Hélicoptère radiocommandé

Un hélicoptère radiocommandé est un modèle réduit d'aéronef dont les caractéristiques sont différentes d'un avion radiocommandé du fait de différences de construction, d'aérodynamique et d'expériences de vol.



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Class 30

Un hélicoptère radiocommandé (RC) est un modèle réduit d'aéronef dont les caractéristiques sont différentes d'un avion radiocommandé du fait de différences de construction, d'aérodynamique et d'expériences de vol.
L'hélicoptère radiocommandé est une machine à mécanique complexe, qui au contraire de d'autres machines volantes, permet d'effectuer des vols dans l'ensemble des directions (les translations) et de rester idéalement immobile (vol stationnaire) au-dessus d'un point. Qui plus est , ces hélicoptères radiocommandés, dans les mains de pilotes confirmés, sont capables de réaliser des prouesses (vol 3D ou voltige) qui ne sont pas réalisables avec des hélicoptères grandeur nature.

Histoire

Les premiers modèles réduits d'hélicoptères à moteur (mécanisme d'horlogerie ou ressort) ont existé dès le XVIIIe siècle, mais ils n'étaient bien entendu pas radiocommandés. Après une longue phase de recherche, c'est en 1907 que l'hélicoptère a été capable de se soulever avec un pilote, pour véritablement prendre son essor après 1945, éclipsant les modèles réduits.

Le premier véritable hélicoptère radiocommandé a été conçu en 1969 par Dieter Schlüter[1]. Ce modèle a gagné le concours Harsewinkel (Allemagne) pour lequel l'inventeur toucha 1 000 DM. Il a réussi à faire voler son hélicoptère sur deux vols de 5 secondes, à 3 mètres du sol. Le premier modèle commercialisé a été le Bell Huet cobra Schlüter, qui a établi un nouveau record (non officiel) avec un vol de 10 minutes 36 secondes. Le record officiel, de juin 1970, avec ce même modèle a été de 27 minutes 51 secondes de vol sur un circuit de 11, 5 km. Le Twin Jet de Graupner équipé d'un moteur thermique de 10 cm3 et du pas collectif a été le premier hélicoptère radiocommandé à traverser la Manche[2]. Par la suite, de nombreux modèles ont été commercialisés avant d'en arriver aux hélicoptères aujourd'hui sur le marché.

Depuis, de nombreux prototypes ont été fabriqués et testés jusqu'en 1980, date à partir de laquelle les hélicoptères radiocommandés Graupner ont fait leur apparition. L'utilisation de ces engins est devenue accessible à un large public à partir de 2000, où des marques comme Nikko ont conçu des hélicoptères électriques assez bon marché et peu puissants pour le vol en intérieur ou dans un jardin.

Fonctionnement aérodynamique
Plateau cyclique – Vue plongeante d'un plateau simple de modèle réduit
1 couronne fixe (bleu)
2 couronne mobile (argent)
3 roulement
4 tige de commande (tangage)
5 tige de commande (roulis)
6 biellette de pas (vers la pale)

Un hélicoptère radiocommandé fonctionne comme un hélicoptère de taille normale : le rotor est l'hélice principale qui permet la sustentation, il est commandé par le plateau cyclique. Le rotor anticouple ou les rotors contrarotatifs sont les systèmes conçus pour empêcher l'hélicoptère de tourner en sens inverse du rotor principal.

Commandes de vol

Les divers contrôles de l'hélicoptère sont assurés par de petits moteurs servocommandés. La radiocommande doit pouvoir gérer :

La commande du plateau cyclique se fait au moyen de la commande de pas général (aussi nommée pas collectif) tenue par la main droite du pilote sur la télécommande. La commande des gaz et du pas est le plus souvent multiplexée sur la même voie de la télécommande. Dans le cas d'un hélicoptère à pas fixe, seuls les gaz permettent de contrôler l'altitude de l'aéronef.

Le contrôle du lacet se fait le plus souvent à l'aide du rotor anticouple par changement du pas ou de la vitesse de rotation du rotor de queue. Un gyroscope peut former une aide au pilotage en stabilisant le lacet de l'hélicoptère.

Ces différentes commandes permettent de faire effectuer à l'hélicoptère la majorité des manœuvres d'un avion et d'autres qui ne lui sont pas envisageables, comme le vol stationnaire et en marche arrière, ils sont ainsi identiques aux vrais hélicoptères[3].

