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Le fuselage, comprenant successivement la cabine de pilotage, la cabine passagers et la queue, représente l'ensemble de la partie structurale. Les ensembles mécaniques tels que le ou les moteurs, la ou les boites de transmission sont généralement situés sur la partie supérieure du fuselage. Le carburant est en principe disposé à la partie inférieure, et la place réservée à cet effet est sous le plancher cabine lorsque celle ci est utilisée pour le transport de frêt ou de passagers. Là encore, on trouve une différence essentielle avec l'avion, dont l'aile représente un logement idéal pour le carburant. L'étude de la cellule est conduite en recherchant: - la simplicité de fabrication pour obtenir des prix de revient les plus faibles possibles - la résistance, la légèreté et la fiabilité. Pour des raisons de sécurité, le caractère “fail safe” devra toujours être recherché dans la conception de la cellule. D'autre part, en raison de l'importance des problèmes dynamiques rencontrés sur l'hélicoptère, la structure doit être homogène, continue et progressive afin d'éviter des ruptures de fatigue. Il faut prendre soin de ne pas interrompre brutalement des éléments travaillants. Il faut aussi éviter les concentrations de contraintes en délectant progressivement les efforts. La structure treillis en tubes d'acier soudés s'apparente aux charpentes métalliques. Tous les efforts sont introduits dans les noeuds du treillis et se décomposent en traction-compression dans les barres. On rencontre cette construction dans les batis moteurs (comme sur avion) et dans les structures d'hélicoptères légers (les alouettes et autre bell 47). Si l'on veut réduire la trainée du treillis, il faut caréner l'ensemble ainsi réalisé et, de ce fait, la structure finale est plus lourde qu'une structure coque. Dans la structure semi-monocoque en tôle mince raidie, le revêtement en tôle mince est raidi par: - des raidisseurs longitudinaux (profilés pliés ou filés appelés lisses ou longerons) - des raidisseurs transversaux (cadres de forme ou cadres forts au droit des introductions d'efforts) Ce type de construction est le plus utilisé en raison de sa légèreté et de son caractère “fail safe” (exemple: puma, super frelon, cougar, etc...)
On voit bien apparaitre le rôle du fuselage sur ce type de structure: caréner l'hélicoptère, supporter les masses fixes (moteurs, transmissions, trains d'atterrissage) et des masses réparties (sièges, passagers, carburant) et en toutre de résister aux sollicitations provenant des évolutions de l'appareil tant au sol qu'en vol. Dans la structure monocoque en tole mince peu raisie, le revêtemement, stabilisé par des cadres relativement espacés, travaille en flexion et cisaillement. La structure stratifiée en fibre de verre est un composite tissu fibre de verre et résine polyester ou époxy, polymérisé à chaud: on l'utilise pour les carénages, habillages et pièces de formes compliquées non travaillantes. La structure sandwich comprends essentiellement une structure alvéolée nid d'abeille ou mousse, collée entre 2 plaques de revêtement. Elle peut etre soit métallique, soit en stratifié. Avantage: une grande rigidité pour une faible masse, avec la suppression d'un grand nombre de raidisseurs. Inconvénient: jonctions délicates, difficile introduction des efforts concentrés, contrôle du collage délicat. Surtout utilisé pour les planchers, panneaux de revêtement et divers carénages ou capotages.
Dans la structure thermoformée, un matérieux (type macromoléculaire) sous forme de plaque est rendu plastique par chauffage à une température voisine de 120°C puis appliqué sur une forme préparée à l'avance. Le prix de revient est très faible, la forme peut être fort compliquée, mais la rigidité est faible et des déformations peuvent se produire dès 80°C. On l'utilise pour certains carénages. La structure verrièire est composée d'une ossature tubulaire soudée en alliage léger, recouverte de panneaux transparents (plexiglass). On la rencontre sur de nombreux hélicoptères. L'étanchéïté est le souci principal. Aux jonctions des panneaux et des l'ossature, on interpose des joints caoutchouc et du produit d'étanchéité (mastic). La verrière doit, bien entendu, résister aux charges aérodynamiques à grande vitesse.
