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Comment choisir son hélice
Si l'adéquation entre moteur, hélice et modèle est plus simple pour une propulsion thermique que pour une propulsion électrique., cela n -en reste pas moins une alchimie obscure aux yeux des néophytes. Avec un classique appareil de début équipe d'un non moins classique moteur de 4 cm3., le problème est heureusement assez simple a résoudre. Encore faut-il savoir de quoi on parle.
Dans cette rubrique, je m'efforce de répondre aux questions de débutants qui dominent dans le courrier que reçoit la rédaction. Ce mois-ci, j'ai choisi de laisser de côté la suite de ma prose concernant les accus (voir Modèle Magazine de juillet 98) pour traiter le choix des hélices destinées aux moteurs thermiques des modèles de début car les demandes sont nombreuses sur ce sujet.
D'abord savoir de quoi on parle
Voyons d'abord quelques nomenclatures et unités de mesure inconnues de la plupart des débutants et qui permettent de désigner une hélice. Les hélices telles qu'elles sont proposées dans le commerce spécialisé se distinguent essentiellement grâce à deux nombres qui désignent par convention leur diamètre et leur pas. Exemple: une hélice 25 x 15 a un diamètre de 25 centimètres et un pas de 15 centimètres. Ces valeurs sont gravées et/ou sérigraphiées sur chaque hélice. En plus des valeurs en centimètres sont aussi indiquées les valeurs en inches (ces pouces chers aux Anglais) La valeur de conversion pouce / centimètres est de 2,54, puisque 1 pouce anglais vaut 2,54 centimètres. En arrondissant un peu, il suffit de retenir qu'un pouce vaut 2,5 centimètre. Dans la suite de cet article, je désignerai les hélices par leurs cotes en centimètres, suivies des valeurs en pouces mentionnées entre parenthèses. Exemple "une" 18 x 10 (7 x 4) est une hélice dont le diamètre est de 18 centimètres soit 7 pouces, et le pas de 10 cm soit 4 pouces.
Pas facile, quand on est débutant et que l'on n'a l'expérience d’un "moustachu", de savoir presque par réflexe quelle hélice choisir pour un moteur et un avion donnés. L'offre des catalogues est en effet pour le moins pléthorique, tant en tailles qu'en qualités. Cette rubrique devrait aider à y voir plus clair, tout au moins pour le cas le plus simple d'un avion de début.
La cylindrée des moteurs est aussi indiquée en mesure métrique et/ou en mesure anglaise, à savoir centim¬tre cube et pouce cube (cubic inch). Le facteur de conversion est égal à 2,54 à la puissance 3, c'est-à-dire 2,54 x 2,54 x 2,54 = 16,387. Un pouce cube vaut donc 16,387 cm3 et, inversement, 1 cm3 vaut 0,061 pouce cube. Les cylindrées les plus utilisées en aéromodélisme sont les suivantes
On entend toutefois souvent parler d'un "25" ou d'un "40". Ces expressions désignent en fait en abrégé un moteur de 0,25 pouce cube ou de 0,40 pouce cube, cet usage venant du fait que les Anglais utilisent le point au lieu de la virgule pour exprimer les nombres décimaux. Par exemple, un Anglais écrit .25 quand nous écrivons 0,25.
Une hélice se comporte comme une vis
Si le diamètre d'une hélice est chose facile à concevoir, et à mesurer, la notion de pas est moins évidente. Rassurez-vous, je ne vais pas vous noyer sous de savantes équations et des formules mathématiques compliquées. Pour expliquer simplement ce qu'est le pas, il est d'usage de comparer l'hélice à une vis. Le pas est la distance dont avance l'hélice chaque fois qu'elle tourne d'un tour en se vissant dans l'air. Cette comparaison n'est cependant qu'en partie valable car l'air n'est pas un matériau solide, mais un fluide compressible. Encore un exemple : une hélice ayant 15 cm de pas et tournant à 12.000 t/mn avance de 15 cm à chaque tour, donc elle se déplace à la vitesse de : 15/100.000 x 12.000 x 60 = 108 km/h.
