L'aérodynamique du vol en hélicoptère

Aérodynamique des hélicoptères

Les études d’aérodynamique appliquée sur les voilures tournantes menées dans le département d'Aérodynamique appliquée  concernent l’analyse des écoulements autour de l’hélicoptère complet ou du convertible, de leurs composants isolés (fuselage, rotor, fenestron), ainsi que l’analyse des interactions entre les différents composants par l’intermédiaire des sillages complexes qui se développent autour de l’appareil. A cette fin, des méthodes de calcul performantes et des essais en soufflerie sont mis en œuvre pour la prévision et l’optimisation des performances des hélicoptères, tout en respectant les contraintes acoustiques et structurales imposées. Des essais en vol permettent également une vérification « échelle 1 » des résultats obtenus en soufflerie ou par calculs.

es méthodes de calcul utilisées pour la définition de géométries de pales sont nombreuses en raison de la complexité des phénomènes à prendre en compte dans l’optimisation aérodynamique des performances du rotor tout en diminuant les vibrations et le bruit. Les premiers stades de l’optimisation sont réalisés avec des méthodes simples de ligne portante avec prise en compte de la déformation des pales, complétées par des calculs CFD visqueux (résolution des équations de Navier-Stokes) avec le logiciel elsA pour affiner la solution, et des calculs simulant les interactions avec le sillage de géométrie complexe pour l’étude des phénomènes acoustiques. Des travaux sont en cours pour étendre la capacité des méthodes basées sur la théorie des singularités, en particulier pour coupler ces méthodes lagrangiennes aux méthodes CFD eulériennes.

Pour l’étude fine de l’écoulement autour de l’hélicoptère complet ou de ses composants (fuselage, rotor, fenestron), l’état de l’art actuel est le calcul Navier-Stokes instationnaire permettant de représenter avec une assez bonne fidélité les caractéristiques principales de l’écoulement visqueux qui se développe autour de l’appareil. Cela nécessite de faire appel à des techniques numériques avancées (ALE, Chimère), qui nécessitent des moyens de calcul lourds. Des techniques de couplage entre le calcul de l’aérodynamique du rotor et sa dynamique sont également nécessaires pour représenter correctement la complexité des phénomènes : couplage itératif faible, couplage fort consistant en temps. Pour des études mettant en œuvre des phénomènes turbulents instationnaires complexes (décrochage dynamique par exemple), des méthodes couplées RANS-LES peuvent être mises en œuvre.

De nombreuses maquettes sont utilisées pour réaliser les études expérimentales d’hélicoptères dans les différentes souffleries de l’Onera.

Les différentes géométries de rotors sont préférentiellement essayées à grande échelle (diamètre rotor=4,20m) dans la soufflerie S1MA de Modane jusqu’aux conditions de vol à grande vitesse. Les pales sont en général fortement instrumentées en capteurs de pression instationnaire.

Pour l’étude des interactions aérodynamiques, des maquettes complètes d’hélicoptères sont utilisées dans la soufflerie F1 du Fauga. Les mesures réalisées comprennent les pressions stationnaires et instationnaires, ainsi qu’une exploration du sillage par PIV (Vélocimétrie par imagerie de particules).

Les études concernant le décrochage dynamique des profils sont menées dans la soufflerie F2 du Fauga, qui est équipée de parois en verre permettant une grande accessibilité optique. La vélocimétrie laser 3 composantes installée dans la soufflerie, ainsi qu’un système de PIV permettent une exploration étendue du champ de vitesse et de la turbulence. Des mesures de pressions stationnaires et instationnaires, de frottement (par fils chauds et films chauds) sont également réalisées. Au cours d’études récentes, une technologie de réduction du décrochage dynamique au moyen de générateurs de tourbillons mécaniques amovibles (DVG pour Deployable Vortex Generator) a été testée avec succès dans cette soufflerie.

Les hélicoptères à voilures convertibles

Fort de l’expérience acquise dans la définition du rotor Eurofar en 1988, le département a contribué activement aux études menées en Europe depuis plusieurs années en participant à plusieurs programmes de recherche (Adyn, Dart, Tiltaero), qui s’articulent autour de la configuration ERICA, proposée par Agusta. Actuellement, les activités sur les convertibles sont centralisées dans le projet européen Nicetrip, au cours duquel une maquette motorisée complète du concept ERICA doit être testée à basse vitesse dans la soufflerie du DNW-LLF (2013) et ultérieurement à grande vitesse dans la soufflerie S1MA de l’Onera.

Les activités de l'unité H2T, dans le cadre de ces projets, concernent des études d’optimisation aérodynamique et aéroacoustique (en collaboration avec le département DSNA) du rotor, ainsi que l’analyse des interactions qui existent entre le rotor, la nacelle et les ailes pour différentes phases de vol du convertible. Les méthodes de calcul utilisées sont une application directe de l’acquis existant sur les hélicoptères.