Zoom in the Lab

17 - L'hélicoptère dans tous ses états

De nouvelles pales qui permettent de réduire significativement le bruit dans les phases les plus critiques du vol

Le Dauphin 6075 du Centre d'Essais en Vol d'Istres est destiné à répondre aux besoins de la rechercheL'aéronautique ne concerne pas uniquement les avions et les fusées. Les hélicoptères font également l'objet de nombreuses recherches, aussi bien pour la sécurité que pour le confort ou la rapidité. La complexité des voilures tournantes oblige les chercheurs à de véritables prouesses expérimentales et théoriques. Les recherches menées à l'Onera sur les hélicoptères font partie d'un programme de recherche commun Onera/DLR (DLR établissement allemand homologue de l'Onera).

L'hélicoptère virtuel

Le calcul des écoulements autour d'un avion fait presque figure de jeu d'enfant comparé au calcul des écoulements autour d'un hélicoptère. En effet, à cause de la voilure tournante, les écoulements sont tridimensionnels et instationnaires (les conditions varient en fonction du temps car les pales tournent pendant que l'hélicoptère avance). "Malgré ces conditions difficiles, nous parvenons assez bien à prévoir les écoulements sur les pales, et la comparaison avec les essais en soufflerie est satisfaisante, dans des configurations classiques de vol note Jean-Jacques Philippe, ancien directeur pour les recherches sur les hélicoptères à l'Onera. En revanche, nous ne savons pas encore bien simuler les situations extrêmes, comme le décrochage, lorsque des décollements importants apparaissent en pale reculante." Ces simulations numériques amorcent leur entrée dans l'industrie, par exemple chez Eurocopter, société qui utilise les codes de calcul mis au point par l'Onera et comparent leurs résultats avec ses propres données en vol. "Le problème majeur est le temps de calcul qui demeure encore très élevé. Nous aurions besoin d'ordinateurs plus puissants".

L'ensemble logiciel de simulation aérodynamique elsA développé à l'Onera a été conçu pour traiter les problèmes complexes comme celui des voilures tournantes.

L'hélicoptère intelligent

Alors que les pilotes des Airbus récents ont une foultitude d'aides au pilotage au point qu'une grande partie des tâches est automatisée, les pilotes d'hélicoptères classiques disposent de peu de systèmes automatiques de pilotage. Vu la complexité de certaines manœuvres à effectuer, des accidents peuvent être dus à des fautes de pilotage, d'où l'idée de décharger le pilote d'une partie de ses fonctions grâce à "l'hélicoptère intelligent". Le pilotage de ce type d'engin est bien plus complexe et difficile que celui d'un avion, car les degrés de liberté sont plus nombreux : avec, en particulier, le vol stationnaire, tourner à 360°, monter ou descendre verticalement, etc. L'idée est de programmer des trajectoires de vol dans lesquelles la sécurité de l'appareil est assurée. "C'est surtout lors des vols de forte descente que des phénomènes dangereux peuvent survenir, indique Jean-Jacques Philippe. Nous définissons donc des conditions de vol interdit pour éviter ces situations risquées."Par ailleurs et pour mieux comprendre ces phénomènes dangereux, les chercheurs mènent des essais en vol dans les situations les plus limites à haute altitude pour pouvoir se rattraper en cas de décrochage. Les informations collectées lors de ces vols sont ensuite traitées afin d'établir précisément les conditions d'apparition du danger et mieux établir le domaine interdit.

Le modèle de mécanique Host à l'oeuvre pour simuler l'effet des anneaux tourbillonnaires (vortex ring) pour le sillage de rotor, en vol avec effet de sol.

 

 

L'hélicoptère sûr

Sans se situer dans les conditions de vol les plus dangereuses, comme une descente rapide, un hélicoptère peut s'écraser lors de la casse d'une pale, par exemple "Les nouveaux hélicoptères utilisent de plus en plus des structures en matériaux composites, moins connues que les structures métalliques, indique Jean-Jacques Philippe. Nous étudions donc beaucoup leur tenue au crash afin de mieux dimensionner les éléments constitutifs de l'hélicoptère."

Le perfectionnement des outils de simulation permet aux industriels d'être plus compétitifs dans les phases de conception et de validation. Ici, le résultat d'une simulation de crash par le logiciel Radioss (éléments finis) sur un tronçon du Tigre.

