LES HELICES

MOTEUR CRITIQUE



- Rappel
- Traction symétrique de l'hélice
- Traction dissymétrique de l'hélice
- Portance asymètrique
- Le souffle hélicoïdal
- Couple de renversement
- Centre de gravité

Introduction

La plupart des bimoteurs légers à hélice (bimoteur) sont des avions dissymétriques, c'est-à-dire que les hélices tournent dans le même sens. Sur ce type d'avions à moteurs non-contrarotatifs, lorsque l'un des deux devient inopérant, il se produit un déséquilibre de la poussée exercée entre les côtés de l'appareil. Ce déséquilibre a des effets négatifs en plus de la perte de poussée du moteur en panne.
Comme expliqué ci-après, le moteur gauche d'un bimoteur à hélices classiques (c'est-à-dire dont les deux hélices, vues de l'arrière, tournent en sens horaire) est généralement considéré comme étant le moteur critique.
Le moteur critique d'un avion bimoteur est celui dont la panne provoquerait les effets les plus pénalisants sur ses performances.
Pour éviter toute confusion par la suite, il faut retenir que les moteurs sont numérotés de gauche à droite du point de vue des pilotes regardant vers l'avant.

Numeros des moteurs

Rappel

Le profil d'une pale d'hélice ressemble au profil d'une aile, c'est-à-dire doté d'un bord d'attaque, d'un bord de fuite, d'une corde de référence, d'une épaisseur moyenne, d'une cambrure, etc. Il détermine les performances d'une hélice, mais aussi sa résistance. L'optimisation de la géométrie d'une pale est donc un compromis entre performance et résistance mécanique.

Les hélices des moteurs montées sur les ailes créent un flux accéléré au-dessus des ailes appelé flux induit. L'écoulement induit existe aussi sur les avions monomoteurs, mais il n'est pas un facteur aussi important en raison de l'emplacement du moteur par rapport aux ailes.
La quantité de portance créée par un avion multimoteur ressemble au dessin ci-dessous :

Helice Schema Flux

Traction symétrique

Lorsque le vol est symétrique, l'axe de traction de l'hélice est parallèle au vent relatif (vecteur vitesse de l'avion), et les deux moteurs développent la même traction.

Helice Deux Moteurs

En vol symétrique, l'incidence de la pale montante de l'hélice est égale à l'incidence de la pale descendante de l'hélice.
Dessin ci-dessous, nous avons en premier plan la coupe d'un élément de pale descendante et en arrière plan la coupe d'un élément de la pale montante.
α = angle d'incidence ou angle d'attaque. C'est l'angle entre le vent relatif (en bleu) et la corde du profil (en vert).

Helice Sans panne

Bimoteur conventionnel

Ci-dessous, un bimoteur à hélices classiques (c'est-à-dire dont les deux hélices, vues de l'arrière, tournent en sens horaire).

Helice Biconventionnel

Il est important de rappeler que les exemples de cette page s’appliquent aux moteurs dont l’hélice tourne en sens horaire vu de l'arrière (sens des aiguilles d'une montre). Ceux équipés d'hélices contra-rotatives n’ont pas de moteur critique. Sur les avions dont les hélices tournent en sens anti-horaire (inverse des aiguilles d’une montre), le moteur critique est le moteur droit.

Représontons par des flèches la traction des deux hélices. La traction à droite de chaque hélice (flèche plus grosse en orange) correspondant au côté des pales descendantes est supérieure à la traction à gauche du côté des pales montantes. En conséquence, la traction résultante "TR" (bleu) sera décalée par rapport à l'axe du moteur.

Helice Flux Moteurs

Traction dissymétrique de l'hélice - Facteur P

La traction dissymétrique de l'hélice appelée également facteur P est un phénomène aérodynamique provoqué en vol par une hélice en rotation. Sans panne moteur, la traction des deux moteurs est symétrique.
Lors d'une panne moteur, la perte de puissance est compensée par une augmentation de l'incidence de vol des ailes. Ce qui engendre une augmentation de l'angle d’incidence de la pale descendante et une diminution de l'angle d'incidence de la pale montante, en raison de l'inclinaison du disque de l'hélice. Avec une incidence d'autant plus grande que la vitesse est faible. Cet angle d'incidence plus important de la pale descendante produira une plus grande poussée.

Helice Avec panne

Sur un multimoteur, lorsqu'un moteur tombe en panne, une force (couple) apparaît dont l'importance est fonction de la distance latérale séparant le centre de gravité C.G. du vecteur de poussée du moteur en fonctionnement, multipliée par la poussée de ce dernier.
On peut utiliser la formule Poussée x Le bras de levier = Moment. Cela signifie que plus le bras de levier entre le C.G. et le vecteur poussée est long, plus le moment de lacet sera important.
L’effet de couple (lacet) tend à faire tourner l’avion du côté du moteur en panne, tendance que le pilote doit contrer au moyen des commandes de vol.

Moteur Critique

Sous l’influence du facteur P, le moteur droit développe un vecteur de poussée dont la résultante est plus éloignée du C.G. que le moteur gauche. La panne du moteur gauche provoquera un couple de lacet plus important au niveau du moteur droit en fonctionnement que dans le cas inverse. De ce fait, le pilote devra exercer un effort plus important sur le palonnier pour maintenir le cap désiré. La panne du moteur gauche sera donc plus préjudiciable que celle du moteur droit, et le gauche sera par conséquent considéré comme critique.

