Avions VS Hélicoptères: Comment les hélicoptères arrivent à faire marche arrière et voler en stationnaire?

Dans la classification des aéronefs, les avions sont considérés comme des aérodynes à voilure fixe. Les hélicoptères sont aussi des aérodynes, mais la plus grande différence est qu'ils ont une voilure tournante. On les appelle dans le jargon aéronautique des gyravions.
Si l'on remonte dans l'histoire, on se rend compte que les avions sont venus bien avant les hélicoptères, et vous allez le comprendre, les hélicoptères ont une plus grande complexité en terme de techniques de vol, de propulsion et de sustentation.
Dans cet article, je vais essayer de faire le tour des principales notions en terme de techniques de vol, un peu de mécanique, pour vous permettre de comprendre les grandes différences entre le pilotage de base d'un avion et d'un hélicoptère.
Je vais au début m'attarder un peu sur les avions. Ainsi, pour le cas des hélicoptères, on fera juste des comparaisons et rapprochements afin que vous compreniez beaucoup mieux.

L'hélicoptère russe MI-26 soulevant un avion.
C'est l'un des hélicoptères les plus puissants au monde. Le mi-26 a particulièrement plusieurs pâles (jusqu'à 8 fixées au rotor)

Commençons par la mécanique: les 4 forces aérodynamiques à connaître pour mieux comprendre
La force la plus évidente c'est le poids de l'avion. (Weight en anglais) Il est exercé sur le centre de gravité de l'aéronef. Le poids fait office de moteur en cas de vol plané. Sur les avions, le centre de gravité est situé un peu derrière les ailes. Sur les hélicoptères, il est aligné avec le rotor principal et le réservoir de carburant.
La deuxième est la portance (lift). Elle est destinée à contrecarrer le poids, et celle qui porte l'aéronef en l'air. Elle s'exerce en un point qu'on appelle centre de portance. En aérodynamisme, la portance vient toujours avec une autre force, la trainée.
Le centre de portance est pour ces forces ce qu'est le centre de gravité pour le poids.
La trainée (drag) est une résultante de l'interaction avec le fluide dans lequel l'appareil se déplace (ici l'air). Elle agit comme une résistance à la propulsion
de l'aéronef.
Pour venir à bout de la trainée, l'aéronef développe une force de propulsion qu'on appelle pousseé ( thrust en anglais). Elle est fournie par un turboréacteur
pour les avions et un turbomoteur pour les hélicoptères. Les turbomoteurs sont destinés exclusivement à faire tourner le rotor, il n'y a aucune propulsion par éjection de gaz vers l'arrière comme pour les turboréacteurs des avions.

Les 4 forces aérodynamiques

Les 3 axes de contrôle d'un aéronef dans l'espace
Il est indispensable de comprendre ces axes afin que vous soyez à l'aise pour la suite de cet article ou carrément tout sujet en aéronautique. Avec ces 3 axes combinés, le pilote oriente et tourne l'avion comme il veut dans l'espace. Disons qu'on a juste attribué des noms aux axes X, Y et Z auxquels nous sommes habitués en géométrie de l'espace.
L'axe de lacet (Yaw axis): c'est l'axe perpendiculaire à la ligne de foi de l'avion (du nez à la queue) et aussi au plan des ailes. C'est sur cet axe que l'avion tourne quand le nez tourne vers la gauche ou la droite.
L'axe de roulis (Roll axis): C'est l'axe passant par la ligne de foi de l'avion. C'est sur cet axe que l'avion plane vers la gauche ou la droite.
L'axe de tangage (Pitch axis): c'est l'axe perpendiculaire à la ligne de foi de l'avion mais cette fois parallèle au plan des ailes. C'est sur cet axe que l'avion tourne quand le nez pointe vers le bas ou vers le haut.
Les axes de tangage et de roulis sont dans le plan horizontal quand l'avion est posé au sol.

