SII – 2e – Sciences de l’Ingénieur – Thème 3 oPtionSI JLB-Michelet Numéro d’avril … 1958 ! 1 SII – 2e – Sciences de l’Ingénieur – Thème 3 oPtionSI JLB-Michelet Un peu d’histoire … 1480 : Léonard de Vinci Vis aérienne 1754 : Lomonossov rotors coaxiaux contrarotatifs, mise en évidence de la force de sustentation 2 SII – 2e – Sciences de l’Ingénieur – Thème 3 oPtionSI JLB-Michelet 1862 : Ponton d’Amécourt Inventeur du mot « hélicoptère » Motorisation à vapeur 1784 : Launoy & Bienvenu rotors coaxiaux mus par un ressort à arc 1874 : Achenbach Maquette avec rotor anti-couple 3 SII – 2e – Sciences de l’Ingénieur – Thème 3 oPtionSI JLB-Michelet Parenthèse Aviation ! 1903-1904 : Les frères Wright 1er vol en circuit fermé Décollage non autonome Vols de plusieurs km non homologués en 1905 1906 : Traian Vuia vol de 25 m à 2.5 m d’altitude à Issy les Moulineaux 1906 : Santos Dumont 60 m à 2 ou 3 m d’altitude Puis 220 m … 4 SII – 2e – Sciences de l’Ingénieur – Thème 3 oPtionSI JLB-Michelet 1909 : Blériot Traversée de la Manche 1913 : Roland Garros Traversée de la Méditerranée 1915 : Mise au point du premier chasseur monoplace tirant à travers l’hélice 1919 : Alcock et Brown Première traversée de l’Atlantique sans escale 5 SII – 2e – Sciences de l’Ingénieur – Thème 3 oPtionSI JLB-Michelet 13 novembre 1907 : Cornu machine à voilure tournante à 2 rotors contrarotatifs moteur Antoinette 24 ch masse totale 260 Kg s'élève de 1,50m 1921 : Oehmichen 10 mètres de hauteur 1 minute moteur de 25 chevaux deux rotors sous un ballon sphérique de 144 mètres cubes. 6 SII – 2e – Sciences de l’Ingénieur – Thème 3 oPtionSI JLB-Michelet 1923 : Oemichen Premier vol de 1 km Moteur de 180 cv 12 hélices 1923-1925 : De La Cierva Autogire (ou autogyre) 7 SII – 2e – Sciences de l’Ingénieur – Thème 3 oPtionSI JLB-Michelet 1924 : Pescara bat le record de Oemichen avec ce qui peut être considéré comme le premier hélicoptère 1946 : Sirkoski 1er vol commercial 1955 : Alouette II : 1er hélicoptère à Turbine 8 SII – 2e8 – Sciences de l’Ingénieur – Thème 2 – Séquence 1 oPtionSI JLB-Michelet Comment ça marche 1er acteur : Newton C’est essentiellement sa 3e loi qui permet à un avion ou un hélicoptère de voler. α L’action de l’air augmente avec l’angle d’incidence α. Le profil d’aile dévie le flux d’air. Si le flux dévie, c’est que l’aile exerce une action sur lui. D’après la 3e loi de Newton : si l’aile exerce une action sur le flux, celui-ci exerce une action opposée sur l’aile. L’action exercée par l’air est une pression sur l’intrados. Ci-contre : la couche de nuages sous l’avion est coupée par le flux d’air dévié 9 SII – 2e8 – Sciences de l’Ingénieur – Thème 2 – Séquence 1 2e acteur : Bernoulli La différence de vitesse de l’air entre extrados et intrados participe à la création de la portance. Ve, Pe Vi, Pi oPtionSI JLB-Michelet Du fait du profil, la section du « tube » d’air est réduite coté extrados. Le débit d’air global ne variant pas, cette réduction provoque une augmentation de la vitesse. Bernoulli (1738) a établi que dans une veine fluide, la pression, l’altitude et la vitesse sont liées : 1 1 2 Pe + ρVe + ρgz e ≈ Pi + ρVi 2 + ρgz i 2 2 P : pression en Pascal V : vitesse en m/s z : altitude en m ρ masse volumique en kg/m3 g : gravitation en m/s2 Loi établie pour des fluides incompressibles mais acceptable dans une certaine mesure pour un gaz. L’altitude entre le dessus et le dessous de l’aile étant Ve > Vi → Pe < Pi pratiquement la même, d’après Bernoulli on peut écrire : Ainsi, l’aile serait en quelque sorte … Aspirée vers le haut ! 