Aéronef : principes de base des hélices 

L'hélice d'avion se compose de deux pales ou plus et d'un moyeu central auquel les pales sont fixées. Chaque pale d'une hélice d'avion est essentiellement une aile rotative. En raison de leur construction, les pales de l'hélice ressemblent à des profils aérodynamiques et produisent des forces qui créent la poussée pour tirer ou pousser l'avion dans les airs. Le moteur fournit la puissance nécessaire pour faire tourner les pales de l'hélice dans l'air à grande vitesse, et l'hélice transforme la puissance de rotation du moteur en poussée vers l'avant.

Une coupe transversale d'une pale d'hélice typique est illustrée à la figure. Cette section ou élément de pale est une voilure assimilable à une section transversale d'une aile d'avion. Une surface de la pale est cambrée ou incurvée, semblable à la surface supérieure d'une aile d'avion, tandis que l'autre surface est plate comme la surface inférieure d'une aile. La ligne de corde est une ligne imaginaire tracée à travers la pale de son bord d'attaque à son bord de fuite. Comme dans une aile, le bord d'attaque est le bord épais de la pale qui rencontre l'air lorsque l'hélice tourne. L'angle de la pale, généralement mesuré en degrés, est l'angle entre la corde de la pale et le plan de rotation et est mesuré à un point spécifique sur la longueur de la pale. Parce que la plupart des hélices ont une "face" de pale plate, la ligne de corde est souvent tracée le long de la face de la pale de l'hélice. Le pas n'est pas l'angle de la lame, mais comme le pas est largement déterminé par l'angle de la pale, les deux termes sont souvent utilisés de manière interchangeable. Une augmentation ou une diminution de l'un est généralement associée à une augmentation ou une diminution de l'autre. Le pas d'une hélice peut être désigné en pouces. Une hélice désignée comme « 74–48 » aurait une longueur de 74 pouces et un pas effectif de 48 pouces. Le pas est la distance en pouces que l'hélice traverserait dans l'air en un tour s'il n'y avait pas de glissement.

Lors de la spécification d'une hélice à pas fixe pour un nouveau type d'avion, le constructeur en sélectionne généralement une avec un pas qui fonctionne efficacement à la vitesse de croisière attendue de l'avion. Chaque hélice à pas fixe doit être un compromis car elle ne peut être efficace qu'à une combinaison donnée de vitesse et de tours par minute (rpm). Les pilotes ne peuvent pas modifier cette combinaison en vol.

Lorsque l'avion est au repos au sol avec le moteur en marche, ou se déplaçant lentement au début du décollage, l'efficacité de l'hélice est très faible car l'hélice est empêchée d'avancer à une vitesse suffisante pour permettre à ses pales à pas fixe d'atteindre leur plein Efficacité. Dans cette situation, chaque pale d'hélice tourne dans l'air à un AOA qui produit relativement peu de poussée pour la quantité de puissance nécessaire pour la faire tourner.

Pour comprendre l'action d'une hélice, considérons d'abord son mouvement, qui est à la fois rotatif et vers l'avant. Comme le montrent les vecteurs des forces de l'hélice sur la figure, chaque section d'une pale d'hélice se déplace vers le bas et vers l'avant. L'angle auquel cet air (vent relatif) frappe la pale de l'hélice est son AOA. La déviation de l'air produite par cet angle fait que la pression dynamique du côté moteur de la pale de l'hélice est supérieure à la pression atmosphérique, créant ainsi une poussée. 

La forme de la pale crée également de la poussée car elle est cambrée comme la forme du profil aérodynamique d'une aile. Lorsque l'air passe devant l'hélice, la pression d'un côté est inférieure à celle de l'autre. Comme dans une aile, une force de réaction est produite dans le sens de la moindre pression. Le flux d'air au-dessus de l'aile a moins de pression et la force (portance) est vers le haut. Dans le cas de l'hélice, qui est montée dans un plan vertical au lieu d'un plan horizontal, la zone de pression réduite se trouve devant l'hélice et la force (poussée) est dirigée vers l'avant. Sur le plan aérodynamique, la poussée est le résultat de la forme de l'hélice et de l'angle d'attaque de la pale.  

La poussée peut également être considérée en termes de masse d'air manipulée par l'hélice. En ces termes, la poussée est égale à la masse d'air manipulée multipliée par la vitesse du sillage moins la vitesse de l'avion. La puissance dépensée pour produire la poussée dépend de la vitesse de déplacement de la masse d'air. En moyenne, la poussée constitue environ 80 % du couple (puissance totale absorbée par l'hélice). Les 20 % restants sont perdus en friction et en glissement. Pour toute vitesse de rotation, la puissance absorbée par l'hélice équilibre la puissance délivrée par le moteur. Pour toute révolution de l'hélice, la quantité d'air manipulée dépend de l'angle des pales, qui détermine la taille d'une "morsure" d'air prise par l'hélice. Ainsi, l'angle des pales est un excellent moyen d'ajuster la charge sur l'hélice pour contrôler le régime moteur.

