Vers une approche de représentation énergétique de l’hélicoptère

ans ce chapitre, nous proposons une analyse de l’hélicoptère, basée sur une vision énergétique guidée par les outils de représentation de modèles présentés dans le Chapitre II. Il s’agit ici d’exploiter l’aspect méthodologique et organisationnel de ces formalismes graphiques afin de proposer une représentation unifiée globale de l’hélicoptère, permettant l’étude des couplages énergétiques, des transferts de puissance, entre les sous-systèmes qui le composent.  Tout d’abord, le bond graph à mots est utilisé pour une organisation et une description macroscopique afin d’obtenir un premier niveau de représentation. Ensuite, une analyse des différentes parties de la représentation macroscopique est présentée, montrant l’intérêt de décrire et modéliser certaines d’entre elles en détail à l’aide des outils retenus dans le chapitre précédent. Dans le cadre de l’approche de représentation énergétique multiniveau de l’hélicoptère, le choix de modélisation du sous-système rotor-fuselage est retenu. Une représentation multibond graph associée à ce sous-système est donc proposée en dernière partie de ce chapitre.  Dans la présente étude, ce sont les sources d’énergie qui sont le premier centre d’intérêt, plus que « les entrées » au sens de la fonction de l’hélicoptère (Chapitre I.1). Parmi les questions à poser pour aborder un système avec une vision énergétique, la première est celle de la provenance de l’énergie (Figure III.1). Dans le cas présent, la motorisation thermique peut être considérée comme la principale source de puissance mécanique, à laquelle s’ajoutent d’autres sources énergétiques qui correspondent aux interactions de l’appareil avec son environnement extérieur lors de son déplacement. On citera par exemple le contact avec le sol lors de la phase de roulage de l’hélicoptère, ou encore son interaction avec l’air en tant que source possible de perturbations (tel que lors de « rafales de vent »).

Une deuxième question concerne la destination de cette énergie. En première approche, cette énergie devrait être répartie entre l’entrainement des voilures tournantes (rotor principal et rotor arrière) et le déplacement des flux d’air que cela permet. Ces déplacements d’air doivent à leur tour permettre à la fois le contrôle de la sustentation de l’appareil et de son attitude. La Figure III.2 montre les différents éléments en interaction qui permettent ce cheminement de l’énergie. Nous exploitons par la suite l’outil de représentation bond graph (BG) pour définir la nature des variables entre les composants. Pour cela une étude simplifiée de la composition de la chaine de puissance est menée. Il s’agit ici de définir les fonctions énergétiques des principaux éléments permettant le transfert de puissance en s’appuyant sur les règles de modélisation structurelle du bond graph.  La chaine de puissance d’un hélicoptère, qui va de la motorisation aux deux rotors, principal et arrière, est essentiellement composée d’un ensemble de réducteurs et d’arbres de transmission. L’ensemble de la chaine permet d’assurer deux fonctions principales : la répartition de la puissance mécanique fournie par la motorisation et sa transmission aux différents éléments (rotors et fuselage). La chaine cinématique entre le moteur et les deux rotors comporte notamment des renvois d’angle entre les axes du moteur (axe longitudinal), du rotor principal (axe vertical) et du rotor arrière (axe transversal).

La Figure III.3 représente un schéma simplifié d’un hélicoptère montrant les principaux éléments de transmission de puissance entre les rotors et le fuselage. La Figure III.4, quant à elle, présente plus de détails sur la cinématique de ces éléments à travers l’exemple d’un hélicoptère de classe moyenne. Les éléments de la chaine de puissance sont essentiellement les boîtes de transmission principale (BTP) et arrière (BTA), comportant principalement des étages de réduction et des renvois d’angle, et les arbres de transmission de puissance aux rotors principal et arrière. La motorisation permet aussi d’entrainer un alternateur (non représenté) pour alimenter les réseaux d’énergie électrique de bord et les pompes hydrauliques permettant l’alimentation du réseau d’énergie hydraulique de bord. Les entrainements des générateurs électrique et hydraulique ne sont pas pris en compte pour la suite de l’étude.  Suite à la réflexion menée sur les outils dans le Chapitre II, le bond graph à mots est utilisé en première approche. Il est choisi en tant que premier niveau de description macroscopique et énergétique de l’hélicoptère, pour répondre à l’objectif visé d’une représentation multiniveau. Cette description consiste en une décomposition de l’hélicoptère en sous-systèmes qui échangent de la puissance. Cette première étape est nécessaire pour un tel système complexe afin d’avoir une représentation globale de référence.