Utilisation de matérieux nouveaux: La technique évoluant dans tous les domaines, il est normal de voir arriver sur le marché des matériaux nouveaux, capables de formes variées, et en particulier des “plastiques” et des “composites” à la base desquels il y a essentiellement des fibres de carbone (graphite), des fibres de verre (fiber glass), du kevelar (fibre aramide très légère) et du Nida (nomex core, metal skin, sandwich, nid d'abeille). Quant aux résines synthétiques, elles appartiennent à 2 grandes classes: - les thermoplastiques qui ramollissent quand on les chauffe et durcissent quand on les refroidit (exemple: les polyamides nylon et rilsan ainsi que les polycarbonates) - les thermodurcissables qui, sous l'action combinée de la chaleur et d'un durcisseur, polymérisent à chaud d'une manière irréversible, donnant alors un produit nouveau (exemple époxyde et silicone). Les stratifiés et nids d'abeille sont des plastiques renforcés possédant de très bonnes caractéristiques mécaniques. Ils sont obtenus à partir de résines thermodurcissables et d'un renfort (fil de verre, de carbone, de graphite ou de bore). Les fils du renfort sont nappés ou tissés, puis imprégnés de la résine de base. Plusieurs couches de nappes ou de tissus sont superposées (strates), placées dans un moule puis polymérisées. L'orientation des fils du renfort dépend des efforts à transmettre. Quant au nid d'abeille stratifié, il comprend une âme en nida (metallique, tissu de verre, nomex) dont chaque face reçoit une ou plusieurs couches de tissus pré-imprégnés. L'ensemble est polymérisé à chaud. A titre d'exemple, le schéma ci contre laisse apparaitre l'extrême variété des composants (métalliques et plastiques) utilisés pour la réalisation de la structure du dauphin biturbine SA365N d'eurocopter (renommé EC155) Les grandes tendances actuelles sont: - Moyeu rotor en fibre de carbone et résine. C'est la solution Sphériflex d'Eurocopter pour la nouvelle version du super-puma Mark II renommé EC725. - Train d'atterrissage en fibre de carbone et résine. C'est la solution adoptée pour le futur hélicoptère militaire européen NH90, réalisé par Eurocopter en collaboration avec MBB, Agusta et Fokker. - Fuselage entièrement en composite, pour les nouveaux hélicoptères tant français qu'étrangers.
1 - porte avant passager nota: les portes coté gauche 2 - porte arrière passager sont symétriques 3 - plafond 4 - portillon - coté gauche symétrique 5 - cadre à 9° - porte les ferrures d'attache des barres avant de BTP 6 - Plancher mécanique - porte les ferrures d'attache de la suspension B.T.P 7 - cloisons pare-feu 8 - dérive 9 - fenestron 10 - dérive latérale 11 - empennage horizontal 12 - poutre de queue - constitue une réserve de flottabilité 13 - structure centrale 14 - plancher G.T.M.
15 - cadre à 4630 - porte les ferrures d'attache des barres arrières de B.T.P. et les ferrures d'attache des atterrisseurs principaux 16 - plancher soute - accès au réservoir arrière carburant 17 - porte de soute - coté droit uniquement 18 - plancher arrière cabine - accès aux réservoirs centraux carburant 19 - barque 20 - plancher poste de pilotage 21 - plancher avant cabine - accès aux réservoirs avant carburant 22 - structure avant - verrière 23 - poste de pilotage - porte copilote symétrique
Pour les hélicoptères militaires, en plus des problèmes spécifiques tels que celui de l'armement, des exigences particulières sont à prendre en compte, et cela en fonction de 3 paramètres essentiels: indétectabilité, invulnérabilité et résistance au crash. Sans entrer dans les détails, l'indétectabilité nécessite une réduction des volumes avec l'utilisation d'une peinture spéciale diminuant les réflexions possibles. Par exemple, les structures planes ou développables utilisées pour la fabrication des verrières rendent plus difficile un repérage visuel. La détectabilité acoustique est réduite grâce a l'optimisation des profils et extrémités des pales. L'amélioration de l'indétectabilité radar s'obtient essentiellement avec l'utilisation de formes extérieures évitant toute réfraction ou réflexion, ainsi que de matérieux absorbants. Les tuyères des turbomoteurs sont réalisées avec dilution de jet de gaz chaud dans un flux d'air frais (ce qui en passant réduit un peu le bruit), en même temps que la direction de l'échappement est orientée vers le disque rotor (ce qui réduit la signature thermique). Quant a l'indétectabilité infrarouge, elle est accrue grâce à l'utilisation des revêtements absorbants sur la structure. L'invulnérabilité est à assurer contre les projectiles, les missiles et les rayons laser, sans oublier la foudre, les champs électromagnétiques importants. Par exemple on peut ajouter aux composites une métallisation des structures (cuivre ou bronze) pour les rendre conductrices. La résistance au crash nécessite tout d'abord une étude préliminaire de résistance à la fatigue pour les organes tels que le train d'atterrissage, les sièges blindés et les réservoirs auto-obturants. Cette énumération est nécessairement très brève et volontairement imprécise car il s'agit ici d'un sujet intéressant la défense nationale.
