Un hélicoptère est un aéronef dont la et la propulsion sont assurées par une voilure tournante, couramment appelée rotor, et entraînée par un ou plusieurs moteurs.
La majorité des hélicoptères utilise un seul rotor de sustentation et un rotor ou autre dispositif anticouple, les autres solutions sont des bi-rotors contrarotatifs placés sur le même axe, sur deux axes convergents, en tandem ou côte à côte.
L'histoire de l'hélicoptère commence au début du mais les progrès sont nettement plus lents que ceux de l'avion. L'utilisation intensive des hélicoptères lors des guerres d'Algérie et du Viêt Nam et le développement des turbomachines marquent un tournant majeur pour apporter la preuve de ses capacités opérationnelles civiles ou militaires.
Comparé aux aéronefs à ailes fixes, l'hélicoptère est d'une conception plus complexe, sa maintenance est plus exigeante et le coût de l'heure de vol est plus élevé. Malgré son autonomie et sa vitesse réduites, son aptitude à décoller et à atterrir sur des terrains étroits et non préparés le rend indispensable pour certaines missions et fonctions.
vignette|Un Eurocopter AS350 BA de la . vignette|Un TAI T625 en démonstration.
Étymologie
Le mot « hélicoptère » a été inventé par l'inventeur français Gustave de Ponton d'AmécourtThierry Le Roy, « L'hélicoptère : une invention prometteuse au . », dans Pour la Science , Les génies de la science, , mai-juillet 2007Jules Verne en 80 jours : Michel Meurger, « La Légende de la science », , Cité des sciences et de l'industrie (CSI), 2005 , à partir du grec ancien , génitif , « spirale », et , « aile ». Ce terme est apparu pour la première fois le dans une demande de brevet au Royaume-Uni, puis le dans un certificat d'addition au brevet 49.077 initialement déposé le en France ne mentionnant que le terme « aéronef ». Cet inventeur construisit avec Gabriel de La Landelle un petit prototype d'hélicoptère (ou chère hélice) à moteur à vapeur bicylindre, à rotor contrarotatif, dont la chaudière fut une des premières utilisations de l'aluminium.
Histoire
thumb|gauche|Film muet des vols d'essais de l'hélicoptère Pescara 2R de et par Raúl Pateras Pescara sur l'aérodrome d'Issy-les-Moulineaux, 1922. EYE Film Instituut Nederland. L'histoire de l'hélicoptère commence au début du , comme pour l'avion. L'insuffisance de la puissance des moteurs et les problèmes de stabilité rendent les développements beaucoup plus longs et aléatoires. En dehors de la parenthèse des autogires (aéronefs incapables de vol stationnaire), l'hélicoptère prouve son efficacité au cours de la Seconde Guerre mondiale. Le premier hélicoptère totalement contrôlable a été le Breguet Dorand Gyroplane-Laboratoire à double rotor contrarotatif en 1935. Le premier hélicoptère opérationnel est le Focke-Wulf de 1936. Les scientifiques du ont mis au point, en 1945, des hélicoptères opérationnels, démontrant leurs capacités en missions de reconnaissance et de sauvetage. Ces derniers ont été très peu employés.
Les guerres menées dans les années 1950 par la France, en Indochine, en Algérie, et les États-Unis, en Corée puis au Viêt Nam dans les années 1960/1970, démontrent son intérêt militaire pour les missions de pénétration, d'appui-feu, de lutte anti-chars et pour le secours des blessés.
Sur le plan technique, l'apparition des turbomachines permettant le développement d'appareils plus lourds, plus rapides et plus fiables, donne à l'hélicoptère une place importante dans les forces armées, de police, de sécurité civile et de douane de beaucoup de pays. Sur le plan civil, en raison du coût élevé de l'heure de vol, pour cause de maintenance plus abondante, seuls quelques personnes et quelques opérations cruciales Intervention urgente, secours en montagne, manutention particulière. , profitent de ce moyen de transport et de manutention.
