Description physique de l’état d’anneaux tourbillonnaires

Quand un hélicoptère effectue une manœuvre de descente (ou une approche) à forte pente,

la voilure tournante constituée par le rotor principal risque d’évoluer dans son propre sillage,

des "recirculations" d’air ont lieu au niveau du rotor rendant l’appareil instable. Le pilote peut

perdre momentanément le contrôle de son appareil entre autres à cause de l’incapacité du rotor

à créer la puissance nécessaire. C’est cette situation qui se dénomme "état d’anneaux

tour-billonnaires".

Quand il atteint ces vitesses de descente importantes, le pilote cherche à les réduire en

aug-mentant le pas collectif pour avoir plus de portance. Mais cela ne sert à rien, l’hélicoptère ne

réagit pas assez : c’est le phénomène de power settling. Le rotor n’arrive pas à créer la portance

nécessaire. Il faudrait en fait des variations bien plus importantes du pas collectif pour sortir de

cet état.

Près du sol, cette augmentation importante du taux de descente a des conséquences

catas-trophiques : le pilote n’a pas le temps de remédier à la situation.

La bonne stratégie pour quitter la zone instable du VRS consiste, en fait, à augmenter la

vitesse d’avancement. Ce sont actuellement les recommandations données au pilote. C’est la

ma-nœuvre la plus simple, elle est conseillée dans ce cas afin de favoriser la convection des anneaux

tourbillonnaires loin du rotor et de récupérer de la portance.

En effet, le VRS se produit lorsqu’un hélicoptère a une vitesse d’avancement faible et que

le pilote désire effectuer une descente à forte pente pour atterrir par exemple ou dans le cadre

d’une mission spécifique (qui nécessite de la discrétion). Ce phénomène peut aussi apparaître lors

d’une manœuvre quelconque de descente où le pilote décélère : il y a alors un effet de surprise

et le pilote non entraîné risque de ne pas prendre les bonnes décisions dans les délais impartis

(la formation pour acquérir le brevet de pilote n’initie pas l’élève à ce genre de situations). La

manœuvre la plus commune qui mène à cet état reste le cas où un hélicoptère en vol stationnaire

ou à basse vitesse décide de chuter verticalement en diminuant de façon importante la portance.

Exposé de l’état d’anneaux tourbillonnaires 45

4.1.2.2 Sillage du rotor

Le mécanisme sous-jacent à la création du sillage permet d’expliquer la géométrie de la trace

d’air perturbée que laisse le rotor principal derrière lui.

Les variations de circulation de l’air Γ =^H~v·d~lautour des profils de pale de section d~let

au niveau desquels la vitesse de l’air est ~v sont responsables de la création de tourbillons. Ces

différences apparaissent en des azimuts différents, en des rayons différents ou le long du bord de

la pale, en particulier, ce sont les tourbillons créés sur le bord d’attaque, le bord de fuite et

l’ex-trémité d’une pale en mouvement qui sont principalement pris en compte dans les modèles. Les

vitesses locales les plus importantes se situent en extrémité de pale, celles des pales avançantes

étant encore plus grandes que celles des pales reculantes par rapport au sens de déplacement de

l’hélicoptère. C’est donc là que prennent naissance les tourbillons marginaux de vorticité la plus

importante i.e. d’intensité tourbillonnaire la plus grande. Chaque pale déploie une nappe

tour-billonnaire hélicoïdale. Un modèle simplifié de sillage va décrire la courbe-hélice formée par les

centres de ces tourbillons d’intensité importante. En vol de descente, ces hélices tourbillonnaires

peuvent se compacter en anneaux tourbillonnaires à proximité sous le rotor.

Leur vitesse d’éjection est supposée être la somme vectorielle de la vitesse d’écoulement de

l’air et de la vitesse induite moyenne (le deuxième terme de vitesse rendant compte de

l’accélé-ration moyenne de l’air par le rotor). La forme du sillage est donc déterminée par la trajectoire

du rotor et la loi d’évolution : V

i0

=f(C

T

).

Si, par hypothèse, le sillage est simplifié en un ensemble d’anneaux tourbillonnaires éjecté un

à un par le rotor, la distance entre chaque anneau est donnée pardH = (V

Z

−V

i0)

×

²_bΩ^π

.