L'angle des pales est également une excellente méthode pour régler l'angle d'attaque de l'hélice. Sur les hélices à vitesse constante, l'angle des pales doit être ajusté pour fournir l'angle d'attaque le plus efficace à toutes les vitesses du moteur et de l'avion. Les courbes de portance par rapport à la traînée, qui sont tracées pour les hélices ainsi que pour les ailes, indiquent que l'angle d'attaque le plus efficace est petit, variant de +2° à +4°. L'angle de pale réel nécessaire pour maintenir ce petit AOA varie avec la vitesse d'avancement de l'avion.

Les hélices à pas fixe et réglables au sol sont conçues pour une meilleure efficacité à une rotation et à une vitesse d'avancement. Ils sont conçus pour une combinaison avion-moteur donnée. Une hélice peut être utilisée qui offre une efficacité maximale pour le décollage, la montée, la croisière ou le vol à grande vitesse. Toute modification de ces conditions entraîne une baisse du rendement de l'hélice et du moteur. Étant donné que l'efficacité de toute machine est le rapport entre la puissance de sortie utile et la puissance d'entrée réelle, l'efficacité de l'hélice est le rapport entre la puissance de poussée et la puissance de freinage. L'efficacité de l'hélice varie de 50 à 87 %, selon le degré de « patinage » de l'hélice. Le glissement de l'hélice est la différence entre le pas géométrique de l'hélice et son pas effectif. Le pas géométrique est la distance théorique à laquelle une hélice doit avancer en un tour ; le pas effectif est la distance sur laquelle il avance réellement. Ainsi, le pas géométrique ou théorique est basé sur l'absence de glissement, mais le pas réel ou effectif inclut le glissement de l'hélice dans l'air.  

La raison pour laquelle une hélice est «tordue» est que les parties extérieures des pales de l'hélice, comme toutes les choses qui tournent autour d'un point central, se déplacent plus rapidement que les parties proches du moyeu. Si les pales avaient le même pas géométrique sur toute leur longueur, les parties proches du moyeu pourraient avoir des AOA négatifs tandis que les extrémités des hélices seraient calées à la vitesse de croisière. La torsion ou les variations du pas géométrique des pales permettent à l'hélice de fonctionner avec un AOA relativement constant sur sa longueur en vol de croisière. Les pales de l'hélice sont tordues pour modifier l'angle de la pale proportionnellement aux différences de vitesse de rotation sur la longueur de l'hélice, en maintenant la poussée plus près de l'égalisation sur cette longueur.

Habituellement, 1 ° à 4 ° fournit le rapport portance / traînée le plus efficace, mais en vol, l'angle d'attaque de l'hélice d'une hélice à pas fixe varie - normalement de 0 ° à 15 °. Cette variation est causée par des changements dans le courant d'air relatif, qui à son tour résulte de changements dans la vitesse de l'avion. Ainsi, l'angle d'attaque de l'hélice est le produit de deux mouvements : la rotation de l'hélice autour de son axe et son mouvement vers l'avant.

Une hélice à vitesse constante maintient automatiquement l'angle des pales ajusté pour une efficacité maximale dans la plupart des conditions rencontrées en vol. Pendant le décollage, lorsque la puissance et la poussée maximales sont requises, l'hélice à vitesse constante est à un angle ou un pas de pale d'hélice faible. Le faible angle de pale maintient l'angle d'attaque petit et efficace par rapport au vent relatif. En même temps, cela permet à l'hélice de gérer une plus petite masse d'air par tour. Cette faible charge permet au moteur de tourner à haut régime et de convertir le maximum de carburant en énergie calorifique dans un temps donné. Le régime élevé crée également une poussée maximale car, bien que la masse d'air manipulée par tour soit faible, le régime et la vitesse d'aspiration sont élevés, et avec la faible vitesse de l'avion, il y a une poussée maximale. Après le décollage, à mesure que la vitesse de l'avion augmente, l'hélice à vitesse constante passe automatiquement à un angle (ou pas) plus élevé. Encore une fois, l'angle de pale plus élevé maintient l'angle d'attaque petit et efficace par rapport au vent relatif. L'angle de pale plus élevé augmente la masse d'air manipulée par tour. Cela diminue le régime du moteur, réduit la consommation de carburant et l'usure du moteur, et maintient la poussée au maximum.

Une fois la montée au décollage établie dans un aéronef équipé d'une hélice à pas variable, le pilote réduit la puissance de sortie du moteur pour monter en puissance en diminuant d'abord la pression d'admission, puis en augmentant l'angle des pales pour abaisser le régime. 

