État de l'anneau vortex

L' état de tourbillons annulaires (VRS) est une condition aérodynamique dangereuse qui peut survenir en vol d'hélicoptère , lorsqu'un système de tourbillons annulaires engloutit le rotor , provoquant une perte de portance importante . Le terme « tassement avec puissance » est souvent utilisé comme synonyme, par exemple en Australie, au Royaume-Uni et aux États-Unis, mais pas au Canada, qui utilise ce dernier terme pour un phénomène différent.

Un état de vortex annulaire se produit lorsque l'écoulement d'air autour du rotor principal d'un hélicoptère prend une forme symétrique en rotation sur les extrémités des pales, soutenu par un écoulement laminaire sur les extrémités des pales, et un contre-courant d'air ascendant à l'extérieur et loin du rotor. Dans cette condition, le rotor tombe dans un nouvel état topologique du champ d'écoulement environnant, induit par son propre courant descendant, et perd soudainement sa portance. Étant donné que les anneaux de vortex sont un phénomène de dynamique des fluides étonnamment stable (une forme de soliton topologique ), la meilleure façon de s'en remettre est de les éviter latéralement, afin de rétablir la portance, et de les briser en utilisant la puissance maximale du moteur, afin d'établir une turbulence .

C'est aussi pourquoi cette condition est souvent confondue avec une « stabilisation avec une puissance insuffisante » : des manœuvres à haute puissance peuvent à la fois induire un état d'anneau tourbillonnaire en air libre, puis à basse altitude, lors des conditions d'atterrissage, éventuellement le briser. Si la puissance disponible n'est pas suffisante pour maintenir le profil aérodynamique du rotor en position de décrochage, tout en générant une portance suffisante, l'avion ne pourra pas rester en l'air avant que l'état d'anneau tourbillonnaire ne se dissipe et s'écrasera.

Cette condition se produit également avec les tiltrotors , et elle a été responsable d' un accident impliquant un V-22 Osprey en 2000. L'état d'anneau vortex a provoqué la perte d'un hélicoptère MH-60 fortement modifié lors de l'opération Neptune Spear , le raid de 2011 au cours duquel Oussama ben Laden a été tué.

Comme les pales tournent autour d'un axe central, la vitesse de chaque profil aérodynamique est la plus faible au point où il se connecte à l'ensemble moyeu-poignée. Cette réalité physique fondamentale signifie que la partie la plus interne de chaque pale présente une vulnérabilité inhérente au décrochage .

En vol vers l'avant avec portance translationnelle , il n'y a pas de flux d'air ascendant ( courant ascendant ) dans la zone du moyeu. Lorsque la vitesse de l'air vers l'avant diminue et que les taux de descente verticale augmentent, un courant ascendant commence simplement parce qu'il n'y a pas de surfaces aérodynamiques dans la zone du moyeu, du mât et de l'ensemble pale-poignée.

Ensuite, à mesure que le volume du flux ascendant augmente dans la région centrale (c'est-à-dire entre le moyeu et les bords les plus intérieurs des profils aérodynamiques), le flux induit (air tiré ou « induit » vers le bas à travers le système de rotor) des sections de pales intérieures est surmonté. Cela provoque le décrochage des parties les plus intérieures des pales . [

Lorsque les sections intérieures des pales décrochent, un deuxième ensemble de tourbillons, semblable à ceux de l'extrémité du rotor, commence à se former dans et autour du centre du système rotor. Ceci, combiné à l'ensemble de tourbillons extérieurs, entraîne une perte de portance importante. L'incapacité d'un pilote d'hélicoptère à reconnaître et à réagir à cette condition peut entraîner des taux de descente élevés et un impact catastrophique au sol.

Un hélicoptère rencontre normalement cette condition lorsqu'il tente de voler en stationnaire hors effet de sol (OGE) sans maintenir un contrôle précis de l'altitude, et lorsqu'il effectue des approches sous le vent ou des approches motorisées raides lorsque la vitesse de l'air est inférieure à la portance translationnelle effective (ETL).