 

D'autres conditions sont également sources de danger : le givrage peut être plus dangereux sur les hélicoptères que sur les avions car ces derniers volent plus près du sol, où le givre est maximum. Des dégivreurs chauffants intégrés dans les pales sont étudiés avec la société Eurocopter pour pallier cet inconvénient. La foudre est aussi redoutée, d'autant plus que la voilure tournante des hélicoptères complique la compréhension des conditions possibles de foudroiement. Il faut néanmoins assurer la tenue des pales, et faire en sorte que les forts courants électriques engendrés par la foudre n'abîment pas les circuits électriques et informatiques de la chaîne de pilotage. Un autre danger peut venir du vol à très faible vitesse, qui le rend sensible aux moindres perturbations atmosphériques. Et à basse altitude, une perte de contrôle peut être fatale, surtout que les perturbations sont parfois plus fortes près du sol. Or, le pilote ne connaît pas bien la vitesse réelle de l'air. "Nous avons donc développé avec la société Thales-Avionics des capteurs de mesure de la vitesse de l'air (vélocimètres) basés sur des lasers, permettant de connaître rapidement toutes les perturbations. Le pilote peut ainsi en déduire l'attitude à adopter pour échapper à la turbulence ou à des rafales de vent."

Ici, un Puma rescapé d'un vol en conditions givrantes.
Le givre est surtout dangereux quand il s'attaque aux pales : il peut en modifier le profil jusqu'à faire s'écrouler la portance et causer la chute de l'appareil.
Source CEV

 

 

 

L'hélicoptère confortable

Pourquoi ne pourrait-on pas voyager aussi confortablement dans un hélicoptère que dans un avion ? Afin d'améliorer le confort des passagers et des pilotes, il faut notamment réduire les vibrations et le bruit interne. La principale source de vibration est le rotor, qui transmet au fuselage des forces instationnaires dont la prévision reste très difficile. Lorsque la fréquence de ces forces coïncide avec la fréquence d'un des modes de déformation du fuselage, les vibrations sont amplifiées (résonance). "Il faut donc concevoir l'hélicoptère de telle façon que la fréquence des forces créées par le rotor ne corresponde pas aux fréquences des modes propres de l'hélicoptère", explique Jean-Jacques Philippe. Mais la structure d'un hélicoptère est plus complexe que la carlingue d'un avion, et les possibilités de vibrations sont plus nombreuses. De longues recherches seront donc encore nécessaires pour prévoir correctement ces vibrations, afin de les réduire dès la conception. La boîte de transmission principale, nécessaire à cause de la différence des vitesses de rotation des turbomoteurs (très rapides) et celle du rotor (faible), est très bruyante. "Nous concevons donc des panneaux d'habillage de fuselage permettant de réduire le bruit interne. Ceux-ci peuvent être passifs (amortissement du bruit) ou actifs (ils génèrent une contre vibration des bruits)." Les hélicoptères haut de gamme sont déjà relativement silencieux grâce à l'utilisation de panneaux d'habillage passifs. Leur optimisation structurelle peut éviter un accroissement trop important de la masse à vide de l'appareil.

La structure du Dauphin instrumentée pour un test de vibrations
(shake test)

L'hélicoptère silencieux

C'est surtout en descente que le bruit externe est le plus intense, car chaque pale interagit avec les tourbillons créés par les pales précédentes, d'où un "flap flap" caractéristique. "Pour diminuer le bruit, il faut jouer sur l'intensité du tourbillon et sa trajectoire : lorsque celle-ci est parallèle à la pale suivante, l'interaction, et donc le bruit émis, sont maximums", précise Jean-Jacques Philippe. Les ingénieurs de recherche de l'Onera ont donc conçu des nouvelles géométries de pales, étudiées pour former un angle avec le tourbillon et éviter cette interaction maximale [voir image en tête d'article]. Ces nouvelles pales, qui présentent une mise en flèche vers l'arrière des extrémités de pale, permettent de diminuer de 6 à 7 décibels le bruit des hélicoptères en descente (d'après des essais en soufflerie). Les premiers essais en vol d'une pale de ce type optimisée avec Eurocopter sont prévus pour 2006. Reste que le rotor principal n'est pas la seule source de bruit. Les chercheurs de l'Onera s'attaquent aussi aux bruits du rotor arrière et du turbomoteur. "Là aussi, des gains importants sont envisageables", estime Jean-Jacques Philippe.

