Les recherches hélicoptères à l’Onera

Quelles sont les recherch­es en cours pour ouvrir de nou­veaux champs tech­nologiques au véhicule héli­cop­tère ? C’est par nature la fonc­tion de l’Onera que de porter ces recherch­es et de dis­tinguer le pos­si­ble du chimérique.

Les activ­ités héli­cop­tères et voil­ures tour­nantes s’inscrivent depuis plus de vingt ans à l’Onera dans un con­texte de coopéra­tion avec le DLR (Deutsches Zen­trum für Luft und Raum­fahrt), cen­tre de recherche alle­mand, dans le cadre d’un pro­gramme com­mun cou­vrant l’ensemble des activ­ités de cette final­ité. Cette coopéra­tion struc­turante fait de l’Onera et du DLR des parte­naires au pre­mier rang européen et mon­di­al dans la recherche sur les héli­cop­tères et per­met une coor­di­na­tion fran­co-alle­mande des travaux réal­isés avec l’industrie.

La coopéra­tion est struc­turée autour de cinq axes de recherche, au sein desquels sont déclinés les objec­tifs suiv­ants : le développe­ment du « socle de con­nais­sances sci­en­tifiques », la mise au point de méthodolo­gie et le développe­ment d’outils expéri­men­taux et numériques, la mise au point d’innovations tech­nologiques, la val­i­da­tion et la démon­stra­tion au béné­fice des appli­ca­tions voil­ures tournantes. 

Les travaux de recherche sur les héli­cop­tères de ces dernières années se sont prin­ci­pale­ment artic­ulés autour de trois grands sujets.

REPÈRES

L’Onera, cen­tre d’étude et de recherche dans les domaines de l’aéronautique, de l’espace et de la défense, rem­plit une mis­sion d’expertise, de sou­tien sci­en­tifique et d’innovation au béné­fice de l’État français et des acteurs nationaux. Cette mis­sion se décline sur les héli­cop­tères depuis plusieurs décen­nies avec une forte con­tri­bu­tion dans de nom­breux domaines tech­nologiques que l’on retrou­ve aujourd’hui sur la plu­part des appareils pro­duits pour les armées ou pour les mis­sions civiles par Air­bus Heli­copters. On retrou­ve des travaux Onera notam­ment dans les rotors prin­ci­paux au niveau des extrémités de pales en flèche de forme parabolique (années 1970), des pro­fils aéro­dy­namiques (années 1980–1990) ou des formes de pale inno­vantes comme la pale Blue Edge® (années 2000) qui équipe le H160, dernier appareil cer­ti­fié en 2020. 

L’amélioration incrémentale de la formule hélicoptère

Des pro­grès sig­ni­fi­cat­ifs sont démon­trés à chaque généra­tion d’hélicoptère, tant sur les com­posants que sur les fonc­tions des sys­tèmes embar­qués, comme l’a démon­tré le H160 avec la pale Blue Edge® évo­quée plus haut. Ces amélio­ra­tions con­tin­ues s’appuient sur des méth­odes et out­ils qui sont util­isés de l’avant-projet au développe­ment et pour lesquels l’Onera apporte une forte con­tri­bu­tion. C’est le cas pour les out­ils aéromé­caniques, où l’Onera con­tribue à amélior­er la représen­ta­tiv­ité par l’apport de mod­éli­sa­tion physique plus riche, la robustesse ou encore l’efficacité des sim­u­la­tions numériques. C’est le cas par exem­ple pour les out­ils numériques en aéro­dy­namique et en acous­tique qui sont util­isés pour l’amélioration des per­for­mances des par­ties tour­nantes et des par­ties fixes. 

Les émis­sions et nui­sances sonores sont un incon­vénient majeur pour les héli­cop­tères, en par­ti­c­uli­er pour les appli­ca­tions civiles en milieu urbain ou péri­ur­bain. Les travaux de l’Onera cou­vrent dans ce domaine les capac­ités de prévi­sion pré­cise du bruit émis et des tech­nolo­gies de réduc­tion de ces émis­sions (formes de pale, traite­ments acous­tiques), mais aus­si les aspects prop­a­ga­tion et per­cep­tion du bruit pour la quan­tifi­ca­tion des nui­sances. Un autre axe majeur con­cerne la sécu­rité des vols avec des travaux sur l’anticipation, la détec­tion et la mise en œuvre de fonc­tion d’aide au pilote pour dif­férents phénomènes ren­con­trés par l’hélicoptère. On peut citer le phénomène de Vor­tex Ring State (VRS) que peut ren­con­tr­er l’hélicoptère en vol de descente et qui peut entraîn­er une perte de con­trôle et une forte accéléra­tion de la vitesse de descente, ou l’autorotation qui per­met au pilote d’hélicoptère de main­tenir le vol en cas de panne moteur. Dans ces deux cas de vol, la réac­tiv­ité du pilote est essentielle. 

