Mieux comprendre le givrage sur un hélicoptère

Formation de glace expérimentale en forme de « queue de homard » sur une aile en flèche et trois prédictions numériques d’un angle de flèche, obtenues à l’aide du modèle morphogénétique du CNRC

Procéder à des essais sur un hélicoptère de recherche et de sauvetage dans des conditions de givre est parfois une entreprise risquée. Récemment, lorsque du personnel du ministère de la Défense nationale (MDN) du Canada a fait l'essai de son nouvel hélicoptère en volant à travers un nuage de pulvérisations produit par un hélicoptère militaire américain muni d'appareils spéciaux – sur les conseils de CNRC Aérospatiale –, il a eu tout un choc. Lors d'un essai particulier, la glace qui s'était accumulée sur le rotor principal s'est brisée et elle est allée frapper le rotor de queue, où elle a délogé d'autre glace, déclenchant plusieurs vibrations de la queue, créant une vive inquiétude chez l'équipage. Trouver une façon d'empêcher qu'un tel phénomène se produise dans des situations réelles est donc devenu une priorité. Cette nécessité s'est avérée encore plus pressante lorsque la consultation d'études existantes sur les chutes de glace a fourni peu de données utiles.

CNRC Aérospatiale et le MDN ont alors décidé de mettre sur pied un projet de recherche financé conjointement pour étudier le givrage sur les hélicoptères, et mettre ensuite à profit leurs nouvelles connaissances pour développer des outils de prévision. L'étude quinquennale analysera divers aspects du problème, dont la formation de glace, les chutes de glace et les trajectoires de la glace. Des expériences à petite échelle, dans le cadre desquelles on fera croître des échantillons de glace sur un objet dans une soufflerie de givrage en altitude, permettront de déterminer les tendances quant à l'adhérence de la glace et les chutes de glace. L'objet sera ensuite attaché au bras rotatif d'un banc d'essai de rotation, dans une chambre froide, et on le fera tourner jusqu'à ce que la glace se décolle.

« Il est très important de créer un type de glace réaliste », a dit le spécialiste en givrage de CNRC Aérospatiale, le D^r Myron Oleskiw. « Dans la soufflerie, nous pouvons le faire en contrôlant les conditions de croissance de la glace avec une très grande précision. Lorsque nous mettrons ces échantillons sur le banc d'essai de rotation, nous pourrons déterminer, avec fiabilité, la force d'adhésion pour ensuite appliquer ces connaissances à l'aspect numérique du projet et développer un outil de prédiction pour les chutes de glace. »

Pour créer cet outil de prédiction, nous aurons recours à un modèle morphogénétique breveté, primé, conçu par le D^r Krzysztof Szilder, agent de recherche principal à CNRC Aérospatiale. Sa technique est unique parmi celles qui existent car elle permet de prévoir la structure de la glace plutôt que d'en supposer les propriétés globales. « Mon modèle imite le comportement des gouttelettes individuelles, leurs trajectoires, leur mouvement stochastique sur la surface après impact et, finalement, leur congélation, a-t-il expliqué. Le modèle calcule une structure de glace quelque peu aléatoire qui correspond bien aux formes de glace observées. Il prévoit aussi très bien les différents types de glace, comme le givre blanc et le verglas, une caractéristique que l'on ne retrouve pas dans les modèles existants. De plus, les caractéristiques discrètes et aléatoires du modèle lui permettent de simuler, avec succès, et pour la première fois, une structure particulière appelée « queue de homard » qui peut se former sur les ailes en flèche. »

À une étape ultérieure du projet, on effectuera des essais en grandeur réelle sur un rotor de queue d'hélicoptère dans des conditions réalistes dans la soufflerie à propulsion à boucle ouverte et de givrage du CNRC pour déterminer dans quelles mesures le modèle numérique prédit les chutes de glace. Les résultats expérimentaux et numériques serviront à améliorer les systèmes de dégivrage sur les vrais hélicoptères.  

Les chercheurs du CNRC prévoient aussi étendre les études en grandeur réelle sur l'accumulation et les chutes de glace à la congélation des grosses gouttes en surfusion (GGS) qui seront produites à l'aide de systèmes de pulvérisation modifiés dans la même soufflerie. Les connaissances ainsi acquises permettront aux autorités d'incorporer les conditions des GGS à leurs exigences en matière de certification.

Hélicoptère de recherche et sauvetage Cormorant du Canada immergé dans un nuage de givre artificiel produit par le système de pulvérisation de givre d’un hélicoptère de la US Army

Ceci ne peut arriver trop tôt. Le Canada est reconnu, à l'échelle internationale, pour ses opérations par hélicoptère, souvent effectuées en hiver dans des conditions de givre – particulièrement sur la côte Est lorsque la mer est trop agitée pour transporter le personnel aux plates-formes pétrolières et l'y ramener. Il existe des systèmes de dégivrage, mais leur installation est coûteuse, leur poids réduit la charge utile, et leur complexité entraîne des pannes plus fréquentes. Les exploitants et les fabricants d'hélicoptères sont donc à la recherche de systèmes de protection contre la glace plus rentables.

« Ce projet fournira aux fabricants d'hélicoptères les connaissances dont ils ont besoin pour concevoir de meilleurs systèmes de protection contre la glace qui permettront à leurs aéronefs de voler dans une plus grande plage de conditions de vol, et d'élargir cette protection à une grande flotte d'hélicoptères », a expliqué le D^r Myron Oleskiw. « La combinaison d'installations uniques, de compétences en givrage et de capacités de calcul numérique de pointe leur offre un ensemble d'outils pour résoudre n'importe quel problème de givrage qu'ils pourraient rencontrer. »