L'histoire de l'hélice d'avion, de 1920 à nos jours, se lit comme une suite de réponses à deux contraintes : la vitesse en bout de pale et l'écart entre la vitesse de montée et la vitesse de croisière. Le bois a cédé la place au métal, la pale plate tordue au profil taillé, la prise directe au réducteur, et le pas fixe au pas variable. Cette page retrace ces étapes jusqu'en 1940 environ et en tire ce qu'elles apprennent aux concepteurs d'hélices d'aujourd'hui. Pour une vue plus large, nous avons aussi une page sur l'histoire de l'hélice en général, et une autre sur l'hélice d'avion et son calcul.

Cette partie s'appuie sur le livre de Jean Grampaix, L'Hélice, cité dans la bibliographie du site. Nous en reprenons les faits, les dates et les noms, mais nous les reformulons et les commentons avec nos mots. Les dates et les chiffres viennent de cet ouvrage ; nous n'avons pas pu les recouper tous, et nous précisons « selon Grampaix » chaque fois que cela compte.

Au sommaire :

• Avant 1920 : l'hélice d'avion en bois
• De 1920 à 1940 : pourquoi passer de l'hélice en bois à l'hélice métallique
• L'hélice métallique en « planche » tordue (Reed, Levasseur)
• L'hélice à profil taillé et l'hélice Junkers à joues
• Hélice bipale, tripale, quadripale : le nombre de pales
• Pas relatif : croissance et limite
• Le groupe motopropulseur : réducteur, compresseur et pas variable
• Ce que cette histoire enseigne aux hélices modernes

1 : Avant 1920 : l'hélice d'avion en bois

Avant et pendant la guerre de 1914-1918, la technique est fixée partout de la même façon : l'hélice est faite de lamelles de bois contrecollées. On donne d'abord la forme à la main, puis, chez certains héliciers (fabricants d'hélices), au reproducteur, une machine qui copie un modèle. Elle est ensuite vernie ou laquée.

Un atelier d'hélicier (le cliché porte un cachet daté de 1922) : les pales en bois y sont encore façonnées à la main. Au premier plan, une pale repose sur un établi ; d'autres pales attendent au fond de l'atelier.

Les formes en plan sont très variées. Le bord d'attaque est parfois incurvé, plus ou moins fortement, parfois rectiligne, ce qui donne la même diversité pour la fibre neutre. Le bout de pale peut être arrondi, carré ou très effilé. Côté profils de pale, Grampaix donne des ordres de grandeur pour le demi-rayon : une épaisseur relative de 10 à 30 % et une largeur de pale de 9 à 11 % du diamètre. L'intrados est plat dans la partie qui travaille, et le pas est constant le long de la pale ou croissant du moyeu au bout.

Pour gagner en finesse, donc en rendement, certains héliciers essaient des profils symétriques. L'idée est vite abandonnée : elle creuse trop l'écart entre la vitesse de rotation en palier et celle en montée, ce qui rend l'hélice moins souple à l'usage.

La fabrication tient autant du tour de main artisanal que de la technique, et il en va ainsi jusqu'à l'arrivée des hélices métalliques. Les hélices de l'époque équipent des moteurs d'une cinquantaine de chevaux, mesurent 2 à 2,50 m de diamètre et tournent à 1 200 tr/min. Selon Grampaix, la vitesse en bout de pale reste inférieure à 150 m/s. Un calcul rapide donne le même ordre de grandeur : à 1 200 tr/min, soit 20 tours par seconde, le bout d'une pale de 2 m de diamètre se déplace à environ 126 m/s, et celui d'une pale de 2,50 m à environ 157 m/s. Compte tenu de ces faibles vitesses, les hélices résistent sans mal, bien qu'elles reposent sur des calculs sommaires et des techniques imprécises.

L'adaptation ne pose pas de problème non plus. Les avions ont peu d'excédent de puissance : leur vitesse maximale en palier reste proche de leur vitesse sur la trajectoire de montée. L'avance par tour (la distance parcourue pendant un tour d'hélice) varie donc peu, et l'hélice conserve pratiquement son rendement maximal en montée.

Entre 1920 et 1925, l'hélice en bois progresse davantage dans sa fabrication que dans sa qualité aérodynamique, et elle se révèle insuffisante face aux nouveaux moteurs. On se tourne alors vers l'hélice métallique, qui apparaît d'abord sous la forme d'une planche tordue, puis sous celle d'un profil taillé.

