Cessna 182 Propeller

Hélice à vitesse constante

L’hélice de votre Cessna 172SP vous a accompagné un temps mais vous avez une forte envie de voler plus vite, plus haut, plus loin…

Alors vous sautez le pas vers la prochaine étape : les avions avec hélice à vitesse constante !

C’est votre premier vol sur Cessna 182 et le cockpit vous semble familier mais au niveau de la gestion du moteur, vous restez perplexe… Vous reconnaissez le levier noir (manette des gaz), le levier rouge (levier de richesse) mais ce levier bleu vous donne des frissons.

Vous avez entendu parler du levier « prop » mais vous n’avez aucune idée de comment vous en servir.

Et bien cet article va tenter de démystifier l’usage de ce levier et des méchaniques d’hélices à vitesses constantes (ou constant speed propeller en anglais).

Histoire

La deuxième guerre mondiale a vu l’arrivée des hélices à pas variable qui permettait de raffiner la puissance des avions en fonction du mode de vol. Mais cela était bien trop contraignant pour les pilotes qui devaient sans cesse régler leur paramètres afin de conserver l’avantage.

Il aura fallu seulement une dizaine d’année d’après guerre pour voir arriver le mecanisme d’hélice à vitesse constante tel que nous le connaissons aujourd’hui.

Je vous invite à consulter des grands noms de fabricants tels que : Hartzell ou McCauley, pour constater que le système de gouverneur (mécanisme de contrôle du pas de l’hélice) ne prend forme qu’au début des année 50.

  • 1949: Hartzell (lien)
  • 1953: McCauley (lien)

Depuis les matériaux ont évolué, l’électronique s’est invitée, mais la recherche de l’économie de carburant est au coeur du sujet.

Beaucoup d’avions en sont équipés et certains sont même assez complexes dans la gestion du « prop » (cf Cirrus SR20 ou SR22 – Pas de « prop lever » mais un seul « power lever »).

 

Théorie

L’hélice à pas variable

Sans pas variable, il est impossible de maintenir une vitesse constante.

Avoir une hélice (propeller en anglais) avec des pales à angle variable est donc le premier jalon du mécanisme.

La pale d’hélice

Pour rentrer dans le détail scientifique, chaque pale de l’hélice se comporte comme une aile et donc est soumise aux mêmes lois physiques.

wing airfoil
Calcul des forces sur une aile

Comme indiqué sur le schéma ci-dessus, la résultante (R) d’un flux d’air sur aile (ou pale d’hélice) se décompose en deux forces appelées « composantes » :

  • Portance L (Lift)
  • Traînée D (Drag)

Maintenant, imaginons que cette aile tourne autour d’un axe, son rôle ne va plus être de voler mais tout simplement de produire un appui sur l’air afin de faire avancer l’avion…

Forces Hélice
Les forces de l’hélice (source recreationalflying.com)

La résultante se décompose en Poussée – Traction (Thrust) et Couple (Torque).

Toute variation de l’angle va donc soit augmenter le couple et diminuer la poussée ou diminuer le couple et augmenter la poussée. Voyons comment s’en servir en vol et et sous quelles conditions.

 

Le contrôle du pas de l’hélice

Constant Speed Prop pitch
Méchanisme hélice à pas variable (Source McCauley)

 

L’image ci-contre explique comment fonctionne la rotation des pales sur une hélice à pas variable.

Le méchanisme bien que simple utilise l’huile moteur afin d’alimenter un piston caché dans le cône de l’hélice.

Naturellement, grâce à la force centrifuge de l’hélice et sans débit d’huile dans le piston, l’angle des pales va être minimum et donc représente un « petit pas » (fine pitch).

Avec l’entrée d’huile dans le piston, les pales vont tourner jusqu’à atteindre un « grand pas » (coarse pitch).

 

pas d'hélice - coarse / fine pitch

Pas d’hélice -grand et petit pas- (Source www.jeanpierrebonin.com)

L’image ci-dessus explique la notion de « pas » (pitch en anglais). le pas représente tout simplement la distance théorique entre chaque rotation complète de l’hélice dans l’air.

Pensez à vos week-ends déguisé en bricoleur du dimanche avec votre tournevis à la main… Il y a une vraie analogie entre le filetage d’une vis et une hélice : plus le filetage est espacé plus la distance parcourue par la rotation du tournevis sera grand.

Pourquoi donc faire varier le pas ?

Et bien cela dépend ce que vous souhaitez faire et surtout si vous voulez aller plus vite en consommant moins…

Revenons à notre vis; Si je souhaite avoir une bonne résistance en tenue, je vais prendre un pas de vis fin, par contre, si la résistance n’est pas mon principal objectif et que je veux visser rapidement, j’augmente le pas de vis…

Propeller pitch
Pitch (source inconnue)

En aviation, c’est pareil… Pour avoir un couple maximum (nécessaire au décollage), il faut se trouver en pitch minimum (fine pitch) et pour avoir une poussée maximum (en croisière) le pitch doit augmenter.

Maintenant que vous avez compris (j’espère) la théorie sur l’hélice à pas variable, il reste à comprendre comment jouer avec le « pas » de l’hélice afin que l’on puisse conserver une vitesse de rotation constante.

