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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