Rien de tel q'une breve histoire de l'évolution des hélices d'avion (de 1920 à nos jours) pour integrer rapidement l'état de l'art et comprendre comment nous en somme arrivé là.(Vous pouvez aussi consulter la page traitant de l' histoire de l' hélice en général)

Cette partie histoire de l' helice avion comporte de larges extraits du livre de Jean Grampaix "L'Hélice" cité dans la bibliographie du site.

La technique de l'hélice aérienne en 1920  

Avant et pendant la guerre 1914-1918, la technique de l'hélice est ainsi fixée universellement lamelles de bois contrecollées, forme obtenue d'abord à la main, au reproducteur ensuite chez certains héliciers. L'hélice est vernie ou laquée.

Il existe une grande diversité de formes en plan le bord d'attaque est parfois incurvé, plus ou moins fortement; parfois rectiligne. Ce qui entraîne la même diversité quant à la forme de la fibre neutre. L'extré­mité de pale est plus ou moins arrondie, ou carrée ou très effilée.

Profil: au demi-rayon les épaisseurs relatives vont de 10 à 30%; largeurs de pales: 9 à 11 % du diamètre. Intrados plat dans la partie travaillante ; pas constant tout le long de la pale ou croissant du moyeu jusqu'au bout de la pale. Un perfectionnement intervient touchant les profils: pour en améliorer la finesse - et ainsi accroître le rendement - certains héliciers réalisent des propulseurs à profils symétriques. Mais ceux-ci sont rapidement abandonnés parce qu'ils introduisent un écart trop grand entre la vitesse de rotation en palier et la vitesse de rotation en montée.

La fabrication de l'hélice procède autant du tour de main artisanal que de la technique ; il en fut ainsi jusqu'à l'apparition des hélices métalliques. Les hélices de l'époque équipent des moteurs d'une cinquantaine de chevaux ; elles ont un diamètre de 2 m à 2,50 m et tournent à 1.200 tours-minute. Ce qui donne en bout de pale, une vitesse périphérique inférieure à 150 mètres-seconde. Compte tenu de ces faibles vitesses, les hélices résistent facilement bien que fondées sur des calculs sommaires et des techniques imprécises. Pas de problème d'adaptation non plus : les avions n'ayant qu'un faible excédent de puissance, la vitesse maximale en palier n'est pas très supérieure à la vitesse sur la trajectoire en montée. Ce qui fait que, l'avance par tour variant peu, on conserve pratiquement le rendement maximal en montée.

L'hélice en bois va progresser, davantage dans sa fabrication que dans sa qualité aérodynamique et déjà, entre 1920 et 1925, celle-ci va se trouver insuffisante par rapport aux nouveaux moteurs. On se tourne alors vers l'hélice métallique et nous allons voir celle-ci apparaître successivement sous deux formes : la planche tordue, le profil taillé.

de 1920 a 1940

Pendant cette période les performances des avions s'accroissent largement Et, pour les hélices il en découle deux ordres de difficultés:

1. la vitesse périphérique en bout de pale approche les 300 mètres-seconde (elle était moitié moindre à l'époque précédente). Ce qui fait que les facteurs liés à la résistance sont multipliés par 4.
2. les avions ayant un plus grand excédent de puissance, l'écart s'est accru entre la vitesse maxi male en palier et la vitesse sur la trajectoire de montée. D'où un sérieux problème d'adaptation, car il arrive qu'en montée on perde jusqu'à 25 % du rendement maximal.

Le bois devient insuffisant pour faire face aux conditions nouvelles exigées de l'hélice, tant du point de vue aérodynamique que du point de vue résistance des matériaux. On reconnaît au métal les avantages suivants sur le bois :

• possibilité d'obtenir des profils plus fins:
• rendement nettement meilleur; plus grande résistance unitaire du métal, d'où possibilité (pales minces) de tourner à des vitesses périphériques beaucoup plus élevées. A l'époque où le métal fut introduit, la vitesse périphérique était un problème de résistance des matériaux et non pas un problème aérodyna­mique découlant des vitesses soniques.
• matériau plus homogène: robustesse décou­ lant de cette homogénéité, meilleur équilibrage.
• facilité de fabrication, de réparation.
• pas de déformations sous l'influence du temps ; stockage d'une durée illimitée.
• possibilité de construïre les hélices à pales séparées, il ne peut absolument pas être envisagé de réaliser l'assemblage d'une pale en bois dans un manchon métallique.
• meilleur rendement aérodynamique du moyeu, qui n'impose pas les surépaisseurs exigées par le bois.

