Infos techniques #8 : Pas variable électrique automatique

Infos techniques #8 : Pas variable électrique automatique

Comment fonctionne le pas variable électrique automatique

Principe général

Généralités sur le pas de l’hélice

Dans le cas le plus simple, un avion a un moteur au bout duquel est attachée une hélice en bois ou métallique d’un seul morceau. Cette hélice a alors un pas fixe, elle a été taillée ou fondue ainsi. L’hélice est finalement une aile, qui tourne dans le sens des aiguilles d’une montre (vue du cockpit) et qui a une incidence. Cette incidence et sa vitesse de rotation définissent la « portance » de chaque pale, cette « portance » étant dirigée principalement l’avant, c’est à dire qu’elles génèrent finalement une force de traction. Ce pas définit les performances de l’avion.

Le pas de l’hélice est en quelque sorte sa faculté à « visser » dans l’air.
De manière plus stricte le pas représente la distance de laquelle l’hélice, ou la vis, avance, quand on lui fait effectuer un tour.
Exemple : APM30 : régime maxi moteur = 5500 tours / minute et vitesse maxi = 123 KT
(petite différence par rapport à un DR400, il y a un réducteur, c’est à dire un engrenage qui permet de passer de 5500 RPM en sortie du moteur à 5500 / 2.43 = 2263 RPM). Calcul du pas effectif de l’APM30 : 123*1852/3600*60/2263 = 1.7 m. A la vitesse de croisière rapide, à chaque fois que l’hélice fait un tour, l’avion avance de 1,70 m.

vis bois (grand pas)
vis métal (petit pas)

Si l’avion est équipé d’une hélice petit pas, il sera très performant au décollage (distance raccourcie), il permettra de monter avec une forte pente. C’est ainsi que sont équipés les avions qui opèrent depuis des terrains courts, les remorqueurs de planeurs, les avions avec lesquels on fait du vol montagne…

Si l’avion est équipé d’une hélice à grand pas, il sera rapide en croisière, mais aura besoin d’une distance de décollage bien supérieure.

Si l’APM30 était équipé d’une hélice à grand pas, il irait peut-être plus vite, mais décollerait sur une distance bien supérieure et serait très limité sur des terrains comme Fayence ou Barcelonnette… Plus l’avion avance vite, moins l’air résiste à la rotation de l’hélice (la traînée diminue avec l’incidence, c’est à dire l’angle sous lequel la pale attaque le vent relatif), et donc plus l’hélice (et le moteur) tournera vite. Quand on se met en palier, l’avion fournissant toujours la même puissance, il mettra environ 1 minute ou deux pour atteindre sa vitesse de croisière (là où la traînée est si grande qu’elle équilibre la force de traction, et que la vitesse se stabilise).

Il est parfois possible d’équiper un avion d’une hélice à petit pas ou à grand pas, selon qu’on fait par exemple de l’école ou du voyage, ou bien qu’on utilise majoritairement des terrains courts ou des grandes pistes.

Un peu de lecture ici.

hélice à calage variable

L’idéal serait de profiter de la possibilité de régler le pas de son hélice, selon l’utilisation qu’on en fait. Certains avions (la plupart du temps des ULM) sont équipés d’hélice DUC, dont le pas est réglable au sol : 

Bon, ça n’est pas à la portée du premier bricolo, et encore moins du pilote qui ne connait pas grand chose à la mécanique.

Il a donc été inventé l’hélice qui permet de changer de calage, alors que le moteur est en fonctionnement. C’est ce qu’on appelle l’hélice à calage variable (parfois j’emploierai abusivement à pas variable).

L’idée est de pouvoir profiter d’un petit pas dans les phases de décollage, montée, remise de gaz, et d’un grand pas dans les phases de croisière et descente. Mais pourquoi cela ? Tout simplement pour une question de performance de l’hélice et du moteur.

En effet, le moteur délivre le maximum de sa puissance autour de 2500 RPM (en réalité un peu plus mais nous verrons plus loin pourquoi cette limitation). Et l’hélice, qu’elle soit à petit pas ou à grand pas, aura été dessinée pour avoir son meilleur rendement (rapport traction sur traînée) autour de 2500 RPM.

