Hélice aérienne

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Hélice d'un F4U Corsair

L'hélice a été le premier système de propulsion mécanique en aviation[N 1] et reste encore utilisée pour les avions ne nécessitant pas de grandes vitesses de translation : domaine subsonique.

Schématiquement, une hélice d’avion est une aile en rotation (les ailes et les pales ont des profils voisins), générant une force propulsant l’avion vers l’avant. L'hélice en rotation prend l'air en avant de l'avion et le projette vers l'arrière à une vitesse supérieure à celle de l'avion : la masse d'air qui passe à travers l'hélice est accélérée. Selon le principe de la conservation de la quantité de mouvement une force de réaction s'applique sur l'hélice et la pousse vers l'avant. Ce principe est détaillé dans la théorie de Froude.

Historique[modifier | modifier le code]

L'hélice aérienne apparut au XIXe siècle comme le moyen de propulsion d'aéronefs. Elle se présentait alors comme le couplage de pagaies en rotation. Les premières réalisations concluantes furent des modèles réduits motorisés par des "moteurs à élastique". Mais c'est surtout avec l'apparition de la machine à vapeur qu'elle devait devenir le propulseur idéal de l'aéronautique naissante. En effet, l'Eole de Clément Ader était équipé d'une ou deux hélices quadripale dont les pales étaient semblables à des plumes d'oiseaux exotiques. Par la suite, avec l'apparition du moteur à explosion, les hélices ont été construites en bois.

Dans les premiers temps de l'aviation, l'hélice aérienne était considérée, au même titre que l'hélice marine, comme une vis se vissant dans l'air. c'est-à-dire que l'on se préoccupait surtout de l'intrados des pales dont on pensait que la surpression générait l'essentiel de la poussée. Pour cette raison, ces premières hélices avaient un très mauvais rendement. La puissance des moteurs augmentant, des hélices métalliques apparurent dans les années 1920. Réalisées en duralumin, elles étaient initialement de simples planches tordues.

Jusqu'à cette époque, les hélices étaient à calage fixe (pas fixe). Ces hélices simples, légères et peu coûteuses avaient permis l'essor de l'aviation mais elles présentaient des inconvénients. En particulier, selon la phase de vol : décollage, montée ou vol en palier, la vitesse de l'avion diffère. L'incidence des pales produisant la portance est intimement liée à la vitesse de l'avion. Ainsi, un avion équipé d'une hélice à petit pas était bien adapté pour réussir le décollage mais était pénalisé par sa vitesse de pointe. A contrario, les avions de vitesse de la coupe Schneider présentaient des hélices à grand pas. Ils étaient conçus pour fournir les meilleures performances à vitesse élevée mais étaient handicapés lors des phases de décollage et de montée. Pour adapter l'hélice aux conditions de vol, il apparaît donc nécessaire de modifier, en vol, le calage de l'hélice. L'adjonction d'un tel mécanisme rendit les hélices plus complexes, lourdes et coûteuses. Mais les bénéfices sur le rendement propulsif dans les différentes phases de vol devaient provoquer leur adoption généralisée. Dans le contexte de l'adaptation moteur/hélice, on a inventé un système de régulation automatique du pas de l'hélice destiné à maintenir un régime de rotation constant.

La puissance des moteurs continuant d'augmenter, il fallut concevoir des hélices de plus en plus puissantes. Pour y parvenir, plusieurs options sont envisageables :

  1. Accroître le diamètre de l'hélice. Cette solution conduit à une augmentation de la vitesse périphérique. Or l'entrée dans le domaine transsonique (V > M 0,8) génère l'accumulation d'ondes de pression en amont du bord d'attaque de l'extrémité de pale qui conduisent à une baisse du rendement aérodynamique, une augmentation des efforts et du niveau de bruit.
  2. Accroître la corde des pales. Cette solution correspond à une définition de pale à allongement réduit. De même que pour une aile d'avion, la finesse aérodynamique est d'autant plus élevée que l'allongement est grand. Par conséquent, cette solution a pour pour effet d'augmenter l'énergie des tourbillons marginaux en bout de pale.
  3. Accroître le nombre de pales. C'est la meilleure solution. Dans les premiers temps, la plupart des hélices étaient bipales. Des expérimentations ont même été réalisées avec des hélices à une pale équilibrées par des masselottes. Ces hélices provoquaient un déséquilibre de la portance propulsive conduisant à des vibrations et des contraintes de fatigue mécanique excessives. On a vu l'apparition satisfaisante d'hélices tripales. La puissance des moteurs continuant à augmenter, on a vu apparaître des hélices quadripale et même à 5 pales.
  4. Une solution complémentaire à l'accroissement du nombre de pales est l'apparition d'hélices contrarotatives. Dans la mesure où l'accroissement du nombre de pales sur un seul moyeu pose des problèmes d'encombrement mécanique, la répartition des pales sur 2 moyeux permet de résoudre le problème avec des avantages substantiels : l'hélice simple produit, du fait de son mouvement rotatif, un tourbillon de sillage hélicoïdal. L'adjonction d'une seconde hélice permet de redresser le flux d'air ce qui a pour conséquence immédiate une élévation significative du rendement de l'hélice. Cette solution rare a été mise en œuvre sur des moteurs puissants (turbopropulseur) avec à la clé une efficacité énergétique exceptionnelle permettant une économie de carburant très significative par rapport aux avions équipés de turboréacteur. Cette économie se traduit naturellement par une augmentation du rayon d'action.

