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01 juin 2017

L’HÉLICOPTÈRE DU FUTUR

Publié par Blanche Demaret, Directeur du programme hélicoptères à l’Onera | N° 112 - Les voilures tournantes

Lors du Salon du Bourget 2015, le H160 d’Airbus Helicopters a beaucoup fait parler de lui ; ses particularités par rapport à un Dauphin classique : réduction du bruit d’un facteur deux et gains en performances permettant un emport de charge utile supplémentaire d’environ 100 kg. Son secret : sa pale à double flèche BlueEdge co-définie avec l’industriel, pour laquelle on peut dire Onera-inside.


La richesse de l’Onera réside dans ses chercheurs. Leur connaissance des phénomènes physiques leur permet de produire des outils de simulations pertinents. Au travers de la création d’outils (calculs, simulations, moyens expérimentaux…), de méthodes et de nouvelles technologies, les experts de l’Onera proposent au monde aéronautique industriel et de la R&T des solutions innovantes et des simulations numériques qui permettent de lever les risques au plus tôt dans le développement d’une nouvelle machine, ou d’en optimiser les formes et les performances. Dans le domaine des hélicoptères, l’Onera continue d’ouvrir des voies innovantes sur de nouvelles géométries pour réduire la traînée de l’appareil global, de réduire le bruit. Le bruit et la sécurité des vols sont parmi les points limitant l’acceptabilité par le public des appareils à voilures tournantes. La sécurité des vols est un sujet vaste : les procédures de vol, l’approche de plateformes offshore ou de navires, l’autonomie de commande et contrôle, les manœuvres d’évitement des obstacles, les configurations de vols difficiles en terme de vision dégradée, d’environnement difficile (montagne, météoroloe…) font l’objet d’études. La montée en puissance des études sur le comportement humain montre que les nouveaux concepts comme les missions opérationnelles en conditions complexes amènent le besoin de bien identifier et modéliser le facteur humain dans la boucle.

Réduction de la traînée de l’appareil, un élément important des performances et des coûts
Dans le cadre du projet Green Rotorcraft de Clean Sky, terminé fin 2016, l’Onera et le DLR ont produit des résultats importants. L’Onera, pour sa part, en a démontré que la traînée des parties hautes, hors rotor, qui représente 30 à 45 % de la traînée globale appareil peut être réduite de près de 5 %. Celle du fuselage, qui constitue environ 60 % de la traînée globale appareil d’un appareil de type 12-14 t peut être elle réduite de près de 6 %. La réduction de traînée du fuselage peut atteindre 5 % en vol de croisière, sur des formes arrière de type H135, H145 ou Caïman, par l’installation de systèmes dits Générateurs de tourbillons mécaniques permettant de faire recoller l’écoulement dans cette partie arrière à forte recirculation. Le gain de 5 % a été démontré en soufflerie et par des calculs sur une configuration de base. Des concepts basés sur des actionneurs fluidiques actifs peuvent amener des réductions encore plus importantes, allant jusqu'à 20 % démontrés en soufflerie.
Le moyeu et les éléments de la mécanique de la tête rotor sont à l’origine d’une partie non négligeable de la traînée aérodynamique de l’appareil : une réduction de cette traînée des parties hautes de 5 à 10 % prévue par des simulations numériques au moyen du code elsA de l’Onera a été confirmée par des essais en soufflerie.

La sécurité des vols, un critère clef
L’Onera travaille depuis de nombreuses années sur les phénomènes de perte de portance du rotor principal.
Le VRS (Vortex Ring State) ou état d’anneaux tourbillonnaires est un cas récurent. Il s’agit d’un fonctionnement particulier de l’hélicoptère potentiellement dangereux : en descente l’appareil rentre dans son propre flux rotor, pouvant entraîner un décrochage du rotor. L’Onera a mis au point un modèle numérique, identifiant clairement le domaine de vol où le VRS peut apparaître, validé par des données expérimentales en vol. Le bénéfice d’aides à l’évitement du VRS via l’utilisation de mini manches à retour d’efforts a pu être démontré, sur des simulateurs de vol de différents niveaux en collaboration avec le DLR.

L’haptique (du grec haptomai), qui désigne « je touche », désigne la science du toucher, par analogie avec l’acoustique ou l’optique. Au sens strict, l’haptique englobe le toucher et les phénomènes kinesthésiques, c’est-à-dire la perception du corps dans l’environnement. (Wikipédia) Le « retour haptique » est donc la sensation du réel renvoyée à l’opérateur par la machine.

