Hélice

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Hélice de navire

En mécanique, l'hélice est un dispositif formé de plusieurs pales disposées régulièrement autour d'un axe. Lorsque son axe entre en rotation, ce système décrit des hélices dans un fluide en avançant perpendiculairement au plan de rotation, grâce aux pales orientées suivant un certain angle de calage qui prennent appui sur le fluide. Une hélice peut donc être motrice (transfert d'énergie vers le fluide : avion) ou réceptrice (récupération d'énergie depuis le fluide : turbine, éolienne ou aérogénérateur), le profil et le calage des pales étant optimisés pour l'utilisation prévue.

Application : appareil de traction, compression, propulsion, sustentation, appareil de mesure

Histoire

Connue dans ses principes par les phéniciens et les grecs, notamment dans son application dans les ailes des moulins, le premier type d'hélice répertorié dans les textes occidentaux est la Vis d'Archimède qui fait son apparition vers -200 en tant qu'outil de pompage et d'irrigation. Cette même vis qui devait servir comme mode de propulsion pour des engins amphibies destinés à se déplacer avec la même aisance en eau libre comme sur le sable ou la vase.

Léonard de Vinci dans ses dessins eu l'idée de se servir d'une hélice construite sur le modèle de la vis d'Archimède pour sustenter un aéronef.

Elle apparait en tant que jouet d'enfant ou de manière stylisé dans de nombreux tableaux du moyen âge ainsi que sur des fresques antiques au Fayoum, à Knossos, à Pompei au Népal et en Inde

L'hélice apparaît en Europe pour propulser les navires, puis pour faire voler les avions et les hélicoptères.

Description

Paramètres d'une hélice:

• L'hélice courte, tous usages, marine et aviation, se compose d'un minimum de deux pales réunies par la partie centrale appelée moyeu. Elle se comporte comme une aile dont la force aérodynamique se décompose en traction et couple, ce couple d'hélice se tient automatiquement en équilibre avec le couple moteur. L'extrémité de pale ayant une vitesse linéaire plus importante que les sections de pale, plus au centre, il faut répartir l'effort de traction sans déformation du moyeu.
  Article détaillé : b:Hélice.
• L'hélices longue était, jusqu'au milieu du XIX^e siècle, étudiée et utilisée sur les navires. Elle a un très mauvais rendement. Elle est inutilisable sur les avions. On se reportera à l'histoire de l'hélice marine.
  Article détaillé : Hélice marine.

Applications

• Mue par un moteur, l'hélice est utilisée pour le déplacement d'une machine dans un fluide et, inversement pour mouvoir un fluide dans un contenant (la machine restant immobile). Il y a transfert d'énergie du moteur vers le fluide.
• Associée à un capteur, elle sert à mesurer la vitesse de déplacement d'un fluide, ou le déplacement d'un objet dans un fluide. Il n'y a théoriquement pas de transfert d'énergie.
• Associée à un récepteur ou un générateur, elle est utilisée pour récupérer de l'énergie dans un fluide en mouvement relatif (« alternateurs traîne » et largués derrière certains voiliers, moulins à vent, aérogénérateur, certaines turbines de centrales électriques...). Il y a transfert d'énergie du fluide vers le moteur.

Hélice marine

Hélice du navire USS Churchill (classe Arleigh Burke)

L'hélice marine était connue dans ses principes par les phéniciens et les grecs de l'antiquité, décrite par Archimède, et utilisée pour l'irrigation, mais elle fut rapidement oubliée. Elle fut redécouverte pour son application à la propulsion des navires au cours du XVIII^e siècle mais superbement ignorée durant des décennies par toutes les amirautés jusqu'à ce que son succès tardif ne réveille en elles, un soudain désir de "paternité" dans un but autant commercial que propagandiste nationaliste.

Installée sur The Turtle (La Tortue), premier sous-marin construit par l'inventeur David Bushnell dès 1776 dans le but de miner les navires britanniques lors de la Guerre d'indépendance des États-Unis, un autre de ses pionniers est l’américain John Stevens (1749-1838) qui construit et essaye en 1803 - 1804 le premier vapeur à hélice vraiment fonctionnel. Toutefois son invention reste ignorée et il faut attendre les années 1830 pour qu’elle soit reprise. En 1829 sous les yeux ébahis des triestins,le bateau La Civetta prend la mer. Joseph Ressel vient d'inventer l'hélice. A l'époque, pour aller de Trieste (Frioul) à Venise il faut 19 heures avec un bateau a aubes. Ressel cherche un sponsor pour construire un bateau à hélice. Il trouve un homme d'affaires britannique mais peu après, ses plans lui sont dérobés et une demande de brevet est déposée en Angleterre avec les mêmes caractéristiques. L’ingénieur français Frédéric Sauvage essaye la propulsion à hélice en 1832 sur une péniche de l'Ourcq de 15 pieds et l'ingénieur canadien John Patch sur un schooner en baie de Fundy en 1834. Tous deux furent dédaignés par leurs gouvernements respectifs et ils sont morts dans la misère. Dans le même temps, leur découverte triomphait grâce à l'intérêt porté en 1840 par la marine britannique à la démonstration de l'ingénieur Francis Pettit Smith sur le vapeur ( steamer) Archimede équipé d'une hélice raccourcie dont le rendement était bien supérieur aux hélices longues.

Exemple d'hélice sabre utilisable sur les sous-marin

L'hélice est devenue depuis le moyen de propulsion le plus courant pour déplacer un bateau ou un sous-marin.

Les hélices marines sont souvent coulées en fonte, bronze d'aluminium, aluminium, elles sont rarement assemblées.
Le nombre et la forme des pales dépendent de leur usage:

• Si l'usage est la traction on choisira une grande hélice avec un rapport important de surface portante par rapport à un disque de même diamètre.
• Si l'usage est mixte, pour un voilier, on choisira une hélice qui aura un minimum de trainée, voire avec des pales escamotables.
• Pour un sous-marin on choisira des hélices sabre pour éviter qu'elles se prennent dans les herbes, on multiplie le nombre de pales pour les rendre plus silencieuses.
• Pour un navire très rapide on choisira une hélice de surface afin de limiter la cavitation. La supercavitation n'est pas encore utilisée dans la propulsion par hélice

Hélice aérienne

Hélices contrarotatives sur un P-51 (moteur Rolls-Royce)

Hélices en drapeau (Hercules C-130)

L'hélice a été le premier système de propulsion en aviation et reste utilisée par les avions légers, les avions de transport régionaux volant à moins de Mach 0.6, et les avions de transport militaires. Le propfan est une évolution de l'hélice dont la forme des pales permet d'atteindre des vitesses plus élevées, jusqu'à Mach 0.8. On retrouve l'hélice sous une forme différente dans les soufflantes des réacteurs double flux des avions de ligne (c'est une hélice multipale carénée placée en amont du réacteur; elle assure l'essentiel de la poussée). On la retrouve encore sous la forme d'aubes de compresseurs superposées dans les turboréacteurs.

L'hélice est également utilisée par les hélicoptères (rotor principal et rotor de queue) et les aéroglisseurs.

Voir aussi

• Frédéric Sauvage, inventeur de l'hélice à spirale

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