Analyse technique : les hélices

À nouvelle année, nouvelle rubrique ! Parmi les nombreuses nouveautés qui s'égrèneront dans World of Warplanes tout au long de 2014, nous sommes heureux de vous présenter une série d'articles inédite intitulée « Analyse technique ».

Vous vouliez savoir comment un avion fonctionne et comment il vole, mais le jargon des spécialistes et une cascade d'équations mathématiques vous ont rebuté ? Dans cette série thématique, nous vous expliquerons tout en langage clair et vous deviendrez un expert en un rien de temps !

Cet article inaugural porte sur…

les hélices.

La plupart des appareils de World of Warplanes en sont équipés. De fait, jusqu'à l'invention du moteur à réaction au crépuscule de la Seconde Guerre mondiale, l'hélice est la seule technologie qui permet de faire avancer un avion.

Les modèles contemporains et antérieurs au conflit sont sensiblement identiques à ceux que l'on trouve aujourd'hui sur les petits avions. Peut-être avez-vous traversé l'Europe sur l'un de ces aéronefs :

Bombardier Dash 8, avion de ligne moyen-courrier à turbopropulseur utilisé par beaucoup de petites compagnies européennes. La source d'énergie est différente, mais l'hélice est quasiment la même.

De la vedette au cuirassé, l'hélice est aussi le principal moyen de propulsion des bateaux et navires de toutes tailles.

On ne sait pas exactement quand elle a été inventée. Des variantes existent depuis l'époque d'Archimède (env. 250 avant J.-C.), qui imagina une vis permettant de « pomper » l'eau à des fins d'irrigation.

Le dispositif mis au point par le savant grec assure le transfert d'un liquide d'un point à un autre. Le principe fonctionne aussi en sens inverse, cependant, à savoir que l'eau reste immobile tandis que la vis est en mouvement. Un objet familier illustre facilement la chose : le tire-bouchon.

Une fois le bouchon retiré de la bouteille, il reste fixé au tire-bouchon. Tenez le bouchon fermement et tournez le manche : le tire-bouchon s'extrait du bouchon. Imaginez à présent que votre tire-bouchon soit la vis d'Archimède illustrée ici, tandis que le bouchon serait l'eau. Si cette dernière est une énorme masse immobile (la mer), c'est la vis qui sera forcée de bouger quand on la tournera et tout ce qui sera fixé à elle bougera en même temps.

Archimède n'appliqua ce principe qu'à l'eau, mais l'idée de s'en servir pour faire voler des véhicules émergea de la tête d'un autre grand penseur de l'histoire :

Vis aérienne de Léonard de Vinci. Ce croquis date du XV^e siècle. On notera la ressemblance avec le tire-bouchon d'Archimède.

Comment passe-t-on d'une vis à une hélice ? La réponse réside dans la forme incurvée des pales de cette dernière.

La courbure des pales imite le filetage de la vis. Lorsque l'hélice tourne, cette courbure repousse l'eau en arrière, ce qui crée une force « opposée et égale » vers l'avant sur l'hélice elle-même que l'on appelle « poussée », comme avec le tire-bouchon. Cette poussée fait avancer l'objet fixé à l'hélice.

Les premières véritables hélices mécaniques de navire sont apparues au début du XIX^e siècle. Cent ans plus tard, en 1903, les frères Wright travaillèrent sur le principe et l'adaptèrent pour faire se mouvoir un aéronef.

De grands esprits d'antan comme de Vinci avaient pensé à l'hélice pour soulever l'appareil. Mais sur un avion, c'est la disposition des ailes (appelée « voilure ») qui crée la portance, laquelle fera l'objet d'un prochain article. Les Wright n'avaient besoin de l'hélice que pour faire avancer l'avion, comme un navire. Lorsqu'ils conçurent leur premier aéronef, l'une de leurs principales tâches fut donc de convertir le système de l'hélice utilisée sur les bateaux de manière à fournir une poussée dans l'air.

En termes physiques très simples, l'eau et l'air sont tous deux des fluides. L'air, qui est un gaz, a une densité (rapport masse/volume) beaucoup plus faible que l'eau, et ce facteur joue grandement sur les propriétés nécessaires à l'hélice. Les frères Wright comprirent que pour qu'une hélice aérienne exerce une poussée semblable à celle d'une hélice marine, c'est la vitesse de rotation qui faisait la différence. Ils en conclurent que l'hélice d'un avion devait être faite de pales longues et étroites pour tailler l'air à pleine vitesse, et non courtes et larges comme celles qui assurent la poussée dans l'eau.

Hélice aérienne classique, à comparer avec la variante marine ci-dessus. On notera que les pales sont longues et fines afin de mieux tailler l'air et assurer la poussée à grande vitesse.

La courbure des pales est, elle aussi, très réfléchie. Le vrillage, léger aux extrémités et plus marqué au centre, permet une poussée égale sur toute la surface de la pale. Cela a son importance car, en rotation, l'extrémité bouge beaucoup plus vite que le milieu.

Résultat : l'hélice tire l'avion vers l'avant. Sa vitesse dépend complètement de sa forme et de la puissance du moteur qui la meut. Le premier avion des frères Wright volait à quelque 11 km/h, soit la vitesse à laquelle un homme ferait un petit footing sans forcer. Quelques années plus tard, grâce aux progrès réalisés sur l'hélice et le moteur, les avions dépassaient déjà les 160 km/h.   Mariage du turboréacteur et de l'hélice, le turbopropulseur est apparu dans les années 1950. Sur ce système de propulsion, le moteur à réaction fait tourner l'hélice au lieu d'éjecter l'énergie sous forme de courant. Beaucoup plus efficace à petite vitesse, il est très employé sur les court et moyen-courriers tels que le Dash 8 que nous avons vu plus haut. En gros, le fonctionnement de l'hélice est toutefois exactement le même que celui des moteurs à combustion, plus anciens, que l'on retrouve sur les appareils de World of Warplanes. Au début de l'aviation et jusqu'à la fin de la Seconde Guerre mondiale, les moteurs étaient tous de type thermique, essence ou diesel. L'arrivée du moteur à réaction dans les dernières années du conflit frappa d'obsolescence le moteur traditionnel à hélice. Le moteur à réaction n'utilise aucune hélice, la poussée étant assurée par la puissance de projection d'un fluide vers l'arrière. Mais l'hélice n'a pas disparu pour autant.

Maintenant que vous savez comment ça marche, chers pilotes… « get airborne » !