Moteur Critique

Portance asymétrique

La portance résulte des différentes vitesses d’écoulement de l’air par le dessus et par le dessous de l’aile (voir aussi intrados et extrados). Sur les avions dont les moteurs sont montés en avant de l’aile, le flux généré par la rotation de l’hélice accélère l’écoulement sur la portion de l’aile située en aval, derrière le moteur. Ceci génère par conséquent une plus grande portance dans cette zone. Du fait de l’effet du facteur P (traction dissymétrique), le point de portance maximale de l’aile droite sera plus éloigné du centre de gravité C.G. que celui de l’aile gauche. Il y a donc encore une fois, un moment de force plus grand du côté du moteur droit et La panne du moteur gauche est donc de nouveau plus préjuduciable que celle du moteur droit.

Helice Flux Moteurs

L'écoulement induit (flux accéléré) sur l'aile du moteur en marche et l'absence d'écoulement induit sur le moteur en panne provoquent une portance asymétrique sur les ailes, ce qui entraîne un moment de roulis autour du centre de gravité de l'avion en direction du côté du moteur en panne. Mais la panne du moteur gauche sera encore une fois plus pénalisante.

Helice Couple roulis

Le souffle hélicoïdal

Nous avons vu ci-dessus que le flux généré par la rotation de l’hélice accélère l’écoulement sur la portion de l’aile située à l'arrière du moteur. Cet flux est animé d'un mouvement de rotation dans le sens de rotation de l'hélice. La rotation à grande vitesse de l'hélice d'un avion donne une rotation en spirale vers l'arrière. À des vitesses de rotation élevées de l'hélice et à une faible vitesse d'avancement (comme lors des décollages), cette rotation en spirale est très compacte et exerce une forte force latérale sur la surface verticale de la queue de l'avion (dérive).
Lorsque ce flux en spirale frappe la dérive sur la gauche, il provoque un moment de rotation vers la gauche, (moment de lacet), autour de l'axe de lacet de l'avion. Plus la spirale est compacte, plus la force est importante. Cependant, au fur et à mesure que la vitesse de l'avion augmente, la spirale s'allonge et la force devient moins importante sur la dérive.
Voici à quoi ressemblerait le flux d'air en spirale sur un bimoteur conventionnel (hélice tournant à droite) dont les deux moteurs fonctionnent.

Helice Souffle Rotation

Si le moteur droit tombe en panne, (figure ci-dessous à gauche) le flux d'air en spirale touchera le côté gauche de l'empennage, provoquant ainsi un mouvement de lacet vers la gauche dans la direction opposée au mouvement de lacet vers la droite provoqué par le moteur en panne. Ce mouvement de lacet causé par le souffle en spirale aidera à contrer le mouvement de lacet causé par le moteur en panne.
Maintenant, si le moteur gauche tombe en panne, le flux d'air en spirale ne touchera pas du tout l'empennage, ce qui n'entraînera aucune force de lacet supplémentaire (figure ci-dessous à droite).
La panne du moteur gauche est encore une fois de plus préjudiciable.

Helice Souffle Helicoidal

Couple de renversement

Lorsque le moteur et l'hélice tournent dans un sens, ils essaient à leur tour de faire tourner l'avion dans l'autre sens. Cela est dû à la troisième loi de Newton qui stipule que "pour toute action, il y a une réaction égale et opposée". En conséquence, la rotation de l'hélice produit un couple de renversement dans le sens inverse au sens de rotation de l'hélice. Cette force agit également lorsqu'un moteur tombe en panne, car il reste un deuxième moteur en fonctionnement.

Helice Couple Resultant

Si le moteur droit tombe en panne, le couple de renversement du moteur gauche (poussée) et le couple de roulis (direction opposée) entraîneront un léger lacet et roulis de l'avion vers la droite dus à la perte de portance.

Helice Couple Renverse Deux

Si le moteur gauche tombe en panne, le moment de lacet du moteur droit (poussée) et le couple de roulis se combinent pour faire tourner et incliner l'avion vers la gauche. Le moment de lacet sera supérieur si le moteur gauche tombe en panne, ce qui signifie qu'une fois de plus le moteur gauche est le moteur critique.

Helice Couple Renverse Un

Centre de gravité

L'emplacement du C.G. modifie la longueur du bras vers la gouverne de direction :
- plus le bras est long, plus la gouverne est efficace ;
- plus la gouverne est efficace, plus la VMC (vitesse minimum de contrôle) est faible.
Mais :
- plus le C.G. se déplace vers l'avant, plus la VMC diminue ;
- plus le C.G. se déplace vers l'arrière, plus la VMC augmente.

Helice Influence CG

Note. Une hélice en moulinet fournit une traction négative, donc une traînée. Cette traînée supplémentaire s'ajoute au lacet provoqué par le moteur en panne et aggrave l'effet total de traînée. Dans cette situation, il faudra braquer davantage la gouverne de direction pour maintenir le contrôle directionnel de l'avion, ce qui augmentera la VMC. Une fois l'hélice mise en drapeau, la traînée est réduite, et la VMC diminue.

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