Le choix de la bonne hélice parait donc facile : il suffirait de mesurer à l'aide d'un compte-tours le régime de diverses hélices pour déterminer celle qui convient à ses besoins. J'emploie le conditionnel
car, hélas, la réalité n'est pas aussi idyllique. La relation pas x régime = vitesse de vol n'est en effet valable que dans la mesure où la traction exercée par l'hélice à la vitesse théoriquement possible est égale à la traînée de l'avion à cette même vitesse. Lorsque la traînée de l'avion, c'est-à-dire la force de résistance aérodynamique qui tend à freiner le déplacement de l'avion, devient égale à la traction de l'hélice, la vitesse de vol (c'est-à-dire la vitesse relative de l'avion) cesse d'augmenter. Or, toutes choses égales par ailleurs, la traînée d'un avion croit avec sa vitesse de déplacement, elle est même proportionnelle au carré de cette vitesse. Lorsque la vitesse est multipliée par 2, 3, 4, etc, la traînée est multipliée par 4, 9, 1 6, etc. Le choix est fonction de l’avionComme on vient de le voir, le choix du diamètre et du pas ne découle donc pas uniquement de la puissance du moteur. Prenons un exemple pour éclairer ces notions un peu complexes. Soit un moteur 3,5 cm3, un avion de début classique et un avion de course de la catégorie Club 20. L’avion de début à une envergure d'environ 1,50 m, une surface alaire de 35 dm2 et une masse d'environ 2 kg. Ce sont les caractéristiques moyennes représentatives de la plupart des avions dits de début pour lesquels on conseille un moteur de 3,5 à 4 cm3 (20 à 25 en termes d'outre-Manche). Un racer Club 20 a une envergure d'environ 1 m, une surface alaire de 20 dm2, une masse de 1,2 kg et un dessin aérodynamique beaucoup plus fin que l'avion de début (profil d'aile à faible coefficient de traînée, fuselage profilé de faible section, pas de train d'atterrissage ... ). La traînée du racer est donc infiniment plus faible que celle du modèle de début.
Avec le même moteur de 3,5 cm3, vous ne pouvez obtenir qu'environ 80 à 1 00 km/h de vitesse maximale avec l'avion de début alors que le racer pourra atteindre 180 km/h, voire plus. Mais à condition d'opter pour des hélices adaptées à chaque avion : pour celui de début, une 25 x 10 (10 x 4) ou une 23 x 12 (9 x 5) conviendront alors que le racer sera performant avec une 18 x 15 (7 x 6).
Généralement, un bon 3,5 cm3 entraîne en vol une 25 x 10 (10 x 4) ou une 23 12 (9 x 5) à environ 12.000 t/mn, donc la vitesse théorique possible avec une 23 x 12 est de : 12/1 00.000 x 12.000 x 60 = 86,4 km/h. Le même 3,5 cm3 entraînera une 18 x 15 (7 x 6) à environ 20.000 t/mn, donc la vitesse possible est de : 15/100.000 x 20.000 x 60 = 180 km/h. Mais seul le racer pourra atteindre les 180 km/h grâce à sa faible traînée. Si vous l'équipez de la 23 x 12 (9 x 5), il se traînera à 86,4 km/h car un avion ne peut pas "dépasser" son hélice. Si, de son côté, l'avion de début est équipé de la 18 x 15 (7 x 6), il se traînera encore plus car, du fait de son diamètre trop faible, cette hélice n'exercera pas une traction suffisante par rapport à la traînée importante de l'avion de début. Dans ce cas, le pas élevé sera inefficace et l'hélice "patinera dans la choucroute" (en raison de son rendement déplorable - voir plus loin).
Autres paramètres a prendre en compte
En fait, comme on vient de le voir, la relation "pas x régime" ne fait que donner une idée de la vitesse maximale qu'on peut théoriquement atteindre, sachant qu'on ne l'approche qu'à la condition que le rendement de l'hélice soit adapté aux caractéristiques de l'avion. Le choix doit donc être guidé aussi par d'autres constatations que voici.
l - Le rendement d'une hélice varie avec sa vitesse de déplacement dans l'air. Autrement dit, le rendement qu'elle fournit au sol, avion à l'arrêt, est différent de celui correspondant à la vitesse de croisière de l'avion. Donc, ce n'est pas l'hélice qui fournit la plus forte traction au sol qui sera la mieux adaptée en vol.
2 - Un pas faible, notamment lorsqu'il est combiné à un grand diamètre, favorise l'accélération en début de roulage, mais la vitesse maximale de vol est limitée. Cette option est donc inadaptée à un avion qui est censé voler vite. Par contre, elle convient à merveille à une trapanelle qui peut voler lentement grâce à une faible charge alaire. Mais attention, encore faut-il que la vitesse maximale imposée par l'hélice ne soit pas trop faible par rapport à la vitesse de décrochage de l'avion.
