de portance. Pour compenser cette dissymétrie de portance, les pales d’un hélicoptère sont vrillées légèrement la pale par construction autour de son axe longitudinal.
Le vrillage a pour but :
- d'augmenter l'incidence au pied de pale (vitesse faible) pour augmenter le Cz afin de compenser la valeur faible de la vitesse linéaire ( Rz = 1/2 ρ V2 x S x Cz) si v est faible, il faut augmenter Cz qui croit avec l’incidence.
- de diminuer l'incidence au bout de pale (vitesse élevée) pour diminuer le Cz afin de compenser la valeur plus grande de la vitesse linéaire ( Rz = 1/2 ρ V2 x S x Cz ) si v est grand, il faut diminuer Cz qui décroit avec l’incidence.
Cette technique permet de créer une portance uniforme sur toute la longueur des pales du rotor. Dessin ci-dessous.

Profil vitesse deplacement

Pour faire une analyse correcte de la pale en action, il est nécessaire de la subdiviser son rayon en un grand nombre de segments, chacun ayant des conditions de fonctionnement propres : vitesse, angle d’attaque, coefficients Cx, Cz, Cm, etc... L’étude aérodynamique s’effectue en considérant, au moins dans un premier temps, que les écoulements d’air s’effectuent dans le plan du profil (écoulement bidimensionnel). La corde du profil ainsi que la direction de portance nulle sont définies comme dans le cas de l’aile. Le plan normal à l’axe rotor, appelé plan d’entraînement, constitue ici une référence essentielle.

Image Haut de page



Débit d'air et réactions sur rotor

Vent relatif

La connaissance du vent relatif est essentielle à la compréhension de l'aérodynamique et à son application pratique en vol pour le pilote ;
- le vent relatif est l'écoulement de l'air par rapport à un profil aérodynamique ;
- le mouvement d'un profil aérodynamique dans l'air crée un vent relatif ;
- le vent relatif se déplace dans une direction parallèle mais opposée au mouvement de la pale.

Vent Relatif Direction

Le vent relatif est le résultat de deux composantes:
- la compoante horizontale causée par la rotation des pales et le mouvement de l'hélicoptère dans les airs
- la partie verticale causée par l'air qui est poussé vers le bas par les pales du rotor, plus tout mouvement de l'air par rapport aux pales causé par la montée ou la descente de l'hélicoptère.
Ci-dessous les vitesses d'écoulement normales le long des pales pendant un vol stationnaire. La vitesse descendante est la plus élevée à l'extrémité de la pale là où la vitesse est la plus élevée.

Vent Relatif Vitesses

Vent relatif de rotation

La rotation des pales de rotor en tournant autour du mât produit un vent relatif rotatif (plan de la trajectoire du bout de pale). Le terme rotationnel fait référence à la méthode de production du vent relatif. Le vent relatif de rotation s'écoule à l'opposé de la trajectoire de vol physique de la pale, frappant celle-ci à 90° du bord d'attaque et parallèlement au plan de rotation ; et sa direction change constamment pendant la rotation. La vitesse du vent relatif de rotation la plus élevée est à l'extrémité des pales, et elle diminue uniformément jusqu'à zéro à l'axe de rotation (centre du mât).
Ci-dessous les vitesses d'écoulement normales le long des pales pendant un vol stationnaire.

Vent Relatif Rotation

Le vent relatif résultant à un vol stationnaire est un vent relatif rotatif modifié par l'écoulement induit. Il est incliné vers le bas à un certain angle et opposé à la trajectoire de vol effective de la pale, plutôt qu'à la trajectoire de vol physique (vent relatif de rotation). Le vent relatif qui en résulte sert également de plan de référence pour le développement des vecteurs de portance, de traînée et de force aérodynamique totale TAF sur le profil. Lorsque l'hélicoptère se déplace horizontalement, la vitesse modifie le vent relatif résultant. La composante de vitesse du vent relatif résulte du déplacement de l'hélicoptère dans les airs. Cette composante de vitesse est ajoutée ou soustraite au vent relatif de rotation, selon que la pale avance ou recule par rapport au mouvement de l'hélicoptère. L'introduction du vent relatif de vitesse modifie également l'écoulement induit. En général, la vitesse descendante de l'écoulement induit est réduite. La configuration de la circulation de l'air à travers le disque du rotor change lorsque l'aéronef a un mouvement horizontal. À mesure que l'hélicoptère gagne de la vitesse, l'ajout de la vitesse de translation entraîne une diminution de la vitesse d'écoulement induite. Ce changement entraîne une amélioration de l'efficacité (portance supplémentaire) à partir d'un réglage donné du pas des pales.

Vent Relatif Resultant

Image Suite