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Hélicoptère


Contexte

Les hélicoptères sont classés comme aéronefs à voilure tournante et leur voilure tournante est communément appelée rotor principal ou simplement le rotor. Contrairement aux aéronefs à voilure fixe plus courants tels qu'un biplan de sport ou un avion de ligne, l'hélicoptère est capable de décoller et d'atterrir directement à la verticale ; il peut également planer dans une position fixe. Ces caractéristiques le rendent idéal pour une utilisation là où l'espace est limité ou où la capacité de survoler une zone précise est nécessaire. Actuellement, des hélicoptères sont utilisés pour épousseter les cultures, appliquer des pesticides, accéder à des zones éloignées pour des travaux environnementaux, livrer des fournitures aux travailleurs sur des plates-formes pétrolières maritimes éloignées, prendre des photos, filmer des films, secourir des personnes piégées dans des endroits inaccessibles, transporter des victimes d'accidents et éteindre des incendies. De plus, ils ont de nombreuses applications de renseignement et militaires.

De nombreuses personnes ont contribué à la conception et au développement de l'hélicoptère. L'idée semble avoir été d'origine bionique, ce qui signifie qu'elle découle d'une tentative d'adapter un phénomène naturel - dans ce cas, le fruit tourbillonnant et bifurqué de l'érable - à une conception mécanique. Les premiers efforts pour imiter les gousses d'érable ont produit le tourbillon, un jouet pour enfants populaire en Chine ainsi que dans l'Europe médiévale. Au XVe siècle, Léonard de Vinci, le célèbre peintre, sculpteur, architecte et ingénieur italien, a esquissé une machine volante qui pourrait avoir été basée sur le tourbillon. Le prochain croquis survivant d'un hélicoptère date du début du XIXe siècle, lorsque le scientifique britannique Sir George Cayley a dessiné un avion à deux rotors dans son carnet. Au début du XXe siècle, le Français Paul Cornu a réussi à se soulever du sol pendant quelques secondes dans un hélicoptère des premiers temps. Cependant, Cornu était limité par les mêmes problèmes qui continueraient à affliger tous les premiers concepteurs pendant plusieurs décennies :personne n'avait encore conçu un moteur capable de générer suffisamment de poussée verticale pour soulever à la fois l'hélicoptère et toute charge importante (y compris les passagers) du sol. .

Igor Sikorsky, un ingénieur russe, a construit son premier hélicoptère en 1909. Lorsque ni ce prototype ni son successeur de 1910 n'ont réussi, Sikorsky a décidé qu'il ne pouvait pas construire un hélicoptère sans des matériaux et de l'argent plus sophistiqués, il a donc reporté son attention sur les avions. Pendant la Première Guerre mondiale, l'ingénieur hongrois Theodore von Karman a construit un hélicoptère qui, une fois attaché, était capable de planer pendant de longues périodes. Quelques années plus tard, l'Espagnol Juan de la Cierva développa une machine qu'il appela un autogire en réponse à la tendance des avions conventionnels à perdre de la puissance moteur et à s'écraser à l'atterrissage. S'il pouvait concevoir un avion dans lequel la portance et la poussée (vitesse avant) étaient des fonctions distinctes, a spéculé Cierva, il pourrait contourner ce problème. L'autogire qu'il inventa par la suite incorporait des caractéristiques à la fois de l'hélicoptère et de l'avion, même s'il ressemblait davantage à ce dernier. L'autogire avait un rotor qui fonctionnait comme un moulin à vent. Une fois mis en mouvement en roulant au sol, le rotor pourrait générer une portance supplémentaire; cependant, l'autogire était propulsé principalement par un moteur d'avion conventionnel. Pour éviter les problèmes d'atterrissage, le moteur pouvait être débranché et l'autogire amené doucement au repos par le rotor, qui cesserait progressivement de tourner au fur et à mesure que l'engin atteignait le sol. Populaires dans les années 1920 et 1930, les autogires ont cessé d'être produits après le raffinement de l'hélicoptère conventionnel.

