Identification du comportement en torsion à fort facteur d’avancement des pales d’hélicoptère conventionne : application à la réduction des efforts de commandes sur une formule hybride haute vitesse de type X3

Torsionnal behavior identification of a conventionnal helicopter blade and rotor at high avdance ratio : application to the reduction of control loads on the X3-type hybrid helicopter

• Auteur / Autrice : Manuel Paris
• Direction : Jean-Claude Carmona
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 05/11/2014
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'information et des systèmes (Marseille) - Laboratoire des sciences de l'information et des systèmes (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Serge Huberson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Claude Carmona, François Malburet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marilena Pavel, Philippe Devinant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rotors (hélicoptères) -- Aérodynamique

Hélicoptères

Mots clés libres

Hélicoptère hybride

Charges de commande

Aéromécanique

Blade design

Hybid helicopter

Control loads

Aeromechanics

Blade design

Résumé

L'augmentation de la vitesse de croisière des hélicoptères à architecture conventionnelle (rotor principal et rotor anticouple) atteint aujourd'hui une asymptote. Le concept X3, associant 2 hélices et une aile pour alléger la charge du rotor principal, propose une solution viable économiquement, qui s'appuie sur l'utilisation de technologies éprouvées telles que le rotor Spheriflex® du Dauphin. Les essais en vol menés sur le démonstrateur X3 ont montré un bon comportement en performances et en qualités de vol de ce type de rotor, mais un niveau de charges très importants dans les commandes de vol. Pour limiter la masse à vide, la solution de surdimensionner toutes les pièces mécaniques n'est pas envisageable. Ce travail de thèse propose d'étudier les opportunités de réduction des efforts de commandes.Afin de pouvoir réduire ces efforts, il a été nécessaire de comprendre leur origine et de proposer une modélisation qui permette de les prédire. Des mesures expérimentales réalisées sur le démonstrateur X3 ont permis d'identifier les excitations aérodynamiques et le comportement dynamique des pales en torsion. Les phénomènes responsables de l'augmentation des efforts de commande ont été identifiés, ce qui a permis de corriger le modèle de calcul des efforts de commande HOST actuellement utilisé par Airbus Helicopters.A partir du logiciel HOST corrigé et de la compréhension des phénomènes physiques, des solutions technologiques pour réduire les efforts de commandes ont été étudiées. Deux familles de solutions sont alors considérées : l'optimisation du système de commandes de vol et la réduction des efforts dans les bielles de pas. L'optimisation du système de commandes de vol permet d'obtenir une réduction significative des efforts de commandes grâce à un algorithme d'optimisation de l'architecture de placement des servocommandes. L'étude de la réduction des efforts dans les bielles de pas montre que le choix de l'équilibre appareil conduit à des opportunités de réduction des efforts de commandes, alors que la modification du design de pale n'apporte pas de réduction notable et engendre une diminution des performances en stationnaire.

Nowadays, the increase of cruise speed for conventional helicopters (main rotor and anti-torque rear rotor) reaches an asymptote. The X3 concept proposed by Airbus Helicopters is a hybrid helicopter combining 2 propellers at the tip of small wings in order to unload the main rotor. This solution is economically viable because it reuses well-proven technologies such as the Spheriflex rotor, already used on the Dolphin family for many years. X3 flight tests have shown a good behavior of the rotor concerning performances as well as handling qualities, but control loads in the rotor system were significantly higher in cruise conditions than for conventional helicopters. In order to save the payload, over-sizing of the mechanical parts in order to withstand these loads can't be an appropriate solution. The work presented in this thesis deals with the problematic of control loads reduction.In order to reduce the control loads, the first step is to highlight the roots of these loads and to get a predictive tool over the whole flight domain. Experimental measurements from X3 flight tests give the aerodynamic loads on the blade sections, leading to understand the blades torsional dynamic behavior in several flight test cases (cruise, turns and high speed flight). Phenomena responsible for the increase of control loads are then identified, and the rotor computation tool HOST used at Airbus Helicopters is corrected to predict accurately control loads over the conventional as well as the high speed helicopter flight domain.The corrected rotor computation tool HOST, associated with the physical comprehension of the blade torsional dynamics, is used to quantify the possible solutions proposed for control loads reduction. Two main ways are studied: the optimization of the control system architecture and the reduction of pitch link loads. The optimization of control system architecture shows a dramatic reduction of control loads in the servo actuators and in the non-rotating scissors, thanks to an optimization algorithm developed during this thesis. The reduction of pitch link loads study shows that the optimization of the helicopter equilibrium leads to drastic reduction, whereas the modification of blade design does not show any significant reduction even at high speed.