L’Onera a pu pro­pos­er des solu­tions fondées sur une con­nais­sance pré­cise des phénomènes et une sim­u­la­tion de vol avec com­mande ou alerte spé­ci­fique (brevet Onera-DGA sur le VRS). Pour l’ensemble de ces études, l’Onera s’appuie égale­ment sur d’importants moyens expéri­men­taux, comme les souf­fleries pour l’aérodynamique et l’acoustique ou un sim­u­la­teur de vol expéri­men­tal pour les fonc­tions d’aide au pilotage.

Les cinq axes de recherche franco-allemande

Ces 5 research fields cou­vrent un large spec­tre de dis­ci­plines et de travaux et représen­tent la richesse des com­pé­tences de l’Onera et du DLR sur les hélicoptères. 

Research Field 1 : L’hélicoptère virtuel aéro­dy­namique, thème qui recou­vre les activ­ités de sim­u­la­tion et expéri­men­ta­tion (souf­flerie) en aéro­dy­namique, ain­si que les approches pluridis­ci­plinaires pour la prévi­sion et l’amélioration des performances. 

Research Field 2 : L’hélicoptère silen­cieux et con­fort­able, thème dans lequel cohab­itent les activ­ités acous­tiques pour la prévi­sion et la réduc­tion du bruit externe et interne, les études de prop­a­ga­tion et de per­cep­tion du bruit, ain­si que les travaux sur la dynamique vibratoire. 

Research Field 3 : L’hélicoptère intel­li­gent ; ce thème inclut les travaux sur la mécanique et les qual­ités de vol, l’assistance au pilotage, ain­si que toutes les recherch­es dédiées à l’amélioration de la sécu­rité des vols. On y trou­ve aus­si les études cen­trées sur l’autonomie des vols pour les appareils non pilotés ou à pilotage option­nel. Ces travaux sont accom­pa­g­nés d’études sur les fac­teurs humains (par exem­ple en vol opéra­tionnel, ges­tion des infor­ma­tions-per­cep­tions et com­préhen­sion par le pilote des sit­u­a­tions com­plex­es) et l’interaction avec les fonc­tions d’autonomie des appareils. 

Research Field 4 : L’hélicoptère robuste ; ce thème cou­vre les études et recherche sur l’amélioration de la sur­viv­abil­ité des héli­cop­tères (par exem­ple en cas de crash ou d’impact d’oiseaux ou de drones) et la réduc­tion de leur vul­néra­bil­ité (par exem­ple vis-à-vis de men­ace bal­is­tique). On y trou­ve égale­ment les études liées à la résis­tance aux phénomènes météorologiques comme la foudre ou le givre, pour une capac­ité de vol « tout temps ». 

Research Field 5 : L’hélicoptère inno­vant ; ce thème est cen­tré sur les inno­va­tions tech­nologiques (par exem­ple les pales actives) et les nou­velles con­fig­u­ra­tions de véhicule comme les appareils mul­ti­ro­tors à propul­sion hybride ou tout élec­trique pour les mis­sions de mobil­ité aéri­enne urbaine.

Les nouvelles formules et la grande vitesse

La for­mule héli­cop­tère a ces dernières années été repen­sée pour de nou­veaux besoins comme celui de la grande vitesse, portée en par­ti­c­uli­er par des besoins mil­i­taires out­re-Atlan­tique. L’atteinte d’une vitesse max­i­male plus impor­tante passe par l’ajout d’une propul­sion aux­il­i­aire. La solu­tion pro­posée par Air­bus Heli­copters avec le démon­stra­teur X3 puis le démon­stra­teur Rac­er s’appuie ain­si sur deux hélices latérales pour la propul­sion addi­tion­nelle et une voil­ure qui assure une par­tie de la por­tance à grande vitesse et soulage ain­si le rotor principal. 

