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Le principe de vol est à la fois simple et très compliqué, tout dépend du niveau de sophistication de l'explication. Regardons dans les grandes directions le principe du vol de l'hélicoptère :

VOICI LES NOTIONS DE BASE :

L'hélice de l'avion assure une traction, elle "tire" l'avion en se vissant dans l'air comme une vis dans le bois, lorsqu'au décollage l'avion va assez vite son aile génère
une portance qui lui permet de voler.

Le rotor de l'hélicoptère, est à la fois l'aile et l'hélice, il assure traction et portance en tournant d'où son appellation "rotor".

Voici le schéma d'un hélicoptère :

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Les forces en présences :

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Les différents parties constituantes, en Anglais :

Image © helis.com

Le principe du vol :

Images © GKM Westland.

Le rotor est en entraîné en rotation par un groupe moto-propulseur,
constitué d'un moteur (à pistons ou turbine à gaz), d'un embrayage et d'un réducteur aussi appelé BTP (boîtier de transmission principal).

Seulement, comme pour l'hélice, le rotor exerce sur l'air un couple dû à son
mouvement, l'air en retour (principe d'action-réaction), exerce un autre couple
d'intensité égale mais de sens opposé. Imaginez vous en train de percer un mur
extrêmement dur avec une perceuse de 1000 CV, vous tourneriez avec la perceuse !
Et bien c'est ce qu'il passe avec le rotor principal, pour contrer cet effet et permettre
le vol, on dispose à l'arrière des hélicoptères un dispositifs "anti-couple" aussi appelé
"rotor de queue". Son but, vous l'avez compris, contrer le couple du rotor principal
et permettre un vol stable. Notez au passage que c'est le système le plus courant
utilisé actuellement mais que l'histoire de l'hélicoptère a vu d'autre systèmes : jet d'air, fenestron, deux rotors principaux (ce qui rend caduc l'anti-couple), mais aussi deux
rotors d'anti-couple.

Le rotor anti-couple consomme environ 10 % de la puissance, il est bruyant (en tout cas l'interaction sonore avec le rotor principal), il est dangereux (c'est une excellente tronçonneuse), il est sensible au vent de travers, il est coûteux et fragile, toutes ces raisons font que les constructeurs cherchent à l'éviter et/ou à l'optimiser.

Pour contrôler sa machine, le pilote dispose des trois commandes :
le palonnier manipulé par les pieds qui contrôle l'axe de lacet c'est
à dire l'anticouple, le manche à balai ou cyclique, qui contrôle les axes
de roulis et tangage et enfin le pas général ou collectif,
situé à gauche qui contrôle le moteur et le pas des pales.

Les commandes vol et leur effets :

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Le principe de l'anticouple :

Image © helis.com

Pour contrôler les organes mécaniques de sa machine, le
pilote dispose d'instruments disposés sur une console. Il indiquent
par exemple l'altitude, la vitesse, la régime du moteur et du
rotor, les couples de ces derniers, la radio...

Concernant l'anticouple, il est utilisé en permanence par
le pilote, à chaque variation de régime du rotor principal
le pilote doit effectuer une correction sur l'axe de lacet (anticouple),
comme par exemple lors du décollage. L'efficacité de cet organe
est fondamentale car les capacités de vol d'un hélicoptère
peuvent être limitées par vent de travers du fait de l'anticouple,
le pilote risque en effet de se retrouver 'en butée' (commande
braquée au maximum) !

Enfin, en vol rectiligne stabilisé, le pilote veille à la symétrie
de son vol grâce à un petit brin de laine fixé sur le Plexiglas de la
cabine, en agissant sur l'axe de lacet. On retrouve ce
petit ustensile sur les planeurs pour les même raisons !

Le rotor :

Vous l'avez compris, tout le principe du vol de l'hélicoptère
est basé sur cette 'aile en hélice'. Tout le problème consiste
à assurer la portance nécessaire au vol, mais aussi les
la possibilité de diriger précisément l'hélico. Il ne
faut pas oublier qu'une pale même légère (quelques kilos),
est soumise à des efforts très importants durant le vol
(l'équivalent de plusieurs 'tonnes'), et qu'elle doit donc être
solide mais en même temps rester souple !