2 : De 1920 à 1940 : pourquoi passer de l'hélice en bois à l'hélice métallique

Pendant cette période, les performances des avions augmentent largement. Pour les hélices, il en découle deux difficultés :

1. la vitesse en bout de pale approche 300 m/s, soit à peu près le double de l'époque précédente. La force centrifuge croît comme le carré de la vitesse : les facteurs liés à la résistance sont donc multipliés par 4 ;
2. les avions disposent de plus d'excédent de puissance, si bien que l'écart s'accroît entre la vitesse maximale en palier et la vitesse en montée. Il en résulte un vrai problème d'adaptation : en montée, une hélice peut perdre jusqu'à 25 % de son rendement maximal.

Le bois ne suffit plus, ni pour l'aérodynamique ni pour la résistance des matériaux. Grampaix reconnaît au métal plusieurs avantages sur le bois :

• des profils plus fins, donc un rendement nettement meilleur ;
• une plus grande résistance du matériau, qui autorise des pales minces tournant à des vitesses périphériques beaucoup plus élevées. À l'époque, la vitesse en bout de pale était un problème de résistance des matériaux, et non un problème aérodynamique lié à la vitesse du son ;
• un matériau plus homogène, donc plus robuste et mieux équilibré ;
• une fabrication et une réparation plus faciles ;
• aucune déformation avec le temps, donc un stockage de durée illimitée ;
• la possibilité de construire des hélices à pales séparées. Assembler une pale en bois dans un manchon métallique est tout simplement impossible ;
• un meilleur rendement aérodynamique du moyeu, qui n'exige pas les surépaisseurs imposées par le bois.

Les premières hélices métalliques pèsent 30 à 40 % de plus que leurs homologues en bois. Par la suite, les poids deviennent pratiquement équivalents.

3 : L'hélice métallique en « planche » tordue (Reed, Levasseur)

Selon Grampaix, l'Américain Reed dépose le premier brevet d'hélice métallique en mars 1921. S'ensuivent un essai d'endurance de 30 heures au banc, puis un premier essai en vol le 30 août 1921. Il s'agit de « planches » métalliques tordues, d'épaisseur relative uniforme, de l'ordre de 5 %, sur tout le rayon de la pale.

Reed demande à la flexibilité de ses pales de compenser en partie les couples aérodynamiques par les couples centrifuges. La rigidité vient alors de la force centrifuge plutôt que de la résistance propre de la pale, de sorte que les efforts de flexion « passent à travers ». On retrouve ce concept aujourd'hui sur les rotors d'hélicoptère. Un certain équilibrage est bien obtenu, mais la grande flexibilité des pales a deux inconvénients graves :

• les pales « tiennent » mal l'effort demandé en montée : elles se déforment trop et la vitesse de rotation diminue ;
• les grandes déformations de torsion provoquent des efforts qui ovalisent les trous d'assemblage.

Pierre Levasseur introduit ces hélices en Europe en 1924, sous licence Reed. Elles sont d'une seule pièce, usinées dans une ébauche de duralumin forgé. On les utilise longuement, jusque vers 1930, et elles permettent à Bonnet de voler à plus de 400 km/h sur un Bernard-Hispano.

Hélice en tôle tordue (type Reed construit par Levasseur) sur un biplan : la pale est mince et presque sans épaisseur, très différente d'une pale en bois. (fig. 37 du livre de Grampaix)

4 : L'hélice à profil taillé et l'hélice Junkers à joues

Après l'époque de la pale plate tordue vient celle de l'hélice à profil taillé, stade que nous n'avons pas quitté. Un cas particulier existe : les pales creuses en tôle d'acier doux soudées à l'autogène. Elles existaient déjà en 1930 à titre exceptionnel (hélices Leitner). Leur résistance à la flexion était suffisante, mais on leur reprochait de mal tenir aux efforts centrifuges, qui faisaient glisser le métal le long des lignes de soudure.

Dès les débuts de l'hélice taillée, on envisage deux métaux légers, le duralumin et le magnésium. C'est le duralumin qui est retenu. On reproche au magnésium sa faible limite élastique, donc des déformations permanentes, et la difficulté d'en obtenir un toujours homogène.