Hélicoptère birotor contrarotatif

Avec deux rotors de sustentation coaxiaux (tournant autour du même axe) comme le Dragonfly 53 et le Micro 47G. Ces hélicoptères sont spécifiquement conçus pour l'apprentissage du pilotage d'hélicoptère radiocommandé. Ils sont plus stables et plus simples à contrôler que les hélicoptères normaux. Ils possèdent deux rotors juxtaposés tournant en sens inverse et ne possèdent pas de rotor de queue.

Hélicoptère birotors coaxiaux contrarotatifs : schéma vue de dessus

Hélicoptère birotor en tandem

Hélicoptère radiocommandé à deux rotors en tandem
Icône de détail Voir aussi l'article Rotors contrarotatifs

Ce modèle possède deux rotors de sustentation en tandem (l'un derrière l'autre). Ce dispositif dans lequel les rotors tournent en sens inverse permet d'annuler le couple de réaction du rotor sur la cellule. Son principal promoteur a été l'Américain Frank Piasecki.

Types de vol

Les hélicoptères radiocommandés ont un fonctionnement presque semblable à celui des hélicoptères.

Aspect physique

Comme pour l'avion, la vitesse relative de l'air et de la voilure génère une action mécanique autorise l'engin de voler. On peut distinguer deux composantes de cette action aérodynamique :

  • la traînée qui est la résistance à l'avancement. De son action sur le rotor de l'hélicoptère, il résulte un couple tendant à faire tourner l'appareil autour de son axe, d'où l'obligation d'un système anticouple.
  • la portance qui soulève l'appareil.

Le contrôle d'un appareil repose dans ce cas sur la gestion de cette portance. Alors que sur les avions, des gouvernes permettent de modifier la portance des ailes pour virer, monter..., sur l'hélicoptère, comme sur les éoliennes, on modifie le pas et l'inclinaison des pales. Cependant, il existe une différence. Si sur l'avion on agit individuellement sur chaque gouverne, sur l'hélicoptère on contrôle la portance d'une pale suivant sa position comparé à l'appareil. C'est le rôle du plateau cyclique, pièce principale du système de commande de vol.

Certains types sont plus manœuvrables que d'autres (comme les hélicoptères à pas collectif). Les modèles les plus manœuvrables sont fréquemment les plus compliqués à faire voler, mais bénéficient de meilleures capacités acrobatiques.

Vol stationnaire

Le rotor de l'hélicoptère étant entraîné à vitesse constante, les déplacements verticaux de l'hélicoptère sont obtenus par l'unique modification du pas des pales. À ce stade du vol, la portance des pales reste semblable sur un tour du rotor.
Il existe une position où la portance globale s'oppose précisément au poids de l'appareil : l'hélicoptère peut rester immobile. Si elle lui est inférieure, l'appareil descend. Si elle est supérieure, il monte.

Vol en translation

Pour que l'hélicoptère avance, une force à composante horizontale est indispensable. Si on augmente la portance des pales quand elles passent derrière le rotor, leur plan de rotation s'incline vers l'avant, grâce à une articulation en battement reliant chaque pale à l'axe de rotation, et l'inclinaison de la portance produit la composante horizontale indispensable. Il reste cependant une composante verticale principale qui s'oppose au poids donnant la possibilité le maintien en l'air, et la composante horizontale motrice génère le mouvement d'avancement, par conséquent accélération jusqu'à une vitesse où la traînée globale (résistance à l'avancement de l'hélicoptère) s'équilibrera avec la composante motrice.

Le principe est le même quelle que soit la direction de déplacement souhaitée.

Autorotation

Icône de détail Article connexe : Autorotation.

Cette phase est une procédure d'urgence en cas de panne du moteur entraînant le rotor principal. Le principe est de passer en mode autogire : dans ce mode, les pales tournent spontanément sous l'effet du vent relatif produit par la chute (de bas en haut, du point de vue de l'hélicoptère) en produisant une portance qui freine significativement la chute de l'aéronef à l'approche du sol, et permet ainsi de limiter la casse. Pour cela, une commande permet d'inverser le pas collectif. Cela reste une manœuvre délicate, car l'orientation optimale des pales dépend des circonstances (vitesse de chute, vitesse actuelle des pales, ... ) et le succès n'est pas garanti, même si en principe le simple fait de laisser les pales en mode libre suffit.

Sur un hélicoptère modèle réduit, l'autorotation n'en est pas vraiment une ; c'est plutôt le phénomène de moulinet-frein (rotor entraîné par l'air de bas en haut avec le pas négatif) alors que sur les hélicoptères grandeur nature, l'autorotation est une force d'entraînement du rotor (force autorotative) par les filets d'air de haut en bas sur la partie du disque rotor externe et de bas en haut (force anti-autorotative) sur la partie interne du disque, et ceci pour un pas positif : le «pas mini» calé par le constructeur. La vitesse du rotor est auto-régulée et déterminée pas le taux de chute, la masse et les paramètres dynamiques de l'appareil (rotor et pales).