L'hélicoptère a finalement été perfectionné par Igor Sikorsky. Des progrès dans la théorie aérodynamique et les matériaux de construction avaient été réalisés depuis l'effort initial de Sikorsky et, en 1939, il a décollé du sol dans son premier hélicoptère opérationnel. Deux ans plus tard, une conception améliorée lui a permis de rester en l'air pendant une heure et demie, établissant un record du monde de vol soutenu en hélicoptère.

L'hélicoptère a été utilisé à des fins militaires presque immédiatement après son introduction. Bien qu'il n'ait pas été largement utilisé pendant la Seconde Guerre mondiale, le terrain de la jungle de la Corée et du Vietnam a incité l'utilisation généralisée de l'hélicoptère au cours de ces deux guerres, et les raffinements technologiques en ont également fait un outil précieux pendant la guerre du golfe Persique. Ces dernières années, cependant, l'industrie privée a probablement été à l'origine de la plus forte augmentation de l'utilisation des hélicoptères, car de nombreuses entreprises ont commencé à transporter leurs cadres par hélicoptère. De plus, les services de navettes en hélicoptère se sont multipliés, notamment le long du corridor urbain du nord-est américain. Pourtant, parmi les civils, l'hélicoptère reste surtout connu pour ses utilisations médicales, de sauvetage et de secours.

Conception

La puissance d'un hélicoptère provient soit d'un moteur à pistons, soit d'une turbine à gaz (cette dernière a prédominé récemment), qui déplace l'arbre du rotor, faisant tourner le rotor. Alors qu'un avion standard génère une poussée en poussant de l'air derrière son aile lorsqu'il avance, le rotor de l'hélicoptère atteint la portance en poussant l'air sous lui vers le bas pendant qu'il tourne. La portance est proportionnelle à la variation de la quantité de mouvement de l'air (sa masse multipliée par sa vitesse) :plus la quantité de mouvement est grande, plus la portance est grande.

Les systèmes de rotor d'hélicoptère se composent de deux à six pales fixées à un moyeu central. Généralement longues et étroites, les pales tournent relativement lentement, car cela minimise la quantité d'énergie nécessaire pour atteindre et maintenir la portance, et aussi parce que cela facilite le contrôle du véhicule. Alors que les hélicoptères légers à usage général ont souvent un rotor principal à deux pales, les engins plus lourds peuvent utiliser une conception à quatre pales ou deux rotors principaux séparés pour supporter de lourdes charges.

Pour diriger un hélicoptère, le pilote doit régler le pas des pales, qui peut être réglé de trois manières. Dans le collectif système, le pas de toutes les pales fixées sur le rotor est identique; dans le cyclique système, le pas de chaque pale est conçu pour fluctuer lorsque le rotor tourne, et le troisième système utilise une combinaison des deux premiers. Pour déplacer l'hélicoptère dans n'importe quelle direction, le pilote actionne le levier qui règle le pas collectif et/ou le manche qui règle le pas cyclique; il peut également être nécessaire d'augmenter ou de réduire la vitesse.

Contrairement aux avions, qui sont conçus pour minimiser l'encombrement et les protubérances qui alourdiraient l'engin et entraveraient la circulation de l'air autour de lui, les hélicoptères ont inévitablement une traînée élevée. Ainsi, les concepteurs n'ont pas utilisé le type de train d'atterrissage rétractable familier aux personnes qui ont vu des avions décoller ou atterrir - les gains aérodynamiques d'un tel système seraient proportionnellement insignifiants pour un hélicoptère. En général, les trains d'atterrissage des hélicoptères sont beaucoup plus simples que ceux des avions. Alors que ces derniers nécessitent de longues pistes sur lesquelles réduire la vitesse d'avancement, les hélicoptères doivent uniquement réduire la portance verticale, ce qu'ils peuvent faire en planant avant d'atterrir. Ainsi, ils n'ont même pas besoin d'amortisseurs :leur train d'atterrissage ne comporte généralement que des roues ou des patins, ou les deux.

