Notions d’hélice d’avion

9 juillet 2020

Le but de l’hélice est de fournir une méthode de propulsion pour que l’avion soit capable d’avancer dans l’air. L’hélice elle-même est constituée de deux ou plusieurs pales reliées entre elles par un moyeu central qui fixe les pales à l’arbre du moteur. Les pales de l’hélice ont la forme de l’aile d’un avion, en utilisant la puissance de rotation d’un moteur, les pales de l’hélice produisent une portance (cette portance est appelée poussée) qui fait avancer l’avion.

Comment fonctionnent les hélices

Les principes fondamentaux derrière le fonctionnement des hélices sont liés aux théories physiques du mouvement développées il y a plus de deux cents ans par Sir Isaac Newton. Plus précisément sa troisième loi, à savoir que pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée (Sir Isaac Newton, 1687).

En gardant cette théorie à l’esprit, l’hélice d’un avion est utilisée pour transformer la puissance de rotation d’un moteur en poussée vers l’avant. L’hélice fonctionne en déplaçant l’air en le tirant derrière elle (l’action), ce mouvement d’air entraîne ensuite l’avion à être poussé vers l’avant par la différence de pression qui en résulte (la réaction inverse). Plus l’air est tiré derrière l’hélice, plus la poussée ou la propulsion vers l’avant est générée.

Les hélices peuvent être composées d’une seule pale à six pales ou plus, en fonction des besoins d’efficacité des différents avions. Les exigences de performance de l’avion et la puissance du moteur sont les principaux facteurs déterminant le nombre de pales de l’hélice. Lorsque la puissance du moteur augmente, des pales supplémentaires sont nécessaires pour utiliser efficacement ce niveau de puissance accru. L’angle des pales d’une hélice et sa taille et sa forme globale (ainsi que la puissance du moteur) affectent la quantité de poussée générée.

Théorie de l’hélice – Forces agissant sur une hélice

Les pales d’une hélice sont construites de manière similaire à une aile, en tant que telles, elles sont soumises à certaines des mêmes forces aérodynamiques telles que la traînée et la portance (avec les ailes, c’est la portance, avec l’hélice, on parle de poussée). La différence est qu’une hélice a les forces supplémentaires de la vitesse de rotation et du momentum agissant vers l’avant.

• Forces centrifuges. La force centrifuge est la force subie par les pales de l’hélice lorsqu’elles tournent à vitesse. Cette force les éloigne effectivement de l’avion.
• Torsion centrifuge et aérodynamique. Tout objet asymétrique en rotation génère une force de torsion centrifuge, l’hélice n’est pas différente avec la force de son action de rotation tordant les pales à un pas fin.
• Vibration. La vibration des pales de l’hélice est causée par la perturbation est l’aérodynamique de l’hélice lors de son passage dans l’air, et à proximité des ailes et du fuselage ainsi que les variations du moteur.
• Torque Bending. Les forces de flexion de couple sont la résistance naturelle de l’air produisant une résistance contre les pales lorsqu’elles tournent et la propension résultante des pales de l’hélice à vouloir se plier dans le sens inverse de la rotation.
• Poussée de flexion. La force de l’hélice qui pousse l’air vers l’arrière est appelée la poussée, cela place les pales de l’hélice sous pression et plie les pales vers l’avant.

Conception d’une hélice d’avion

L’ingénierie de base derrière le fonctionnement des pales d’hélice n’a pas beaucoup changé au fil des ans, cependant il y a eu un certain nombre de modifications importantes dans les matériaux utilisés pour construire les hélices et des modifications de leur utilisation cohérente avec les gains de puissance et de technologie des moteurs qui ont conduit à une plus grande efficacité.