Le tracé général de l'hélice de 1930 apparaît ainsi :

• une largeur maximale de pale située à la moitié du rayon, de l'ordre de 8 % du diamètre ;
• un bout de pale effilé et mince. Quand la vitesse en bout de pale approche celle du son, la compressibilité de l'air apparaît. La largeur de pale diminue très vite à partir du demi-rayon, ce qui donne un bout de pale très effilé et un effort centrifuge relativement modéré ;
• une épaisseur relative qui ne dépasse pas 6 % au demi-rayon.

Une particularité de tracé mérite d'être citée : l'hélice Junkers à joues. La pale s'élargit à la racine pour refroidir le moteur. Le système était bon, car le refroidissement s'adaptait automatiquement aux diverses conditions de vol. En revanche, un tel tracé se prêtait mal au pas variable, à cause des efforts qu'il engendrait quand on faisait varier le pas.

Hélice Junkers à joues : les deux pales s'élargissent à la racine, près du moyeu, pour mieux refroidir le moteur.

5 : Hélice bipale, tripale, quadripale : le nombre de pales

L'hélice de ces décennies est en général bipale, mais les premières tripales apparaissent. Les avions deviennent plus maniables, plus fins, plus rapides. Cette vitesse de giration (le virage de l'avion), combinée à la rotation des pales, engendre des effets gyroscopiques. Leur analyse montre l'intérêt de monter trois pales au lieu de deux. Avec trois pales disparaissent les vibrations dues aux effets gyroscopiques, d'autant plus gênantes que les avions sont équipés de réducteurs.

Grampaix explique pourquoi. Une hélice bipale a un moment d'inertie (par rapport à un axe qui traverse le disque) nul, ou presque, quand elle est horizontale et maximal quand elle est verticale. À chaque tour, le couple gyroscopique passe donc par deux valeurs nulles et deux valeurs maximales. Sur une tripale, le moment d'inertie est constant, et le couple aussi.

L'intérêt de la tripale est d'autant plus net qu'on ne redoute aucune augmentation de poids : une tripale bien dessinée pèse autant que son homologue bipale, parfois moins. Autre avantage, au moment où l'on se préoccupait de compressibilité en bout de pale, la tripale permettait de réduire le diamètre, donc la vitesse périphérique, de l'ordre de 7 %.

Dès 1930 environ, on s'inquiète des effets de compressibilité en bout de pale, quand la vitesse périphérique est de l'ordre de la vitesse du son. On a déjà enregistré la chute brutale de rendement dans ces conditions critiques. On constate aussi que des profils très minces et très étroits, à bord d'attaque aigu, atténuent ces effets en bout de pale, avec le maître-couple (l'épaisseur maximale) situé vers la demi-corde. Ce sont les caractéristiques que l'on retrouve aujourd'hui sur les voilures d'avions supersoniques. L'expérience des hélices a ainsi servi aux avionneurs quand ceux-ci ont abordé les très hautes vitesses.

Sous ces différents aspects, la quadripale apporte les mêmes améliorations que la tripale, mais son rendement est moindre, car l'interaction entre les pales le diminue. Nous revenons plus largement sur ce compromis dans notre page sur le nombre de pales d'une hélice.

6 : Pas relatif : croissance et limite

L'amélioration progressive du rendement maximal des hélices, des débuts de l'aviation à 1930, correspond à un accroissement continu du pas relatif. Le pas relatif est le rapport du pas de l'hélice à son diamètre (H/D). Un pas relatif élevé signifie que la pale est calée à une grande incidence par rapport au plan de rotation.

Selon Grampaix, le pas relatif est passé de 0,4 à 1,2. Il n'atteint 1,4 que pour des avions de record de vitesse, dont la puissance au mètre carré de surface balayée par les pales dépasse 350 ch. Au-delà, pour une même vitesse périphérique, le rendement maximal décroît à mesure que le pas relatif augmente.

Il y a plus. Le rendement a tendance à diminuer quand la vitesse périphérique croît. Les courbes de rendement en fonction de l'avance par tour s'étalent de moins en moins : l'adaptation de l'hélice est moins souple. L'hélice étant un compromis, ce sont le décollage et la montée qui pâtissent de cette moindre souplesse. Ces courbes indiquent aussi que, pour une même vitesse périphérique, la traction par mètre carré de surface balayée commence à décroître quand le pas relatif approche 1,8.

Le cas des hydravions de la Coupe Schneider est une parenthèse instructive. Ces appareils étaient équipés d'hélices à grand pas relatif, et presque toute la surface de l'hélice contribuait à la propulsion.

