III. CONTRÔLE DU VOL: PILOTAGE

III.1 - LE COUPLE DE RÉACTION DU ROTOR PRINCIPAL

Pour se manifester, toute force prend appui sur un support. Si le support est libre de bouger, il se déplace en sens contraire de la force qui s'appuie sur lui. On dit que l'action de la force est égale et opposée à la réaction du support.

Il en va de même pour le rotor de l'hélicoptère. Pour tourner, le mât rotor auquel est appliqué le couple moteur (Cm) prend appui sur la structure de l'hélicoptère qui est entraîné en sens contraire du rotor par un couple de réaction (Cr) égal et opposé au couple moteur (Cm).
Le couple de réaction rend alors impossible le vol de l'hélicoptère qui se mettrait à tournoyer sur lui-même. 

Pour que l'hélicoptère soit capable de voler, il faut donc compenser ce couple de réaction : c'est le but du ROTOR ARRIÈRE. Il se comporte aérodynamiquement comme le rotor principal que nous verrons plus loin dans l'article : en faisant varier l'incidence de ses pales plus petites, le pilote fait varier la poussée Ty pour compenser le couple moteur. Mais s'il le fait plus ou moins, il peut, sur place, orienter en lacet la cellule dans la direction qu'il veut.

Il en existe deux types :

  • le rotor caréné dit "fenestron" comme sur le "Dauphin" d'Eurocopter,
  • le rotor classique non caréné comme sur l'"Écureuil" aussi d'Eurocopter.

Pour contrôler le rotor arrière, le pilote dispose d'une commande aux pieds :

LE PALONNIER

Le palonnier Pl en vert clair est composé de deux pédales Pd et Pg qui, par une timonerie, agissent sur une tige de commande Tc en violet suivant les deux flèches rouge et verte. Cette tige traverse le moyeu rotor Mr en bleu clair pour manœuvrer le plateau de commande Pc en rose qui, à son tour, va agir sur chaque biellette de commande Bc pour faire varier l'incidence des pales et ainsi faire varier la poussée Ty afin de compenser la couple moteur.

Sur la figure, pour équilibrer le couple moteur : quand le pilote appuie, juste ce qu'il faut, sur la pédale Pd de droite (flèche rouge), la timonerie transmet une traction sur la tige de commande Tc en violet (flèche rouge) qui va tirer le plateau de commande Pc. Les biellettes de commandes Bc poussent alors les leviers de pale pour augmenter leurs angles d'incidence ce qui augmente la poussée Ty qui tire la queue de l'hélicoptère vers la gauche pour empêcher la cellule de tournoyer sur elle-même.

Mais est-il possible de se passer du rotor arrière ?
      Mais bien sûr que OUI !...
               Mais alors COMMENT ?

Si l'on supprime le rotor arrière, il faut absolument supprimer le couple moteur qui s'appuie sur la cellule, sans quoi cette dernière se mettrait à tournoyer sur elle-même. Il faut donc impérativement que le mouvement de rotation du rotor soit entraîné par autre chose que la mat rotor. Le "rotor sans couple" a été utilisée sur des appareils de petite taille à pales réactives, la série SO 1100, 1110 et A 1120 Ariel I, II et III, le SO 1221 Djin et le Farfadet de la Société SNCASO devenue aujourd'hui Eurocopter. Le moteur génère un puissant souffle d'air qui passe dans le mat rotor libre et qui ressort en bout de pales par des brûleurs. Cette configuration n'a pas vécu longtemps car elle a montré ses limites et présentait des inconvénients biens plus importants que la configuration avec un rotor arrière.


Brûleur en bout de pales sur les Djin's.

C'est dans cette configuration que les premiers hélicoptères ont été développés aux États-Unis. depuis 1942 et en France au début des années 1950 sous le nom d'hélicoptères à réaction.

III.2 - LE VOL STATIONNAIRE

Nous commencerons par cette configuration de vol, plus facile à comprendre mais bien plus délicate en phase de pilotage. Vous verrez pourquoi.