Une cellule d'hélicoptère est essentiellement constituée: - d'une cabine - d'un fuselage - d'un système d'empennage - d'un dispositif d'atterrissage. La cellule est d'abord un habitacle qui doit remplir certaines conditions d'exploitation. Ces dernières sont l'objets de missions-types. Mais la cellule est aussi le support de tous les organes constituant l'hélicoptère (chaine mécanique, moteurs, commandes et différents circuits...). La cohabitation de ces différentes fonctions et le respect des conditions de résistance, de légèreté et de sécurité aboutissent à une suite de compromis qui permet d'obtenir une bonne synthèse d'ensemble. C'est donc l'aménagmenet général de l'hélicoptère qui oriente la conception de sa cellule. Aménagement général: L'aménagement de la cellule, d'abord étudié en avant projet, est vérifié sur maquette grandeur nature avant d'entreprendre les études définitives. Il doit répondre aux normes civiles en vigueur pour l'obtention du certificat de navigabilité. Le système de fixation du rotor principal doit assurer la reprise de la réaction du couple rotor et des efforts de sustentation. A cet effet, une zone plate est définie sur la partie supérieure du fuselage, appelée plancher mécanique, qui permet: - d'assurer la liaison avec le fond de boite de transmission principale pour reprendre la réaction du couple rotor - d'apporter les points d'accrochage du bati mécanique pour les efforts de sustentation - de supporter toutes les commandes et équipements nécessaires au fonctionnement du rotor principal. Le rotor anticouple et la transmission arrière sont fixés sur la poutre de queue. Suivant la configuration retenue, l'extrémité de celle ci peut comporter une dérive verticale (puma, super frelon, cougar...) ou bien un rotor caréné associé à une dérive, appelé système fenestron (gazelle, dauphin...). La poutre de queue supporte également en son extrémité un système d'enpennage horizontal de stabilisation (afin de contrer le moment piqueur lors des translations). La définition des formes de la structure arrière (poutre de queue, dérive, empennage) doit tenir compte des positions extrêmes des pales pour éviter toute interférence dan les cas limites de vol ou d'atterrissage. Dans la zone moteur, la cellule doit comporter les points de fixation du bati GTM soumis aux efforts de vol et de crash. De plus elle doit être capable de résister au feu, ce qui nécessite un revêtement en inox ou en titane, ainsi qu'in ensemble de cloisons pare-feu. Enfin, il faudra assurer le drainage des fuites eventuelles de kérosène ou d'huile venant du moteur. L'aménagement du poste pilote doit être conforme à la réglementation en vigueur: Soit civile dans le cadre d'aéronefs à usage strictement civil - Federal Aviation Regulation, Part 27 (pour les appareils de masse inférieure a 2700 kg) - Federal Aviation Regulation, Part 29 (pour les appareils de masse supérieure à 2700 kg) Soit militaire dans le cadre d'aéronefs à usage militaire: - Military Standard STD 1333 “Aircrew Station Geometry for Military Aircraft”, de juin 1969 pour les dimensions des cabines de pilotage - Military Standard STD 850 “Aircrew Station Vision Requirements for Military Aircraft”, de juin 1967, pour la visibilité extérieure minimale des cabines de pilotage. Ces normes imposent: - des positions relatives pilote-commandes, c'est-à-dire siège-commandes - les gardes minimales de sécurité de la tête du pilote par rapport à la structure - Les conditions minimales de visibilité qui permettent de définir les surfaces transparentes et les positions et épaisseurs des montants de la verrière. L'accès au poste de pilotage doit être aisé; les portes seront positionnées en conséquence. De même l'évacuation de la cabine en cas d'accident doit être facile et necessite pratiquement la présence d'un système de largage rapide des portes. Les réservoirs de carburant représentent une masse importante et essentiellement variable. Pour obtenir une variation minimale du centrage, ils doivent être impérativement positionnés sous l'axe rotor principal. Plusieurs type sont employés sur hélicoptères: les réservoirs monocoques (bidon cloisonné en tôle d'alliage léger soudé), les réservoirs structuraux (intégrés dans le fuselage, mais difficile à rendre étanches, en tout cas jamais utilisé par Eurocopter), les réservoirs souples (une enveloppe caoutchoutée assure l'étanchéïté), les anti-crash (semi souple, capable de résister à des accélérations très importantes mais très lourd), les anti-balles (avec une protection