Remarque 1 : le meilleur rapport traction sur traînée,le meilleur rendement..  ça ne vous rappelle rien ? Si l’on remplace le mot « traction » par « portance », on a la même phrase pour exprimer le meilleur rendement d’une aile, c’est à dire la finesse max. Et la vitesse de finesse max est une valeur fixe. Sur une aile en rotation, c’est à dire une hélice, cette vitesse de finesse max implique directement une vitesse de rotation donnée, c’est à dire un régime moteur. 

Remarque 2 : quand on parle de vitesse de l’air sur un profil, il s’agit de la vitesse avec laquelle les molécules d’air percutent le bord d’attaque. L’hélice étant en rotation, cette vitesse est plus grande au bout de la pale que près du cône.

Or, pour garder une portance constante (pour rester en palier), quand la vitesse diminue il faut augmenter l’incidence (quand on ralentit, on tire sur le manche). Dans le cas de l’hélice, c’est la même chose. Plus la vitesse d’impact de l’air diminue (plus on se rapproche du pied de pale) plus il faut augmenter l’incidence de la pale. Cela permet de garder une portance (traction) constante sur toute sa longueur. C’est pourquoi les hélices sont vrillées, contrairement aux ailes d’avion. 

Si l’on décolle avec un avion équipé d’une hélice à grand pas, le moteur forcera beaucoup au décollage pour peu d’efficacité, le couple demandé sera trop fort. C’est équivalent à un cycliste qui au démarrage serait déjà sur le grand plateau et le plus petit pignon. Il avancerait de 10 mètres pour un tour de pédales, alors que ce qu’il souhaite est le contraire, avancer le moins possible à chaque tour, pour que ses cuisses fournissent l’effort correspondant à leur meilleur rendement.
On peut aussi utiliser l’analogie avec une voiture qui démarrerait en 5ème vitesse. Il est fort probable que les roues demanderont une telle force (un tel couple) pour effectuer un tour, que le moteur ne sera pas capable de le fournir et finira par caler. On changera donc de rapport pour avoir une roue qui effectue moins de tours pour chaque tour du moteur. Ou les pédales du cycliste qui feront plus de tours pour chaque tour de roue.

Ainsi, le moteur de l’avion, de la voiture, ou les cuisses du cycliste, fonctionneront toujours là où ils pourront fournir la puissance demandée.

Pour permettre cela, il y a sur les voitures une boite de vitesses, manuelle ou automatique. Mais l’analogie s’arrête là.
Sur les avions, il y a une hélice à calage variable, qui permet d’adapter l’effort demandé par l’hélice où résiste l’air, à l’effort que peut fournir le moteur qui restera dans sa plage d’utilisation optimale (entre 2300 et 2500 RPM).

Différents calages variables

Cas général d’hélice à calage variable

On trouve la plupart du temps des avions avec une hélice dont on peut régler le calage en vol, grâce à une commande hydraulique. La position de la manette bleue (calage variable) supplémentaire permet d’atteindre le petit pas (manette en avant) ou le grand pas (manette en arrière) ainsi que toutes les positions intermédiaires.

Comme ce réglage peut être fastidieux, il y a parfois un dispositif (basé sur la force centrifuge d’un objet en rotation) qui permet de garder une vitesse de rotation constante en adaptant automatiquement le pas des pales de l’hélice.

Cas de l’hélice MT-Propeller du PA28

Notre PA28-180 Cherokee immatriculé F-HBCH est équipé d’une hélice à pas variable de marque MT Propeller. Un moteur électrique caché dans le cône d’hélice permet de régler le calage des pales grâce à une vis sans fin et des engrenages.

Un capteur magnétique mesure la vitesse de rotation du moteur et envoie ces informations vers un boitier situé en haut du tableau de bord. L’illustration ci-dessous est schématique, pour mémoriser le fonctionnement du système, qui est évidemment réalisé différemment.

petit pas vers grand pas (REISE) – l’hélice tourne à droite, dans le sens horaire, vue du pilote

Son fonctionnement est soit AUTOmatique, soit MANUel.
Evidemment, par défaut on utilise le mode AUTO.