Nous l'avons déjà vu, pour que l'hélicoptère puisse décoller, il faut que la force résultante de sustentation Fn soit plus grande que son poids en charge P. Cette force de sustentation est engendrée par la mise en rotation des pales ayant une certaine incidence.

Nous avons vu aussi que cette force Fn dépendait de la vitesse circonférentielle des forces élémentaires fn tout au long des pales. Ces forces s'expriment par la formule suivante :

fn = ½.k.s.v²

Pour vous convaincre de l'existence de cette force et de la manière dont vous pouvez la faire varier, il suffit de passer votre main ouverte à travers la fenêtre de la porte de votre voiture en mouvement. Vous constaterez que votre main tend à se soulever plus ou moins :

Il y a donc deux façons de faire varier la force de sustentation Fn :

  1. augmenter la vitesse de rotation du rotor,
  2. faire varier l'incidence des pales,

Les études et l'expérience ont montré que la première solution n'était pas viable et ont mené à privilégier un rotor tournant à vitesse constante et qu'il était plus efficace et plus aisé de contrôler la force Fn en commandant l'angle d'incidence des pales appelé le pas. C'est la variation du pas collectif .

Les pales peuvent pivoter suivant un axe horizontal pour faire varier leur incidence. Pour chaque pale, une biellette relie un levier qui lui est solidaire à un plateau qui peut coulisser le long du mat rotor. Quand le plateau glisse vers le haut, les biellettes poussent les leviers pour augmenter le pas, vers le bas pour le diminuer.

Si le plateau coulisse parallèlement à lui-même, le pas de toutes les pales varie de la même quantité en même temps, c'est pourquoi on dit variation du pas collectif ou aussi variation du pas général.

Pour contrôler le pas général, le pilote dispose, à la gauche de son siège, d'un levier qu'il peut manœuvrer vers le haut pour augmenter le pas et vers le bas pour le diminuer. Une timonerie ( en turquoise) permet à ce levier de faire coulisser le plateau parallèlement à lui-même le long du mat rotor.

  1. L'hélicoptère est au repos : la force de sustentation Fn est nulle et son poids P le maintient au sol.
  2. L'hélicoptère est au sol et son rotor tourne à sa vitesse d'utilisation : le pas général est faible donc la force de sustentation Fn est faible et inférieure au poids en charge P de l'appareil qui est maintenu au sol.
  

Note : la timonerie est présentée de manière très simplifiée. C'est sans compter la timonerie de la variation cyclique du pas expliquée plus loin.


Donc, pour faire décoller son hélicoptère, le pilote tire progressivement sur le levier de pas collectif pour augmenter le pas général donc l'angle d'incidence de chaque pale ce qui augmente la force de sustentation Fn. Quand la force de sustentation Fn sera supérieure au poids en charge P de l'appareil, ce sera le moment du décollage. L'hélicoptère s'élève tant que Fn > P.

Le pilote contrôlera le vol stationnaire en maintenant Fn = P.

Mais cela ne suffit pas ! Pourquoi ?

En effet, une fois en l'air, l'hélicoptère est soumis à certains phénomènes comme, par exemple, le vent qui tendra à faire balancer la cellule sous son disque rotor de sustentation, le poids des passagers, suivant leur nombre, qui font varier le centrage Dc de l'appareil.

Fn n'est plus parfaitement égale et opposée à P, l'hélicoptère se trouve alors dans une instabilité que le pilote doit pouvoir absolument compenser.

La cellule, en se balançant, fait basculer le disque rotor. Toujours perpendiculaire au disque rotor, Fn change de direction. Elle se décompose :

  1. en une force Fz, plus faible que Fn, qui tend à faire perdre de l'altitude : comme nous l'avons vu plus haut, le pilote compensera facilement le phénomène en tirant légèrement sur le levier du pas général pour faire en sorte que Fz soit égale au poids P.
  2. en une force Fx qui tend à faire déplacer l'appareil. Ce phénomène de balancement peut avoir lieu suivant toutes les directions, vers l'avant, vers l'arrière, vers la droite, vers la gauche et tout cela de manière combinées.