3- Inversement, une hélice au pas très élevé procure une accélération médiocre en début de roulage puisque son rendement n'est optimal qu'à haute vitesse. C'est ce qui explique que de nombreux avions grandeur soient équipés d'hélices à pas variable : le pilote roule et décolle au petit pas puis passe en grand pas pour optimiser le rendement en vol de croisière.
4 - En vol, le régime d'une hélice augmente par rapport à sa valeur au sol, avion à l'arrêt. On peut estimer à environ 1 0% ce gain de régime. Autrement dit, une hélice qui tourne à 12.000 t/mn au sol "monte" à environ 13.000 t/mn en vol. Evidemment, ce gain de tours est maximum lorsque l'avion est en piqué. Là aussi, l'importance de cette augmentation de régime est influencée par la finesse aérodynamique de la cellule.
5- Le rapport pas/diamètre est appelé "pas relatif". On constate que plus le pas relatif est élevé, meilleur est le rendement de l'hélice. C'est ce qui explique en partie les pas très élevés utilisés sur les avions de voltige en compétition.
Attention à la vitesse en bout de Pale
Le rendement d'une hélice, c'est-à-dire le rapport puissance fournie par l'hélice/puissance absorbée par l'hélice, s'améliore avec l'augmentation du régime (le nombre de Reynolds augmente) mais encore faut-il que la vitesse de déplacement des extrémités de pales ne dépasse pas 0,7 fois la vitesse du son. En effet, au-delà surviennent des phénomènes aérodynamiques qui dégradent notablement le rendement de l'hélice. Le tableau ci-dessous indique le régime auquel est atteinte une vitesse de 1200 x 0,7 = 840 km/h en bout de pale pour divers diamètres. Avec les moteurs et les hélices habituellement utilisés en modélisme, les régimes atteints sont inférieurs à ces limites. Seules les hélices des modèles de record de vitesse ou de course aux pylônes particulièrement performants sont susceptibles de les atteindre. Nous n'avons donc pas à craindre que nos hélices tournent trop vite si nous ne nous préoccupons que de leur rendement. Par contre, il faut se méfier des risques d'éclatement, notamment avec les hélices en Nylon plus ou moins renforcé par de la fibre de verre.
Dans la notice que Graupner fourni avec chaque hélice, il est recommandé de ne pas dépasser 180 m/s en bout de pale (soit 648 km/h), ce qui, pour le tableau précédent, donne respectivement les régimes suivants: 22.900, 19.100, 17.200, 15.000, 13.800, 12.300, 11.500, 9.800, 8.600 et 7.600.
Nous avons aussi intérêt à réduire les régimes afin de diminuer les nuisances sonores. L’essentiel du bruit émis par un moteur thermique dépend du dispositif adapté à l'échappement, mais l'hélice contribue aussi à la pollution sonore. D'une part parce qu'elle influence notablement le régime maximum atteint par le moteur, et d'autre part parce qu'elle émet un bruit non négligeable en tournant.
N’en demandez pas trop à votre moteur
La puissance fournie par un moteur thermique dépend du régime auquel il tourne. Donc, sur nos avions, la puissance que le moteur peut effectivement développer est conditionnée par la charge (le couple résistant) que l'hélice lui impose. Chaque moteur a une courbe caractéristique de sa puissance par rapport au régime. La plupart des moteurs 2 temps actuels utilisés sur les modèles de débutant atteignent leur couple et leur puissance maxi entre 10 et 13.000 t/mn. En dehors de cette plage de régime, leurs performances sont faibles. Sauf exception rare, ces moteurs supportent mal de tourner à moins de 9.000 t/mn, voire 1 1 ou 12.000 pour les cylindrées in-férieures à 3,5 cm3, la carburation devenant problématique.
Il faut donc se méfier de ne pas trop charger le moteur avec une hélice trop grande et/ou ayant trop de pas. Un compte-tours est très utile pour éviter ce type d'erreur.
Nota: ces remarques ne concernent que les moteurs 2 temps couramment utilisés par les débutants et dont la cylindrée ne dépasse pas 7,5 cm3. Les moteurs 4 temps ou les 2 temps à longue course utilisés par les compétiteurs de voltige tournent très bien à moins de 10.000 t/mn en fournissant des performances remarquables.