Un problème associé aux pales de rotor d'hélicoptère se produit parce que le flux d'air le long de la longueur de chaque pale diffère considérablement. Cela signifie que la portance et la traînée fluctuent pour chaque pale tout au long du cycle de rotation, exerçant ainsi une influence instable sur l'hélicoptère. Un problème connexe se produit parce que, lorsque l'hélicoptère avance, la portance sous les pales qui entrent en premier dans le flux d'air est élevée, mais celle sous les pales du côté opposé du rotor est faible. L'effet net de ces problèmes est de déstabiliser l'hélicoptère. Typiquement, le moyen de compenser ces variations imprévisibles de portance et de traînée est de fabriquer des pales flexibles reliées au rotor par une charnière. Cette conception permet à chaque lame de se déplacer vers le haut ou vers le bas, en s'adaptant aux changements de portance et de traînée.

Le couple, un autre problème lié à la physique d'une aile en rotation, fait tourner le fuselage de l'hélicoptère (cabine) dans le sens opposé du rotor, en particulier lorsque l'hélicoptère se déplace à basse vitesse ou en vol stationnaire. Pour compenser cette réaction, de nombreux hélicoptères utilisent un rotor de queue, une pale exposée ou un ventilateur caréné monté à l'extrémité de la poutre de queue que l'on voit généralement sur ces engins. Un autre moyen de contrer le couple consiste à installer deux rotors, attachés au même moteur mais tournant dans des directions opposées, tandis qu'une troisième conception, plus compacte, comprend des rotors jumeaux qui sont enchevêtrés, un peu comme un batteur à œufs. Des alternatives supplémentaires ont été recherchées et au moins une conception NOTAR (pas de rotor de queue) a été introduite.

Matières premières

La cellule, ou structure fondamentale, d'un hélicoptère peut être constituée de matériaux composites métalliques ou organiques, ou d'une combinaison des deux. Des exigences de performance plus élevées inciteront le concepteur à privilégier les composites avec un rapport résistance/poids plus élevé, souvent de l'époxy (une résine) renforcé de verre, de l'aramide (une fibre de nylon solide et flexible) ou de la fibre de carbone. Typiquement, un composant composite se compose de plusieurs couches de résines imprégnées de fibres, liées pour former un panneau lisse. Les sous-structures tubulaires et en tôle sont généralement en aluminium, bien que en acier inoxydable ou le titane sont parfois utilisés dans des zones soumises à des contraintes ou à une chaleur plus élevées. Pour faciliter le pliage pendant le processus de fabrication, le tube structurel est souvent rempli de silicate de sodium fondu. Les pales des voilures tournantes d'un hélicoptère sont généralement constituées de résine renforcée de fibres, qui peut être collée avec une couche de tôle externe pour protéger les bords. Le pare-brise et les vitres de l'hélicoptère sont constitués de feuilles de polycarbonate.

Le processus de fabrication

Igor Sikorsky pilote son engin, le VS-300, près du sol lors de cette démonstration de 1943.

En 1939, un émigré russe aux États-Unis a testé ce qui allait devenir un prototype important pour les hélicoptères ultérieurs. Déjà un constructeur aéronautique prospère dans son pays natal, Igor Sikorsky a fui la révolution de 1917, attiré par les États-Unis par les histoires de Thomas Edison et Henry Ford.

Sikorsky est rapidement devenu un constructeur aéronautique à succès dans son pays d'adoption. Mais son rêve était le décollage vertical, le vol à voilure tournante. Il expérimente pendant plus de vingt ans et finalement, en 1939, effectue son premier vol à bord d'un engin baptisé le VS 300. Attaché au sol avec de longues cordes, son engin n'a pas volé à plus de 50 pieds du sol lors de ses premiers vols. Même alors, il y avait des problèmes :l'engin volait vers le haut, vers le bas et latéralement, mais pas vers l'avant. Cependant, la technologie des hélicoptères s'est développée si rapidement que certains ont été utilisés par les troupes américaines pendant la Seconde Guerre mondiale.