Le Poids des premières hélices métalliques de cette époque pèsent de 30 à 40 % de plus que leurs homologues en bois ; par la suite, les poids sont pratiquement équivalents.

Hélices en « planche » tordue  

C'est l'Americain Reed qui déposa le premier brevet d'hélice métallique (mars 1921). Sitôt après, essai d'endurance de 30 heures au banc, et premier essai en vol le 30 août 1921. Il s'agissait de « planches » métalliques tordues, d'épaisseur relative uniforme - de l'ordre de 5 % - sur tout le rayon de la pale (fig. 37). Reed demandait à ses pales de réaliser, par leur flexibilité, un équilibrage partiel entre les couples aérodynamiques et les couples cen­trifuges. En d'autres termes, la rigidité des pales devait être assurée plutôt par la force centrifuge que par leur résistance propre. On voulait ainsi « passer à travers » les efforts de flexion. Concept que l'on retrouve aujourd'hui pour les rotors de l'hélicoptère. li fut en effet obtenu ainsi un certain équilibrage, mais la grande flexibilité des pales présentait deux graves inconvénients : les pales « tenaient » mal l'effort qui leur était demandé en montée, elles se déformaient trop et la vitesse de rotation diminuait. Par ailleurs les trop grandes déformations de torsion de ces pales provoquaient des efforts qui entraînèrent des ovalisations aux trous d'assemblage. Ces hélices furent introduites en Europe par Pierre Levasseur - en 1924 - qui, le premier, les construisit, sous licence Reed. Elles étaient d'une seule pièce, usinées à partir d'une ébauche en duralumin forgé. Elles furent longuement utilisées, jusque vers 1930 et permirent à Bonnet de voler à plus de 400 à l'heure sur un Bernard-Hispano.

(fig. 37).

Hélices à profil taillé

Après l'époque de l'hélice métallique à pales plates tordues ce fut celle de l'hélice à profil taillé , stade auquel nous sommes encore. Cas particulier: celui des pales creuses en tôle d'acier doux soudées à l'autogène. En 1930, ce type existait déjà à titre exceptionnel (hélices Leitner), mais, d'une résistance suffisante en flexion, on lui reprochait de mal tenir aux efforts centrifuges, ceux-ci amenant le glissement aux lignes de soudure. Dès le début des hélices taillées, il fut envisagé d'utiliser deux métaux légers, le duralumin et le magnésium. C'est le premier qui fut retenu ; on reprocha au magnésium sa faible limite élastique (d'où déformations permanentes) et l'on fit intervenir également la difficulté d'obtenir un magnésium toujours homogène. Le tracé général de l'hélice de 1930 apparaissait ainsi:

• largeur maximale de la pale située à la moitié du rayon et de l'ordre de 8 % du diamètre;
• bout de pale effilé et mince (apparition de la compressibilité en bout de pale, celle-ci approchant la vitesse du son). La diminution de la largeur de la pale commençait à demi-diamètre et elle était très rapide, ce qui donnaït un bout de pale très effilé et donc un effort centrifuge relativement modéré.
• Epaisseur relative, au demi-rayon, ne dépassant pas 6 %.

Une particularité de tracé : l'hélice junkers à joues élargissement de la pale à la racine pour le refroidissement du moteur; ce système était bon car le refroidissement était automatiquement adapté aux diverses conditions de vol. Mais un tel tracé était difficilement compatible avec le pas variable en raison des efforts qu'il engendrait pour cette variation de pas.

hélice junkers à joues

 

Hélices trîpales

 

L'hélice de ces décennies est, en général, bipale, mais apparaissent les premières tripales.