Matériaux
  • Les bois (balsa, samba, contreplaqué, pin... ), sont utilisés pour les fuselages des hélicoptères thermiques, les bois légers étant préférés aux bois comme le pin utilisés seulement comme structure rigidifiante ;
  • Les métaux se retrouvent dans les tubes, les tiges de commandes plus ou moins rigides, ou alors pour la construction de l'aéronef lui-même (aluminium, et même titane)  ;
  • Les résines, comme colles, enduits, servent à l'entoilage des structures (comme l'enduit nitro-cellulosique), ou, avec des tissus de fibre synthétique, à la construction de fuselages ou d'ailes ;
  • Les polystyrènes sont utilisés pour certaines constructions plus lourdes mais plus rapides d'ailes ;
  • Les cartons et papiers divers sont aussi utilisés ;
  • Le kevlar, le carbone, le tissu de verre, sont aussi fréquemment utilisés pour les fuselages ;
  • Le depron est de plus en plus répandu ;
  • L'EPP (polypropylène expansé) est de plus en plus utilisé pour la réalisation de modèles de petite à moyenne taille particulièrement résistants au choc, pour l'apprentissage ou le vol de pente.

Les hélicoptères contiennent nombre de pièces mobiles, comme le plateau cyclique qui permet l'inclinaison du rotor contrôlant la direction.

La construction d'un hélicoptère demande plus de précision que celle d'un avion car les hélicoptères, même les plus petits, subissent d'importantes vibrations qui peuvent poser des problèmes lors du vol.

Moteur à air comprimé

Les moteurs à air comprimé sont peu utilisés. On les trouve en particulier en vol libre.

Moteur à explosion

Align T-REX 600, hélicoptère à moteur nitro

Les moteurs à explosion ou «thermiques» (généralement des monocylindres 2 temps) sont fréquemment utilisés, certains pouvant être à eux seuls des maquettes remarquables (moteurs en étoile, multicylindres en ligne ou en V pour les avions)  ; les moteurs de la marque O. S. sont particulièrement répandus grâce à leurs qualités exceptionnelles (ils calent rarement) [4]. Ils peuvent être alimentés au méthanol (auto-allumage à bougie à incandescence), ou alors à l'essence (bougie classique à étincelle).

Les moteurs à méthanol sont fréquemment utilisés avec du carburant contenant du nitrométhane (CH3NO2) de quelques % à 20 ou 25 % en compétition (augmentation notable des performances, puissance et refroidissement accrus dus au nitrométhane). Les hélicoptères «thermiques» au méthanol existent en diverses cylindrées, 0, 30, 0, 50, 0, 60 et 0, 90 pouces cubes (4, 92, 8, 19, 9, 83 et 14, 75 cm3, respectivement). Plus le moteur est gros, plus il permet d'entraîner un rotor dont les pales sont longues et par conséquent permettent la sustentation d'un appareil globalement plus gros et plus lourd. On parle ainsi de diverses «classes» d'hélicoptères : classe 30 (moteur 28 à 32, diamètre rotor 1 m à 1, 20 m, 3 à 4 kg), classe 50, classe 60 et classe 90 (jusqu'à 1, 80 m de diamètre rotor pour 5 ou 6 kg).

Les hélicoptères à motorisation thermique sont aujourd'hui plus courants que ceux à moteur électrique dont le développement est plus récent mais dont le succès est croissant.

Moteur électrique

Le Picoo Z, le plus petit hélicoptère radiocommandé au monde

Les moteurs électriques (surtout les moteurs brushless ou sans balais) sont de plus en plus utilisés, grâce aux progrès des accumulateurs. Les batteries lithium polymère de haute performance sont de plus en plus utilisées.

Les derniers développements technologiques en matière de batteries ont permis d'augmenter l'autonomie de vol des modèles électriques. Cependant, il existe un risque de surchauffe et d'explosion de ces nouvelles batteries au lithium polymère[5].

Les hélicoptères RC électriques ont en premier lieu été utilisés en intérieur, dans la mesure où ils n'émettent aucune fumée ni gaz toxique. Qui plus est grands hélicoptères électriques sont désormais fabriqués pour un usage à l'extérieur, offrant des dispositions intéressantes pour le vol acrobatique, ils deviennent populaires. Leur faible niveau sonore les rend spécifiquement adaptés pour le vol en milieu résidentiel où les émissions de bruit peuvent être limitées, comme en Allemagne par exemple. Il existe des kits de transformation d'hélicoptères «thermiques» en modèles électriques.