• Pales en bois. Le bois était le principal matériau utilisé pour fabriquer des hélices d’avion avant la Seconde Guerre mondiale. Aujourd’hui, on ne les voit généralement que sur les avions de loisirs ou les avions anciens, en accord avec l’époque de la restauration. Le processus de construction d’une hélice en bois consiste en plusieurs couches (5-9) de bois collées ensemble pour la rendre plus solide, plus résiliente et moins susceptible de se déformer. Les types de bois couramment utilisés sont le bouleau jaune, le cerisier noir, l’érable à sucre et le noyer noir
• Pales en alliage d’aluminium. L’introduction de moteurs d’avion plus puissants a rendu l’utilisation des hélices en bois pratiquement obsolète dans les plus gros avions. Les pales en alliage d’aluminium sont plus résistantes, plus légères et plus faciles à réparer, tout en ayant des vitesses de rotation plus élevées, ce qui en fait un choix plus populaire.
• Pales composites. Les pales d’hélices composites sont fabriquées à partir de fibres de carbone, ces pales offrent un poids réduit, moins de bruit et moins de vibrations, et sont plus durables et plus faciles à réparer que les autres types d’hélices.

Types d’hélices d’avion

Il existe trois types de base d’une hélice d’avion, chacun avec ses propres variations – l’hélice à pas fixe, l’hélice à vitesse constante ou l’hélice réglable au sol.

• Hélice à pas fixe. Ces hélices sont fabriquées avec l’angle (le pas) intégré dans l’hélice, il ne peut pas être changé. Elles sont conçues pour un fonctionnement optimal dans des conditions optimales, ce qui signifie que les performances de l’avion seront affectées dans des conditions variables. Les hélices à pas fixe sont souvent vues sur les avions monomoteurs qui volent à basse vitesse, avec une portée ou une altitude limitée.
• Hélices à vitesse constante. Parfois appelées hélices à pas variable, ces hélices sont conçues avec un pas (angle) variable qui peut être modifié en vol pendant que l’hélice tourne. Cela signifie que l’hélice peut être ajustée pendant le vol pour mieux s’adapter aux conditions changeantes.
• Hélices réglables au sol. Comme leur nom l’indique, ces hélices ne peuvent être réglées qu’au sol, lorsque l’hélice n’est pas utilisée. L’angle ou le pas de la pale est modifié manuellement, ces hélices ne sont pas souvent vues dans les avions modernes d’aujourd’hui.

Bases de l’hélice

Bien qu’il y ait eu de nombreuses tweaks dans la conception de l’hélice au cours du siècle dernier, les principes fondamentaux de cette partie relativement simple d’un avion restent largement inchangés. Voici les termes de base associés au fonctionnement des hélices d’avion.

• Ligne de corde. La ligne de corde d’une hélice est une ligne imaginaire tracée à travers le centre de la pale depuis son bord d’attaque (au niveau du moyeu) jusqu’à son bord de fuite (extrémité).
• Pas. Les pales d’une hélice ne sont pas droites, elles sont sur un angle similaire à celui d’une vis. Le pas est effectivement une mesure de la distance sur laquelle l’hélice se déplacerait vers l’avant en un tour. Le pas est utilisé pour contrôler la vitesse de l’air qui quitte l’arrière de l’hélice. Le pas d’une pale d’hélice change à mesure que vous vous déplacez le long de sa surface d’une extrémité à l’autre. Il est le plus raide ou le plus court au niveau du moyeu central et le moins profond à l’extrémité extérieure. Le pas est calculé à l’aide de la formule : pas = 2,36 diamètre hauteur/largeur.
• Angle de la pale. C’est l’angle entre la ligne de corde et le plan de rotation et il est mesuré (en degrés) en un point spécifique de la longueur de la pale. Bien que les termes de pas et d’angle soient souvent utilisés de manière interchangeable, le pas n’est techniquement pas l’angle de la pale de l’hélice. Cependant, le pas étant 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.
• Angle d’attaque. Il est défini comme l’angle auquel l’air frappe la pale de l’hélice. En termes simples, l’angle d’attaque peut être décrit comme la différence entre l’endroit où l’aile pointe et celui où elle va. L’augmentation de l’angle d’attaque entraîne une augmentation de la portance et de la traînée induite, jusqu’au point de décrochage. La torsion d’une pale d’hélice est utilisée pour maintenir un angle d’attaque plus constant sur la longueur de la pale afin de contrecarrer les différences de vitesse de la pale au niveau du moyeu et de l’extrémité de l’hélice.

Pour plus d’informations sur les forces aérodynamiques pendant le vol, apprendre à voler en Nouvelle-Zélande, les effets du vent sur un avion ou de nombreux autres sujets liés au vol, consultez le blog Southern Wings.