 

Le retour haptique dans les commandes pilotes est appliqué à la sécurisation du vol au voisinage d’obstacles (voir encadré page précédente). L’Onera et le DLR développent des fonctions de restitution des efforts dans le manche sur des mini-manches actifs, afin d’avertir le pilote de la proximité d’obstacles. Une série d’évaluations sur le simulateur PycsHel de l’Onera - Salon de Provence a montré le bénéfice apporté par cette technologie en termes de sécurité et de charge de travail du pilote lors de vols en zones urbaines ou en vol proche du vol (vol tactique par exemple).
La manœuvre d’autorotation en cas de panne moteur (ou réduction de puissance moteur) fait partie des situations de cas de panne enseignées aux pilotes d’hélicoptères. Cependant, c’est une manœuvre particulièrement délicate à réaliser, demandant une réaction en quelques dixièmes de seconde. Dans le cadre de la coopération entre l’Onera et l’US Army, les équipes travaillent conjointement sur une large palette d’appareils pour la compréhension et la simulation des phénomènes. L’Onera a de plus développé des aides visuelles pour identifier une zone d’atterrissage possible, ainsi que la gestion des informations quantitatives sur les paramètres de vol pertinents (vitesse air, pente, régime de rotation) et le niveau de commande de pas collectif pour maintenir le régime de rotation du rotor principal optimal à la manœuvre de mise en sécurité.

UNE COOPÉRATION INTERNATIONALE ACTIVE

Suite à la création de l’industriel franco-allemand Eurocopter, l’Onera et le DLR, son homologue Allemand, ont associé leurs efforts dès 1998, dans un programme coordonné de R&T. Cette dynamique a porté ses fruits. L’emblématique pale à double flèche BlueEdge est issue de cette coopération, les échanges entre chercheurs ayant enrichi la forme initiale ERATO (brevet Onera DLR) et permis de démontrer par des essais en soufflerie de caractéristiques différentes les performances et la réduction du bruit de 50 %. Plus récemment, le DLR et l’Onera ont présenté ensemble des réponses aux appels d’offres européens, tant au sein de Clean Sky que de Clean Sky 2; leurs efforts coordonnés apportent ainsi aux industriels européens une expertise complémentaire.
Plus ancienne, la coopération avec les laboratoires de recherche de l’US Army et la NASA date de 1971. Plus orientée vers des recherches fondamentales et non compétitives, les activités conjointes permettent aux équipes de progresser sur leurs outils au travers de benchmarking, de comparaisons à des données expérimentales partagées. De nombreuses publications communes démontrent de l’intérêt d’une telle coopération.

 

L’homme dans la boucle
Dans l’activité de pilotage, le pilote doit contrôler l’attitude de son aéronef par rapport au sol tout en maintenant l’appareil sur une trajectoire et dans des conditions de charge de travail élevée, parfois dans des situations stressantes ou anxiogènes. Dans ces situations complexes, une incapacité à percevoir simultanément ces références peut avoir pour conséquence une perte de contrôle de l’appareil.
L’Onera travaille avec Airbus et EuroMov (Université de Montpellier) sur la perception sensorielle de l’orientation et le contrôle du mouvement pendant le vol qui vise à :
1) caractériser et modéliser les mécanismes de désorientation spatiale dans des scénarios de simulation pilotée ;
2) évaluer comment les combinaisons des différentes modalités sensorielles produisent ou suppriment le phénomène de désorientation spatiale ;
3) afin de concevoir de nouveaux systèmes d’assistance pour la réduction du risque de désorientation des pilotes d’avions et d’hélicoptères.
Ces phénomènes de désorientation spatiale sont d’autant plus critiques dans des conditions de vol dégradées (mauvaise visibilité, nuages de sable, basse altitude, environnement urbain ou montagneux…) qui constituent pour les hélicoptères des conditions usuelles de vol.

 

Note de fin d’article
L’auteur tient à remercier les experts ayant apporté leur contribution à cet article, Philippe Beaumier (chargé de mission machines tournantes), Arnaud Le Pape (aérodynamique), Laurent Binet (sécurité des vols), et Jean-Christophe Sarrazin (facteurs humains).


Blanche Demaret, Directeur du programme hélicoptères à l’Onera
Après plusieurs postes à la DGA (DRET, DCI et SPAé) de 1977 à 2004, Blanche Demaret intègre l’Onera, où elle prend en charge le management et l’orientation des études englobant toutes les disciplines scientifiques du domaine de l'hélicoptère, ainsi que la coordination du programme Commun de Recherche entre DLR et Onera.

Auteur

Blanche Demaret, Directeur du programme hélicoptères à l’Onera

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