À l'altitude de croisière, lorsque l'avion est en vol en palier et qu'il faut moins de puissance que celle utilisée au décollage ou en montée, le pilote réduit à nouveau la puissance du moteur en réduisant la pression d'admission, puis en augmentant l'angle des pales pour diminuer le régime. Encore une fois, cela fournit une exigence de couple pour correspondre à la puissance réduite du moteur. Bien que la masse d'air manipulée par révolution soit plus grande, elle est plus que compensée par une diminution de la vitesse du sillage et une augmentation de la vitesse anémométrique. L'angle d'attaque est encore faible car l'angle des pales a été augmenté avec une augmentation de la vitesse.

Couple et facteur P

Pour le pilote, le « couple » (la tendance au virage à gauche de l'avion) ​​est composé de quatre éléments qui provoquent ou produisent un mouvement de torsion ou de rotation autour d'au moins un des trois axes de l'avion. Ces quatre éléments sont :

1. Réaction de couple du moteur et de l'hélice 

2. Effet tire-bouchon du sillage

3. Action gyroscopique de l'hélice

4. Chargement asymétrique de l'hélice (facteur P)

Réaction de couple

La réaction de couple implique la troisième loi de la physique de Newton - pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. Appliqué à l'avion, cela signifie que lorsque les pièces internes du moteur et l'hélice tournent dans une direction, une force égale essaie de faire tourner l'avion dans la direction opposée.

Lorsque l'aéronef est en vol, cette force s'exerce autour de l'axe longitudinal, tendant à faire rouler l'aéronef. Pour compenser la tendance au roulis, certains des avions les plus anciens sont gréés de manière à créer plus de portance sur l'aile qui est forcée vers le bas. Les avions les plus modernes sont conçus avec le moteur décalé pour contrer cet effet de couple.

REMARQUE : La plupart des moteurs d'avions construits aux États-Unis font tourner l'hélice dans le sens des aiguilles d'une montre, vue depuis le siège du pilote. La discussion ici est en référence à ces moteurs. 

Généralement, les facteurs de compensation sont fixés en permanence pour qu'ils compensent cet effort à la vitesse de croisière, puisque l'essentiel du temps de fonctionnement de l'aéronef se fait à cette vitesse. Cependant, les volets compensateurs d'aileron permettent un réglage supplémentaire pour d'autres vitesses. Lorsque les roues de l'avion sont au sol pendant la course au décollage, un moment de rotation supplémentaire autour de l'axe vertical est induit par réaction de couple. Comme le côté gauche de l'avion est forcé vers le bas par la réaction de couple, plus de poids est placé sur le train d'atterrissage principal gauche. Il en résulte plus de frottement au sol, ou de traînée, sur le pneu gauche que sur le droit, provoquant un moment de virage supplémentaire vers la gauche. L'ampleur de ce moment dépend de nombreuses variables. Certaines de ces variables sont : 

1. Taille et puissance du moteur

2. Taille de l'hélice et le régime

3. Taille de l'avion

4. État de la surface du sol

Ce moment de lacet sur la course au décollage est corrigé par l'utilisation correcte par le pilote de la gouverne de direction ou du compensateur de direction.

Effet tire-bouchon

La rotation à grande vitesse d'une hélice d'avion donne une rotation en tire-bouchon ou en spirale au sillage. À des vitesses d'hélice élevées et à faible vitesse d'avancement (comme dans les décollages et les approches des décrochages au moteur), cette rotation en spirale est très compacte et exerce une forte force latérale sur la surface de queue verticale de l'avion.

Lorsque ce sillage en spirale frappe la dérive verticale, il provoque un moment de lacet autour de l'axe vertical de l'avion. Plus la spirale est compacte, plus cette force est importante. Cependant, à mesure que la vitesse d'avancement augmente, la spirale s'allonge et devient moins efficace. L'écoulement en tire-bouchon du sillage provoque également un moment de roulement autour de l'axe longitudinal.

Notez que ce moment de roulis causé par l'écoulement en tire-bouchon du sillage est vers la droite, tandis que le moment de lacet causé par la réaction de couple est vers la gauche - en effet, l'un peut contrecarrer l'autre. Cependant, ces forces varient considérablement et il est de la responsabilité du pilote d'appliquer à tout moment les mesures correctives appropriées en utilisant les commandes de vol. Ces forces doivent être contrecarrées, quelle que soit celle qui est la plus importante à ce moment-là.

Action gyroscopique  

Avant de pouvoir comprendre les effets gyroscopiques de l'hélice, il est nécessaire de comprendre le principe de base d'un gyroscope. Toutes les applications pratiques du gyroscope reposent sur deux propriétés fondamentales de l'action gyroscopique : la rigidité dans l'espace et la précession. Celui qui nous intéresse dans cette discussion est la précession. 