Les 3 axes dans l'espace; credit:l'avionnaire

Comment l'avion parvient à se déplacer sur ces 3 axes de l'espace
L'avion est obligé de prendre de la vitesse par rapport au sol afin de se sustenter grâce aux ailes. L'intensité de la portance est fonction du carré de cette vitesse.
Le décollage et la sustentation sont effectués grâce à une différence de pression entre le dessus de l'aile, appelé extrados et le bas, l'intrados. Quand vous regardez un profil d'aile, l'extrados est un peu courbe, ce qui permet à l'air de circuler plus vite par le dessus quand l'avion prend de la vitesse. Pendant ce temps, l'air circule plus lentement au niveau de l'intrados. Cela aura pour effet d'augmenter la pression de l'air sur l'intrados et la diminuer sur l'extrados, et
l'avion naturellement se décoller du sol. Une fois en l'air, le pilote joue maintenant sur la trainée de certaines parties de l'appareil (surfaces de contrôle) pour le diriger.

Le profil d'aile d'un avion

La gouverne de direction (rudder ou vertical stabilyzer en anglais) située sur la dérive permet d'assurer le lacet. Pour tourner à droite, il appuie sur le palonnier de droite, cela va faire tourner la gouverne vers la droite, et augmenter sa trainée. La droite va donc allez relativement moins vite que la gauche, et l'avion va pivoter vers ce côté.
Pour le roulis et le tangage, c'est le manche (sorte de volant) qui entre jeu.
Les ailerons (ailerons en anglais) se défléchissent de manière opposée pour assurer le roulis. Pour se pencher vers la gauche, le pilote incline le manche vers la gauche. Cela a pour effet de faire monter l'aileron de gauche et en même temps vers descendre l'aileron de droite. Donc, il y'aura plus de portance à droite et de trainée à gauche, et l'avion va se coucher vers la gauche.
La gouverne de profondeur (horizontal stabilyzer) assure le tangage.

Les principales surfaces de contrôle
La vidéo est en anglais mais le débit est assez faible et facile à comprendre, d'autant plus que vous avez déjà le vocabulaire technique nécessaire.

La complexité de l'hélicoptère
Remarquez que la principale différence avec l'avion est que l'hélicoptère peut décoller verticalement, sans vitesse par rapport au sol au décollage. De plus, il peut reculer littéralement en vol, et tout cela est possible grâce aux pâles du rotor. C'est d'ailleurs pourquoi les pilotes d'hélicoptère aiment "se vanter" en disant: 'Helicopters don't fly, they beat the air into their submission'
Mais ce n'était pas facile au début pour les pionniers de comprendre les effets de la rotation des pâles sur la maniabilité de l'hélicoptère. Ils n'avaient pas encore assez de connaissance et de théories poussées sur les phénomènes gyroscopiques. En fait, une fois que l'hélicoptère se détache du sol, comme les pâles tournent par rapport à l'hélicoptère, et vu qu'il n'a plus aucun appui fixe, il va commencer à tourner sur lui même dans le sens opposé de celui de la rotation des pâles. Impossible de le contrôler, n'en parlons pas de le faire avancer. On appelle ce phénomène le torque. Le défi au début était d'annuler ce effet de torque et de rendre l'engin stable et maniable. Les ingénieurs y sont évidemment parvenus, et c'est pourquoi à l'arrière des hélicoptères, vous voyez qu'on a monté un autre rotor, plus petit. On l'appelle rotor de queue, et il est d'une importance capitale, c'est la balance de l'hélicoptère.