La puissance absorbée par une hélice varie en fonction de son diamètre à la puissance 5 ! Ceci signifie que de très faibles variations de dimensions d'une hélice modifient notablement le régime maximum atteint par le moteur. Recouper chaque pale d'une hélice de 5 millimètres peut faire gagner jusqu'à 1.000 t/mn, voire plus ! L’écart de diamètre et/ou de pas entre une hélice inadaptée (inadaptée au moteur et/ou à l'avion) et l'hélice optimale peut donc être très faible !
Si vous mesurez systématiquement au compte-tours les régimes de vos hélices, vous constaterez aussi que des hélices de dimensions identiques mais de provenances différentes tournent sur le même moteur à des régimes notablement différents. Des écarts de plus de 500 t/mn sont courants. Certains fabricants annoncent des pas qui manifestement sont optimistes alors que d'autres plus sérieux, comme Graupner ou APC, indiquent des pas réalistes. Enfin, même si le diamètre et le pas sont réellement identiques, il y a aussi des écarts dus au dessin aérodynamique des pales : largeur, profil, évolution de pas, effilement, etc...
La recherche de l'hélice optimale nécessite donc des essais systématiques de plusieurs hélices, non seulement au sol, avec un compte-tours si possible, mais aussi et surtout en vol. L’hélice qui tourne le plus vite au sol n'est pas toujours celle qui donne les meilleurs résultats en vol.
Pour récapituler...
Vous avez maintenant un aperçu succinct de la plupart des paramètres qui déterminent les performances des hélices. J'ai illustré cet article par un exercice aussi périlleux que difficile : un tableau censé récapituler toutes les hélices en fonction des moteurs classés par cylindrée. Notez que je me suis limité aux moteurs de type "loisirs" (par opposition à ceux utilisés en compétition) 2 temps, jusqu'à 7,5 cm3 de cylindrée, donc susceptibles de convenir aux avions de début et aux modèles d'initiation à la voltige. Le but de ce tableau est de vous donner des repères aussi précis que possible afin que vous ne vous fourvoyez pas dans des options totalement inadaptées. Une hélice mal choisie peut être à l'origine d'un crash ! Utilisez ce tableau en tenant compte de toutes les remarques énoncées dessous et en vous adaptant aux caractéristiques particulières de votre moteur.
Le classement des moteurs d'après la cylindrée doit être relativisé car, à cylindrée égale, la puissance fournie peut varier de plus de 20%, notamment selon le type d'échappement utilisé.
- Le diamètre et le pas de chaque hélice sont exprimes d’abord en centimètres puis entre parenthèses en pouces.
- Dans choque cas, l'hélice "passe-partout", celle qui convient aux premiers essais, figure à la première ligne. Dessous, sont citées d'autres options suivant un ordre qui aboutit aux applications les plus rares. Exemple: l'hélice «passe-partout » des 3,5 cm3 est la 25 x 1 0 (10 x 4)
alors que la 18 x 15 (7 x 6) citée en dernier ne convient qu'à des avions très rapides et fins comme les recels Club 20.
- La mention 'RI a été ajoutée à toutes les hélices qui risquent de trop charger le moteur et qui doivent éventuellement être retaillé pour convenir
Ceci ne signifie pas que la retaille des autres hélices ne soit pas judicieuse dans certains cas.
- Certaines dimensions mentionnées sont très difficiles à trouver, voire inexistantes dans certaines gammes. Dans ce cas, essayer l'hélice la plus proche quitte à la retailler. - Ce tableau ne prend en compte que les moteurs 2 temps du type "Schnuerie' de fabrication récente. Les moteurs anciens
de plus de 15 ans de type « flux en boucle » , moins puissants à cylindrer égale, ne doivent pas être trop chargés.
Même quand elles sont neuves, les hélices doivent être équilibrées (et à plus forte raison quand
elles sont retaillées) à l'aide de ce genre d'accessoire simple et peu coûteux. A défaut, elles
vont vibrer, donc faire plus de bruit que la normale, et surtout traumatiser la réception dont
notamment le récepteur et son fragile quartz (voire causer des faux contacts rédhibitoires dans
le circuit d'alimentation électrique : Inter, soudures, connecteurs).
Extrait de MODELE MAGAZINE N° 564