Cet automatisme permet de fixer une consigne, par exemple 2400 RPM (position 24 sur le bouton rotatif, écrire deux zéros aurait utilisé trop d’encre…).
Un capteur mesure la vitesse de rotation de l’hélice et :

  • si pour une raison ou une autre (p. ex. mise en descente) la vitesse de rotation de l’hélice venait à augmenter (2410,2420,…) un boîtier électronique aurait pour tâche de faire varier le calage des pales en augmentant l’angle d’incidence des pales pour que la vitesse de rotation de l’hélice revienne à la valeur de consigne (2420, 2410, 2400).
  • si la vitesse de rotation de l’hélice diminue (mise en montée – il y a une diminution de vitesse et l’angle d’incidence de l’air sur les pales augmente), l’automatisme diminuera le pas de l’hélice pour que le régime augmente de manière à correspondre à la consigne donnée par le pilote.

Les limites de ce système ne sont pas nombreuses cependant les pales de l’hélice ont une plage de mouvement définie. Elles peuvent prendre des positions entre 12,5° et 22,5° .

limite petit pas :

12,5° correspond au titre alcoolémique d’un bon bordeaux, à la température idéale à laquelle il se boit, mais aussi au petit pas de l’hélice MT Propeller du PA28. Quand les pales sont réglées à cette position, il y a un capteur qui allume une diode verte sur le boîtier de commande.
Si, dans ce cas, on tire sur le volant pour prendre de l’altitude, et que la vitesse diminue forcément, la vitesse de rotation de l’hélice aura tendance à diminuer (puisque l’incidence sur les pales augmente, et donc la traînée), mais le système de régulation ne pourra plus faire diminuer l’angle des pales pour diminuer l’effort sur celles-ci. Et le régime de rotation diminuera donc en dessous de la valeur de la consigne.

limite grand pas :

22,5° est la position extrême que peuvent prendre les pales de l’hélice, grand pas. Si, le boitier de commande réglé sur 2400 RPM, on met l’avion en descente de plus en plus prononcée (de plus en plus rapide), le calage des pales ira progressivement vers cette valeur limite de 22,5° pour respecter la consigne donnée à 2400 RPM. Quand les 22,5° seront atteints, il n’y aura aucune alarme, mais le moteur électrique ne pourra plus faire varier le calage des pales. Alors, si la vitesse augmente encore parce qu’on pousse encore sur le volant, le régime du moteur se mettra à augmenter, comme si on avait une hélice à pas fixe (ce qui est le cas, puisqu’il est fixe à 22,5° – titrage d’un whisky frelaté).

Utilisation réelle :

On pourrait donc laisser le boitier de commande en position AUTO et 2400 RPM, presque tout le temps.
A Cannes sur la piste 17/35, cela ne posera pas de problème majeur si l’on décolle du bout de la piste car elle est suffisamment longue.
Il est toutefois recommandé de positionner le sélecteur rotatif sur 2500 RPM au décollage, pour bénéficier du meilleur rendement de l’hélice. Mais quoi qu’il en soit, quand on met la puissance à l’arrêt, le calage sera petit pas. Pourquoi ? 
Quand on est à l’arrêt, évidemment, l’avion n’avance pas. Donc l’air exerce une traînée maximale sur les pales de l’hélice et celle-ci, même à pleine puissance, ne tournera pas à plus de 2400 RPM. Le système de régulation étant réglé sur 2500 (position 25), l’automatisme essaiera de diminuer le pas de l’hélice pour atteindre les 2500 RPM, mission impossible puisque la limite de calage (12,5°) sera de fait atteinte.
Dès que l’avion accélérera sur la piste, le régime augmentera jusqu’à atteindre 2500 RPM. Dès qu’il le dépassera, le moteur électrique avec sa vis sans fin situé dans le cône d’hélice fera son office et augmentera le pas des pales, pour diminuer le régime de rotation de l’hélice (i.e. du moteur) et revenir à la consigne 2500 RPM. On remarquera que pendant la course au décollage, l’indicateur de petit pas (LED verte) s’éteindra vers 30 KT, indiquant que le réglage automatique de pas a fait son office. Attention : cela ne fait pas partie des vérifications à effectuer pendant le décollage.