 

Le gouverneur

Non ce n’est ni un homme politique, ni un domestique…

Le gouverneur (Governor ou Constant Speed Unit en anglais) est l’unité qui régule le débit d’huile dans le piston de l’hélice afin de maintenir une vitesse d’hélice constante.

Cette unité va être contrôlée par le levier de « prop » (ce fameux levier bleu) et agir directement sur le pas de l’hélice afin d’augmenter ou réduire la vitesse de rotation.

Du point de vue pilote, l’action va directement influer sur le cadran de RPM (Rotation Par Minute).

Gouverneur hélice vitesse constante
CSU – Gouverneur (source McCauley)

L’image ci-dessus vous indique comment le gouverneur contrôle le mécanisme de pas variable sur l’hélice.

Comme vous le savez, l’huile a la propriété physique (contrairement aux gaz) d’être incompressible. Via un savant rapport de forces entre l’huile présente dans le piston d’hélice et le ressort de pression réglé grave au levier de « prop », le gouverneur va donc jouer avec le débit d’huile dans le circuit afin de trouver l’équilibre parfait.

 

Le moteur

Le dernier maillon de la chaîne et pourtant le plus important…

Il doit pouvoir fournir le couple (puissance) nécessaire afin d’assurer la sécurité des passagers and le domaine de fonctionnement du gouverneur.

Afin de mesurer la puissance moteur, beaucoup de constructeur choisissent de mesurer la pression d’admission du moteur (Manifold pressure) comme indiqué ci-dessous.

Pression d'admission
Pression d’admission (Manifold Pressure)

Il faudra donc aussi ajuster la manette des gaz afin de rester dans la zone « verte » de fonctionnement.

Comment cette pression est-elle mesurée ?

La « pression d’admission » est mesurée par la dépression dans la chambre du piston.

En effet, pour fonctionner, un moteur a besoin d’air et de carburant. Ainsi, en partant du principe que nous travaillons avec un moteur sans turbo, le moteur est en manque d’air à plus bas régime et proche de la pression atmosphérique à plus haut régime.

En se plaçant au sol à la pression atmosphérique standard de 29.92 inHG (pouce de mercure), il est normal d’atteindre des valeurs proche de 29.7 comme limite de bon fonctionnement du moteur puisque la pression ne peut dépasser la pression de l’air externe.

Il faudra donc faire attention à cette valeur lors des opérations à basse altitude et forte vitesse afin de ne pas trop passer au-delà de 29.7 (avec la vitesse la pression augmente).

 

Pratique

Voyons dans le simulateur comment gérer cette nouvelle composante et optimiser au mieux son vol.

Le décollage

Le décollage est la phase la plus critique dans le vol d’un avion. Il est impératif de garder les paramètres de sécurité dans le vert.

Il vous faudra donc :

  • Mettre la manette du prop au maximum: (couple maximum)
  • Laisser la richesse au maximum (mélange carbu riche)
  • Ajuster la manette des gaz progressivement jusqu’à la puissance maximum

La montée

Vous voici à 1500 pieds du sol et votre décollage s’est bien déroulé. Vous êtes maintenant à bonne altitude pour passer en régime de montée.

Dans le cas de votre Cessna 182 que vous prenez en main, le constructeur indique une pression de 23 inHG pour 2400 RPM.

Donc :

  • Réduisez les gaz d’abord à 23 inHG
  • Descendez la manette « prop » pour passer la vitesse de l’hélice à 2400 RPM
  • Ajustez la richesse si nécessaire (haute altitude)

La croisière

Vous voici à l’altitude de croisière prévue par votre plan de vol. Il est grand temps d’optimiser l’utilisation de la puissance moteur et rentrer dans un mode « efficace »…

Sortez votre manuel du pilote et recherchez la bonne puissance afin d’avancer a la vitesse désirée.

Pour un Cessna 182 à 6000 pieds, il est recommandé de régler la puissance moteur entre 15 et 23 inHG et la vitesse de prop entre 2100 et 2400 RPM.

Reste à ajuster la richesse afin d’optimiser la consommation carburant et éviter d’encrasser les bougies…

La descente

Pour le pilote, c’est l’étape la moins contraignante…

Réduisez les gaz et ajustez la manette RPM vers le haut si vous souhaitez réduire légèrement votre vitesse. Enfin augmentez la richesse au fur et à mesure que vous vous approchez du plancher des vaches.

L’approche

Nous revenons dans des conditions de sécurité maximum donc sans réfléchir on passe la mixture et RPM au maximum puis enfin on ajuste la manette des gaz.

 

Démonstration

Vidéo à venir…

About the author: MaxWaldorf

Fondateur du site Flightsim-Corner.Certains tombent dans la potion magique, d'autres dans la simulation... Au détour de la découverte du premier "portable" IBM Thinkpad discrètement emprunté à son père, MaxWaldorf insère ses premières disquettes de Falcon et Flight Simulator 2.0 sur Windows 3.11...C'est parti, le virus le gagne et il passera au fur et à mesure sur d'autres simulateurs comme Flight Simulator 3.0, Flanker 2.0, FS2002, FS2004, FSX, P3D, DCS World pour atterrir finalement sur X-Plane et Falcon 4.0 BMS...