Un hydravion de la Coupe Schneider : la même hélice doit ici donner un bon rendement à très grande vitesse, au prix d'un décollage difficile.

Quelle solution employer, dès lors, pour améliorer la performance du propulseur et donc celle de l'avion ? Le réducteur se généralise sur les avions de l'époque. En réduisant la vitesse de rotation, il autorise de plus grands diamètres, donc un pas relatif plus grand, et il étale la courbe de rendement en fonction de l'avance par tour. Mais Grampaix ne pense pas qu'il apporte une solution très au-delà des pas relatifs usuels. On admet alors que la seule solution est la variation automatique du pas, qui suit de façon continue les variations de la vitesse d'avancement. L'hélice à pas variable est proche.

7 : Le groupe motopropulseur : réducteur, compresseur et pas variable

L'évolution de l'hélice, celle du moteur et même celle de la cellule se font parallèlement. Dans les écrits techniques des dernières années de la période, on voit apparaître les initiales GMP (groupe motopropulseur) pour signifier que l'hélice, le moteur, ses accessoires, le réducteur, le compresseur et le système de variation de pas forment un ensemble. Il faut donc considérer ici le réducteur, le compresseur et la variation de pas, dont la mise en œuvre chevauche les deux décennies 1920-1930 et 1930-1940.

Le réducteur

Un « réducteur » existe sur un assez grand nombre d'avions des premiers âges de l'aviation. Il est simplement constitué de deux pignons reliés par une transmission à chaîne. On lui demande d'accroître le rendement maximal en augmentant la vitesse de rotation de l'hélice, à cause des basses vitesses des avions de l'époque. Ce n'est donc pas un réducteur, mais le contraire : un système qui accélère l'hélice, ce qui explique les guillemets.

Quand la vitesse des avions augmente, on abandonne ce « réducteur » et, pendant de longues années, les hélices sont montées en prise directe. La vitesse des avions suffit à donner un bon rendement maximal dans ces conditions. On se résigne alors à utiliser des moteurs tournant à 1 500 ou 1 800 tr/min. Ces moteurs sont lourds au cheval, mais on sait que ce régime permet un bon rendement d'hélice, et l'on sacrifie tout à ce rendement.

La vitesse des avions continue pourtant d'augmenter. Pour une raison diamétralement opposée à celle des débuts, on remonte des réducteurs, de vrais réducteurs cette fois, vers 1930. Il s'agit de concilier des régimes de moteur élevés avec des régimes d'hélice suffisamment lents. Grampaix leur reconnaît plusieurs avantages :

• une vitesse de rotation limitée, donc la possibilité d'utiliser des diamètres plus grands sans craindre les effets de la compressibilité ;
• un pas relatif plus grand (rapport du pas au diamètre) et, de ce fait, une courbe de rendement étalée en fonction de l'avance par tour : on obtient un rendement correct en montée et un rendement maximal en palier ;
• une traction plus forte au point fixe, donc un décollage plus facile pour les avions à forte charge alaire et pour les hydravions, dont le déjaugeage (la sortie de l'eau) est toujours difficile ;
• un diamètre d'hélice plus grand, qui offre un meilleur freinage en descente. Autour de 1930, la finesse des avions (rapport portance/traînée) est de l'ordre de 12, contre 7 à 8 dans les années 1920, et les freins aérodynamiques et l'hypersustentation sont encore de rares curiosités. Une grande hélice travaillant en réceptrice, c'est-à-dire entraînée par l'air, sert alors de frein en descente et réduit la vitesse d'atterrissage. Renverser rapidement le pas pour freiner après un long piqué, ce qui est possible aujourd'hui, présente aussi un grand intérêt.

Le bilan comporte une contrepartie. Le réducteur augmente le pas relatif, de sorte que l'hélice tourne moins vite en réceptrice, et l'effet de freinage par unité de surface du disque diminue. Grampaix conclut néanmoins que le bilan est bénéfique : le réducteur améliore le freinage par l'hélice.

Plus généralement, en augmentant le rendement de l'hélice, le réducteur améliore l'ensemble des performances de l'avion, souvent dans de très grandes proportions : vitesse horizontale, plafond, rayon d'action surtout. On demande ensuite les mêmes améliorations au pas variable. Réducteur et pas variable sont deux éléments convergents d'un même problème, le rendement de l'hélice.

