L'hélice

Le pas de l'hélice, ses forces et son principe de fonctionnement.

L'hélice convertit la puissance délivrée par le moteur en traction utilisable. Simple dans son principe, elle génère pourtant, à elle seule, la plupart des tendances à faire pivoter l'avion au décollage — des effets que tout pilote doit savoir anticiper au palonnier.

Le principe de la traction

Deux façons complémentaires expliquent comment une hélice produit de la traction. D'une part, elle accélère une masse d'air vers l'arrière ; par réaction (troisième loi de Newton), une force égale et opposée s'exerce sur l'hélice, vers l'avant. D'autre part, chaque pale se comporte comme une aile en rotation : sa forme génère une différence de pression entre ses deux faces, orientée cette fois vers l'avant plutôt que vers le haut.

Géométrie de la pale

Le pas (ou angle de pale) est l'angle entre la corde de la pale et le plan de rotation. Cet angle diminue progressivement de l'emplanture (le pied de la pale) vers l'extrémité : la vitesse de rotation d'un point de la pale augmente avec la distance à l'axe, si bien qu'un angle constant produirait une incidence trop faible en bout de pale et trop forte à l'emplanture. Ce vrillage maintient un angle d'incidence à peu près constant sur toute la longueur de la pale.

Pas géométrique, pas effectif et recul

Le pas géométrique est la distance que l'hélice parcourrait en une révolution complète si elle avançait dans un solide, comme une vis dans du bois. Mais l'air n'est pas un solide : l'hélice « glisse » toujours un peu. La distance réellement parcourue par tour s'appelle le pas effectif, et la différence entre les deux est le recul de l'hélice (propeller slip).

Les quatre effets asymétriques au décollage

Pour une hélice tournant dans le sens horaire vue du poste de pilotage — le cas le plus courant — quatre effets distincts tendent tous à faire lacet l'avion vers la gauche, particulièrement à forte puissance et faible vitesse :

La réaction de couple découle directement de la troisième loi de Newton : si l'hélice tourne dans un sens, une réaction de roulis s'exerce sur l'avion dans le sens opposé. L'effet gyroscopique (précession gyroscopique) fait qu'une force appliquée au bord du disque de l'hélice — par exemple en relevant la queue au décollage sur un avion à roulette de queue — se manifeste, non pas à l'endroit où elle est appliquée, mais 90° plus loin dans le sens de rotation. Le souffle hélicoïdal (spiral slipstream) enroule le flux d'air en spirale autour du fuselage jusqu'à la dérive, où il produit une force latérale. Enfin, l'effet de pale dissymétrique (P-factor) survient lorsque l'axe de l'hélice est incliné par rapport à la trajectoire — typiquement à forte incidence — la pale descendante balayant alors une plus grande distance et produisant plus de traction que la pale montante.

Hélice à pas fixe ou à pas variable

Une hélice à pas fixe n'offre qu'un seul angle de pale, réglé une fois pour toutes : elle n'atteint son rendement optimal qu'à une seule combinaison de vitesse air et de régime moteur, généralement autour de 70 % de rendement maximal. En dehors de cette combinaison — au décollage à faible vitesse, ou en piqué à très grande vitesse — son efficacité chute nettement.

Une hélice à pas variable permet d'ajuster l'angle des pales pour conserver un angle d'incidence proche de l'optimal dans une plus large gamme de conditions. Les hélices à calage réglable au sol se règlent une fois avant le vol ; les hélices à deux pas offrent un petit pas pour le décollage et la montée, et un grand pas pour la croisière ; les hélices à vitesse constante, les plus sophistiquées, ajustent automatiquement leur pas en continu pour maintenir le régime moteur sélectionné par le pilote.