Le premier hélicoptère français qui utilise une turbine est L’Ariel 3. Son premier vol a lieux à Villacoublay, le . Le pilote d'essais est Claude Dellys.
Physique de la sustentation thumb|Vol stationnaire au-dessus de la mer.
Comme pour l'avion, la vitesse relative de l'air et de la voilure génère une action mécanique qui permet à l'engin de voler. Mais, pour un hélicoptère, la rotation de ladite voilure engendre une vitesse relative y compris quand son fuselage est immobile par rapport à la masse d'air. Ceci permet à un hélicoptère de pratiquer le vol stationnaire, alors que l'avion est sujet à une vitesse « de décrochage » en deçà de laquelle le vol est impossible.
Approximation de Froude Selon la théorie de Froude, la puissance nécessaire à un hélicoptère correspond à la variation de quantité de mouvement imposé à la colonne d'air. Le calcul de cette variation est approximatif, mais conduit à un résultat correct en termes d'analyse dimensionnelle. Schématiquement, si l'on fait l'approximation que le rotor impose une vitesse descendante uniforme au cylindre d'air qui le traverse, la force F (en ) générée par le rotor vient de ce qu'un certain débit massique d'air (en ) est mis en Mouvement à une vitesse v (en ), la force étant le produit de ces deux quantités. Le débit massique passant à travers le disque des pales (en ) dépend lui-même de la densité de l'air (en ), de la surface S de ce disque (en ) et de la vitesse v de l'air (en ), le débit massique étant le produit de ces trois quantités. Globalement, la force générée par le rotor est alors de la forme :
La puissance W (en ) nécessaire pour créer cette force est en première approche l'énergie cinétique () fournie à chaque élément de cette colonne d'air par unité de temps, donc le débit massique d'air est cette fois-ci multiplié par la vitesse au carré :
Diamètre du rotor Qualitativement, on voit que le rapport [puissance sur poussée] est proportionnel à la vitesse (moyenne) d’éjection de l'air. Pour une motorisation donnée (donc, une puissance maximale donnée), et pour une poussée nécessaire donnée (le poids de l'appareil), on voit que le poids à supporter pourra être d'autant plus important que la vitesse d'éjection par le rotor sera plus faible :
, et donc Mais l'autre équation nous indique que pour ce poids donné, et pour pouvoir réaliser cette vitesse imposée, la surface balayée par le rotor doit être d'autant plus grande que le poids à supporter est grand :
, et donc : Cette équation impose que pour une motorisation donnée (W) et un poids d'emport imposé (F) la surface balayée par le rotor doit être en proportion du cube de la masse à soulever, et donc, à puissance disponible égale, que le diamètre du rotor soit proportionnel à la puissance 3/2 de la charge. C'est la raison pour laquelle le rotor d'un hélicoptère est si grand : il vaut mieux avoir une pale longue et lente que courte et rapide.
La longueur de la pale rencontre cependant des limites pratiques, parce que l'analyse dimensionnelle ci-dessus suppose que le poids du rotor est faible devant la masse totale qu'il doit soulever. Par exemple, pour faire décoller un hélicoptère en pédalant (hélicoptère à propulsion humaine), un athlète de (donc pesant ) développant une puissance de (la densité de l'air étant de ) devrait utiliser un rotor de l'ordre de , c'est-à-dire des pales de plus de ; mais des pales aussi longues entraînent un problème de poids.
Puissance du moteur La puissance W (en Watts) minimum nécessaire à la sustentation d'un hélicoptère de masse M (en kg) en vol stationnaire est :
.
Où est la surface du disque rotor en ; est l'accélération de la gravité terrestre en ; et est la masse volumique de l'air en ; Concrètement, les surfaces de rotor acceptables sont de l'ordre de , et la masse volumique de l'air est de l'ordre de . Pour un hélicoptère de l'ordre de (), la puissance nécessaire sera de l'ordre de . Ceci explique que les hélicoptères n'ont en pratique été développés qu'à partir du moment où des moteurs suffisamment puissants ont été disponibles.