10 SII – 2e8 – Sciences de l’Ingénieur – Thème 2 – Séquence 1 oPtionSI JLB-Michelet Complément : Effet Coanda (Ingénieur roumain 1886-1972) : Le flux d’air suit la surface convexe d’un corps voisin (ici la balle de ping) et subit une déviation avant de s'en détacher. Remarque : l’expérience a été menée en cours : ça marche ! L’effet remarquable est évidemment que le flux d’air n’est pas situé sous la balle : sa direction ne s’oppose donc pas au poids et pourtant, la balle reste en … l’air ! En fait, là encore on retrouve Newton : si le flux est dévié c’est qu’il subit une action de la part de la balle. Il y a forcément une réaction du flux sur la balle. C’est ce qui maintient celle-ci en sustentation. Les « effets » réalisés en tennis de table sont basés sur ce principe, on imprime une rotation à la balle, celle-ci entraîne un flux d’air autour d’elle, le flux provoque une sustentation … 11 SII – 2e8 – Sciences de l’Ingénieur – Thème 2 – Séquence 1 L’action de l’air dépend énormément du Régime d’écoulement. Celui-ci est caractérisé par le nombre de Reynolds : oPtionSI JLB-Michelet VL Re = υ V : vitesse relative de l’air (m/s) L : dimension caractéristique (m) υ : viscosité cinématique de l’air (stokes ou m2/s) Re grand → écoulement turbulent Le régime devient chaotique. Rivière Glacier Re petit → écoulement laminaire les lignes de courant sont bien identifiées. 12 SII – 2e – Sciences de l’Ingénieur – Thème 3 oPtionSI JLB-Michelet Géométrie d’une aile ou d’une pale Coupes de pales d’hélicoptère Ecoulement autour d’un profil d’aile (boite à fumée) 13 SII – 2e – Sciences de l’Ingénieur – Thème 3 oPtionSI JLB-Michelet L’action de l’air sur un profil Cz : coefficient de portance Cx : coefficients de trainée (essais en soufflerie) Sx : surface projetée frontalement Sz : surface projetée sur le sol La brusque décroissance de la courbe Cz, ici au voisinage de 12°) caractérise le décrochage. 14 SII – 2e – Sciences de l’Ingénieur – Thème 3 oPtionSI JLB-Michelet Voici le bilan grossier des actions extérieures auxquelles est soumis l’hélicoptère. En agissant sur les commandes (vitesse des rotors et inclinaison des pales du rotor principal par rapport à l’axe rotor) le pilote peut faire varier les actions de portance et diriger son appareil. Les traînées varient automatiquement avec les portances … 15 SII – 2e – Sciences de l’Ingénieur – Thème 3 oPtionSI JLB-Michelet L’action du pilote consistera à modifier l’angle d’incidence des pales du rotor principal afin de modifier la portance. Variation de l’angle d’incidence grâce au pas collectif. L’angle varie identiquement pour toutes les pales quelle que soit leur position. Il reste ensuite constant pour un tour de pale. Cela provoque un changement d’altitude Variation de l’angle d’incidence grâce au pas cyclique. L’angle d’incidence dépend de la position de la pale. Il variera donc au cours d’une révolution d’une pale (ici la portance est augmentée à l’arrière). Cela provoque un changement de direction. Attention, l’effet gyroscopique rend les choses plus complexe qu’il y paraît (un quart de tour de décalage). 16 SII – 2e – Sciences de l’Ingénieur – Thème 3 oPtionSI JLB-Michelet Différentes structures Tigre : Le plus classique Rotor + rotor de queue Zhukovski : Deux rotors superposés Djiin : Rotor à air comprimé, pas de rotor de queue Mais le looping, y a que lui ! 17 SII – 2e – Sciences de l’Ingénieur – Thème 3 oPtionSI JLB-Michelet Chinook Bi rotor Soulevant un 4x4 MI 26 rotor 8 pales soulevant un … Chinook MI 12 Bi rotor, le plus gros hélicoptère jamais construit Turbines : 4x5500 ch – rotors 35 m – Masse totale en charge 105 000 kg 18
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