L'hélicoptère a contribué directement à au moins une technologie de production révolutionnaire. Au fur et à mesure que les hélicoptères devenaient plus gros et plus puissants, les calculs de précision nécessaires à la conception des pales, qui avaient des exigences strictes, augmentaient de façon exponentielle. En 1947, John C. Parsons de Traverse City, Michigan, a commencé à chercher des moyens d'accélérer l'ingénierie des aubes produites par son entreprise. Parsons a contacté International Business Machine Corp. et lui a demandé d'essayer l'un de ses nouveaux ordinateurs de bureau. En 1951, Parsons essayait de faire en sorte que les calculs de l'ordinateur guident réellement la machine-outil. Ses idées ont finalement été développées dans l'industrie des machines-outils à commande numérique par ordinateur (CNC) qui a révolutionné les méthodes de production modernes.

William S. Pretzer

Cellule :Préparation de la tubulure

Détails de la tôlerie de formage

Réalisation des noyaux de composants composites

Réalisation du fuselage

Installation du moteur, de la transmission,
et des rotors

Systèmes et contrôles

Assemblage final

Contrôle qualité

Une fois les composants tubulaires formés, ils sont inspectés à la recherche de fissures. Pour trouver les défauts, les travailleurs traitent les tubes avec un pénétrant liquide fluorescent qui s'infiltre dans les fissures et autres défauts de surface. Après avoir essuyé l'excès de liquide, ils saupoudrent le tube enduit d'une fine poudre qui interagit avec le pénétrant pour rendre visibles les défauts. Une fois les composants tubulaires soudés, ils sont inspectés à l'aide de méthodes aux rayons X et/ou par ressuage fluorescent pour découvrir les défauts. À la fin, les contours des détails de la tôle sont vérifiés par rapport aux modèles de formulaire et travaillés à la main selon les besoins pour s'adapter. Après avoir été autoclavés et découpés, les panneaux composites sont inspectés par ultrasons pour identifier toute rupture possible des lamelles ou des vides remplis de gaz qui pourraient entraîner une défaillance structurelle. Avant l'installation, le moteur et les sous-ensembles de transmission sont soigneusement inspectés et un équipement de test spécial, conçu sur mesure pour chaque application, est utilisé pour examiner les systèmes de câblage. Tous les autres composants sont également testés avant assemblage, et l'avion terminé est testé en vol en plus de recevoir une inspection globale.

Le futur

Les procédés et techniques de fabrication continueront d'évoluer en réponse à la nécessité de réduire les coûts et à l'introduction de nouveaux matériaux. L'automatisation peut encore améliorer la qualité (et réduire les coûts de main-d'œuvre). Les ordinateurs deviendront plus importants dans l'amélioration des conceptions, la mise en œuvre des modifications de conception et la réduction de la quantité de paperasse créée, utilisée et stockée pour chaque hélicoptère construit. De plus, l'utilisation de robots pour enrouler le filament, envelopper le ruban et placer la fibre permettra aux structures de fuselage d'être constituées de moins de pièces plus intégrées. En termes de matériaux, les résines thermoplastiques avancées à haute résistance promettent une plus grande résistance aux chocs et une meilleure réparabilité que les résines thermoplastiques actuelles telles que l'époxy et le polyimide. Les composites métalliques tels que l'aluminium renforcé de fibre de bore ou le magnésium renforcé de particules de carbure de silicium promettent également des rapports résistance/poids plus élevés pour les composants critiques tels que les boîtiers de transmission tout en conservant l'avantage de résistance à la chaleur du métal par rapport aux matériaux organiques.


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