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Les hélices



Partie I


Une hélice est destinée à transformer l'énergie fournie par le moteur en une force de traction rectiligne. Grâce à ses qualités aérodynamiques, l'hélice transforme le couple fourni par le moteur en une force assurant le déplacement de l'avion dans l'air. D'un point de vue énergétique, elle absorbe l'énergie du moteur et la restitue sous forme d'énergie de traction, mieux adaptée au milieu (l'atmosphère) dans lequel elle se trouve.
Comme dans toute transformation d'énergie, il y a des pertes. C'est à l'aide de la notion de rendement qu'elles sont quantifiées. Le rendement d'une hélice est le rapport entre l'énergie restituée par cette dernière et l'énergie fournie par le moteur. Une hélice parfaite aurait un rendement de 1 mais, dans la réalité, le rendement se situe entre 0,7 et 0,9.

Dans les premiers âges de l'aviation, les hélices avaient un rendement très faible provenant d'une lacune dans l'analyse menée par les concepteurs. En effet, ils pensaient que la traction de l'hélice n'était uniquement causée que par sa partie arrière (donc, sans utiliser la face avant). Ils imaginaient l'hélice comme une "vis à air", nom que les anglo-saxons continuent à utiliser sous le terme de "airscrew".
Fort heureusement pour le développement de l'aéronautique, les concepteurs réalisèrent qu'ils pouvaient améliorer les choses en considérant les pales comme des ailes tournantes, ce qui les conduisit à s'intéresser à l'extrados de ces dernières. Le progrès technologique aidant, il fut possible d'ajouter du vrillage et de la cambrure, ce qui se traduisit une amélioration considérable du rendement. De façon schématique, de la même manière qu'une aile d'avion, on peut imaginer que la rotation de l'hélice crée une portance horizontale, ce qui a pour effet d'"attirer" l'avion vers l'avant.

La figure ci contre représente le dessin d'une hélice montée sur son arbre moteur. Le pas de l'hélice (P) est l'angle formé entre la corde du profil de la pale et le plan de rotation. Lorsque cet angle est petit, on parle de petit pas ("low" ou "fine" pour les anglais). Lorsque cet angle est grand, on parle de grand pas ("coarse" pour les anglais). Au fur et à mesure que cet angle augmente, le pas augmente.

L'angle d'incidence de la pale est l'angle formé par la corde de cette dernière et la vitesse résultante agissant sur la pale. La vitesse résultante est la combinaison de deux vitesses: celle de rotation de la pale et celle d'avancement de l'avion. A la différence d'une aile d'avion, la vitesse résultante n'est pas constante tout au long de la pale. Cette variation est due au fait que la vitesse de rotation de la pale varie linéairement tout au long de son "envergure": très faible sur le cône de l'hélice, importante en extrémité.

Ainsi, pour une pale de 2 mètres de diamètre, tournant à 2100 tr/mn, la vitesse à 50 cm du moyeu est de 396 km/h et en extrémité de 762 km/h. Toujours avec ces mêmes valeurs, lorsque l'avion avance à 400 km/h, la vitesse résultante est de 563 km/h en milieu de pale et de 887 km/h en extrémité. Cela a pour conséquence que le pas minimum nécessaire est 45° à mi pale et de 27° en extrémité. Ce pas correspond à une incidence nulle. Pour que le système puisse créer de la traction toutes les sections d'une pale doivent avoir un angle d'incidence de l'ordre de 5°. Dans ces conditions, le pas est alors de 50° à mi pale et de 32° en extrémité. Différentes valeurs sont indiquées dans le tableau suivant:

A partir des éléments ci dessus, on en déduit que, pour une vitesse donnée de l'avion, l'angle que fait la vitesse résultante de la pale avec le plan de rotation diminue lorsque l'on s'éloigne de l'axe de rotation. La courbe suivante, issue du tableau pour une vitesse avion de 400 km/h met en évidence ce point:

C'est la raison qui explique le vrillage des hélices qui permet de conserver un angle constant d'incidence tout au long de la pale. D'un point de vue géométrique, la moitié interne de la pale tourne moins vite que la moitié externe. Elle produit, de ce fait, moins de traction. Il en résulte que la partie de l'hélice proche du cône d'hélice a une nécessité structurelle (fixation de l'hélice sur l'arbre moteur) mais contribue peu à la traction de l'avion.