Le plus petit hélicoptère RC[6] est le Picoo Z, suivi du Micron FP helicopter, tous deux sont pourvus d'un moteur électrique fonctionnant sur batteries.

Turbine

  • Turbine à gaz : moteur développé selon les techniques des hélicoptères grandeur nature. Originellement alimentés par du gaz propane, ils sont désormais alimentés par des carburants liquides plus respectant les traditions (pétrole, kérosène). Ils permettent d'obtenir des puissances embarquées élevées comparé à la masse du moteur (en contrepartie d'une consommation élevée).

Électronique

  • Les récepteurs, montés dans les hélicoptères, sont les pendants des télécommandes, et distribuent, selon les ondes reçues, des ordres aux servomoteurs.
  • Les servomoteurs, fréquemment nommés «servos», sont des moteurs entraînant des gouvernes avec tringles et de câbles. Leurs taille, poids et puissance peuvent énormément fluctuer selon leur fonction et la taille du modèle.
  • Les accumulateurs servent à alimenter toute l'électronique d'un hélicoptère, ou alors le moteur.
  • Divers circuits sont fabriqués et utilisés, au gré des besoins. Ils peuvent servir pour l'illumination des modèles volants, le lancement de parachutes, des bruitages...

Radiocommandes

Les petits hélicoptères à pas fixe ne nécessitent qu'une radio à quatre canaux (gaz, ailerons, gouvernes, volets) alors que pour les modèles à pas collectif il est indispensable d'avoir au moins 5 canaux, 6 étant le plus courant. À cause de l'interaction entre les diverses commandes, les radios les plus particulièrement élaborées comprennent des réglages de fonctions mixtes comme gaz/collectif et gaz/gouverne.

Certaines sont particulièrement très élaborées, donnant la possibilité la double commande, ou possédant des fonctions telles que le contrôle du temps de vol restant avant que le réservoir ou la batterie ne soit vide, ou détectant tout comportement suspect du matériel, et autorisent l'utilisateur de faire atterrir son hélicoptère avant la panne pour éviter des dégâts sur l'appareil.

Les marques principales sont Spektrum, Futaba, JR, Hitec, Airtronics, Sanwa, Multiplex.

Les prix des radios fluctuent de deux cents à plusieurs milliers d'euros.

Modulation

Les radios émettent un signal en FM selon deux types de modulation. Le mode PPM, meilleur marché que le mode PCM, est le plus souvent utilisé sur les hélicoptères RC d'entrée de gamme. La moindre fiabilité du mode PPM le rend plus adapté aux petits modèles qui sont moins dangereux que des appareils plus lourds. Les radios haut de gamme offrent les deux modes (PCM et PPM) afin d'offrir une compatibilité avec la majorité des récepteurs.

PPM

Le Pulse Position Modulation est une modulation de type FSK dans laquelle la position de chacun des servomoteurs est codée par une impulsion de largeur variable. Chaque trame, d'une longueur fixe, commence par une impulsion de synchronisation. L'avantage de cette transmission est la simplicité de l'électronique indispensable, ce qui a fait son succès aux débuts du radiomodélisme. Son inconvénient principal est l'absence de détection d'erreur.

PCM

Le Pulse Code Modulation est un mode de modulation en fréquence de type FSK dans lequel la commande de chaque servomoteur est transmise sous forme d'un nombre codé. Les fabricants ont chacun leur propre dispositif de codage de ce nombre sur une série variable de bits. JR utilise le mode Z-PCM (10 bits, 512 valeurs) et le S-PCM (11 bits, 1 024 valeurs). Futaba utilise le PCM-1024 et le G3 PCM (12 bits, 2 048 valeurs). L'avantage du codage PCM est de détecter les erreurs de transmission, ce qui sert à mettre les servomoteurs dans une position prédéfinie ou de les maintenir dans la dernière position correcte après la perte du signal : ce mode s'appelle Fail Safe, et s'avère intéressant en termes de sécurité, surtout dans les hélicoptères (coupure des gaz en cas de perte de contrôle de l'appareil).

Compétitions
T-REX 450SE (Align) électrique

Les compétitions de vol acrobatique pour les hélicoptères suivent historiquement les règles de la Fédération aéronautique mondiale, qui pour les hélicoptères portent l'appellation F3C. Celles-ci comprennent les figures de vol et d'acrobatie.