Le compresseur

Prenons un avion équipé d'un moteur à compresseur, à couple moteur constant et à hélice à pas fixe. Selon Grampaix, les vitesses de rotation et de translation en palier croissent alors toutes deux de 5 % par 1 000 m. Une hélice dessinée pour une altitude de rétablissement de 6 000 ou 7 000 m fonctionne donc très mal au sol et en montée.

Avec un moteur sans compresseur, la puissance décroît en même temps que la densité de l'air, donc que la résistance à la rotation des pales. À la rigueur, un propulseur à pas fixe suffit : le rapport des pressions est très proche du rapport des densités. On établit le propulseur pour un rendement maximal à l'altitude d'utilisation et l'on sacrifie les caractéristiques de décollage et de montée. Les avions de cette catégorie ne dépassent pas 4 000 ou 5 000 m en vol normal, et le gain de rendement qu'aurait procuré le pas variable n'aurait pas excédé 15 %. On sacrifie ces 15 % pour éviter le mécanisme complexe du pas variable.

Avec un moteur suralimenté, c'est autre chose. Sa puissance en altitude reste équivalente à celle du sol, malgré la baisse de densité de l'air. L'hélice travaille pourtant dans un air raréfié, qui lui oppose moins de résistance. Elle s'emballe et impose au moteur un régime incompatible avec sa résistance mécanique.

On peut doter le moteur d'un dispositif qui maintient constant son régime, donc celui de l'hélice. Mais l'hélice ne rejette alors plus une masse d'air suffisante. Le débit diminue, et l'effet propulsif, qui en dépend, diminue aussi. Ce bilan conduit Grampaix à conclure que le moteur à compresseur ne se conçoit que s'il actionne une hélice à pas variable : moteur à puissance constante et hélice à pas variable sont inséparables.

Le pas variable

Dès les années 1920, l'hélice à pas variable apparaît comme une nécessité, mais la réalisation se complique pour des moteurs de 100 ou 150 ch. À cette puissance, la force centrifuge n'est pas énorme, et l'on peut faire tourillonner les bras des pales dans des douilles métalliques lisses sans que les frottements dus à la force centrifuge ne soient excessifs. Avec des moteurs de 300 ch, cette force atteint déjà une vingtaine de tonnes, selon Grampaix. Les frottements deviennent considérables, ce qui oblige à recourir à des aciers spéciaux et conduit à de plus grandes dimensions de moyeu.

On a pu laisser le problème dans les cartons pendant quelques années après 1920. Il a fallu s'y atteler quand sont apparus les dispositifs destinés à rétablir la puissance en altitude, comme le turbocompresseur Rateau, qui accroissait le plafond des avions et leur vitesse aux grandes altitudes. Les techniciens l'ont abordé avec des optiques diverses. Ils ont même essayé l'hélice à diamètre variable, dont les pales, sur ordre du pilote, devaient se visser ou se dévisser sur un mandrin pour diminuer puis augmenter le diamètre « utile ». Cette formule n'a jamais reçu de solution viable.

L'hélice à pas variable mérite une page à elle seule : nous l'avons écrite, voir l'hélice à pas variable, ses mécanismes et sa régulation.

8 : Ce que cette histoire enseigne aux hélices modernes

Cette histoire garde des leçons de conception valables aujourd'hui, pour une hélice d'avion comme pour une hélice de drone, de bateau ou d'éolienne. Nous les résumons ici sans ajouter de chiffre à ceux de l'ouvrage cité.

• La vitesse en bout de pale fixe d'abord le diamètre et le régime. Elle a imposé le métal en 1920 par la résistance des matériaux, puis le réducteur, la tripale et les profils minces par la compressibilité.
• L'adaptation compte autant que le rendement maximal. Une hélice parfaite à un seul point de fonctionnement est mal adaptée au décollage et à la montée. C'est ce qui a conduit au pas variable puis à l'hélice à vitesse constante.
• L'hélice, le moteur et la transmission forment un ensemble. L'idée du groupe motopropulseur reste actuelle : on ne choisit pas une hélice sans regarder le couple et le régime du moteur.
• Tout choix a sa contrepartie. Trois pales suppriment les vibrations gyroscopiques et permettent un diamètre plus petit, mais quatre pales perdent un peu de rendement par interaction ; un réducteur qui étale le rendement mais réduit un peu le frein.

Pour aller plus loin, nous pouvons passer à l'hélice à pas variable pour comprendre comment le pas s'adapte au vol, ou revenir sur le choix du nombre de pales qui prolonge la partie 5 de cette page.