Mieux comprendre le choix d’une hélice

Dans beaucoup d’articles ou discussions entre aéromodélistes, on parle souvent de moteurs, de modèles d’avion mais plus rarement d’hélices.  Et je suis étonné que la plupart des modélistes n’attachent pas assez d’importance à cet élément. Celui-ci est pourtant primordial. Si l’hélice est mal adaptée aux caractéristiques du moteur et de la vitesse de l’avion, le résultat final sera bien inférieur à celui que l’on pourrait obtenir. Si un de ces trois paramètres n’est pas de bon niveau le résultat sera à son image. Comme le prix de l’hélice est le moins coûteux des trois, il serait dommage de ne pas s’y intéresser.


Il faut d’abord comprendre le fonctionnement de l’hélice pour savoir dans quelle direction il faut chercher. Comme la plupart des modélistes, nous ne sommes pas formés pour en calculer les caractéristiques. Il faut comprendre d’abord que les dimensions de l’hélice ne doivent pas dépasser les capacités du moteur. C’est un peu comme la boîte de vitesse d’une voiture : avec un rapport trop élevé, le moteur chauffe et ne donne pas toute sa puissance et avec un rapport trop bas le moteur tourne inutilement dans le vide.  Nous avons donc intérêt de posséder une hélice bien adaptée. À de rares exceptions près, l’hélice achetée dans le commerce sera souvent un compromis. Il y a une différence fondamentale entre une hélice étudiée pour la vitesse et une hélice pour l’acrobatie. Mais toutes sont basées sur un même principe.


Après plusieurs années de fabrication et de recherche, je suis arrivé aux principales remarques suivantes : dans la recherche d’une bonne hélice, on ne connaît malheureusement pas tous les paramètres pour en réaliser une parfaite. Donc il faudra déterminer la meilleure par tests successifs. De plus, il faut aussi pouvoir les fabriquer et les reproduire exactement. Il existe certainement des calculs pour déterminer tous les paramètres. Aussi faudrait-il connaître les formules, mais aussi posséder toutes les données !


Il faut savoir qu’une hélice rigide subira moins de déformations en fonctionnement qu’une hélice souple. Donc, de formes égales mais de rigidités différentes elles ne donneront pas le même résultat ! Attention ! La rigidité ne va pas uniquement de pair avec le poids de l’hélice ; la qualité des matériaux utilisés est très importante.


Pour mieux comprendre les efforts supportés par les hélices, il faut savoir qu’un profil biconvexe convient mieux pour les grandes vitesses périphériques et pour les basses vitesses, un profil creux plus porteur est parfois préférable. Un profil creux, ou plat à vitesse égale, soumettra l’hélice à des d’efforts beaucoup plus importants, qui de ce fait provoqueront plus facilement des déformations à vitesse élevée. Si la structure de l’hélice est insuffisamment résistante, cela peut engendrer des déformations qui parfois aussi provoqueront des vibrations réduisant la performance et augmentant le bruit. Donc, une hélice biconvexe, de même résistance mécanique, aura beaucoup moins de contrainte qu’une à profil creux de mêmes dimensions. Nous devrons cependant augmenter le pas d’une hélice à profil biconvexe asymétrique pour avoir le même rendement qu’une à profil plat et obtenir la même traction.

Peut-être que, pour certaines catégories, si l’on diminue le diamètre pour réduire le bruit, on aura une vitesse périphérique moindre. Il faudra utiliser un profil de pale nettement plus porteur et une plus grande largeur de pale pour obtenir un rendement égal.


Comme une hélice à profil biconvexe asymétrique a un recul supérieur (recul = dérapage) à un profil plat, le profil creux aura, lui, encore moins de recul. En conclusion, pour avoir un rendement plus ou moins équivalent il faudra donc moins de pas pour un profil creux et plus pour un profil biconvexe. Il vous faudra expérimenter les différentes possibilités afin d’atteindre un rendement optimal. Donc lorsque vous comparez des hélices, il ne faut pas tenir compte seulement du pas et du diamètre, mais aussi du profil et de la largeur de la pale. Exemple : une hélice APC devra avoir 25mm de diamètre en plus qu’une hélice grise Graupner à large bout de pale pour ± le même rendement. Les indications du pas et du diamètre sur une hélice sont des valeurs indicatives pour un même type d’hélice. De plus, méfiez-vous : il arrive fréquemment que les données de pas indiquées sur les hélices soient erronées.


Une hélice bien étudiée n’a pas un pas constant, ceux situés près du centre n’ont pas assez de vitesse périphérique pour avoir un bon rendement. En effet, comme la portance augmente en fonction du carré de la vitesse, il est impossible d’avoir à cet endroit une portance équivalente aux extrémités de la pale. Nous donnerons au pas situé près du moyeu de l’hélice une valeur équivalente à la vitesse de l’avion, pour ne pas freiner ou dépenser des forces inutilement. Près du centre, nous utiliserons pour les mêmes raisons un profil biconvexe ou biconvexe asymétrique. Donc, le pas central d’une hélice (par exemple 10 X 6) sur un avion qui va vite n’est pas le même que pour un avion lent qui utilise la même 10 X 6. De même, qu’une hélice tournant à 10.000 tours n’a pas le même pas au centre qu’une même hélice qui tourne à 15.000 tours. Ensuite nous évoluerons progressivement vers les deux tiers de la pale vers le pas et le profil choisi.  Le dernier tiers de la pale est le plus important, là où le rendement devient optimum grâce à la vitesse périphérique supérieure. La forme de l’hélice, sa largeur, son profil et son pas sont sensés donner un même flux d’air sur cette partie de la pale.