L’Onera par­ticipe à ces travaux et, en par­ti­c­uli­er pour le Rac­er, a tra­vail­lé à la déf­i­ni­tion des hélices latérales et des par­ties arrière en prenant en compte les inter­ac­tions aéro­dy­namiques com­plex­es entre les dif­férents com­posants. Les travaux por­tent égale­ment sur le bruit ray­on­né par cette con­fig­u­ra­tion, en dévelop­pant des out­ils adap­tés prenant en compte les inter­ac­tions et les effets de masquage acous­tique. Les prévi­sions acous­tiques réal­isées par l’Onera per­me­t­tent à Air­bus Heli­copters d’évaluer les émis­sions sonores pour les dif­férents modes de vol que per­me­t­tent ces nou­velles formules. 

La grande vitesse n’est pas l’unique pos­si­bil­ité d’extension des capac­ités des héli­cop­tères. On peut citer ain­si les réflex­ions sur la coopéra­tion héli­cop­tères-drones pour accroître les capac­ités pour des mis­sions civiles (sauve­tage par exem­ple) ou mil­i­taires. Dans ce domaine, les études menées con­cer­nent à la fois la sécu­rité des vols coor­don­nés de l’hélicoptère et du drone et les aspects fac­teurs humains asso­ciés à la super­vi­sion de sys­tèmes par­tielle­ment ou com­pléte­ment autonomes. 

Les nouveaux usages

Le développe­ment de nou­veaux appareils vise aus­si de nou­veaux usages de mobil­ité urbaine et péri­ur­baine, fondés sur l’électrification et la dis­tri­b­u­tion de la sus­ten­ta­tion et de la propul­sion. L’Onera accom­pa­gne l’expansion des voil­ures tour­nantes pour ces nou­veaux usages, comme la mobil­ité urbaine aéri­enne (UAM, Urban Air Mobil­i­ty) pour le trans­port de per­son­nes ou de biens. 

Les activ­ités abor­dent un grand nom­bre de sujets : le bruit et les nui­sances, les aspects liés à la motori­sa­tion élec­trique, à la com­pat­i­bil­ité élec­tro-mag­né­tique, ou les aspects liés à la sécu­rité des vols, avec notam­ment la par­tic­i­pa­tion de l’Onera aux groupes de tra­vail mis en place par l’EASA (Euro­pean Union Avi­a­tion Safe­ty Agency) pour établir les régle­men­ta­tions de cer­ti­fi­ca­tion pour ces nou­veaux appareils. 

Enfin, les travaux por­tent égale­ment sur les aspects véhicule avec l’objectif de fédér­er les com­pé­tences mul­ti­dis­ci­plinaires autour de la con­cep­tion prélim­i­naire d’un appareil pour des mis­sions de mobil­ité urbaine. L’ambition est à la fois de faire pro­gress­er les méth­odes et out­ils au tra­vers d’un exer­ci­ce de con­cep­tion et égale­ment de con­stru­ire un véhicule type, sup­port néces­saire aux travaux futurs sur les dif­férentes dis­ci­plines sur ce sujet.

“Deux hélices latérales pour
la propulsion additionnelle.”

Ain­si l’Onera en tant qu’acteur de recherche au ser­vice de l’État con­tribue aux recherch­es sur les héli­cop­tères et aux explo­rations du renou­velle­ment de la for­mule héli­cop­tère pour les nou­veaux besoins et les nou­veaux usages. En assur­ant le lien entre recherche et indus­trie, il est aus­si un parte­naire priv­ilégié de l’industrie et de la DGA pour la mat­u­ra­tion des tech­nolo­gies et la mise en pra­tique des résul­tats de recherche avec l’appui de ses experts, de ses moyens expéri­men­taux et de ses out­ils de sim­u­la­tion. Son ambi­tion est de pour­suiv­re ses recherch­es pour rester au meilleur niveau sci­en­tifique et tech­nique, afin d’une part de pro­pos­er et soutenir des inno­va­tions à l’industrie, et d’autre part d’accompagner les réflex­ions des ser­vices éta­tiques sur les futurs pro­grammes militaires. 

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