L’ONERA invente l’hélicoptère du futur

Véritable agitateur d’idées aéronautiques et spatiales, l’Office Nationale d’Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA) a fêté l’année dernière ses 70 ans. Près d’un siècle de recherches, d’innovations et de réflexions sur le futur d’un domaine en perpétuelle évolution. L’ONERA et ses équipes d’experts passionnés s’efforcent de conjuguer au présent le futur de l’aérospatial dans des domaines aussi variés que l’avion, l’hélicoptère, le drone ou les engins spatiaux.

Fait exceptionnel, en septembre 2016 s’est tenu à Lille le 42ème forum européen des hélicoptères (European Rotorcraft Forum) qui a réuni pas moins de 213 participants issus de 19 nationalités. L’ERF est l’un des tout premiers rendez-vous de la communauté du giravion, qui fait se rencontrer les constructeurs, les centres de recherche, les écoles, les opérateurs et agences de certification avec l’objectif de faire le point sur les avancées en matière de recherche et de développement, du design, des tests et du marché du giravion. L’ONERA, jouant à domicile, était bien évidemment de la partie pour présenter ses compétences en matière de prospective aéronautique mais également pour dévoiler le fruit de son travail en collaboration avec les industriels du secteur.

Un centre de recherche à la pointe de la technologie

Car l’ONERA n’est pas uniquement le lieu de l’invention du futur de l’aéronautique et du spatial. Cette dame d’un âge respectable est bien active : « C’est aussi un centre de recherche de pointe en matière d’hélicoptère », souligne Blanche Demaret, directrice déléguée du programme de recherche hélicoptère à l’Onera qui précise : « nos équipes coopèrent avec de nombreux centres de recherche internationaux telle la DLR en Allemagne. »

L’ONERA détient une connaissance précise des phénomènes physiques qui président à la mécanique du vol ou à l’aérodynamique, acquis par les connaissances de la physique des phénomènes et validés en soufflerie ou lors de simulations en laboratoire. « Mais le centre français ne tourne pas en vase clos et travaille en coopération avec l’industrie et les opérationnels (les pilotes, ndlr) » précise Blanche Demaret, en matière de dynamique, de vibrations et de sécurité des vols (givrage, foudre et crash).

Blue Edge ou le fruit de 25 ans de travail

L’un des meilleurs exemples récents de cette coopération est la forme de pale Blue Edge. Le problème des hélicoptères, et de manière générale des aéronefs, est qu’ils sont bruyants. Si l’on peut difficilement concevoir des aéronefs totalement silencieux, on peut toutefois réduire leur signature sonore. C’est ainsi que l’ONERA et la DLR ont travaillé ensemble dans les années 90 pour mettre au point une pale révolutionnaire à l’origine des pales du H160 actuellement en développement chez Airbus Helicopters.

Philippe Beaumier, adjoint au directeur du département aérodynamique appliquée à l’Onera, a travaillé sur le projet. « Nous avons œuvré en collaboration avec l’équipe allemande sur le projet de pale silencieuse pour aboutir fin 1998 à une pale globalement satisfaisante dans les différentes phases de vol » explique Philippe Beaumier, enthousiaste. « Toutefois, précise-t-il, les performances en vol stationnaire n’étaient pas optimales. Eurocopter, devenu Airbus Helicopter, souhaitait poursuivre les recherches pour améliorer ce point sensible. »

Une équipe de 15 personnes

Les équipes de l’ONERA ont alors planché sur l’acoustique et l’aérodynamique de manière à rendre efficace la pale dans toutes les phases de vol. Une équipe de quinze personnes s’est attelée à la tâche. Après des heures de calculs et de simulations, le premier essai en vol a eu lieu en 2008 sur un Dauphin. Les résultats ont été tout à fait satisfaisants : la pale permettant un emport supplémentaire de 160 kg de masse décollable et gagnant également de 4 à 5 dB en phase de descente de l’hélicoptère (bruit perçu divisé par 2). Au final, entre le concept et sa réalisation, 25 ans d’études numériques, de tests en laboratoire et d’essais en vol auront été nécessaires.

Commandes de vol et dynamique

Si les enjeux environnementaux font partie intégrante des recherches de l’ONERA, ses équipes travaillent également, aux quatre coins de la France, à moderniser les systèmes de vol non seulement pour gagner en maniabilité mais aussi en sécurité. Parmi les huit centres de l’Onera en France, celui de Salon-de-Provence est situé sur la base du même nom, non loin des installations d’Airbus Helicopters mais aussi du Centre d’Essais en Vol (CEV) d’Istres.