 

La maniabilité des avions s'est accrue, ils sont plus fins, plus rapides, cet accroissement de la vitesse de giration combiné avec la vitesse de rotation des pales donne naissance à des effets gyroscopiques dont l'analyse révèle qu'il y aurait intérêt à monter trois pales au lieu de deux: avec trois pales disparaissent les vibrations provoquées par les effets gyroscopiques, vibrations d'autant plus néfastes que les avions sont équipés de réducteurs. En effet, l'hélice bipale a un moment d'inertie nul quand elle est en position horizontale et un moment d'inertie maximal lorsqu'elle est verticale, alors que, dans la tripale, le moment d'inertie est constant. Dans la rotation de l'hélice bipale, à chaque tour le couple gyroscopique passe donc par deux valeurs nulles et par deux valeurs maximales ; alors que ce couple est constant pour la tripale. L'intérêt des hélices tripales est parfaitement évident car, outre les avantages qui viennent d'être indiqués, on n'a à redouter aucune augmentation de poids : une tripale bien dessinée est d'un poids égal, parfois moindre, à celui de son homologue bipale. Enfin, au moment où l'on commençait à se préoccuper des questions de compressibilité pour l'hélice en bout de pale, le type tripale permettait une diminution du diamètre - donc de la vitesse périphérique- de l'ordre de 7 % Dès 1930 environ on se préoccupait des effets de compressibilité en bout de pale lorsque la vitesse périphérique était de l'ordre de la vitesse du son. Dès cette époque on avait enregistré la chute brutale de rendement lorsqu'on se trouvait dans ces conditions critiques. Et l'on avait constaté que les effets de la compressibilité étaient atténués par l'emploi de profils très minces et très étroits à bord d'attaque aigu, aux extrémités de pales, le maître-couple de ces profils devant se trouver aux environs de la demi-corde: en somme, les caractéristiques que l'on retrouve aujourd'hui aux voilures des avions supersoniques. L'expérience des hélices à servi aux avionneurs lorsque ceux-ci ont eu affaire aux très hautes vitesses. Aux différents points de vue indiqués ci-dessus, la quadripale apportait les mêmes améliorations que la tripale ; toutefois elle était d'un rendement moindre, ce rendement étant diminué par l'intéraction des pales.

Croissance et limite du pas relatif  

L'amélioration progressive du rendement maximal des hélices, des débuts de l'aviation à 1930, correspond à un accroissement continu du pas relatif:

celui-ci est passé de 0,4 à 1,2. lI n'atteint 1,4 que pour des avions de record de vitesse, pour lesquels 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. Le pas relatif est le rapport du pas de l'hélice à son diamètre. Dans un pas relatif H/D élevé il y a donc un grand angle d'incidence entre la pale et le plan de rotation.

Au-delà de ces chiffres exprimant le pas relatif, le rendement a tendance à diminuer lorsque croît la vitesse périphérique. Les courbes de rendement en fonction de l'avance par tour, s'étalant de moins en moins, indiquent par là que l'adaptation des hélices est moins souple. L'hélice correspondant à un compromis, c'est le décollage et la montée qui souffriront de cette moindre souplesse d'adaptation. Ces courbes indiquent que, pour une même vitesse, périphérique, l'effort de traction au mètre carré de surface balayée par l'hélice commence à décroître lorsque le pas relatif approche de 1,8.

Une parenthèse pour citer un cas particulier: celui des hydravions de la Coupe Schneider. Ces appareils étaient équipés d'hélices qui étaient caractérisées par un grand pas relatif; par ailleurs, presque toute la surface de l'hélice concourait au travail de propulsion.

 

Dès lors quelle solution employer pour améllorer la performance du propulseur donc celle des avions?

Le réducteur se généralise sur les avions de l'époque et, augmentant le pas relatif de I' hélice en ce sens qu'il permet de plus grands diamètres puis-qu'il réduit la vitesse de rotation, il étale la courbe de son rendement en fonction de l'avance par tour Mais on ne pense pas que le réducteur apporte une solution très au-delà des pas relatifs usuels Et il est admis que la seule solution est la variation automatique du pas suivant d'une façon continue les variations de la vitesse d'avancement L'hélice à pas variable est proche.

