LES HELICES
EFFETS MOTEUR
- Effets moteur en vol
- Effets moteur au sol
- Effets du souffle hélicoîdal
- Effets gyroscopiques
- Effets dus à la traction asymétrique
Introduction
La rotation du groupe motopropulseur (ou GMP) constitué du moteur et de l'hélice provoque ce que l'on appelle les effets moteur. Ces effets dépendent de la puissance fournie par le moteur, de la vitesse de rotation de l'hélice et de la vitesse de l'avion, pour un avion donné.
Tous les dessins et explications de cette page sont basés sur une hélice à pas à droite, c'est-à-dire qui tourne dans le sens horaire vu de la place pilote.
Effets couple moteur en vol
Le couple de renversement ou couple moteur est une application du principe de la troisième loi de Newton "action/réaction". Toute action produit une réaction égale et de sens opposé. Par réaction au mouvement de rotation de l'hélice (action), un couple antagoniste tend à provoquer une rotation de l'ensemble de l'avion en sens opposé (réaction). Ce couple de renversement est plus important dans les phases de vol où le moteur est utilisé à plein régime, notamment au décollage ou en phase de remise de gaz.
Si ce couple est très important sur les avions monomoteurs à forte puissance moteur (Siptfire, Messerschmitt Bf 109 etc.), il est peu sensible sur les avions modernes faiblement motorisés.
Ce couple de renversement est généralement compensé lors de la conception de l'appareil pour un régime moteur donné et une vitesse donnée (régime et vitesse de croisière en général) :
- soit par l'augmentation de l'angle de calage (incidence) d'une demi-aile,
- soit par l'augmentation de la surface d'une demi-aile.
C'est-à-dire en augmentant la portance sur une demi-aile. Pour les autres phases de vol, un compensateur d'ailerons (tab) ou le manche seront utilisés.
Nous avons vu en aérodynamique que toute augmentation de portance entraîne une augmentation de traînée. Donc l'aile gauche aura une traînée supérieure à l'aile droite ( hélice à pas à droite). Cette différence de traînée va engendrer un moment de lacet à gauche. Ce moment de lacet pourra être corrigé par :
- un léger calage à gauche du plan fixe vertical.
- compensateur sur la gouverne de direction. Dans ce cas, le compensateur sur la gouverne de direction "flettner" (en anglais), est fixe et ne peut se régler qu'au sol et n'être opérationnel qu'après plusieurs essais. Cas du Jodel.
Effets couple moteur au sol
Pendant le roulage lors du décollage, le couple de renversement va appuyer le poids de l'avion sur l'amortisseur gauche, tendant à l'écraser. Le frottement du pneu sur la piste sera plus intense et l'avion aura tendance à partir à gauche (moment de lacet).
Effets du souffle hélicoïdal
La masse d'air refoulée par l'hélice vers l'arrière tourne dans le même sens et prend, pour cette raison, le nom de souffle hélicoïdal.
C’est le plus important des effets sur les avions monomoteurs légers. La rotation de l’hélice accélère l'air qui la traverse et produit un écoulement qui s’enroule autour du fuselage.
Il en résulte une augmentation de la pression sur certaines surfaces latérales, notamment l'empennage vertical.
Cet écoulement hélicoïdal dépend de la vitesse de vol et du régime moteur. Il sera plus intense pour une vitesse faible et un régime moteur élevé (décollage et montée) avec des spires serrées, et moins intense pour un régime moteur faible (descente et approche), ou en croisière (vitesse élevée) les spires s'allongeant avec la vitesse.
Ce phénomène génère deux moments.
Moment de roulis
Pour une hélice tournant dans le sens horaire (vu de la place pilote), cet écoulement hélicoïdal pousse l'intrados de l'aile gauche et l'extrados de l'aile droite. Une dissymétrie de portance apparait, et entraîne l'avion en léger roulis à droite.
Moment de lacet
L'empennage vertical "frappé" par le souffle hélicoïdal de l'hélice du côté gauche entraîne un moment de lacet à gauche.
Le lacet gauche induit par l'écoulement d'air hélicoïdal est de même sens que celui induit par l'effet du couple moteur. Les principes de correction seront donc les mêmes :
- léger calage à gauche du plan vertical.
- compensateur sur la gouverne de direction. Voir Tab commandé
L’effet du souffle rend aussi plus efficaces les gouvernes de profondeur et de direction, particulièrement quand l’avion se déplace à faible vitesse. Cet effet de souffle est très utile pour diriger un avion à train classique pendant le roulage et le décollage.
Effets moteur - variation de puissance
Lorsqu'un avion est en équilibre, en vol, on peut observer que l’axe des forces de portance, en ne considérant que la voilure, n’est pas confondu avec le centre de gravité, mais à l'arrière de celui-ci.
L’équilibre n’est possible que parce qu’il existe une 3ème force induite par la déportance de la gouverne de profondeur, le plan fixe ayant un angle de calage négatif empêche le moment piqueur. Voir Centre de gravité et de poussée
Le flux d’air qui crée une dépression sous la profondeur et une surpression au-dessus est l’addition des vents relatifs avion et hélice. À vitesse constante, l'augmentation de la puissance provoque une augmentation du flux d'air sur l'empennage, donc F1 augmente avec L'apparition d'un couple cabreur.
Le phénomène s’inverse en cas de réduction de puissance.
Effets gyroscopiques
Un avion peut pivoter autour de ses trois axes : roulis, lacet, tangage. Or l'hélice en rotation agit comme un gros gyroscope dont l’une des propriétés est la précession. Ainsi, toute sollicitation de mouvement autour de l'un des deux axes, perpendiculaire à l'axe de rotation de l'hélice, aura pour tendance à aligner cet axe de rotation sur l'axe du couple perturbateur qui s'exerce sur lui.
Pour un monomoteur à train classique, lors de la mise en ligne de vol pendant le décollage, la précession gyroscopique va créer un couple perturbateur. Cette précession sera proportionnelle à la puissance du moteur et à la rapidité avec
laquelle on mettra l'avion en ligne de vol.
Ci-dessous, passage du roulage trois points au roulage deux points.
L'avion aura alors tendance à embarquer à gauche (hélice tournant à droite).
Effets dus à la traction asymétrique de l'hélice
Lorsque l'axe de rotation de l'hélice est confondu avec la direction du vent relatif, la force de traction de l'hélice se trouve en son centre. L'angle α de la pale descendante est égal à l'angle α de la pale montante.
Lorsque l'avion vole à un angle d'incidence élevé ou pendant le décollage, l'axe de rotation de l'hélice n'est plus confondu avec la direction du vent relatif. L'angle α de la pale descendante est supérieur à l'angle α de la pale montante. Les pales de l'hélice vont donc engendrer des forces de traction différentes.
Dans notre cas (hélice tournant à droite), la force de traction droite Ftd sera supérieure à la force de traction gauche Ftg. La traction totale de l'hélice sera égale à Ftd plus Ftg mais son point d'application est décalé du côté de la pale descendante. Cet effet de traction asymétrique va créer un moment de lacet à gauche.
La correction se fera par une action sur la gouverne de direction via le palonnier pour créer un couple de lacet contraire.