Après que les fabricants d'hélices aient réussi à les vriller, un autre problème est apparu. Toujours en utilisant les éléments des tableaux ci dessus, traçons l'évolution de l'angle que fait la vitesse résultante avec le plan de rotation en fonction de la vitesse de l'avion (sur différentes sections le long du rayon de la pale):

Les courbes montrent que pour conserver une incidence constante à l'hélice (afin d'optimiser ses performances), il est nécessaire de faire varier le pas de l'hélice en fonction de la vitesse. Ainsi, une hélice à pas fixe ne peut résulter que d'un compromis à faire sur la plage des vitesses possibles de l'avion.
Pour être efficace, le pas d'une hélice doit être petit au décollage (faible vitesse de l'avion), moyen pour les vitesses modérées (lors d'une montée par exemple) et grand pour le vol de croisière...

Aux débuts de l'aviation, seules les hélices à pas fixe étaient présentes. En fait, il est préférable de parler de calage d'hélice, car, sur une hélice à "pas fixe", celui ci évolue tout au long du rayon de la pale.
Avec une hélice à calage fixe, le pilote devait choisir l'hélice à monter avant son vol: une hélice pour la montée avec un pas moyen ou une hélice à grand pas pour la croisière. Dans ce dernier cas, il fallait s'armer de patience pour le décollage et la montée d'autant plus que beaucoup de temps était passé au sol pour monter l'hélice choisie...

La première étape a été franchie lorsque les constructeurs ont proposé une hélice à pas réglable au sol. Il suffisait alors, au pilote avant le vol, de débloquer le collier de serrage des pales et d'en changer le pas en les faisant pivoter dans la direction voulue. Bien sur, ce dispositif n'était pas utilisable en vol !!!

Cette limite a été franchie grâce à l'introduction de l'hélice à pas variable actionnée par une manette située dans le cockpit. Le réglage était fait à partir de systèmes mécaniques, hydrauliques ou électriques. Avant le décollage, le pilote réglait son hélice en petit pas, plus efficace pour les vitesses faibles. Ce petit pas diminuait la traînée générée par les pales et ce qui donnait un régime moteur plus important et donc une puissance plus grande. En cours de monté, le pilote augmentait légèrement le pas de l'hélice de façon à obtenir le taux de monté optimum. Enfin, pour la croisière, le pas était encore augmenté.
On peut donc en conclure que cette hélice à pas variable permettait de répondre à toutes les phases de vol.

Toutefois, un point reste encore à résoudre comme sur les hélices à pas fixe.
Supposons l'avion en vol de croisière avec le pilote tirant sur le manche sans changer la puissance du moteur. Cette manoeuvre entraîne un cabrage de l'avion associé à une diminution de la vitesse. Simultanément, sous l'augmentation des contraintes aérodynamiques, la vitesse de rotation de l'hélice diminue.D'une façon symétrique, pousser sur le manche pour mettre l'avion en descente conduira à une augmentation de la vitesse de rotation de l'hélice

Pour maintenir une vitesse de rotation constante avec une hélice à pas fixe, lorsque la vitesse de l'avion change, le pilote doit utiliser la manette des gaz.

Dans le cas d'utilisation d'une hélice à pas variable, pour maintenir la vitesse de rotation de l'hélice constante lors d'une variation de vitesse de l'avion, le pilote à le choix:

  • changer le réglage du pas de l'hélice,
  • ajuster la manette des gaz.

