Dossier du Vendredi #4

Il y a 80 ans, l'hélicoptère VS-300, créé par Igor Sikorsky, réalisait pour la première fois un décollage maritime et un amerrissage, devenant ainsi le premier hélicoptère amphibien de l'histoire. Depuis, la technologie s'est développée, et les hélicoptères sont régulièrement utilisés de nos jours à des fins privées, médicales ou militaires (par les hôpitaux, par exemple, pour porter secours rapidement aux personnes isolées ou encore par l'armée pour transporter des troupes et des équipements). Dans le futur, les hélicoptères sont amenés à évoluer pour devenir à moitié avion, ou à moitié voiture, comme dans le projet de taxis aériens de Uber, UberAir. Mais comment fonctionne un hélicoptère ? En quoi est-il différent d'un avion ou d'une montgolfière ? Pourquoi a-t-on dû attendre le 20^e siècle avant que de vrais hélicoptères ne voient le jour, alors que Léonard de Vinci en avait déjà imaginé les grandes lignes en 1486 ?

Ensemble, tentons de répondre à toutes ces questions !

L'idée de Léonard De Vinci

Difficile de présenter Léonard De Vinci, tant cet homme est un touche à tout que certains qualifient de génie. Né en 1452, en Toscane, il est connu comme artiste, inventeur, scientifique, écrivain ou encore philosophe - et la liste ne s'arrête pas là ! Tu le connais certainement en tant que peintre, grâce à son œuvre la plus populaire qui est exposée au musée du Louvres : la Joconde. Mais sache que son héritage va bien plus loin que ses tableaux. En effet, Léonard de Vinci était un expérimentateur créatif et très productif qui nous a légué de nombreuses idées innovantes. Parmi elles, ce que l'on pourrait considérer comme l'ancêtre de l'hélicoptère : « la vis aérienne ».

Le principe de la vis aérienne repose sur une invention antérieure appelée « vis d'Archimède », qui aurait été imaginée par ce dernier, lors d'un voyage en Egypte, afin d'aider les habitants des berges du Nil à arroser leur terrain grâce à l'eau du fleuve. Il s'agit d'une hélice plongée dans l'eau qui, en tournant sur elle-même, entraîne du liquide et permet de le mettre en mouvement .Cet outil est encore utilisé de nos jours, principalement dans des systèmes de pompage ou d'assainissement d'eau, mais aussi pour le déplacement de certains véhicules sur le sable ou la neige par exemple. En voyant la vis d’Archimède fonctionner dans l'eau, Léonard de Vinci se fait la réflexion que cela devrait  pouvoir marcher, aussi, pour déplacer un autre liquide : l'air ! La vis aérienne est née.

Comme tu peux le voir sur le dessin fait par Léonard De Vinci, la vis aérienne se compose d'une grande voile de tissu placée autour d'un mât en formant une hélice. Un mécanisme situé à la base du mât permet de le faire tourner à la force des bras. Ce mécanisme est également relié à un ressort. Ainsi, si l'on fait tourner le mât dans le sens des aiguilles d'une montre, puis qu'on relâche le mécanisme, le ressort entraîne le mât qui se met à tourner très vite dans le sens opposé. Le mouvement d'air généré par l'hélice en tissu reliée au mât fait alors s'envoler l'ensemble. Problème : le seul moyen de propulsion disponible à l'époque... c’est l'huile de coude, ce qui rend l'opération presqu’impossible. D'autres obstacles techniques tels que la résistance de la toile viennent également empêcher la concrétisation de cette idée. Il faut attendre l'arrivée des moteurs dans les années 1900 ! C'est alors que les hélicoptères tels que nous les connaissons aujourd'hui commencent à être construits.

Hélicoptère versus Avion

La meilleure façon de comprendre le fonctionnement de l'hélicoptère est peut-être de le comparer avec un autre appareil volant bien connu : l'avion. Si tu as déjà pris l'avion, tu es sûrement capable de me citer une ou deux grandes différences avec l'hélicoptère. Alors, une idée ? En voici quelques-unes.

La plus évidente, c'est qu'un hélicoptère décolle et atterrit verticalement, sans avoir besoin de piste très longue pour "prendre de l'élan", contrairement à un avion. C'est cela, entre autres choses, qui permet à l'hélicoptère d'intervenir pour des sauvetages, puisque qu'il n'a pas besoin d'aéroport pour atterrir, juste d'un terrain plat suffisamment grand ! Il peut tout simplement venir se poser dans ton jardin ou dans la cour de ton école quand c'est nécessaire.

Une autre grande différence, c'est que l'hélicoptère peut voler de façon stationnaire, autrement dit, il peut rester en vol à la même place, sans bouger ni verticalement ni latéralement. C'est impossible pour un avion, car un avion a besoin d'avancer pour continuer à voler. S'il s'arrête totalement, il tombe - ce qui n'est, en général, pas le but recherché ! C'est une autre caractéristique de l'hélicoptère qui lui permet d'intervenir en cas d'urgence en haute montagne par exemple. Quand il est impossible d'atterrir, car les personnes en danger sont bloquées dans une pente importante, l'hélicoptère se place en vol stationnaire au-dessus d'elles et leur descend une échelle.