Une forme avancée de pilotage d'hélicoptères RC est nommée 3D. Lors d'un vol 3D, les hélicoptères accomplissent des figures acrobatiques avancées, quelquefois en freestyle ou une suite de figures déterminées par les organisateurs de la compétition. Il y a de nombreuses compétitions 3D dans le monde, les deux plus fameuses sont le 3D Masters au Royaume-Uni et l'eXtreme Flight Championship (XFC) aux États-Unis.

Loisirs

Les hélicoptères RC sont généralement pilotés par des passionnés sous forme d'un loisir. Le pilotage des hélicoptères radiocommandés est une des disciplines les plus ardues du modélisme. Pour pouvoir acquérir la maîtrise totale d'un tel appareil, il est indispensable de s'entraîner régulièrement. Il faut répéter les mêmes gestes à chaque séance pour acquérir les bons réflexes et évidemment toujours garder son sang-froid.

Il peut être intéressant de pratiquer ce loisir au sein d'un club où on pourra bénéficier de conseils sur l'investissement en matériel (hélicoptère, radiocommande, batterie, carburant, chargeur, ... ), partager sa passion de l'hélicoptère avec d'autres passionnés et en particulier, de pouvoir s'entraîner en toute sécurité (surtout grâce à l'assurance associée à l'inscription au club ainsi qu'à la fédération nationale, FFAM par exemple).

Applications commerciales et militaires

Les hélicoptères radiocommandés sont quelquefois utilisés pour des prises de vues aériennes (Flying Cam), l'observation et la surveillance. Certaines sociétés conçoivent des hélicoptères RC pour ces applications spécifiques.

Des recherches existent aussi concernant les drones, elles peuvent être accessibles aux étudiants ainsi qu'aux spécifiques par des concours, tels que l'IARC[7] ou le Challenge minidrones de l'ONERA[8]. On peut ainsi voir des projets d'hélicoptères autonomes tels que le projet MARVIN[9], ou le DSAAV (MIT) [10].

Données économiques

Le prix des hélicoptères RC peut aller d'une vingtaine à plusieurs milliers d'euros. L'investissement d'origine et la maintenance ont le plus souvent un coût plus élevé que les machines à voilure fixe. Cela peut s'expliquer par la présence de nombreuses pièces usinées, de pièces tournantes soumises à une usure importante (transmission mécanique, engrenages, plateau cyclique), de l'électronique plus élaborée (mixage des voies, gyroscope). Les hélicoptères chinois sont particulièrement peu cher mais ont une qualité fréquemment inférieure. Ils conviennent pour un débutant. Les principaux problèmes de ces hélicoptères sont des problèmes de conception, du plastique bon marché et d'une basse qualité électronique, dans ce cas attention pour ceux qui veulent de la solidité par exemple [11].

Bibliographie
  • Jean Courvoisier, Hélicoptère : manuel du pilote, Paris, Chiron Éd., 1999 (OCLC 41090507)
  • Roger Raletz, Théorie élémentaire de l'hélicoptère, Toulouse, CEPAD, 1995 (OCLC 36979055)
  • Daniel Gasser, Étude expérimentale et théorique des phénomènes aérodynamiques de l'interaction rotor-fuselage sur l'hélicoptère en vol d'avancement, Chatillon, Office national d'études et de recherches aérospatiales, 1995 (OCLC 34308957)
  • Roger Raletz, Basic theory of the helicopter, Toulouse, Cepadues Éditions, 1990 (OCLC 25278713)
  • P. Lefort, M. Moullard, Pilotage de l'hélicoptère, Paris, Chiron, 1988 (OCLC 61776964)
  • Pierre Lefort, Jacques Hamann, L'hélicoptère : théorie et pratique, Paris, Chiron, 1975 (OCLC 6419119)
  • J. Heurtaux, L'Hélicoptère : mécanique du vol appliquée, Ézy-sur-Eure, Æro shopping France, DL 1976 (OCLC 35914270)
  • Hector Goffard, J. D. Goffard, J Hoffelt, L'hélicoptère, cet inconnu ou Philosophie de la giraviation, Bruxelles, Giravia, diffusion SODEDI, 1973 (OCLC 3204662)

Modèles et marques

  • Dragonfly, une série d'hélicoptères radiocommandés électriques
  • Picoo Z, un modèle d'hélicoptère radiocommandé miniature en polystyrène et plastique
  • Micro 47G
  • Walkera (marque chinoise)
  • Syma Double Horse, série d'hélicoptères électriques d'origine chinoise (exemple : n° 9081=Lama et n°9088=Apache AH64)

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d'une traduction de l'article en anglais intitulé «Radio-controlled helicopter».

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