Pour maintenir le vol stationnaire, le pilote doit avoir le moyen de maintenir Fx = 0 pour qu'il n'y ait aucun déplacement et aussi Dc = 0 pour que le point d'application de la force Fz confondue avec Fn soit à la verticale du centre de gravité G qui est le point d'application du poids en charge P de l'appareil.

Dans la posture montrée par la figure ci-contre, il faut pouvoir créer un couple pour redresser l'appareil autour du centre de son disque rotor.

Le disque rotor est solidaire de la cellule. On ne peut pas le faire basculer. Donc, pour réussir la correction, il ne reste plus qu'à trouver le moyen de jouer avec les forces élémentaires fn pour agir sur la force résultante de sustentation Fn.

Toujours dans la posture montrée par la figure ci-contre, pour que ce couple existe, il faut décomposer le disque rotor en deux secteurs, un secteur avant, en bleu, tiré impérativement vers le haut par une force F2 et un secteur arrière, en vert, tiré vers le haut aussi par une force F1 qui sera plus faible que F2 de telle sorte que la force de sustentation Fn soit la résultante des forces F1 et F2.

Chaque pale balaie une fois les deux secteurs à chaque tour du rotor. Il faut donc que, à chaque tour c'est à dire cycliquement, chaque pale voit son incidence augmenter quand elle parcourt le secteur avant pour générer F2 et diminuer quand elle parcourt le secteur arrière pour générer F1. Ce changement de pas à chaque tour s'appelle le pas cyclique. On obtient ce changement de pas en faisant pivoter plus ou moins le plateau autour de son centre O (figure 2) alors que, pour le pas collectif, le plateau se déplace parallèlement à lui-même (figure 1).

On appelle communément ce plateau le plateau cyclique.


Fig. 1 : Variation du pas collectif


Fig. 2 : Variation du pas cyclique

Chaque biellette reliant chaque levier de pas de pale au plateau cyclique suit donc une trajectoire commandée par l'inclinaison de ce dernier.

L'incidence de chacune des pales qui tournent contraint en permanence le plan de rotation du rotor à rester dans la position du plan du plateau cyclique.

MAIS COMMENT CELA PEUT-IL SE FAIRE ?

Le plateau cyclique est l'élément essentiel de la variation cyclique du pas. En fait, c'est un plateau qui, non seulement peut coulisser le long du mat rotor sous l'action du levier de pas collectif, mais peut aussi osciller dans tous les sens autour d'une rotule Rt (en rose). Ce sont les oscillations du plateau cyclique qui, commandées par le pilote (manche cyclique), sont à la base de la variation cyclique du pas pour contrer les phénomènes de balancement de l'hélicoptère afin de maintenir le vol stationnaire.

Le plateau cyclique est relié par des biellettes de pas Bp aux leviers de pales. Le plateau cyclique doit donc tourner avec le rotor.
Le plateau est aussi relié aux biellettes de commande Bc en turquoise actionnées par le pilote. Il doit être fixe.
Le plateau cyclique est en fait composé de deux flasques, l'une fixe Pnt en bleu et l'autre tournante Pt en jaune.

C'est le compas en vert qui rend solidaire le plateau tournant Pt en jaune autour du mat rotor Mr en marron. L'articulation médiane du compas laisse le plateau libre de se déplacer.

  


Bp
:
 Biellette de pas (en jaune).
Rl
:
 Roulement à biles (en rouge) qui permet de faire tourner le plateau tournant Pt (en jaune) sur le plateau non tournant Pnt (en bleu).
Bc
:
 Biellette de commande (en turquoise).
Pt
:
 Plateau tournant (en jaune) relié par biellettes Bp (en jaune) aux leviers de pas des pales.
Rt
:
 Rotule (en rose) qui peut coulisser le long du mat rotor Mr (en marron) et qui permet au plateau de pivoter dans tous les sens.
Mr
:
 Mat rotor (en marron).
Cp
:
 Compas (en vert) qui permet de rendre solidaire le plateau tournant Pt (en jaune) au mat rotor Mr (en marron).
Pnt
:
 Plateau non tournant (en bleu).