Pourquoi ces différences ? L'avion et l'hélicoptère reposent sur le même principe, mais l'exploitent différemment. En effet, l'avion dispose d'ailes fixes - elles ne bougent pas de bas en haut comme les ailes d'un oiseau, ni ne tournent comme celles d'un hélicoptère. Ses moteurs lui permettent d'avancer à grande vitesse dans l'air. Si l'on regarde ce qu'il se passe au niveau des ailes lors de ce déplacement à grande vitesse, on remarque que les flux d'air autour de celles-ci créent ce qu'on appelle « une portance » ; c'est ce qui permet à l'avion de décoller. Plus la vitesse des flux d'airs est importante, plus la portance est importante également. Donc plus l'avion va vite, plus il peut monter haut. C'est pourquoi un avion ne peut pas faire de vol stationnaire : s’il s'arrête, plus de flux d'air autour des ailes et donc plus de portance !

A l'inverse, les ailes de l'hélicoptère, appelées pales, ne sont pas fixes ; elles tournent autour d'un axe relié au sommet de l'hélicoptère, comme tu peux le voir sur l'image. C'est leur rotation qui va engendrer des flux d'air autour d'elles, et ainsi créer de la portance. Ainsi, l'hélicoptère n'a pas besoin de moteurs pour se propulser en avant comme un avion, mais bien pour faire tourner ses pales afin de décoller et se maintenir en l'air. C'est en inclinant les pales que le pilote va pouvoir faire avancer ou tourner son appareil. Tu remarqueras aussi une plus petite hélice placée sur la queue de l'hélicoptère. Cette hélice n'est pas là pour aider l'hélice principale à soulever l'appareil, mais pour l'empêcher de tourner sur lui-même suite à la rotation des pales principales. Elle sert, en quelque sorte, de stabilisateur à l'hélicoptère. Il s'agit du modèle  de base d'un hélicoptère, mais il en existe beaucoup d'autres sortes, avec plusieurs hélices tournant dans le même sens ou dans des sens opposés. Cela permet de conférer une meilleure maniabilité ou stabilité à l'hélicoptère, mais le principe de fonctionnement reste le même.

Et dans le futur ?

Dans un futur pas si lointain, certaines compagnies prévoient d'utiliser les hélicoptères comme solution aux embouteillages dans les grandes villes. Par exemple, la société Uber envisage de tester, et ce déjà en 2023, son service de taxi aérien, qui prendrait place au sommet de buildings et fonctionneraient exactement comme pour les voitures - via des réservations sur leur application. De leur côté, Airbus et Italdesign ont annoncé leur projet de voiture-hélicoptère transformable, également prévu pour décongestionner les grandes villes. Dans les deux projets, les véhicules seraient électriques et fonctionneraient sur un système d'utilisation collective - pas question pour le moment de véhicules personnels.

Du côté militaire, le futur est dans les hybrides avion-hélicoptère. Le but ? Tirer parti des avantages des deux configurations en fonction de la situation. En effet, les hélicoptères peuvent décoller et atterrir verticalement, ce qui est avantageux dans certaines situations, comme nous l'avons déjà expliqué. Ils sont aussi bien plus facilement manœuvrables. D'un autre coté, les avions sont plus rapides et plus stables, ce qui peut aussi être avantageux dans d'autres contextes, tels que l'attaque par exemple. En créant des appareils munis d'hélices pouvant passer de la position horizontale à verticale en plein vol, on profite des avantages de l'hélicoptère au décollage, puis de ceux de l'avion lors des déplacements sur de plus longues distances. Parmi ces hybrides, on compte par exemple le convertible V280 Valor de BELL, photographié ci-dessous.

Activité : Construis ton propre hélicoptère !

Je parie que tu as déjà construit un avion en papier, peut-être même que tu as fait des concours avec tes amis pour voir lequel allait le plus loin. Mais as-tu déjà pensé à construire un hélicoptère en papier ? Si tu construis les deux et que tu les compares, les différences entre avion et hélicoptère qui t'ont été expliquées dans ce dossier apparaîtront, tout de suite, très clairement ! Comme pour les avions, il existe plusieurs méthodes de construction. A chacun sa préférée ! Arrives-tu à imaginer une façon de faire pour un hélicoptère ? Sur l'image ci-dessous, tu pourras déjà avoir une première idée, mais internet foisonne de vidéos sur le sujet, donc n'hésite pas à faire tes propres recherches et à devenir un vrai pro... Et si tu es d'humeur festive, tu peux mettre comme fond musical cette magnifique chanson en hommage des hélicoptères : https://www.youtube.com/watch?v=_uxRP-dV17o

Dossier préparé par les "YoungMinds" de Liège.