Les anneaux tourbillonnaires ont une vorticité qui dépend de la variation de la circulation autour

des profils de pale, laquelle est donnée localement par la loi de Kutta-JoukowskiΓ =

^c₂

V

_air

C

_Z

et

se contractent suivant une loi qui dépend de l’âge de l’anneau, par exemple la loi de Landgrebe

[Basset 1995, Johnson 1994].

Fig.4.1. Sillage d’un disque rotor

4.1.2.3 Mise en VRS du disque rotor

Il s’agit de décrire l’aérodynamique au niveau du rotor dans les différentes phases de vol.

En stationnaire et en vol de montée, le rotor aspire de l’air par le haut et la refoule vers le

bas. SoitV

i

la vitesse induite par le disque rotor,V

Z

la vitesse de descente du disque rotor,F

Z

la

46 Exemples de phénomènes non-linéaires de la dynamique du vol des hélicoptères

portance du disque rotor. L’écoulement de l’air dans une telle situation est illustré par le schéma

(4.2).

Fig.4.2. Disque rotor de l’hélicoptère en vol stationnaire

Pour des vitesses de descente faibles, une partie de l’air qui traverse le rotor provient du bas

pour passer vers le haut. Les tourbillons d’extrémité de pales même s’ils restent proches du rotor

sont encore lâchés vers le bas, la vitesse induite est de sens opposé à celui de la portance, comme

le montre la figure (4.3).

Fig. ^{4.3. Disque rotor en vol à faible taux de descente}

Pour des vitesses de descente moyennes (schéma (4.4)), les tourbillons d’extrémité de pale

restent collés au plan du rotor et forment des anneaux tourbillonnaires. Le rotor se retrouve isolé

dans un tore aérodynamique et la portance, tout comme la vitesse induite, chute.

Exposé de l’état d’anneaux tourbillonnaires 47

Fig.^{4.4. Disque rotor en vol à des taux de descente moyens}

Pour des taux de descente importants (illustration (4.5)), l’écoulement de l’air se fait de bas

en haut. Les anneaux tourbillonnaires sont éjectés vers le haut. A des vitesses de descente un

peu plus importantes, l’hélicoptère se retrouve en autorotation : la puissance nécessaire au rotor

est nulle, c’est l’air qui fait tourner les pales.

Fig.^{4.5. Disque rotor (en autorotation) à des taux de descente importants}

A des vitesses de descente supérieures à celle de l’autorotation, le rotor est en régime de

descente "moulinet-frein" (qui s’apparente au mode de fonctionnement d’une éolienne, comme

présenté dans (4.6)).

48 Exemples de phénomènes non-linéaires de la dynamique du vol des hélicoptères

Fig.^{4.6. Disque rotor (en moulinet-frein) à des taux de descente très importants}

Les différentes phases de vol de l’hélicoptère sont résumées sur le diagramme (4.7) exposant

la vitesse induite moyenne à travers le rotor en fonction de la vitesse de descente pour une vitesse

d’avancement donnée.

Fig. ^{4.7. Différentes phases de l’écoulement d’air à travers un disque rotor dans un diagramme}

représentant le taux de vitesse induite en fonction du taux de chute [Rollet 1994]

Pour un vol de montée, un vol stationnaire ou avec de faibles taux de descente, le disque rotor

se trouve sur la branche de fonctionnement en régime hélicoptère. Quand il augmente son taux

de descente, il passe en VRS. Pour des taux de descente importants, il se trouve sur la branche

moulinet-frein où se situe l’autorotation.

A noter que ce diagramme est normalisé sur les deux axes (vitesse de descente et vitesse

induite) par la vitesse induite en stationnaire i.e. nécessaire pour créer la portance compensant

Exposé de l’état d’anneaux tourbillonnaires 49

uniquement le poids.

La vitesse induite dépend de la vitesse de descente, mais aussi de la vitesse d’avancement.

Quand un hélicoptère prend de la vitesse d’avancement, les anneaux tourbillonnaires sont

entraî-nés plus loin vers l’arrière du rotor, l’augmentation de vitesse induite dans la zone intermédiaire

(entre le régime hélico et le régime moulinet-frein) est donc moins importante et une fois que

l’hélicoptère avance au-delà d’une certaine vitesse, l’état d’anneaux tourbillonnaires disparaît

même et il n’y a plus d’instabilité.

4.1.3 Essais en vol menés par l’ONERA

Dans le document Théorie des bifurcations appliquée à l'analyse de la dynamique du vol des hélicoptères (Page 45-50)