Hélice aérienne

L'hélice a été le premier système de propulsion en aviation et reste encore utilisée pour les avions ne nécessitant pas de grandes vitesses de translation.

Schématiquement, une hélice d’avion est avant tout une aile en rotation (les ailes et les pales ont des profils voisins), propulsant l’avion vers l’avant. La face avant de la pale est bombée comme l’extrados d'un profil d’aile tandis que la face arrière (l’intrados) est généralement plate. La vitesse de l'air à l'extrados supérieure à celle de l'intrados crée une dépression relative à l'extrados et un surpression relative à l'intrados qui génèrent la "poussée".

Rendement de propulsion

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

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 bois).
• Le pas effectif est la distance que parcourt réellement l’hélice, lorsqu’elle fait un tour complet.

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

Calage des pales

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 possiblement le profil, sont susceptibles de varier pour la même raison.

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.

Pas variable (ou plus exactement calage variable)

L'hélice 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 moins de trainée à plus grande vitesse (en croisière). En cas de panne du moteur, les pales peuvent être orientées de manière à offrir la moindre résistance au vent et ne pas créer de traînée. 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 ou la mise en drapeau (hélice à régime constant).

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

Tractive ou propulsive

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 ; très peu sont à hélices propulsives (le Dornier X, le Convair B-36 Peacemaker, le Piaggio Avanti, le Royal Aircraft Factory F.E.8, les avions canards de Burt Rutan). Quelques avions utilisent deux hélices en configuration push-pull, c'est-à-dire l'une propulsive et l'autre tractive (le Dornier Do 335, le Cessna 337 Push-pull, le Rutan Defiant, le Fokker D.XXIII). Remarque : traction et propulsion désignent la même chose, une propulsion. Il serait plus judicieux de parler d'hélice "amont" et "aval".

L'hélice et les mitrailleuses

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 la rotation des pales (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 le premier mécanisme permettant d'assurer le passage des balles entre les pales 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 du placement du canon (placé entre les 2 rangées de cylindres du moteur V12) et de la faible capacité en munitions limitée par le volume disponible. Ensuite, le néerlandais Anthony Fokker améliora le système en créant un système de blocage du tir lorsque l'hélice passe devant la mitrailleuse de l'avion.

Pour les hélicoptères

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 :
  • un système de propulsion latérale assuré par un rotor anticouple ou par effet Coanda (système NOTAR) sur la poutre de queue. Ce système assure également la gouverne en lacet (direction).
  • un second rotor principal qui peut être superposé au premier et placé sur le même axe mais tournant en sens inverse (rotor contrarotatif comme sur les appareils Kamov) ou placé à une distance plus ou moins grande du premier (rotor engrenant comme sur le Kaman K-Max).

Notes et références

Voir aussi

• Histoire et cours sur les hélices aérienne
• Histoire et cours sur les hélices aérienne

Articles connexes

• Hélice
• Hélice marine

• Portail de l’aéronautique