rotor de queue d'hélicoptère ou tail rotor en anglais

Dans les pays occidentaux, les pâles tournent dans le sens horaire, et pour annuler l'effet du torque qui fait tourner l'hélicoptère dans le sens inverse, le rotor de queue est généralement placé à droite. Dans les pays russes par contre, le rotor de queue est très souvent à gauche, et les pâles tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
Mais ce n'est vraiment pas une règle, juste un constat général, le constructeur a toujours libre choix quant à l'emplacement du rotor de queue.
D'ailleurs, avec le temps, on a compris davantage cet effet de torque et le fonctionnement du rotor de queue, et les ingénieurs ont commencé à développer d'autres modèles qui permettent de supprimer le rotor de queue. Vous verrez sur certains hélicoptères, deux groupes de pâles montés parallèlement et tournant en sens opposés, d'autres concepteurs les placent en V.
Sur certains appareils, on ajoute un autre rotor monté en tandem, permettant d'augmenter la puissance de l'hélicoptère et une stabilité incomparable. C'est le cas du fameux Chinook de l'armée américaine.

Un Boeing CH-47F Chinook

Comment l'hélicoptère arrive à faire marche arrière?
Sur l'hélicoptère, on retrouve pratiquement les mêmes commandes de vol. Mais ici, le manche est appelé commande de pas cyclique, et au lieu de la manette des
gaz qu'on retrouve sur les avions, il y a la commande de pas général.
Les palonniers qui commandaient la dérive sur l'avion, actionnent ici le rotor de queue.
Pour décoller verticalement, le pilote actionne la commande de pas général, cela a pour conséquence d'augmenter l'incidence de toutes les pâles. Il actionne en même temps le
palonnier pour contrecarrer l'effet de torque. Pour le lacet, il suffit de laisser le torque prendre un peu le dessus pour tourner d'un côté, ou
fournir plus de force que le torque pour aller de l'autre côté.
Pour le tangage et le roulis, c'est la commande de pas cyclique qui est actionnée. On dit cyclique parce qu'il actionne sur les pâles de façon cyclique et pas
toutes en même temps comme pour la commande de pas général.
La commande de pas cyclique permet de faire tourner le disque de rotation des pâles vers le côté où on veut tourner.

Le disque de rotation défini par les hélices d'un hélicoptère

effet de la commande de pas cyclique sur le moyeu, transmettant les commandes aux pâles

Pour se pencher vers la droite, on actionne la bielle de droite pour la faire descendre, mais pas sur les autres. En fait, comme les pâles tournent, à chaque fois qu'une pâle passe par la droite, elle descend. La rotation est telle que les pâles descendent les unes après les autres très rapidement, et finalement le disque de rotation va pencher vers ce côté, augmentant la portance à gauche et la diminuant vers la droite. C'est le même principe qui est utilisé pour faire marche arrière. Il suffit de tirer sur la commande de pas cyclique pour faire descendre la bielle arrière et incliner le disque de rotation vers l'arrière. Comme la portance est toujours
perpendiculaire au disque, alors elle ne sera plus verticale. Elle va se décomposer en une composante toujours verticale mais faible, et une autre plus forte dirigée vers l'arrière.

Inclinaison du disque de rotation
D'abord la configuration pour le décollage vertical et ensuite l'inclinaison du disque de rotation pour aller vers l'avant.
Pour allez vers l'arrière, il suffit d'amener le disque de l'autre côté

Explication des principales techniques de vol d'un hélicoptère

Les hélicoptères sont vraiment formidables, et en même temps très complexes. C'est cette complexité qui fait leur spécialité et leur importance dans la vie
de tous les jours. Même s'ils ne volent pas aussi vite et aussi haut que les avions, ils ont leur force à eux aussi; ils décollent et atterrissent verticalement et ils sont plus stables et peuvent voler en stationnaire. Ils peuvent opérer dans des zones extrêmement accidentées, inaccessibles aux avions. Ils sont d'une importance capitale dans les missions de sauvetage, de ravitaillement militaire. Ils sont même utilisés dans les opérations d'extinction de feu de forêt.
Il y a vraiment beaucoup d'autres choses formidables à voir sur les hélicoptères. Si vous désirez comprendre davantage, je vous invite à lire cette vidéo. Elle couvre tout sur les giravions, elle est d'ailleurs destinée au Brevet d'Initiation à
l'Aéronautique.