Hélice de navire

En mécanique, l’hélice est un dispositif formé de plusieurs pales disposées régulièrement autour d’un axe. Lorsque son axe entre en rotation, ce système décrit des hélices dans un fluide en avançant perpendiculairement au plan de rotation, grâce aux pales orientées suivant un certain angle de calage qui prennent appui sur le fluide. Une hélice peut donc être motrice (transfert d’énergie vers le fluide : avion) ou réceptrice (récupération d’énergie depuis le fluide: turbine, éolienne ou aérogénérateur). Le profil et le calage des pales sont optimisés pour l’utilisation prévue.

Application: appareil de traction, compression, propulsion, sustentation, dispositif de mesure.

Histoire

Elle apparaît en tant que jouet d’enfant ou de manière stylisé dans de nombreux tableaux du Moyen Âge ainsi que sur des fresques antiques au Fayoum, à Knossos, à Pompéi, au Népal et en Inde. Connue dans ses principes par les Phéniciens et les Grecs, notamment dans son application dans les ailes des moulins, le premier type d’hélice répertorié dans les textes occidentaux est la vis d’Archimède qui fait son apparition vers -200 ans en tant qu’outil de pompage et d’irrigation. Cette même vis qui devait servir comme mode de propulsion pour des engins amphibies destinés à se déplacer avec la même aisance en eau libre comme sur le sable ou la vase.

Le modèle original de la propulsion par hélice paraît bien être le moulin à vent. L'hélice est, dans son principe, une extension de la pagaie et de la voile, et réalise une propulsion vélique : en tournant, l'hélice mobilise la force de portance du fluide mis en mouvement et la transfère au véhicule qu'elle équipe. Cette force de portance est une composante de la réaction du fluide, qui agit perpendiculairement au plan tangent des pales de l'hélice.

Maquette du projet de Léonard (Musée de l'aéronautique de Santiago du Chili).

En 1486, Léonard de Vinci, dans ses dessins, a l’idée de se servir d’une hélice construite sur le modèle de la vis d’Archimède pour sustenter un aéronef. Cette invention est souvent qualifiée comme l'invention de l'hélicoptère bien qu'il manque à Léonard de Vinci un moteur pour obtenir l'effet escompté.

On trouve une ébauche d'explication de l'effet des rames dans les Problèmes de Mécanique du Pseudo-Aristote, ouvrage qui se diffuse vraiment avec la Renaissance, avec les Commentaires de Bernardino Baldi (1621). L'analyse mécanique de la propulsion à voile est abordée en marge de la Statique du P. Pardies (1672).

Le problème est repris par Daniel Bernoulli dans son Hydrodynamique (1738) : il fait observer que la vitesse de l'aile des moulins n'est pas négligeable devant la vitesse du vent et que, pour en expliquer l'effet, il faut considérer la vitesse relative du vent et de la pale. Euler rédige sur ce même sujet un article intitulé De constructione molarum alatarum (1752). Enfin Coulomb fait la synthèse de ses travaux dans son essai « Observations théoriques et expérimentales sur l'effet des moulins à vent et sur la figure de leurs ailes » (1783).

Mais c'est finalement le développement de la motorisation, avec l'avènement de la machine à vapeur, qui lance définitivement la carrière de l'hélice dans la navigation. Et encore ne s'impose-t-elle pas rapidement : jusqu'au lancement du Great Eastern (1858), les navires à vapeur sont plus souvent des navires à aubes que des navires à hélice ; Jouffroy d'Abbans et Robert Fulton optent par exemple pour la propulsion à aubes. Et si John Fitch fait l'épreuve de ce système dès 1804, la promotion des systèmes à hélice aux États-Unis au cours des années 1850 est principalement l’œuvre de l'ingénieur suédois John Ericsson.