Dans le contexte de l'augmentation du diamètre des hélices, de nouvelles hélices dites rapides ont fait leur apparition dans les années 1980. Ces "hélices rapides" sont caractérisées par des pales en "cimeterre". c'est-à-dire que leurs extrémités sont recourbées de façon à ce que le bord d'attaque présente une flêche croissante à mesure que la vitesse tangentielle s'accroît avec le rayon.

En raison de cette limitation de l'hélice aux vitesses subsoniques, on a longtemps cru à son obsolescence pour les avions de transport modernes à réaction. Or, son retour est annoncé par le concept de General Electric "UnDucted Fan" qui date des années 1980. Depuis l'apparition du turboréacteur lors de la seconde guerre mondiale, les gains réalisés sur les avions en vitesse ont été compensés par une augmentation substantielle de leur consommation de carburant. Pour pallier cet inconvénient, on a inventé le réacteur double-flux : un premier flux d'air passe dans les chambres de combustion pour être éjecté au travers de la turbine tandis qu'un second flux d'air est simplement accéléré par une soufflante (fan). Le rapport entre les deux flux massiques est appelé le taux de dilution. Les concepteurs de ces moteurs n'ont pas tardé à observer que le rendement énergétique était d'autant plus élévé que le taux de dilution l'était. Ainsi, on a vu apparaître des réacteurs double flux avec des soufflantes de plus en plus grandes. les dites soufflantes n'étant en fait que des hélices carénées. Comme son nom l'indique, le concept "UnDucted Fan" consiste à supprimer le carénage des hélices pour accroître leur diamètre. Ce concept est aujourd'hui repris par le projet Safran "Open Rotor" qui présente un doublet d'hélices rapides contrarotatives entraînées par des turbines dans le flux du réacteur. Le concepteur annonce un gain attendu sur la consommation spécifique de l'ordre de 30% par rapport aux réacteurs actuels. Ce n'est en fait rien d'autre que le retour à la bonne vieille hélice sous une forme modernisée.

Rendement de propulsion[modifier | modifier le code]

La puissance propulsive fournie par l'hélice est de l'ordre de 75 à 85 % de la puissance fournie par le moteur ; cette valeur peut monter à 90 % pour des hélices contra-rotatives.

Hélices en drapeau (Hercules C-130)

Pas[modifier | modifier le code]

Le pas géométrique, qui est fixe, est différent du pas effectif, qui varie avec la vitesse et le régime :

  • le pas géométrique est la distance théorique que l'hélice parcourt en faisant un tour, sans "glisser" (sans déraper dans le fluide, comme une vis dans du métal dur) ;
  • le pas effectif est la distance que parcourt réellement l’hélice, lorsqu’elle fait un tour complet.

En fonctionnement, le pas effectif de l'hélice est plus faible que le pas géométrique.

Calage des pales[modifier | modifier le code]

Pour un pas donné, le calage angulaire du profil va décroissant en s'éloignant du centre, car la vitesse locale augmente avec le rayon, ce qui conduit au vrillage de la pale. La corde et le profil varient généralement le long de la pale : les efforts de flexion conduisent à des pales plus épaisses à l'emplanture qu'à l'extrémité. La vitesse élevée en bout de pale conduit généralement à des profils plus minces, mieux adaptés aux Mach élevés.

Hélice carbone à pas réglable au sol pour ULM

Selon l'application, le calage des pales de l'hélice choisie sera adapté à la vitesse de vol :

  • petit pas PP : calage de 10° (environ) de la pale ; Meilleures performances au décollage, en montée, et pour aider à ralentir l'avion en approche ;
  • grand pas GP : calage de 45° (environ) de la pale ; Meilleures performances en croisière ;
  • mise en drapeau : calage à 90° (environ) de la pale, pour l’effacer dans le vent. Sur une hélice à pas variable en cas de panne moteur.