Paramètres de l'hélice I920-1940  

Il est bien évident que l'évolution de I'hélice celle du moteur - et même celle de la cellule - se sont faites parallèlement. Si bien que, au cours des dernières années, dans les écrits techniques, on a vu apparaître les initiales G.M.P. (Groupe Moto Propulseur) voulant par là signifier que l'hélice le moteur, les accessoires du moteur, le réducteur, le compresseur, le système de variation de pas constituaient un ensemble.Il faut donc considérer ici le réducteur, le compresseur, la variation de pas dont la mise en oeuvre chevauche les deux décennies 1920-1930 et 1930- 1940.

Le réducteur  

Le « réducteur » existait sur un assez grand nombre d'avions des premiers âges de l'aviation; il était simplement constitué par deux pignons reliés par une transmission à chaîne et on lui demandait d'accroître le rendement maximum, par l'accroissement des vitesses de rotation de l'hélice, en raison des basses vitesses des avions de l'époque. En fait donc il ne s'agissait pas d'un réducteur mais, au contraire, d'un système permettant d'accroître la vitesse de rotation de l'hélice (ce qui explique les guillemets ajoutés au mot réducteur).

Lorsque la vitesse des avions a augmenté, on a abandonné le « réducteur » et, pendant de longues années, les hélices ont été montées en prise directe, la vitesse des avions étant suffisante pour donner un bon rendement maximal dans de telles conditions. Pendant plusieurs années, on se résigna à utiliser des moteurs tournant à 1 .500/1 .800 tours : ces moteurs avaient un poids considérable au cheval, mais on savait que cette vitesse de rotation de 1 500/1 .800 tours était celle qui permettrait d'obtenir un bon rendement de l'hélice et l'on sacrifiait tout à ce rendement (l'hélice était évidemment montée directement sur l'arbre du moteur).

Mais la vitesse des avions a continué d'augmenter et, pour une raison diamétralement opposée à celle qui l'avait fait adopter au début de l'aviation, on a de nouveau monté des réducteurs - des réducteurs véritables alors - vers 1930 pour concilier des régimes élevés du moteur avec des régimes suffisamment lents de I'hélice On portait plusieurs avantages à l'actif du réducteur :

• limitation de la vitesse de rotation donc possibilité d'utiliser des diamètres plus grands sans craindre les effets de la compressibilité.
• augmentation du pas relatif de l'hélice (rapport du pas au diamètre) de ce fait étalement de la courbe de rendement en fonction de l'avance par tour : d'où un rendement correct en montée et un rendement maximal en palier. Un pas relatif élevé correspond à une pale calée à une grande incidence par rapport au plan de rotation.
• augmentation de la traction au point fixe, d'où un décollage plus facile pour les avions à forte charge alaire et les hydravions, dont le déjaugeage est toujours difficile
• augmentation du diamètre de l'hélice, entraînant les possibilités suivantes : de 7 à 8 qu'elle était dans les années 1920, la finesse des avions était de l'ordre de 12 vers 1930, alors que le freinage aérodynamique et l'hypersustentation n'étaient encore que très rares curiosités mécaniques. Il était donc intéressant de disposer, en descente, du frein constitué par une grande hélice travaillant en réceptrice: la vitesse sur la trajectoire - donc la vitesse d'atterrissage - se trouvait ainsi réduite. Et il était également d'un grand intérêt de pouvoir freiner après un long piqué, par le renversement rapide du pas de l'hélice - ce qui est possible aujourd'hui. Toutefois, il faut noter que cette amélioration avait une contrepartie : le réducteur, on l'a vu, augmente le pas relatif, ce qui fait que l'hélice tourne moins vite en réceptrice ; par suite, l'effet de freinage par unité de surface du cercle balayé se trouve diminué. Donc, par l'emploi du réducteur : d'une part, amélio­ration, d'autre part, diminution de l'effet de freinage de l'hélice, Ce bilan en fin de compte se révèle bénéfique. En d'autres termes l'emploi du réducteur améliore le freinage par l'hélice.

Plus généralement, augmentant le rendement de l'hélice, c'est l'ensemble des performances de l'avion que le réducteur améliorait, souvent dans de très grandes proportions : vitesse horizontale, plafond, rayon d'action surtout... Les diverses améliorations, on les demanda ensuite, au pas variable. Réducteur et pas variable sont les éléments convergents d'un même problème le rendement de l'hélice.