Hélice de SS Archimedes (1839)

Le premier brevet d'une hélice opérationnelle est celui d'un ingénieur autrichien, Joseph Ressel, en 1827. À la suite d'un accident avec un propulseur à vis d'Archimède, l'ingénieur britannique Francis Pettit Smith fait l'essai d'un dispositif à hélice sur un bateau à vapeur en 1836. Le premier vapeur à hélice vraiment opérationnel, le SS Archimedes (1839), conçu en collaboration avec John Ericsson, peut être considéré comme son chef-d’œuvre: il marque le début d'un longue série de succès, avec le Great Britain (1843) et le Great Eastern d’Isambard Kingdom Brunel (1858). C’est en 1850 que la France, avec Dupuy de Lôme, choisit d'équiper un bâtiment de ligne, le Napoléon, d'une hélice.

1871 - Modèle réduit à moteur caoutchouc.

1884 - Hélice du dirigeable électrique "La France" de Charles Renard.

Description

Paramètres d’une hélice :

L’hélice longue

L’hélice longue, au milieu du XIX siècle, est étudiée et utilisée sur les navires. Elle a un très mauvais rendement. Elle est inutilisable sur les avions. On se reportera à l’histoire de l’hélice marine.

L’hélice courte

Tous usages — marine et aviation —, l’hélice courte se compose d’un minimum de deux pales réunies par la partie centrale appelée moyeu. Elle se comporte comme une aile dont la force aérodynamique se décompose en traction et couple. Le couple d’hélice est en équilibre avec le couple moteur. L’extrémité de pale a une vitesse linéaire plus importante que les sections de pale, plus au centre, il faut répartir l’effort de traction sans déformation du moyeu.

Applications

Mue par un moteur, l’hélice est utilisée pour le déplacement d’une machine dans un fluide et, inversement pour mouvoir un fluide dans un contenant (la machine restant immobile). Il y a transfert d’énergie du moteur vers le fluide.

Associée à un capteur, elle sert à mesurer la vitesse de déplacement d’un fluide, ou le déplacement d’un objet dans un fluide. Il n’y a théoriquement pas de transfert d’énergie.

Associée à un récepteur ou un générateur, elle est utilisée pour récupérer de l’énergie dans un fluide en mouvement relatif (« alternateurs traîne » et largués derrière certains voiliers, moulins à vent, aérogénérateur, certaines turbines de centrales électriques…). Il y a transfert d’énergie du fluide vers le moteur.

Types d'hélice

Les hélices sont utilisées de différentes manières.

Hélice marine

Hélice du navire USS Churchill (classe Arleigh Burke)

L’hélice marine est connue dans ses principes par les Phéniciens et les Grecs de l’Antiquité, décrite par Archimède, et utilisée pour l’irrigation, mais elle est rapidement oubliée. Elle est redécouverte pour son application à la propulsion des navires au cours du XVIII siècle, mais ignorée durant des décennies par toutes les amirautés jusqu’à ce que son succès tardif ne réveillât en elles, un soudain désir de « paternité » dans un but autant commercial que propagandiste nationaliste.

Installée sur The Turtle (« La Tortue »), premier sous-marin construit par l’inventeur David Bushnell dès 1776 dans le but de miner les navires britanniques lors de la guerre d’indépendance américaine, un autre de ses pionniers est l’américain John Stevens (1749-1838) qui construit et essaye en 1803-1804 le premier vapeur à hélice vraiment fonctionnel. Toutefois son invention reste ignorée et il faut attendre les années 1830 pour qu’elle soit reprise. En 1829, sous les yeux ébahis des Triestins, le bateau La Civetta prend la mer. Josef Ressel vient d’inventer l’hélice. À l’époque, pour aller de Trieste (Frioul) à Venise, il faut 19 heures avec un bateau à aubes. Ressel cherche un commanditaire pour construire un bateau à hélice. Il trouve un homme d’affaires britannique mais peu après, ses plans lui sont dérobés et une demande de brevet est déposée en Angleterre avec les mêmes caractéristiques. L’ingénieur français Frédéric Sauvage essaye la propulsion à hélice en 1832 sur une péniche de l’Ourcq de 15 pieds et l’ingénieur canadien John Patch sur une goélette (schooner) en baie de Fundy en 1834. Tous deux furent dédaignés par leurs gouvernements respectifs et ils sont morts dans la misère. Dans le même temps, leur découverte triomphait grâce à l’intérêt porté en 1840 par la marine britannique à la démonstration de l’ingénieur Francis Pettit Smith sur le navire à vapeur, SS Archimedes, équipé d’une hélice raccourcie dont le rendement était bien supérieur aux hélices longues.