COMMENT ALORS CONTRÔLER LES MOUVEMENTS DU PLAN DE ROTATION DU ROTOR ?

LE MANCHE CYCLIQUE

Pour lui permettre de prendre toutes les directions, le plateau peut pivoter suivant 2 axes perpendiculaires :

  • l'axe [X,X'], pour une inclinaison vers la droite ou vers la gauche, passe par les points G et D de fixation des biellettes qui se déplacent alors de la même quantité mais de sens opposé pour le contrôle dit en roulis ,
  • l'axe [Y,Y'], pour une inclinaison vers l'avant, vers l'arrière, le point AV de fixation de la biellette monte (mise en cabrer) ou descend (mise en piquer)pour le contrôle dit en tangage.

Naturellement, ces deux mouvements peuvent se combiner pour compenser des mouvements de la cellule qui ne sont pas forcément dans le sens des axes décrits.

  


Schéma de principe de la timonerie du manche cyclique

Le manche cyclique est situé devant le siège du pilote entre ses jambes. Le manche peut pivoter dans toutes les directions autour de son pivot Pv ce qui entraînera le basculement du disque rotor comme si celui-ci lui restait en permanence perpendiculaire.

Ainsi, supposons que, lors du vol stationnaire, un effet du vent fasse incliner l'hélicoptère vers la droite.

Pour contrer le phénomène, le pilote va pousser le manche vers la gauche (g). Si l'on suit le sens des flèches (g1, g2g, g2d, g3g, g3d) sur la timonerie en rouge, on voit que le point G du plateau cyclique fixe (en bleu turquoise) descend et que le point D monte de la même quantité autour de l'axe [X, X']. Les points G et D du plateau cyclique tournant (en jaune) obligent les biellettes de pales à suivre la trajectoire de son bord, donc :

Cette différence de portance crée un couple qui tend à redresser le disque rotor, donc l'appareil, vers la gauche.

Maintenant, supposons que, lors du décollage, un léger décentrage avant fasse incliner l'hélicoptère vers l'avant.

Pour contrer le phénomène, le pilote va tirer le manche à lui donc vers l'arrière. Si l'on suit sur la timonerie en bleu turquoise (sans les flèches pour ne pas surcharger la figure), on voit que le point AV du plateau cyclique fixe (en bleu turquoise) va monter. Son point diamétralement opposé va descendre de la même quantité autour de l'axe [Y, Y']. Les biellettes de pales qui suivent la trajectoire du bord du plateau cyclique en jaune :

Cette différence de portance crée un couple qui tend à redresser le disque rotor, donc l'appareil, vers l'arrière.

Bien entendu, les deux actions décrites peuvent se combiner entre elles.

Dans tous les deux cas, une fois la position de l'appareil corrigée, le pilote remettra le manche dans une position dite 'au neutre'. Il faut bien voir que, pour le vol stationnaire et c'est c'est là toute la finesse du pilotage, le pilote va devoir déplacer en permanence son manche d'une quantité presque micrométrique pour que sa machine reste la plus immobile possible au dessus d'un point fixe du sol.

Précision concernant la variation du pas collectif : la timonerie de la variation du pas collectif a été présentée avec un schéma volontairement simplifié pour ne pas anticiper sur la description de la variation du pas cyclique. En réalité, comme le plateau cyclique ne peut être relié que par les trois biellettes du pas cyclique, le levier de pas général fait monter ou descendre, parallèlement à lui-même, le support sur lequel sont fixés les leviers de renvoi L1, L2, L3, L4. Les 3 biellettes montent ou descendent de la même quantité sans changer l'inclinaison du plateau cyclique.

