Retour aux hélices en avion
1987/10/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria
Le secteur de l'aviation est vraiment surprenant. Certaines des technologies qui ont été utilisées avec succès seront reléguées et après plusieurs années de pénombre, elles seront à nouveau revêtues de nouvelles vertus. Quelque chose comme ça se passe à la montgolfière, qui dernièrement met la mode de la main de plusieurs globalistes.
Quelque chose de semblable est arrivé à l'hélice. Il est vrai qu'il n'a pas encore complètement disparu depuis le début, mais il s'était lancé sur ce chemin. Maintenant, cependant, dans les laboratoires de recherche ont commencé à proliférer brusquement et des sessions de mille formes se succèdent. Ils disent que désormais, nous les verrons souvent sur les avions de transport. Mais si tout cela est fondé, que se passe-t-il dans les laboratoires de recherche ? Est-il vrai que nous sommes aux portes de la révolution de l'hélice ?
Les premiers avions ont volé grâce à l'hélice. C'était le système le plus approprié pour transformer la force du moteur de cylindre en propulsion, le plus approprié et le seul au début de ce siècle.
Cependant, en 1939, quand un métier de chasse allemand a dépassé les 700 km/h, les limites de la propulsion en hélice ont commencé à se démarquer. En quelques minutes, le moteur était trop chauffé et le système de refroidissement ne pouvait pas résoudre le problème.
La vitesse d'insufflation de la nageoire de l'hélice est une combinaison de la vitesse de rotation et de translation, toujours plus grande à mesure que nous approchons de l'extrémité de la nageoire.
Autour de la vitesse du son (autour de Mach 1) à une vitesse de 330 m/s ou 1190 km/h et au niveau de la mer, le flux d'air à côté de la nageoire subit des perturbations complexes dues à la compressibilité de l'air : apparition d'ondes de choc, forte augmentation du sillage aérodynamique, déplacement du point d'application de la force représentative d'efforts aérodynamiques et descente du flux et de qualité de l'air à partir de 0,7. En définitive, un avion à hélice classique marche très mal à partir de 0,65 ou 0,7 Mâles.
Pendant la seconde guerre mondiale, les Allemands ont commencé à fabriquer en série des avions à combustion, mais ils ont également construit un tunnel aérodynamique pour régénérer les flux soniques de l'air. Ce tunnel aérodynamique était projeté en Autriche, mais finalement construit en France à Modane-Avrieux. Dans un trou de huit mètres de diamètre, l'air atteint la vitesse du son, et quarante ans plus tard, il est maintenant plus utile que jamais pour expérimenter avec des hélices rapides.
Mais nous venons voir comment sont ces hélices et nageoires. Les ingénieurs ont déterminé que les ailerons devaient être fins et pointus, avec l'extrémité peu arrondie. Et c'est qu'en vol l'aérodynamique et l'hélice des ailes ont autant d'importance que la puissance à la vitesse de l'avion.
Pour surmonter la vitesse du son, ils ont dû abandonner l'hélice et donner les formes appropriées aux ailes des avions. Par conséquent, les turboréacteurs apparurent avec des ailes flèches. Celles-ci ont été les signes d'identité. Ils sont également très utilisés dans les avions de guerre pour obtenir la vitesse et la puissance.
Ces turboréacteurs avaient et ont une grande erreur: la consommation. Pour un kilo de force en une heure, ils ont besoin d'un kilo de carburant, ce qui dans certains avions signifie cinq tonnes par heure. Par conséquent, pour les transports d'une grande quantité de matériaux et de longues heures, les turboréacteurs dépensaient trop de carburant.
Au fil des ans, des turboréacteurs à double flux et une meilleure performance sont apparus, qui retournent finalement à l'utilisation de l'hélice. Cependant, dans certains cas, l'hélice a toujours été actionnée par la turbine à gaz, comme dans les avions de transport à basse et moyenne charge.
Mais l'hélice a rencontré de nombreux obstacles: vibrations, poids, bruit, réparation visage, vitesse de translation limitée, etc. L'hélice, cependant, avait un grand avantage: sa faible consommation. Mais comme le carburant était bon marché, son impact sur les coûts d'utilisation des avions était faible et n'était pas pris en compte. Mais l'hélice réapparut lorsqu'ils commencèrent à développer des turboréacteurs à double flux.
Dans ces turboréacteurs, une partie de la turbine agit sur le ventilateur qui émet de l'air froid. Cet air froid est rejeté par le ventilateur, mais à une vitesse beaucoup plus faible que le jet de gaz chaud qui émet la turbine à gaz dans la moitié du moteur.
En appliquant le principe physique de la quantité de mouvement, on observe que la performance de propulsion est meilleure lors du lancement de grandes quantités d'air à basse vitesse. La vitesse doit toujours être supérieure à la vitesse de translation, bien sûr.
Dans la pratique, la performance de propulsion dans les turboréacteurs à double flux est meilleure lorsque le coefficient de dissolution augmente. Le "coefficient de dissolution" est le rapport entre la quantité d'air émise par le ventilateur (air froid) et la quantité d'air émise par la turbine à gaz (air chaud). C'est pourquoi des coefficients de dissolution élevés sont recherchés.