La précession est l'action résultante, ou déviation, d'un rotor en rotation lorsqu'une force de déviation est appliquée à sa jante. Comme on peut le voir sur la figure, lorsqu'une force est appliquée, la force résultante prend effet à 90° en avant et dans le sens de rotation. L'hélice rotative d'un avion fait un très bon gyroscope et a donc des propriétés similaires. Chaque fois qu'une force est appliquée pour dévier l'hélice hors de son plan de rotation, la force résultante est de 90° en avant et dans le sens de rotation et dans le sens d'application, provoquant un moment de tangage, un moment de lacet ou une combinaison des deux en fonction du point auquel la force a été appliquée.

Cet élément d'effet de couple a toujours été associé et considéré comme plus important dans les aéronefs à roue arrière et se produit le plus souvent lorsque la queue est relevée pendant la course au décollage. Ce changement d'assiette longitudinale a le même effet que l'application d'une force au sommet du plan de rotation de l'hélice. La force résultante agissant à 90° vers l'avant provoque un moment de lacet vers la gauche autour de l'axe vertical. L'amplitude de ce moment dépend de plusieurs variables, dont l'une est la brusquerie avec laquelle la force appliquée de la queue est soulevée (quantité de force appliquée). Cependant, la précession, ou action gyroscopique, se produit lorsqu'une force est appliquée à n'importe quel point sur le bord du plan de rotation de l'hélice ; la force résultante sera toujours de 90° du point d'application dans le sens de la rotation. Selon l'endroit où la force est appliquée,  

On peut dire que, du fait de l'action gyroscopique, tout lacet autour de l'axe vertical se traduit par un moment de tangage, et tout tangage autour de l'axe latéral se traduit par un moment de lacet. Pour corriger l'effet de l'action gyroscopique, il est nécessaire que le pilote utilise correctement la gouverne de profondeur et le gouvernail pour éviter tout tangage et lacet indésirables.

Chargement asymétrique (facteur P)  

Lorsqu'un aéronef vole avec un AOA élevé, le "mordant" de la pale descendante est supérieur au "mordant" de la pale montante. Cela déplace le centre de poussée vers la droite de la zone du disque d'hélice, provoquant un moment de lacet vers la gauche autour de l'axe vertical. Prouver cette explication est complexe car il faudrait travailler les problèmes de vecteur vent sur chaque pale en considérant à la fois l'AOA de l'avion et l'AOA de chaque pale.

Cette charge asymétrique est causée par la vitesse résultante, qui est générée par la combinaison de la vitesse de la pale de l'hélice dans son plan de rotation et de la vitesse de l'air passant horizontalement à travers le disque de l'hélice. Lorsque l'aéronef vole à des angles d'attaque positifs, la pale droite (vue de l'arrière) ou descendante traverse une zone de vitesse résultante supérieure à celle affectant la pale gauche ou montante. Étant donné que la pale de l'hélice est un profil aérodynamique, une vitesse accrue signifie une portance accrue. La pale descendante a plus de portance et a tendance à tirer (lacet) le nez de l'avion vers la gauche.

Lorsque l'avion vole à un AOA élevé, la pale mobile vers le bas a une vitesse résultante plus élevée, créant plus de portance que la pale mobile vers le haut. Cela pourrait être plus facile à visualiser si l'arbre d'hélice était monté perpendiculairement au sol (comme un hélicoptère). S'il n'y avait aucun mouvement d'air, sauf celui généré par l'hélice elle-même, des sections identiques de chaque pale auraient la même vitesse. Avec l'air se déplaçant horizontalement à travers cette hélice montée verticalement, la pale qui avance dans le flux d'air a une vitesse plus élevée que la pale qui recule avec le flux d'air. Ainsi, la pale se déplaçant dans le flux d'air horizontal crée plus de portance, ou de poussée, déplaçant le centre de poussée vers cette pale. Visualisez la rotation de l'arbre d'hélice monté verticalement à des angles plus faibles par rapport à l'air en mouvement (comme sur un avion). Cette poussée déséquilibrée devient alors proportionnellement plus faible et continue de diminuer jusqu'à atteindre la valeur nulle lorsque l'arbre porte-hélice est exactement horizontal par rapport à l'air en mouvement. 

Les effets de chacun de ces quatre éléments de couple varient en valeur avec l'évolution des situations de vol. Dans une phase de vol, l'un de ces éléments peut être plus important qu'un autre. Dans une autre phase de vol, un autre élément peut être plus important. La relation entre ces valeurs varie d'un avion à l'autre en fonction des combinaisons cellule, moteur et hélice, ainsi que d'autres caractéristiques de conception. Pour maintenir le contrôle positif de l'avion dans toutes les conditions de vol, le pilote doit appliquer les commandes de vol au besoin pour compenser ces valeurs variables.