En bout de pale, il se produit une turbulence importante qui perturbe le rendement ; on peut diminuer celle-ci en réduisant le pas à l’extrémité de la pale.


Les dimensions de l’hélice varient selon l’usage auquel celle-ci est destinée. On demande à certaines hélices d’avoir une bonne accélération comme en vol libre, donc nous aurons un pas faible et un grand diamètre. En acrobatie, il faut de la puissance sans aller trop vite ; on travaillera sur le couple. Pour d’autres catégories, on demande la meilleure vitesse, donc beaucoup de pas et un diamètre assez petit. En quelques mots, le pas est déterminé par la vitesse de l’avion et le régime du moteur. On calculera son diamètre par rapport à la vitesse périphérique du bout de pale qui doit se rapprocher de 900km/h. La surface des pales devra être adaptée à la puissance du moteur. Un moteur neuf ou usé n’utilisera en principe pas la même hélice. En effet, neuf, il aura plus de puissance ; sur la fin de sa vie, il sera plus libre et tournera plus facilement, donc plus vite, mais avec moins de puissance.


Alors comment faire ? En général vous pouvez vous procurer une hélice de base. Ensuite il faudra procéder à de nombreux essais de façon empirique. Personnellement, comme je pratique le vol circulaire course ou vitesse, nous utilisons le chronométrage pour mesurer les différences. Pour l’acrobatie en VCC, la vitesse contrôlée ne sert qu’à titre de comparaison. Il faudra tester pour voir s’il y a une augmentation de puissance, mais sans faire chauffer anormalement le moteur.


Voici en exemple quelques calculs élémentaires pour vous permettre de mieux comprendre la manière de procéder :


Données :
Vitesse de l’avion : 210km/h


Diamètre de l’hélice 154m/m, rayon 77


Pas maximum de l’hélice 6’’4/10 soit 160 m/m


Avance réelle :
Vitesse en kilomètre / heure : (tours minute X 60 minutes)) = distance en km / tour
210           :        (25000 X 60)               =0,00014 soit 140 m/m


Pas pratique :
= avance réelle + le recul (Dérapage)
=140 + 14% de recul = 159,6 m/m de pas pratique


Vitesse périphérique en bout de pale :
Π X (Ø en km) X tours minute X 60 minutes = Vitesse du bout de pale km / h
3,1416 X 0,000154 X 25000   X 60               = 725,7km/h


Vitesse périphérique au 2/3 de la pale, soit au Ø 100mm :
π X   (Ø en km)      X tours minute X 60 minutes = Vitesse du bout de pale
3.1416 X 0,000100 X      25000       X     60          = 471,15km/h


On constate que pour avoir la même portance au diamètre 100 m/m de pas qu’au diamètre 150 m/m, il faut plus de largeur de pale, voir un autre profil plus porteur pour obtenir la même portance.


Graphique

Le problème pour établir les caractéristiques d’une hélice est de connaître d’abord la vitesse de rotation exacte du moteur. Une fois que le nombre de tours/minute est connu ou estimé, on peut établir le diamètre à utiliser selon la vitesse périphérique des bouts de pales. Ensuite on devra déterminer le pas théorique en tenant compte de la forme du profil et la largueur de la pale utilisée.


Le pas réel est utilisé au centre de l’hélice, il est le pas nécessaire pour que l’hélice se visse dans l’air à la vitesse de l’avion en vol, ceci sans que l’hélice à cet endroit ne force ou freine.


Pour déterminer le pas théorique, vous ajouterez au pas réel 10% de pas supplémentaire pour une pale large et/ou à profil creux, ou +12.5%, ou +15% ou plus pour une hélice à pale étroite ou encore un pas intermédiaire etc. etc.


Ne pas oublier, si vous utilisez une pale de grand rayon, la vitesse périphérique sera plus grande, donc la portance de l’hélice en bout de pale sera plus forte et demandera plus de puissance du moteur et à l’inverse vous devrez mettre moins de pas pour adapter l’hélice à la puissance du moteur.


Le diagramme vous permettra de mieux comprendre comment une hélice fonctionne. Et comme nous réalisons des hélices en procédant de manière empirique depuis des dizaines d’années, vous pourrez par déduction estimer la vitesse de votre moteur de façon plus réaliste.


Ne pas oublier par exemple : qu’une hélice donnant de bons résultats sur un avion et que l’ensemble moteur/hélice est replacé sur un autre avion qui vole à une vitesse différente, vous devrez vous poser la question l’hélice est-elle encore bien adaptée ? Attention aussi de ne pas provoquer d’échauffement excessif du moteur qui amènera une irrégularité de fonctionnement.


Une chose est sûre : plus vous connaîtrez de paramètres, comme la vitesse de l’avion, ou si vous êtes sûr de la vitesse de rotation de votre moteur en vol, et plus vous aurez de données pour réaliser votre hélice et moins vous devrez réaliser des essais pour avoir les meilleurs résultats.


Jean  Dessaucy