Exemple d’hélice sabre utilisable sur les sous-marins

L’hélice est devenue depuis le moyen de propulsion le plus courant pour déplacer un bateau ou un sous-marin.

Les hélices marines sont souvent coulées en fonte, bronze d’aluminium, aluminium, elles sont rarement assemblées. Le nombre et la forme des pales dépendent de leur usage :

si l’usage est la traction on choisira une grande hélice avec un rapport important de surface portante par rapport à un disque de même diamètre ;

si l’usage est mixte, pour un voilier, on choisira une hélice qui aura un minimum de trainée, voire avec des pales escamotables ;

pour un sous-marin on choisira des hélices sabre pour éviter qu’elles se prennent dans les herbes, on multiplie le nombre de pales pour les rendre plus silencieuses ;

pour un navire très rapide on choisira une hélice de surface afin de limiter la cavitation ; la supercavitation n’est pas encore utilisée dans la propulsion par hélice.

Hélice aérienne

Hélices contrarotatives sur un P-51 (moteur Rolls-Royce)

Hélices en drapeau (Lockheed C-130J Super Hercules)

L’hélice a été le premier système de propulsion en aviation - notamment pour les dirigeables - et reste utilisée par les avions légers, les avions de transport régionaux volant à moins de Mach 0.6, et les avions de transport militaires. La soufflante non carénée (propfan) est une évolution de l’hélice carénée dont la forme des pales permet d’atteindre des vitesses plus élevées, jusqu’à Mach 0.8. On retrouve l’hélice sous une forme différente dans les soufflantes des réacteurs double flux des avions de ligne (c’est une hélice multipale carénée placée en amont du réacteur ; elle assure l’essentiel de la poussée). On la retrouve encore sous la forme d’aubes de compresseurs superposées dans les turboréacteurs.

L’hélice est également utilisée par les hélicoptères (rotor principal et rotor de queue) et les aéroglisseurs. Elle a même été employée en 1930 par l'ingénieur des chemins de fer allemand Franz Kruckenberg pour équiper une motrice à grande vitesse, le Schienenzeppelin, qui d'ailleurs battit le record de vitesse sur rail l'année suivante (plus de 230 km/h).

一战飞机用螺旋桨

EP-3E螺旋桨

螺旋桨，有中央桨毂和辐射形桨叶的设备，每一桨叶都组成螺旋面的一部分。当它在水中或空气中旋转时，就产生拉（推）力，使船或飞机作前进运动。螺旋桨的拉（推）力与它作用的水或空气的质量和加速度的乘积成正比。要取得最有效的推进，质量应大而加速度应小。

功率计算

舰船螺旋桨降噪

舰船螺旋桨降噪主要用于减少军用舰艇的声学信号，提高声波隐身能力，增加舰船生存能力。 大侧斜七叶螺旋桨 七叶螺旋桨主要应用于潜艇降噪。包括七叶螺旋桨，潜艇推进器直径往往较大，能获得同等转速下更高的动力输出，就相当于同等航速下减少转速，降低噪声。7叶非对称设计不易发生共振，并且能够减少空穴产生。七叶螺旋桨对加工技术有一定的要求。七叶螺旋桨也是目前潜艇中最常见的推进器。 复合材料螺旋桨 使用非传统的材料制造，通过减少螺旋桨自身震动，减少空泡来达到降噪目的。英国是最先使用此技术的国家。但复合螺旋桨在使用上并不常见。 泵水推进螺旋桨 泵水推进螺旋桨目前正逐步代替大侧斜七叶螺旋桨。泵水螺旋桨能有效减少螺旋桨自身震动发出的噪声，减少空穴噪声。美国的海狼级，弗吉尼亚级，俄罗斯的北风之神级核潜艇就使用这种螺旋桨。 喷水推进器 喷水推进器实际上没有螺旋桨。喷水推进用喷出水的反作用力推动船身前进。因为没有螺旋桨，噪声大大降低。这种推进技术有望代替传统的螺旋桨推进技术。目前正处于研发，实验中。