Le déplacement de tout objet est dû à la résultante (R) de la force qu'il faut exercer pour le déplacer par rapport à son poids. Imaginez-vous soulever un sac de pomme de terre ou imaginez la fusée décoller...
Pour soulever une charge, il faut donc opposer à son poids (P) une force supérieure (F). Selon la résultante de ses forces, l'objet montera, restera au même niveau ou descendra...
Trois cas possibles :
Le Poids est inférieur à la Force exercée : l'objet monte.
Le Poids est égal à la Force exercée : l'objet reste en place.
Le Poids est supérieur à la Force exercée : l'objet tombe.
Pour un hélicoptère, c'est pareil. L'hélice placée au-dessus de son toit (le « rotor principal ») crée un mouvement relatif de l'air par rapport aux pales. Cet écoulement de l'air exerce une force : la portance.
Revenons un peu en arrière : Le rotor est généralement constitué de deux pales mais, cela peut aller jusqu'à 8 !
On parle de « voilure tournante » car les pales, de par leur profil, ressemble plus à une aile d'avion qu'à une hélice.
Les pales font un angle variable avec l'horizontal : l'angle d'attaque ou d'incidence. Cet angle est modifiable en vol.
En tournant à grande vitesse donc, le rotor a deux fonctions :
- la portance de l'hélicoptère (équivalant ainsi aux ailes de l'avion)
- sa propulsion (équivalant à l'hélice de l'avion).
Lorsque la portance sera supérieure au poids de l'appareil, elle le soulevera.
Lorsqu'elle équilibera le poids, l'appareil demeurera immobile à une altitude constante : c'est le vol stationnaire.
Comment ça marche ?
En coupe, le profil d'une pale est légèrement bombé sur la face du haut et plat sur la face du bas.
L'air, à son contact se trouve fendu en deux.
Le flux d'air s'écoulant sur la face du dessus va plus vite que le flux d'air circulant sur la face du dessous, car il a plus de trajet à parcourir.
Comme le flux d'air du dessus va plus vite, il y a moins de pression sur la face du haut de la pale et les molécules tapent toujours avec la même intensité sur la face du bas.
Cette différence de pression aspire la pale vers le haut.
On comprend donc qu'en augmentant le pas (l'angle d'inclinaison) des pales, on provoque une augmentation de la portance et vis versa.
- Mais pourquoi le diamètre de cette hélice est-il si grand ?
C'est une question de rendement face à l'énergie dépensée (le carburant, si précieux) : à efficacité équivalente, une petite hélice tournant vite, consomme beaucoup plus qu'une grande hélice tournant lentement.
Deuxième principe de physique :
Mais, ainsi vont les grandes lois de la nature... lorsque l'on exerce une force (F) sur un corps, celui-ci va exercer à son tour une force égale et de direction opposée (F') à la force (F) : C'est le principe de « l'Action-Réaction » et du « couple de Renversement ».
Ainsi lorsque le moteur, solidaire de notre hélicoptère, transmet une force de rotation à notre grande hélice, celle-ci va à son tour faire tourner le moteur dans le sens inverse.
En d'autre terme : lorsque le moteur fait tourner l'hélice de l'hélicoptère de droite à gauche, l'hélice, elle, par réaction, fait tourner le fuselage -le corps de l'hélicoptère - dans l'autre sens... !!!
Aïe, Aïe, Aïe !!!!
- Mais alors pourquoi notre hélicoptère ne tourne t-il pas avec l'hélice ??
Pour lutter contre ce couple, il faut en exercer un autre, pour l'annuler.
- Une solution consiste à faire tourner deux hélices : l'une au-dessus de l'autre et en sens inverse. On parle de couple « Contra-Rotatif ». Une hélice annule l'effet de l'autre.
C'est le principe de fonctionnement des hélicoptères russes Kamov. Mais cette mécanique étant très complexe, elle a limité l'essor de cette technologie.
- La solution la plus classique consiste à créer un bras de levier, sur le corps de l'hélicoptère, et d'y exercer une force perpendiculaire pour lutter contre sa rotation.
Plus le bras de levier sera grand, plus la force nécessaire pour lutter contre le couple de la rotation de l'hélice sera faible et vis versa.
Ajoutons une queue à notre hélicoptère (le bras de levier) et plaçons-y une force (une hélice) perpendiculairement à la rotation du corps de l'hélicoptère, pour s'opposer à cette rotation. Cette hélice de queue s'appelle « rotor anti-couple - ou de queue ».
Cà marche !!!
Les deux couples s'opposent et s'annulent : notre hélicoptère ne tourne plus sur lui-même... Ouf !!!
Pour monter ou descendre,il est facile de comprendre maintenant qu'en augmentant ou en diminuant la vitesse de rotation de l'hélice principale on obtiendra l'effet escompté.
- Cependant cette solution a un gros défaut : le temps de réaction à la variation de puissance du moteur est important. L'inertie d'une grande hélice est importante et un certain temps est nécessaire pour obtenir une modification de la vitesse demandée. Pour être efficace, le pilotage, avec cette technologie, demande alors une grande anticipation les ordres de pilotage...
- Pour faciliter le pilotage, on a donc développé une tête de rotor permettant de faire varier le pas (l'inclinaison) des pales de l'hélice. Cette technologie s'appelle le pas variable.
Chaque pale est considérée comme une aile dotée d'un profil : lorsque son incidence (l'angle formé avec l'horizontal) augmente, la portance croit jusqu'à une valeur limite où les turbulances (la trainée) l'emportent, rendant inefficace l'hélice...
On joue donc à la fois sur la puissance du moteur et sur le pas de l'hélice pour faire varier l'altitude de l'hélicoptère.
Pour cette variation globale et uniforme du pas de l'ensemble des pales du rotor, on parle de pas cyclique.