En diminuant l'angle de pas, la vitesse de rotation augmentera, symétriquement, elle diminuera si l'angle de pas augmente.
A partir de cette constatation, est née l'idée d'un système changeant automatiquement le pas de l'hélice pour compenser les variations du régime moteur: c'est le "constant speed propeller (CSP)" que l'on traduit en "hélice à vitesse constante". La mise en application de cette idée a été rendue possible par l'adjonction d'un régulateur de vitesse.

L'utilisation d'un régulateur centrifuge, monté sur l'arbre de l'hélice, a permis la mise en oeuvre du "CSP".
Imaginons un avion en vol stabilisé horizontal, à vitesse et régime donnés. Une légère augmentation de la vitesse de rotation de l'hélice (due par exemple à un début de piqué) va faire écarter les masselottes du régulateur. Ces dernières vont alors agir sur les vannes d'un circuit hydraulique à haute pression qui va modifier le pas de l'hélice en le faisant augmenter. Cette augmentation, va se traduire par une baisse du régime moteur et donc "effacer" l'augmentation initiale du régime moteur en maintenant constante la vitesse de l'hélice.
Bien évidemment, dans le cas d'une diminution de la vitesse de rotation (cas d'une montée par exemple), les masselottes du régulateur, vont au contraire, par diminution du pas, avoir tendance à augmenter le régime moteur.
La variation du pas d'hélice se faisant par l'intermédiaire de circuits hydrauliques à haute pression, des variations de la pression d'huile s'observeront sur les cadrans du bord.

Le réglage de la manette des gaz, dans les limites des capacités d'ajustement du pas de l'hélice, n'affecte pas le nombre de tour d'une hélice à vitesse constante. Lorsque la puissance est réduite, l'hélice se met automatiquement en "petit pas" pour maintenir les tours sélectionnés. Inversement, elle passe en "grand pas" lorsque l'on augmente la puissance du moteur. Ainsi, lors de l'utilisation d'une hélice à vitesse constante, dans certaines limites, le compte tour ne varie pas. Dans ce cas, ce ne peut donc pas être le bon instrument à utiliser pour contrôler la puissance moteur d'un appareil muni d'une hélice équipée d'un "CSP". C'est la mesure de la pression d'admission qui sera utilisée pour le contrôle de la puissance du moteur.

Des limitations existent encore avec les hélices. De la même façon que dans le cas de la portance d'une aile, la traction d'une hélice est fonction de sa vitesse de rotation et de la la surface de ses pales.

Si les hélices devaient tourner plus rapidement, les extrémités des pales passeraient assez vite en régime supersonique. La conséquences de ce phénomène serait de provoquer un bruit extrême, une traînée et des vibrations importantes. En outre, une partie de l'énergie étant absorbée par l'onde de choc, le rendement de l'hélice se dégraderait très fortement. De la même façon, de tels phénomènes se retrouvent lors d'une augmentation du diamètre de l'hélice causés par la vitesse en bout des pales.

Une des possibilités d'augmenter la surface d'une pale, donc la traction, est d'élargir sa corde de profil. Dans ce cas, l'allongement trop faible de la pale conduit à la création de tourbillons générant de la traînée induite qui dégrade le rendement.

La solution a finalement été trouvée en augmentant le nombre de pales ce qui conduit à augmenter la surface sans pour autant augmenter la vitesse périphérique des pales. Cette augmentation de surface permet d'absorber plus d'énergie et donc de monter des moteurs plus puissants. On est donc passé d'hélices à 2 pales à 3, 4, 5 pales... Cette recherche dans l'augmentation de la surface à même conduit à l'utilisation d'hélice contrarotatives montées sur le même arbre. Cette solution permet également d'éliminer les effets asymétriques dus à une seule hélice (souffle hélicoïdal, effet gyroscopique) ainsi que l'énergie gaspillée à produire un flux tourbillonnant.

Un siècle après leurs premières utilisations, les hélices équipent encore de nombreux appareils et les progrès de la technologie, des matériaux et des moyens de calcul font qu'elles ne sont pas encore prêtes à disparaître.



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