En résumé, le poste de pilotage d'un hélicoptère comporte les 3 leviers de commande fondamentaux :

  1. à main gauche, le levier de variation du pas collectif qui sert à contrôler les mouvement en altitude,
  2. au centre, le manche de variation du pas cyclique qui sert à contrer les mouvement d'instabilité de la cellule,
  3. aux pieds, le palonnier qui sert à contrer l'effet du couple moteur et aussi à contrôler l'azimut de la cellule.

A peine l'hélicoptère a-t-il décollé que le pilote, pour maintenir le vol stationnaire, doit ajuster en permanence le fin dosage dans la manipulation simultanée de ces trois commandes de vol.

III.3 - LE VOL TRANSLATIONNEL

En stationnaire, pour maintenir son hélicoptère en vol stabilisé, le pilote doit contrer sans cesse des mouvements qu'il ne contrôle pas et qui sont parasites en quelque sorte.

Et bien, pour le vol translationnel, c'est extrêmement simple... à comprendre bien sûr !..., le pilote va exploiter "l'avantage de l'inconvénient" c'est-à-dire, justement en provoquant des mouvements qui vont lui permettre de déplacer son aéronef dans l'air.

REGARDONS DONC LES DIFFERENTES PHASES DU VOL :

1 - DECOLLAGE ET DEPLACEMENT VERS L'AVANT :

Note : On suppose, pour l'explication, qu'il n'y a pas de vent, que le centrage est réglé, donc qu'il n'y a pratiquement aucun phénomène extérieur parasite.

 

L'appareil est au sol, rotor tournant à sa vitesse de rotation nominale. Les passagers et le pilotes sont assis à bord. Les bagages sont chargés dans la soute. Entre autre, le pilote, seul responsable du vol pour les organismes de la sécurité aérienne, a vérifié au préalable :

  1. que le poids total en charge n'excède pas le poids maximum autorisé par le constructeur,
  2. que le centrage reste dans les limites imposées par le constructeur,
  3. que toutes les vérifications préalables des sécurités vitales ont été faites dans une procédure appelée "pré-vol" suivant une liste de points indiqués par le constructeur,
  4. qu'il a été autorisé à décoller par les organismes de la régulation aérienne desquels il dépend.

Le pilote positionne les trois commandes à savoir, le levier L de variation du pas collectif, le manche M de variation du pas cyclique, et le palonnier P sensiblement "au neutre".
L'hélicoptère reste au sol. Donc, pour le moment, la force de sustentation Fn est largement moins importante que le poids total P de l'appareil en charge :

Fn < P

Pour décoller, il faut que la force de sustentation Fn devienne plus importante que le poids P. Pour ce faire, le pilote tire à lui, avec délicatesse, le levier L de variation du pas collectif. Il augmente ainsi l'incidence de toutes les pales du rotor et Fn augmente jusqu'à ce qu'elle soit plus grande que le poids P. L'appareil décolle et prend de l'altitude. Quand le pilote juge que l'altitude est suffisante, environ 5 mètres de hauteur, il maintient le levier L dans une position où la force Fn est égale au poids P pour maintenir l'appareil en vol stationnaire.


Maintenant, pour faire déplacer l'appareil vers l'avant, il faut générer une force Fx de translation. Pour cela, il faut que le pilote pousse, avec délicatesse, le manche M de variation du pas cyclique pour faire pivoter la force Fn de sustentation vers l'avant. L'angle d'incidence des pales qui parcourent le demi-disque avant du rotor diminue. L'angle d'incidence des pales qui parcourent le demi-disque arrière du rotor augmente d'une même quantité. Un couple de bascule est généré. La force Fn se décompose alors en 2 composantes, la composante Fx qui va enclencher le mouvement vers l'avant et la composante Fz de sustentation qui s'opposera au poids P de l'appareil.
Mais dans la manoeuvre, la composante Fz est inférieure à la force Fn de sustentation et ne compense plus le poids P de l'appareil qui a tendance à perdre de l'altitude. Le pilote dosera à nouveau et en même temps sa traction sur le levier L de variation du pas collectif pour conserver son altitude.
Avec le palonnier P qui compense le couple moteur, le pilote maintiendra la cellule dans la direction du vol.