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La principale difficulté est de 'transmettre' au rotor les 'ordres'
mécaniques donnés par le pilote. Or si le rotor tourne, pas les
commandes ! On utilise pour ce faire un système de plateaux
tournants, le plateau inférieur est incliné ou déplacé suivant l'axe
du rotor par les commandes, il transmet ces mouvements
au plateau supérieur auquel il est lié. Seulement, le plateau supérieur
est lié aux biellettes qui commandent le mouvement des pales !

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Maintenant que l'on sait commander le rotor, on s'aperçoit en vol
que pour des raisons de phénomène mécaniques (précession gyroscopique
notamment), il faut assurer au niveau du pied de pale des
articulations sans quoi le rotor est sa tête sont complètement rigides
et cassent à la première sollicitation ! Elles sont au nombre
de trois : articulation de : pas, traînée, et battement .
Sur les rotors de technologie ancienne, on assure ces articulation
à l'aide de pièces métalliques reliées entre-elles par des roulement à billes.
Cette technologie tend à disparaître, elle est lourde, chère, et
nécessite une maintenance importante (lubrifications...). On tend
à la remplacer par une technologie faisant appel aux
matériaux composites qui assurent les articulations grâceà
leur flexibilité naturelle !

Image © EUROCOPTER

Image d'une tête de rotor "Starflex" c'est à dire en composite
qui équipe les écureuils par exemple. Notez aussi les deux
plateaux cycliques et leurs vérins de commande.

Image © EUROCOPTER

Schéma d'une tête de rotor "Starflex", ici "l'étoile".

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Vue éclatée de différents types de pales (ancienne technologie)

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Cet éclaté du mat rotor explique aussi le fonctionnement
des deux plateau cycliques.

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La BTP

Vue en coupe d'une BTP :

Très bel éclaté en 3D d'une BTP de SE 3130,
notez la compléxité de l'ensemble.

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Schéma de principe de la BTP

Les moteurs :

Pour entraîné le ou les rotors, on utilise le puissance délivrée par
un ou des moteurs. Ces derniers sont dits à combustion
internes et sont de deux technologie : à piston ou à turbine.

Dans le cas d'un moteur à piston, essence ou diesel (sachant
qu'on ne trouve quasiment que de des moteurs à essence
(100 LL)), le moteur brûle un mélange air-essence qui en
s'enflammant expulse le piston vers le bas moteur, et fait
ainsi tourner le vilebrequin (arbre qui relie tous les pistons).
Les pistons montants et descendant chacun alternativement
suivant un cycle bien établit, on obtient un mouvement de rotation
régulier du vilebrequin qui entraîne alors la BTP.

Voici le schéma d'un moteur 4 cylindres - 4 temps :

Image © Editions Atlas

Vilebrequin : 17 - Piston : 22 - Soupapes : 3 - Arbre à cames : 10.

Voici en coupe le fonctionnement d'UN piston,
ce cycle mécanique est basé sur le cycle thermique
Beau de Rochas qui en découvrit le principe.
Il se déroule en 4 temps :

Admission-compression-détente-échappement :

On voit bien ici le mouvement alternatif des soupapes entraînées
par l'arbre à cames.

Voici donc pour les principes DE BASE.

Pour les turbines, on utilise aussi la transformation de l'énergie
chimique d'un carburant en énergie mécanique par un principe
cycle thermique - puissance mécanique. Ici la combustion
du carburant le kérosène (un genre de fioul, moins 'pure' que l'essence)
fait tourner des aubes de turbines qui entraînent la BTP. La turbine
est plus puissante et moins encombrante qu'un moteur à piston
mais elle coûte plus cher et consomme plus. Une turbine moyenne
tourne à 25.000 trs/min, elle est donc très bruyante, mais elle est
aussi plus fiable car ne risque pas le 'serrage' (blocage des pistons par
manque d'huile ou surchauffe).

Image © Turbomeca

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Superbe coupe d'une turbine, on retrouve le compresseur,
la chambre de combustion et la turbine.
Au premier plan, un ensemble réducteur entraînant les
servitudes (pompes...)

Pour en savoir plus :