Les signes du VRS sont une vibration dans le système du rotor principal suivie d'une augmentation du taux de chute et éventuellement d'une diminution de l'autorité cyclique .

Dans les hélicoptères monorotor, l'état de l'anneau tourbillonnaire est traditionnellement corrigé en abaissant légèrement le collectif pour retrouver l'autorité cyclique et en utilisant la commande cyclique pour appliquer un mouvement latéral, en inclinant souvent le nez vers le bas pour établir un vol vers l'avant. Dans les hélicoptères à rotors tandem, la récupération s'effectue par une entrée cyclique latérale ou une entrée de pédale ou les deux. L'avion sortira de l'anneau tourbillonnaire dans un « air propre » et sera en mesure de retrouver sa portance.

Une autre correction désormais largement connue sous le nom de technique de récupération Vuichard après avoir gagné en popularité récemment, a été enseignée par Claude Vuichard, un inspecteur de l'Office fédéral de l'aviation civile (OFAC) en Suisse. Cette technique utilise une combinaison des trois commandes pour réduire la perte d'altitude et récupérer plus rapidement : appliquer le cyclique dans le sens de la poussée du rotor de queue, augmenter le collectif pour monter en puissance et coordonner avec la pédale de puissance pour maintenir le cap (commandes croisées). La récupération est complète lorsque le disque du rotor atteint la partie au vent du tourbillon.

Il est possible de sortir de l'état d'anneau vortex, mais cela nécessite environ deux fois la puissance nécessaire pour planer. Un seul hélicoptère grandeur nature, le Sikorsky S-64 Skycrane , est connu pour être capable de le faire à vide.

Les pilotes d'hélicoptère apprennent généralement à éviter le VRS en surveillant leur taux de descente à des vitesses aériennes plus basses. Lorsqu'ils rencontrent un VRS, les pilotes apprennent à appliquer le cyclique vers l'avant pour sortir de la condition et/ou à réduire le pas collectif . Alors que la transition vers un vol vers l'avant ou latéral atténuera la condition par elle-même, l'abaissement du collectif pour réduire la demande de puissance diminue la taille des tourbillons et réduit le temps nécessaire pour se libérer de la condition. Cependant, comme la condition se produit souvent près du sol, l'abaissement du collectif peut ne pas être une option ; une perte d'altitude se produira proportionnellement au taux de descente développé avant le début de la récupération. Dans certains cas, l'état d'anneau de vortex est rencontré et autorisé à progresser au point que le pilote peut perdre gravement l'autorité cyclique en raison du flux d'air perturbé. Dans ces cas, le seul recours du pilote peut être d'entrer en autorotation pour libérer le système rotor de son état d'anneau de vortex.

Dans un hélicoptère à rotors tandem , la poussée cyclique vers l'avant ne stoppera pas le taux de descente causé par le VRS. Dans un tel hélicoptère, qui utilise le pas collectif différentiel pour gagner en vitesse, les entrées cycliques latérales doivent être effectuées accompagnées d'entrées sur les pédales afin de glisser horizontalement hors de l'air perturbé de l'état d'anneau tourbillonnaire.

Les multirotors radiocommandés (courants sur les drones) sont soumis à l'aérodynamique normale des giravions, y compris l'état d'anneau de vortex. La conception du châssis, la taille et la puissance affectent la probabilité d'entrer dans cet état et d'en sortir. Les multirotors qui n'ont pas de maintien d'altitude sont également plus susceptibles de succomber à une erreur de l'opérateur, lorsque le pilote fait tomber l'appareil trop rapidement, ce qui entraîne un courant ascendant au niveau des moyeux du rotor qui peut conduire à l'état d'anneau de vortex. Ceux qui sont équipés de cette fonction, en revanche, ont tendance à contrôler leur descente automatiquement et peuvent généralement (mais pas toujours) échapper à la condition dangereuse.