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Le rotor est le constituant principal de l'hélicoptère, car c'est lui en assure le sustentation et est a l'origine de sa transalation. Le rotor comprends essentiellement: - un mât sur lequel sont fixés un moyeu et des pales. - un moyeu assurant la liaison entre les pales et le mât qui les entrainent en rotation. - un certain nombre de pales qui, une fois mises en rotation, créent une force aérodynamique dont l'orientation détermine une force sustentatrice et une force propulsive. Le montage des pales sur le moyeu se fait par l'intermédiaire d'articulations multiples que nous allons étudier ici. Par conséquent les pales seront animées d'un mouvement autour de leurs articulations au cours de leur rotation. C'est vraisembablement la partie théorique de l'hélicoptère la plus délicate à éxaminer puisqu'elle fait appel à des développements mathématiques prenant une certaine ampleur dès que l'on désire s'approcher le plus possible des conditions réelles de fonctionnement. Aussi, nous ne feront qu'une présentation de de la mécanique du rotor due à ses effets aérodynamiques.
Le phénomène de pale avançante et de pale reculante et une résultante du vol en translation (ou de stationnaire avec un vent relatif). En effet, chaque point de la pale est soumis a une vitesse de rotation angulaire. Par conséquent, par vent nul, à chaque point de pale correspond une vitesse mais elle est équivalente sur chaque pale. Or, lors d'une translation, il faut ajouter, ou retrancher, la vitesse de translation a cette vitesse de rotation. Prenons le cas d'un écureuil: son rotor tourne dans le sens horaire vu du dessus. La pale qui est a gauche est celle qui est avançante car on la voit bien, aller de l'arrière vers l'avant. La pale qui est à droite est la pale reculante car elle a un mouvement qui va de l'avant vers l'arrière de l'aéronef. Lors de la translation, la pale de gauche aura sa vitesse propre due à la vitesse de angulaire du rotor a laquelle il faut ajouter à tous les points de celle ci, la vitesse de translation. Inversement pour la pale reculante, il faut retrancher la vitesse de translation a la vitesse angulaire de chaque point de cette pale. Nous nous trouvons parfois avec des vitesses négatives donc, lors que la vitesse de translation est supérieure à la vitesse du point de la pale reculante (le pied de pale et la partie intérieure en général).
Origine et role des articulations: Supposons que chaque pale soit encastrée sur le moyeu, constituant un rotor rigide. En vol stationnaire, la répartition des efforts aérodynamiques le long de la pale engendre une répartition de moment de flexion dont la valeur est maximale et très importante au pied de la pale. En vol de translation, la pale avançante porte plus que la pale reculante du fait de l'inégalité des vitesses de l'air
Ainsi la résultante aérodynamique d'une pale n'a donc pas la même valeur en chaque azimut, ni le même point d'application. Le moment d'encastrement au pied de pale est ainsi élevé et variable, ce qui créé des contraintes alternées entrainant un phénomène de fatigue des matériaux.
La résultante Fn des forces aérodynamiques de toutes les pales n'est plus portée par l'axe rotor, ce qui entraine la création d'un moment de roulis croissant avec la vitesse. Le moment de roulis et la dissymétrie de portance mis en valeur ci dessus, se sont révélés très vite être des obstacles au pilotage de l'hélicoptère. Lorsque Juan de la Cierva mit au point ses premiers autogires, il reprit l'idée du deux ingénieurs français Renard et Bréguet, à savoir l'articulation des pales sur le moyeu autour d'un axe perpendiculaire à l'arbre d'entrainement, et désigné axe de battement vertical
On sait par définition qu'une articulation est capable de reprendre une force d'orientation quelconque mais ne peut, en aucun cas, reprendre un moment. Par conséquent, si une pale est articulée sur le moyeu, le moment sera nul à l'attache. Pour satisfaire l'équilibre d'une pale, les efforts centrifuges maintiennent la pale après une certaine levée de celle ci, laissant apparaitre une conicité que l'on distingue aisément sur le schéma ci contre.
Dans ces conditions, il n'y a plus de moment de roulis important en translation, et les seuls efforts transmis par la pale au moyeu ne sont que des efforts tranchants (résultante de la portance de pale délestée de la composante sensiblement verticale des forces centrifuges et des forces de pesanteur). Il peut être remarqué que les pales ne tournent plus dans un plan, mais leurs extrémités décrivent un cône très ouvert. En pratique, l'axe de battement ne se trouve pas sur l'axe de rotation, mais il est décalé d'une distance a, appelée excentricité
Afin d'assurer la sustentation de l'hélicoptère lors de ses différentes configurations, il faut pouvoir contrôler la sustentation du rotor et la faire varier. C'est ainsi qu'est introduite l'articulation de pas, dont l'axe est parallèle à l'envergure de la pale. L'axe de variation de pas est situé au voisinage du foyer du profil de la pale fin de diminuer le plus possible les efforts de commande. Pour les mêmes raisons, le centre de gravité massique de chaque pale est situé aux environs de 25% de la corde. Ce nouveau degrès de liberté permet donc de contrôler la portance par action sur la commande de pas général, et aussi de faire varier le pas cycliquement permettant ainsi le contrôle du plan de rotation des pales.