Approximations La théorie de Froude est notamment basée sur l'approximation que l'air a une viscosité nulle. Elle permet de prédire la puissance nécessaire à l'accélération de l'air vers le bas, cette accélération produisant — en vertu du principe action - réaction — une force sur les pales dirigée vers le haut.
En réalité, de toute évidence, le régime des vitesses des filets d'air traversant le rotor est un champ vectoriel variable. Il n'est pas possible donc de parler de vitesse constante, et les quantités précédentes sont le résultat de l'intégration des quantités élémentaires sur la surface du rotor ; mais ça ne change pas l'analyse dimensionnelle ci-dessus..
De plus, les pertes dues à la viscosité, ainsi que diverses autres pertes (la puissance nécessaire au rotor anti-couple, les pertes de la boîte de transmission) représentent environ 50 % de la puissance minimum de Froude. Une estimation réaliste de la puissance des moteurs d'un hélicoptère peut donc être obtenue en multipliant la formule ci-dessus par un coefficient de 1,5.
Configuration générale d'un hélicoptère
Un hélicoptère peut, d'une manière générale, être décomposé en un nombre limité de sous-ensembles : cellule, voilure, groupe motopropulseur, commandes de vol, servitudes de bord, avionique, emports.
La cellule est constituée du fuselage et du train d'atterrissage.
La voilure est constituée, dans la configuration la plus courante, d'un rotor sustentateur unique et d'un rotor anticouple situé à l'extrémité d'une poutre à l'arrière du fuselage. La voilure prend aussi parfois la forme de rotors sustentateurs uniquement, en nombre pair pour éliminer le besoin d'un moyen anticouple. Enfin, pour être complet, on peut mentionner les configurations plus rares suivantes : les hélicoptères compound dont la voilure comprend également une aile fixe (Lockheed AH-56 Cheyenne, Eurocopter X3) ; les hélicoptères dont la voilure se résume à un seul rotor sustentateur puisque la fonction anticouple est réalisée par d'autres moyens (NOTAR, Eurocopter X3).
Le groupe motopropulseur est constitué d'un moteur à pistons ou d'une ou plusieurs turbines entraînant les rotors.
thumb|Pilote aux commandes d'un AS-350 Écureuil.
Les commandes de vol comprennent des leviers et des pédales disposés à l'intérieur du poste de pilotage. Ces éléments sont le plus souvent doublées, pour le pilote et le copilote. Les commandes principales sont : le levier de pas cyclique (manche) : la commande cyclique contrôle l’inclinaison du disque du rotor principal en créant une modification cyclique de l'angle d'attaque des pales, ce qui a pour conséquence de modifier la direction de la poussée générée par le rotor ; le pas général (ou collectif) : le collectif contrôle l’angle d'attaque moyen des pales du rotor principal, ce qui a pour conséquence de modifier la poussée générée par le rotor ; le palonnier augmente ou diminue l'incidence des pales du rotor de queue, et donc la force de poussée générée par celui-ci. Ainsi, les palonniers ont pour but de faire tourner l'hélicoptère dans l'axe du rotor principal grâce au rotor de queue. La poussée du RAC (rotor anticouple) doit permettre de compenser le couple généré par le rotor principal ; ainsi, toute variation de la puissance mise en jeu sur le rotor principal, donc de la position du collectif, nécessite une action au palonnier.
Le sous-ensemble des commandes de vol comprend également toute la timonerie reliant les leviers et pédales aux rotors.
Les servitudes de bord, ensemble des systèmes qui fournissent ou transmettent l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'hélicoptère ainsi que la vie à bord : circuit carburant pour l'alimentation des moteurs ; circuit électrique pour l'alimentation de l'avionique et des commandes de vol ; circuit hydraulique pour le fonctionnement des commandes de vol, du train d'atterrissage, et autres (treuil…) ; circuit d'air conditionné pour le confort des passagers.
L'avionique est l'ensemble des équipements électroniques (capteurs, calculateurs, actionneurs, système de communication).