extérieure assurée par une enveloppe de mousse qui gonfle au contact du carburant et permet le colmatage des trous de balles: système employer dans la partie basse des réservoirs des hélicoptères de l'alat assurant une quantité minimale en cas de perforation par balle). En dehors du choix du type de conception, un certain nombre de facteurs pour la plupart imposés par la norme, guide la définition des réservoirs carburant: - le fond du réservoir et la position de la pompe de gavage doivent permettre un épuisement total du carburant à différentes assiettes de vol. En effet, un volume résiduel important constitue une masse inutilisable diminuant la charge marchande de l'appareil. - à sa partie la plus basse au sol, le réservoir doit présenter un puisand muni d'une purge pour éliminer toute présence d'eau dans le réservoir (opération effectuée tous les matins avant les vols. L'eau est plus lourde que le kérosène (1litre de kéro pèse 0.8kg) et donc l'eau reste au fond ce qui est dangereux vu que les pompes de gavage aspirent au fond afin de gagner le maximum de carburant consommable). - à sa partie supérieure, un volume d'expansion en communication avec l'air libre doit être réservé au dessus du plein de carburant (mise a l'air libre croisée afin de ne pas vider le réservoir lors que l'appareil est couché sur le coté. - dans le cas de réservoirs intégrés, on ventile le compartiment réservoir de façon à éviter l'accumulation de vapeur et de drainer les fuites de carburant. - enfin le système de jaugeage du carburant doit être disposé dfe manière à indiquer au pilote le volume réel avec un minimum d'erreur quelque soit l'assiette, surtout aux bas volumes, pour des raisons de sécurité (le jaugeur donne une quantité, avec un pourcentage d'erreur de 5% en général. Le seul instrument qui est taré de façon précise dans le circuit carburant est le détecteur de bas niveau. dès son allumage, on tappe le chrono et on sait exactement le temps de vol restant: cas du puma, le bas niveau est à 90 litres et donne un temps maximum de vol de 18 min). La mise en place des commandes nécessite plusieurs impératifs: - réserver les volumes pour leurs cheminements, ceux ci étant naturellement les plus courts possibles - prévoir un bon accès pour les réglages et démontages - être très attentif à la rigidité des points d'ancrage ou d'articulation des commandes sur la structure. Une souplesse trop importante peut entrainer dans certains cas des phénomènes instables de résonnance. Les circuits électriques, radio, électriques et chauffage nécessitent des réservations de volume pour leur cheminement et des traversées d'éléments structuraux, avec facilité de montage et d'accès pour la maintenance. L'implantation des atterrisseurs sur hélicoptère doit se faire en tenant compte: - du problème de stabilité statique: Il faut choisir un polygône de sustentation suffisamment important et bien centré pour pouvoir tolérer des atterrissages sur pente longitudinale de 12° ou latérale de 9° minimum. - des gardes au sol surtout au niveau du rotor de queue dans le cas d'atterrissage cabré. A cet effet, un sabot de protection (ou une béquille) est souvent ajouté. - des conditions de calcul classique comme sur avion - mais surtout du problème de résonnance sol: pour pouvoir résoudre éventuellement des problèmes de ce type, il est conseillé de prévoir un réglage des amortisseurs et de choisir des diamètres de roues permettant des variations de pression de gonflage des pneus tout en gardant une pression au sol correcte. Dans le cas d'atterrisseurs à patins, la possibilité de variation de rigidité ou de montage d'amortisseurs doit être retenue. On trouve divers type d'atterrisseurs: - a 2 flotteurs gonflables pour les appareil utilisés en mer (éventuellement avec 2 flotteurs métalliques) - coque étanche avec flotteurs de stabilisation jumelé avec un train a roues ( super frelon marine, sea-king, etc... ) - atterrisseur à patins, à prix de revient et maintenance limités, utilisable sur des machines de faible tonnage - atterrisseur à roues, avec amortisseurs oléopneumatiques. Il sont analogues aux atterrisseurs d'avions et sont soit fixes, soit escamotables. Principes de construction La structure proprement dite d'un hélicoptère est plus simple que celle d'un avion puisqu'elle ne comprend ni aile ni gouvernes mobiles. La voilure dite tournante comprend l'ensemble des pales et le moyeu. Les conditions de calcul pour cet ensemble sont particulières.
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