Il faut garder à l'esprit, cependant, que le grand ventilateur est lourd et le support circulaire extérieur aussi. Cela représente également un nouvel obstacle aérodynamique dans l'avion. Ainsi, différentes solutions ont été adoptées dans différents avions. Le coefficient de dissolution de l'avion de guerre avec turboréacteurs à double flux oscille entre 0,25 et 1, et entre 1 et 3 dans les moteurs des avions d'entraînement et 4 et 6 dans les abions de transport actuels. Dans les turbopropulseurs, le rapport entre le flux d'air froid qui traverse le disque de l'hélice et celui de l'air chaud du turbomoteur peut varier entre 40 et 60. L'économie de carburant est donc très importante, car parfois 40% de son coût d'utilisation est dépensé en combustibles, bien sûr.
En augmentant le prix du pétrole, les ingénieurs ont commencé à regarder la consommation. En améliorant la forme aérodynamique de l'avion, ils ont réussi à réduire la consommation de 10%. Utilisation de températures et de pressions plus élevées dans les turbines à gaz, autour de 10%, etc. Dans les années à venir, des économies supplémentaires de 10% sont attendues grâce à de nouveaux matériaux (plus légers).
Les ingénieurs ont travaillé tous les systèmes pour réduire la consommation et l'un d'eux a été la dernière hélice. Un des problèmes les plus graves est de façonner les nageoires. La NASA et Hamilton Standard ont beaucoup progressé. Ils ont conçu une hélice à ultrasons baptisée propfan (fan = ventilateur).
Les premiers essais ont été effectués dans le tunnel aérodynamique et en plus de l'aérodynamique, le bruit de l'hélice a été analysé. Les bons résultats ont conduit plusieurs constructeurs à étudier le système propfan. General Electric utilise dans son avion UDF (Un Ducted Fan) une turbine à gaz et un double pourboire. Boeing a également annoncé qu'en 1992 il sortira le modèle "7J7" semblable à 150 places. Les maisons Douglas et Lockheed ont montré leur intérêt pour le propfan.
Selon les différents modèles de propfan, presque tous sont partisans du double, car avec le simple il y a une différence de performance de 8 ou 10%. Cependant, au moment de décider de placer ou non un anneau fixe autour de l'hélice, tous ne sont pas d'accord. Le propan avec bague extérieure est plus sûr. En plus d'avoir une meilleure performance, même avec la rupture d'une nageoire, les dommages seraient mineurs. D'autre part, l'anneau extérieur élimine les effets acoustiques de l'hélice ultrasonique. Ces effets acoustiques peuvent causer la fatigue sur les murs proches des ailerons de l'hélice. Par conséquent, les pourfans libres (sans anneaux externes) ne peuvent être placés à l'arrière de l'avion. Cependant, les anneaux, n'importe où, ne génèrent pas ces problèmes. En outre, grâce à l'anneau, le diamètre du propan peut être inférieur en raison de ses performances supérieures.
Mais l'anneau extérieur a ses inconvénients. Il a du poids et entrave les réparations. Également pour l'aérodynamique de l'avion. C'est pourquoi les maisons Boeing et Douglas ont choisi les anneaux et les pourfans placés après l'avion.
Une autre option est d'installer un réducteur pour obtenir les vitesses les plus appropriées de turbines et d'hélices. Mais le réducteur est lourd et a besoin d'espace. En outre, il absorbe la puissance, il faut la refroidir, etc. Compte tenu de tout cela, les opinions semblent être divisées: certaines sont de bonne performance et d'autres de simplicité.
En l'absence de réducteurs, les pourfans sont directement attachés aux roues de la turbine et donc à l'arrière du châssis moteur. Cependant, si vous avez un réducteur, les hélices peuvent être placées en avant comme dans les turbopropulseurs classiques, et le gaz chaud de la turbine n'affectera pas le pied des ailettes.
Grâce à la NASA, Allison, Hamilton Standard et Lockheed se sont réunis pour tester le propane simple, sans anneaux extérieurs et de 3 mètres de diamètre. Un turbomotre de 6.000 chevaux affectera ce prophan avec réducteur. Ils essaient déjà sur Terre et dans les airs, volant dans l'avion, ils vont commencer immédiatement.
Pour sa part, General Electric a rencontré en 1985 avec SNECMA et ont développé le poursuivant de la figure 3. Ceux-ci espèrent qu'en 1990 le système propofan fait les avions normalement.
En Allemagne et en France, des sessions avec PROPFAN ont également été ouvertes. Mais en Europe, peut-être le plus avancé dans ce domaine est le britannique Rolls-Royce. Cette maison propose différentes solutions. Concrètement :
- Pour forces de propulsion entre 4 et 11 tonnes, double propylène sans anneau extérieur et avec réducteur. Pour forces de propulsion entre
- Pour forces de propulsion d'environ 20 tonnes, double propylène, avec anneau extérieur et sans réducteur.
11 et 18 tonnes, monoroteur, anneau extérieur et réducteur.
À la suite de tous ces essais, on peut affirmer que le système propfan réussira à des vitesses inférieures à 0,8 Maches. Le deuxième âge de l'hélice est donc sur le point de commencer.
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