Il est apparu précédemment que le plan de rotation des pales peut être différent du plan perpendiculaire à l'arbre d'entraînement. Dans ces conditions, il va être nécessaire d'articuler chaque pale en trainée. Supposons un rotor tournant dans un plan différent du plan d'entrainement (avec une conicité), comme sur la figure ci contre. L'extrémité d'une pale décrit un cercle, mais elle ne le décrit pas uniformément puisque les arcs A1A2, A2A3, A3A4, A4A1, correspondant à des intervalles de temps égaux, sont inégaux en distances. En effet, par inertie chaque extrémité de pale a sa vitesse périphérique maintenue constante de sorte que la pale montante doit avoir une vitesse angulaire plus élevée, et la pale descendante une vitesse angulaire plus faible. En l'absence d'articulation de trainée, il apparaitrait des forces d'inertie, générant des efforts de flexion alternée, donc de fatigue des matériaux. Comme pour le battement vertical, il existe un remède simple, à savoir la création d'une articulation dont l'axe est perpendiculaire aux efforts de trainée. Pour que la pale puisse être entrainée à partir de l'arbre, il faut que l'articulation de trainée soit suffisamment éloignée de l'axe rotor pour que le moment dû aux forces centrifuges équilibre le moment dû aux forces de trainée et d'inertie sans que l'angle de trainée soit trop important.
En résumé, une pale de rotor articulé comprend essentiellement trois articulations représentées sur la figure ci contre: - une articulation de battement vertical, permettant un mouvement dans le plan vertical, au moyen d'une charnière à axe horizontal communément appelée “axe de battement”. Le mouvement correspondant est appelé battement vertical ou d'une façon moins précise mais entérinée par la pratique: le battement. - une articulation de battement horizontal, permettant un mouvement dans un plan horizontal, au moyen d'une charnière à axe vertical communément appelée “axe de trainée” Le mouvement correspondant est appelé battement de trainée et cette dénomination est elle aussi entérinée par habitude d'une façon pratiquement officielle. - une articulation de pas, permettant de faire varier le pas d'une pale tout entière, au moyen d'une charnière longitudinale parallèle à l'envergure de la pale. Quand le pas varie, il en est généralement de même pour l'angle d'incidence par rapport aux filets d'air.
La liaison K On se rappelle qu'une pale est articulée en battement, ce qui permet, au cours d'un tour, l'autorégulation de la portance sous l'effet de la résultante vectorielle de la vitesse de translation de l'hélicoptère et de la vitesse de rotation en un point quelconque d'une pale. La pale avançante monte et la réculante descend, et en conséquence, le battement de chaque pale engendre dans le plan du rotor des forces d'inertie résultant de la tendance à l'augmentation ou la diminution de la vitesse angulaire du rotor. Ces forces d'inertie, ou forces de Corolis, sont à l'origine de la fatigue en trainée. une réflexion sur la cinématique de la pale (articulation de battement et articulation de pas) conduit à une action sur la pas de la pale lorsque celle ci bat. On retrouve donc un couplage pas-battement. L'effet souhaité est qu'une augmentation de l'angle de battement puisse engendrer un diminution de l'angle de pas (et inversement). La liaison K proprement dite est caractérisée par deux aspects: d'abord un axe de battement oblique puis un décalage du point d'attache du levier de pas.
Tout d'abord, considérons la biellette de commande de pas et particulièrement le point E, qui est la position ordonnée par le pilote. Ce point E est celui qui donne l'angle d'incidence des pales par rapport a leur axe de variation de pas. On voit sur la figure ci dessus à droite que si E est dans le même axe que l'axe de battement, alors si la pale monte ou descend autour de cet axe, il n'y aura aucune résultante sur l'angle de pas. Par contre, si on déplace E en le décalant par rapport a l'axe de battement de pales, il y aura bien un phénomène associé. En effet, considérons E fixe (le pilote ne donne aucun ordre de changement de pas), on voit ci contre à gauche que si la pale monte, son angle de pas va diminuer et lui donner un ordre associé de descendre. inversement, si la pale est basse, automatiquement, l'angle d'incidence va être augmenté et la pale va remonter et se remettre dans le sillage des autres pales du rotor. Ce système est repris sur tous les rotors actuels en raison de sa facilité de construction, et sa fiabilité.

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