Le compresseur  

Sur un avion équipé d'un moteur à compresseur, les vitesses de rotation et de translation en palier (pour un couple-moteur constant et une hélice à pas fixe), croissent toutes deux à un taux de 5 % par 1.000 mètres. On voit donc que l'hélice fonctionnera très mal au sol et en montée si elle est dessinée pour une altitude de rétablissement de l'ordre de 6.000 ou 7.000 mètres. Avec les moteurs suralimentés, c'est-à-dire avec les moteurs qui conservent leur puissance à haute altitude malgré la diminution de densité de l'air, on retombe dans le cas du décollage : grand écart de vitesse de l'avion. Il sera donné un grand pas à l'hélice qui doit travailler à haute altitude dans un milieu fluide de moindre résistance, mais ce pas sera beaucoup trop grand pour le décollage. Avec le moteur sans compresseur, c'est-à-dire, avec le moteur dont la puissance décroît en même temps que la densité de l'air (et donc la résistance à la rotation des pales) on peut, à la rigueur, se contenter d'un propulseur à pas fixe, puisque le rapport des pressions est très proche du rapport des densités. Le propulseur est établi pour un rendement maximal à l'altitude d'utilisation et l'on fait le sacrifice des caractéristiques de décollage, de montée. Avec le moteur sans compresseur, les avions ne dépassant pas 4 ou 5.000 mètres en vol normal, le gain de rendement qu'aurait procuré l'hélice à pas variable n'eut pas excédé 15 %. On faisait le sacrifice de ces 15 % puisque, en contrepartie, on n'avait pas à se préoccuper du mécanisme complexe du pas variable.

Mais, dans le cas du moteur suralimenté, la puissance du moteur en altitude reste équivalente à ce qu'elle était au sol ; de sorte que le moteur, en altitude, fournit à l'hélice la même puissance qu'au sol mais que cette hélice, en altitude, travaille dans un air raréfié qui, donc, ne lui oppose plus la même résistance qu'au sol. Elle va s'emballer et imposer au moteur une vitesse de rotation incompatible avec la résistance mécanique de celui-ci. Solution : doter le moteur d'un dispositif qui maintienne constante sa vitesse de rotation, et donc celle de l'hélice. Mais alors cette hélice ne va plus rejeter une masse d'air suffisante ; le débit étant diminué, l'effet propulsif recherché - qui est fonction de ce débit - sera également diminué. De ce bilan, il ressort donc que le moteur à compresseur ne peut se concevoir que s'il actionne une hélice à pas variable. Moteur à puissance constante et hélice à pas variable sont inséparables.

Dès les années 1920, l'hélice à pas variable apparaissait comme une nécessité, mais la question se corsait quand il fallait passer à la réalisation avec des moteurs de 100 ou 150 ch. la force centrifuge n'étant pas énorme, on pouvait faire tourillonner les bras des pales dans des douilles métalliques lisses sans que les frottements dus à la force centrifuge ne soient trop importants. Mais avec les moteurs de 300 ch. cette force centrifuge atteignait déjà une vingtaine de tonnes, d'où des frottements considérables, qui ont obligé à avoir recours à des aciers spéciaux et qui ont conduit à de plus grandes dimensions de moyeux.

 

On a pu se permettre de laisser dans les cartons le problème de l'hélice à pas variable pendant quelques années après 1920 ; mais il a fallu obligatoirement s'atteler à sa solution lorsque sont apparus les dispositifs destinés à rétablir la puissance en altitude, comme le turbo-compresseur Rateau, qui permettait d'accroître le plafond des avions et leur vitesse aux grandes altitudes. Les techniciens ont abordé le problème avec des optiques diverses - on le verra plus loin -. Il fut même abordé le problème de l'hélice à diamètre variable (qui n'a jamais reçu de solution viable) en effectuant des essais suivant lesquels les pales, obéissant à l'action du pilote, devaient se visser ou se dévisser sur un mandrin, diminuant et augmentant tour à tour, le diamètre « utile » de l'hélice.

L'hélice a pas variable merite bien une page a elle seule.. : hélice a pas variable