Localisation de sources de bruit en vol sur Dauphin 6075.
Le réseau de microphones est disposé au sol sous la forme d'une croix

L'hélicoptère actif

Pour aller plus loin dans la recherche d'un hélicoptère silencieux et confortable, il est nécessaire de concevoir des solutions « actives », dans lesquelles on peut modifier l'angle d'incidence des pales. En effet, au cours de leur rotation, les pales ne subissent pas les mêmes effets quand elles vont dans le même sens que l'hélicoptère (pale avançante) ou quand leur mouvement est opposé (pale reculante). Des écoulements transsoniques peuvent apparaître en extrémité de pale avançante, tandis que pour la pale reculante des écoulements décollés apparaissent et peuvent faire décrocher le rotor. Dans un rotor à gouverne active, il est possible de faire varier les portances locales de façon optimale en fonction du temps à l'aide de volets de bord de fuite... L'objectif est de faire en sorte que les tourbillons soient moins intenses et passent plus loin de la pale suivante. L'augmentation de la portance joue un rôle crucial : lorsque la portance est plus forte à l'approche de ces tourbillons,  ces derniers sont davantage poussés vers le bas et engendrent moins de bruit. Cet effet a été vérifié par les calculs et en soufflerie. D'autres parties de l'hélicoptère peuvent être rendues actives, comme l'empennage horizontal arrière (assurant la stabilité de l'appareil et maîtrisant son assiette) ou la dérive verticale. Mais les travaux sur ces sujets sont moins avancés.

L'hélicoptère du futur

Les hélicoptères permettent une grande variété de mouvements, mais, revers de la médaille, ils ne peuvent pas voler très vite. Au-delà de 350 kilomètres/heure, on a de fortes ondes de choc en pale avançante et de forts décollements en pale reculante. Les puissances nécessaires augmentent considérablement et les vibrations de l'appareil augmentent aussi. Cependant, une voilure tournante comme celle de l'hélicoptère peut aussi servir… d'hélice d'avion vice-versa. C'est le concept de rotor convertible (tilt rotor). Le rotor est d'abord placé au-dessus de l'appareil, comme dans un hélicoptère, pour assurer le décollage et le vol basse vitesse. Puis il bascule de 90° pour devenir une hélice permettant de voler jusqu'à 500-600 Km/h. Cette conversion rotor ne s'effectue que lorsque les ailes, aux extrémités desquelles sont installés les rotors, sont capables de créer une portance égale au poids de l'appareil. Il faut également concevoir ces appareils de telle façon qu'ils soient capables de bien fonctionner à basses vitesses comme un hélicoptère et à grandes vitesses comme un avion. "Ces appareils convertibles existent déjà aux Etats-Unis et commencent à être produits en série. Malheureusement, en Europe, nous suivons le mouvement avec du retard".

Le concept de convertible à demi-aile
basculante ERICA de Agusta

 

Simulation numérique d'une demi-maquette de
convertible en vol de crosière

L'hélicoptère militaire

La furtivité est le principal sujet des recherches sur les hélicoptères militaires : ceux-ci doivent être indétectables aussi bien par les radars que par les détecteurs de rayonnement infrarouge. La question de la détection par les radars est similaire aux hélicoptères et aux avions avec la particularité, pour les premiers de voler plus bas : un appareil furtif nécessite d'utiliser des matériaux absorbant les ondes radar , y compris pour les rotors. La détection infrarouge, en revanche, est très différente. Dans le cas des avions, le jet chaud (source principale du rayonnement infrarouge de l'appareil) est éjecté des turboréacteurs à grande vitesse vers l'arrière. Pour l'hélicoptère volant à basse vitesse, les jets chauds sont poussés vers le bas et peuvent chauffer la poutre de queue de l'appareil, créant ainsi une "signature infrarouge" caractéristique d'un hélicoptère. "Pour créer un hélicoptère furtif, il faut donc maîtriser la direction de l'air issu du flux des turbomoteurs", explique Jean-Jacques Philippe, et l'utilisation de dilueurs déviateurs de jets (DDJ) adaptés peut réduire notablement la signature infrarouge de l'appareil. L'Onera travaille sur ces deux domaines et va entreprendre des recherches sur la détectabilité acoustique des hélicoptères.

SER, ou Surface Equivalent Radar, de l'hélicoptère Tigre, mesurée et analysée en chambre anéchoïque.