 

2 - DEPLACEMENT EN VIRAGE :

Pour faire virer son appareil vers la droite par exemple et suivant le même principe qui vient d'être décrit pour aller en avant le pilote pousse le manche M vers la droite pour générer les mêmes phénomènes de forces mais appliqués aux demi-disques de côté du rotor. Il y aura le même type d'action avec le levier L de variation du pas collectif. Mais là, le pilote devra "mettre un peu de pied à droite" sur le palonnier P pour que l'axe de la cellule reste sensiblement perpendiculaire au rayon de courbure du virage. Ce sera la même chose vers la gauche. En effet, aucune direction n'est privilégiée.

Eh oui !... le palonnier P ne sert pas à diriger l'appareil comme on pourrait le croire, mais à contrôler la symétrie du vol.

Une remarque sur une idée fausse à propos des virages :

On peut normalement croire que, pendant tout un virage, les commandes sont maintenues dans leur position comme pour le volant des automobiles. Il n'en est rien. Si le phénomène est beaucoup moins sensible sur un hélicoptère à cause de sa grande instabilité (la cellule est une espèce de balançoire), ce n'est pas du tout le cas pour les avions et les planeurs par exemple. En effet, quand on met du manche d'un côté, l'avion s'incline tant que l'on maintient le manche dans la position jusqu'à passer sur le dos. Donc, pour exécuter un virage avec un aéronef à voilure fixe ou tournante il y a 3 phases :

  1. la mise en virage : les commandes sont positionnées pour générer les différentes forces nécessaires à la manoeuvre et sont maintenues jusqu'à ce que l'appareil soit dans la position voulue pour virer.
  2. le maintien en virage : les commandes sont sensiblement remises dans la position d'avant la mise en virage pour laisser les forces dans un état stable qui permet à l'appareil d'effectuer le virage. Bien sûr, pendant cette opération, le pilote peut avoir besoin de corriger la tenue de la trajectoire mais ce sera faiblement en principe.
  3. la sortie de virage : en fin de virage, les commandes sont positionnées de manière à contrer les forces qui ont permis le virage afin de remettre l'appareil dans sa posture d'avant la mise en virage.

MAINTENANT, EN VOL STATIONNAIRE, QUE SE PASSE-T-IL SI LE PILOTE TIRE LE MANCHE A LUI AU LIEU DE LE POUSSER ?

Tout fonctionne de la même manière que pour aller vers l'avant ou vers le côté. L'hélicoptère se met à reculer. Bien sûr, le pilote devra le faire avec toutes les précausions d'usage pour les dangers que représente la manoeuvre.

Un hélicoptère peut très facilement voler avec une cellule pouvant se trouver dans n'importe quelle position autour de son axe rotor, sa meilleure aéodynamique se trouvant bien entendu en vol symétrique.

Léonard de Vinci est considéré comme l'inventeur de l'hélicoptère en ayant proposé une machine volante qu'il a appelée la vis aérienne. Il aurait dit, paraît-il : «Un jour l'homme volera comme un oiseau ». Il ne croyait pas si bien dire puisque l'homme sait faire ce que l'oiseau ne sait pas faire, par exemple le vol sur le dos avec un avion et le vol stationnaire avec un hélicoptère. Avec ce dernier, il sait, tout comme l'oiseau, se poser sur une surface de la taille de ses "pattes".

L'hélicoptère est le seul appareil volant qui peut reculer et faire du vol stationnaire.

 

Même les oiseaux n'y sont pas capables hormis le colibri.

C'est d'ailleurs le nom qu'a donné la Société Eurocopter à l'un de ses appareils le EC-120 :


--ooOoo--