Laurent Binet, ingénieur de recherches, est en charge de la mise au point des essais avec le CEV. Il travaille notamment au développement d’aides au pilotage et à la protection de l’enveloppe de vol des hélicoptères. « Tant que les hélicoptères auront un rotor, nous aurons du travail à la fois sur l’acoustique mais aussi sur l’assistance au pilotage et sur le renforcement de la sécurité » explique-t-il. Et Laurent Binet de poursuivre : « Imaginez quelques instants que vous pilotez un hélicoptère et là survient la hantise de tout pilote : l’arrêt du moteur. Vous avez alors entre deux et quatre secondes pour réagir de manière à récupérer vos tours rotor. On comptabilise, malheureusement, autant d’accidents en entraînement qu’en exploitation du fait du caractère très délicat de la manœuvre d’autorotation. » En cas de perte du moteur, l’objectif est de mettre le rotor en régime d’autorotation de manière à éviter le décrochage, stabiliser la descente et amortir le poser. Une partie des équipes de l’Onera va alors travailler sur le sujet, en collaboration avec de multiples entités extérieures.

Modus operandi du projet

L’objectif de ce projet est de développer des aides au pilotage. « Il nous faut connaître les phénomènes physiques qui ont lieu lors de l’autorotation » explique Laurent Binet qui précise : « nous allons utiliser des modèles numériques qui nous permettront de travailler sur ordinateur. » Mais au préalable, il est nécessaire de valider ces modèles. Une seule solution : la campagne d’essais qui permettra de se doter d’une base de données expérimentales. « On peut parfois utiliser la soufflerie bien sûr, ce qui représente un gain de temps et qui réduit les coûts », poursuit Laurent Binet, « mais on ne peut tout recréer en soufflerie : il nous faut également obtenir des données en vol réel. »

Récupération de données

Minimanche

Ainsi, l’Onera et le CEV travaillent actuellement sur un minimanche actif qui permettra en sus de la commande de pilotage de restituer de l’information au pilote. Depuis le début des années 2000, le travail de l’Onera consiste, sur ce projet, à avertir le pilote du décrochage de son appareil, dû en particulier au phénomène de vortex qui peut aboutir au décrochage du rotor. Le rotor aspire l’air du dessus et crée ainsi une colonne d’air. « Si l’hélicoptère descend, explique Laurent Binet, un conflit va alors se créer : des tourbillons autour du rotor risquent d’entraîner un décrochage complet du disque rotor. Plus on avance vite et plus les vortex ainsi formés seront chassés vers l’arrière. » Si l’on peut récupérer la situation en altitude, à vitesse lente et près du sol, ce phénomène devient très dangereux. En outre, sur certains appareils, l’apparition du vortex est difficilement décelable. C’est ainsi qu’un V-22 s’est crashé en avril 2000 après que son rotor droit a décroché, provoquant le retournement de l’hélicoptère qui s’est écrasé au sol, tuant ses 19 passagers.

« C’est un phénomène difficilement détectable, précise Laurent Binet, qui concerne aussi bien les pilotes de loisir que les professionnels et jusqu’aux militaires. Tous les appareils ne se comportent pas de la même manière à l’apparition d’un vortex : d’où l’intérêt de l’étudier ! » L’ONERA et le DLR ont alors souhaité travailler sur le sujet en utilisant  des campagnes d’essais faites précédemment sur un Dauphin. « La solution du minimanche nous a semblé  intéressante pour avertir le pilote de l’approche du phénomène », conclut Laurent Binet.

Un travail de machines… et de pilotes

Dans les travaux de recherche, le modèle informatique a de grands avantages, mais aussi ses limites. Il est nécessaire de disposer de modèles réalistes permettant de simuler le comportement de l’hélicoptère de manière optimale. Le modèle est constitué d’équations de la mécanique (les forces en jeu, l’aérodynamique…) et d’une somme d’états : attitudes (roulis, tangage, lacet), vitesses, etc. Une difficulté supplémentaire est qu’une pale d’hélicoptère mesure environ 4 mètres avec 20 cm de corde : la pale subit une déformation plus ou moins importante à certaines incidences, d’où la difficulté de modéliser son comportement aéro-élastique. On peut utiliser deux modèles distincts : un modèle linéaire valable sur un point de vol donné, comme le vol stationnaire, et un modèle non linéaire, valable l’ensemble du domaine de vol.

L’ONERA, le centre français de recherche aérospatiale, a encore de belles années devant lui. Un projet de réorganisation, baptisé Nov’Onera, a d’ailleurs été présenté le 17 mars dernier par Jean-Yves Le Drian, Ministre de la défense, et Bruno Sainjon, Président directeur général de l’ONERA. Ce contrat associe l’Onera et le ministère de la Défense autour d’objectifs partagés pour la période allant de 2017 à 2021. Mais l’Onera travaille également de manière étroite avec les industriels tels qu’Airbus, dans ses différents secteurs, allant de l’hélicoptère au drone en passant par l’avion et le spatial. L’objectif : gagner en sécurité et en productivité tout en étant le plus respectueux de l’environnement. En somme, une vraie démarche de développement durable.

Fabrice Morlon

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