La plupart des ULM possèdent aujourd'hui des hélices à calage réglable au sol.

Pas variable, calage variable[modifier | modifier le code]

L'hélice dite "à pas variable" est dotée d'un mécanisme pour ajuster l'angle de calage des pales[1], pour fournir plus de traction à vitesse faible (en montée), et un régime moteur plus bas à la vitesse de croisière. En cas de panne du moteur, les pales peuvent être orientées de manière à offrir la moindre résistance au vent. On parle alors de mettre l'hélice en drapeau.

Les premiers systèmes à apparaitre étaient à mode manuel[2], le pilote pouvait donc modifier directement le calage des pales en actionnant les commandes PP et GP. En mode automatique, c’est le régulateur de vitesse (couplé à la commande des gaz ou avec une remontée du régime moteur) qui modifie le calage des pales, le pilote demandant une vitesse de rotation donnée (hélice à régime constant), ou la mise en drapeau.

Hélice à pales à pas variable d'un Lockheed P-3 Orion.

Tractive ou propulsive[modifier | modifier le code]

Une hélice est dite tractrice ou propulsive selon qu'elle est placée devant ou derrière le véhicule donc, on dit qu'elle le « tire » ou le « pousse ». La grande majorité des avions ont une ou des hélice tractrices, présentant généralement un meilleur rendement propulsif, l'hélice travaillant dans une masse d'air homogène, non perturbée par les sillages du fuselage et des ailes comme les hélices propulsives ; très peu sont à hélices propulsives (les premiers avions comme le Wright Flyer, le voisin III, le Royal Aircraft Factory F.E.8, le Convair B-36 Peacemaker, le Piaggio Avanti, les avions-canards de Burt Rutan). Quelques avions utilisent des hélices en configuration tandem ou push-pull, c'est-à-dire l'une propulsive et l'autre tractive (le Dornier X, le Dornier Do 335, le Cessna 337 Push-pull, le Rutan Defiant, le Fokker D.XXIII). De nombreux ULM sont en configuration propulsive.
Remarque : traction et propulsion désignent la même réalité physique, une propulsion.

L'hélice et les mitrailleuses[modifier | modifier le code]

Dans les premiers stades de l'aviation de guerre, l'emploi conjoint d'une mitrailleuse et d'un système de propulsion sur les avions de chasse obligeait à placer l'arme hors du disque décrit par lhélice (la plupart du temps sur la voilure supérieure des avions biplans) pour éviter leur destruction par les projectiles. Ceci avait comme inconvénient que le pilote devait tenir compte de la parallaxe entre son regard (la ligne de visée) et l'âme de l'arme. C'est l'aviateur Roland Garros qui mettra au point un premier dispositif déflecteur monté sur les pales, protégeant ainsi les pales de l'hélice. Par la suite, le néerlandais Anthony Fokker améliora le système en créant un système de synchronisation du tir avec la position angulaire de l'hélice. Plus tard, certains avions comme le Morane-Saulnier MS.406 ou le Dewoitine D.520 recevront un canon de Hispano Suiza de 20mm tirant au travers du moyeu d'hélice, mais cette disposition est restée marginale malgré sa grande efficacité du fait de l'emplacement peu accessible du canon (placé entre les 2 rangées de cylindres du moteur V 12) et de la faible capacité en munitions limitée par le volume disponible.

Pour les hélicoptères[modifier | modifier le code]

Les pales formant le rotor principal des hélicoptères sont de très grande taille et leur nombre varie en fonction de la masse et de la vitesse du véhicule.

  • Ce rotor assure à la fois la portance, la propulsion et le contrôle en tangage et en roulis du véhicule. Le régime de rotation étant quasiment constant, le contrôle de la trajectoire est obtenu par variation du pas.
  • La variation du pas peut être commandée collectivement c'est-à-dire de manière égale sur tout le rotor pour la montée/descente ou de manière dissymétrique dite « cyclique » pour les mouvements en tangage et en roulis. Le pas collectif est commandé par un levier à main gauche et le pas cyclique par le manche.
  • Le couple engendré par le rotor principal doit être compensé afin d'empêcher la cellule de tourner dans le sens contraire. Plusieurs solutions sont possibles :

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Le premier système de propulsion tout court est l'aile, qui transforme l'énergie potentielle de l'altitude (force de gravité) en portance et en poussée dans le régime de plané

Références[modifier | modifier le code]

  1. dont le principe avait été proposé en 1871 par J. Croce-Spinelli pour des ballons dirigeables) a été réalisée par le canadien W.R. Turnbull; premier essai concluant en 1927
  2. Les premières hélices à pas variable sur aviatechno.free.fr

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]