Le réglage à utiliser au départ de Cannes, souvent en palier à 1000 ou 2000 ft est 24 pouces (23,5 si l’on est très strict) à la pression d’admission et 2400 RPM. Les valeurs 24″ / 2400 RPM sont plus faciles à retenir, mais la valeur de pression d’admission indiquée par le manuel est 23,5 pouces, à respecter pour avoir des performances – consommation – conformes au manuel de vol. Ces valeurs correspondent à un vol à 75% de la puissance en basses couches.

Si l’on monte en altitude, ou si l’on décide d’utiliser une puissance plus faible (et donc une consommation plus faible), il faut se référer au tableau du manuel de l’hélice, aussi présent dans le vide-poches côté pilote.

Limitations

Si l’on lit attentivement le manuel de l’hélice, on notera qu’en croisière la consigne doit être réglée sur 2400 RPM. C’est une limitation du constructeur de l’hélice à pas variable.

L’autre limitation est 2500 RPM max dans tous les autres cas. A respecter strictement donc (trait rouge sur le compte-tours).

Une dernière limitation qui n’est pas directement inscrite dans le manuel de l’hélice est que le moteur électrique qui permet le réglage du calage des pales est assez lent. Il lui faut 18 secondes pour passer du petit pas (12.5°) au grand pas (22,5°), et réciproquement.
Cela signifie que si l’on applique une brusque augmentation de la puissance (manette des gaz, i.e. pression d’admission), le régime du moteur augmentera tellement vite que la limite de 2500 RPM sera dépassée avant que l’automatisme ait eu le temps de procéder à la régulation du calage des pales.

Conséquence : à la mise en puissance au décollage, lors des touch and go, ou lors d’une mise en montée brutale, surtout agir tranquillement sur la manette des gaz. Prendre son temps, et laisser au moteur électrique le temps de réguler. Un exemple : à la mise en puissance, compter 101,102,103 pour passer du ralenti à pleine puissance, mais ne pas avancer la manette des gaz de manière brusque. Lors d’un touch-and-go, c’est encore plus sensible, puisqu’on est préoccupé par la trajectoire de l’avion et les actions à effectuer dans le cockpit. Au cas où, sachez que sur la piste 17/35  Cannes dans le cadre d’une utilisation standard, l’avion redécollera très bien avec les volets en position atterrissage (seconde position) et le réchauffage carburateur sur ON. On a en général tout le temps de s’en occuper après la rotation.

Mode MANUel

Si un dysfonctionnement du réglage automatique du calage de l’hélice venait à survenir, on pourrait, en suivant les instructions du chapitre 3 (urgences) du manuel de l’hélice, avoir à utiliser le mode MANUel.

Alors, le bouton rotatif de sélection de régime serait inopérant, et il faudrait utiliser le bouton tout à droite portant les indications « START » et « REISE« .

  • START signifie décollage en Allemand. Le pas diminue direction petit pas
  • REISE signifie voyage. Le pas augmente direction grand pas

Pendant tout le temps où on presse ce bouton, on établit un contact qui fait tourner le moteur électrique dans le cône de l’hélice réglant le calage des pales, dans un sens ou dans l’autre.

Si l’on soulève le bouton sur la position « START » on diminue le pas de l’hélice pour aboutir en bout de course au réglage petit pas (12,5°). Si l’on presse ce bouton vers le bas sur la position « REISE« , on augmente le pas pour finir à 22,5°, position grand pas.

ATTENTION : en croisière, à la puissance de 75% en basses couches (23,5 pouces d’admission et 2400 RPM), si l’on actionne le bouton trop longtemps (1 ou 2 secondes maxi) en position START, le régime dépassera très rapidement la limite de 2500 RPM.

Remarque 1 : finalement, le mode AUTO joue sur les mêmes connexions électriques que de bouton START/REISE en actionnant le moteur électrique dans le cône dans un sens ou dans l’autre

Remarque 2 : quand il y a une panne du système, ou qu’on enlève le fusible, le pas de l’hélice reste à sa dernière position. On peut poursuivre le vol, mais pas en entreprendre un nouveau avant réparation. L’hélice est alors en pas fixe, à son dernier réglage, qu’on ne peut pas facilement connaître.

Remarque 3 : il n’y a pas de mode « mise en drapeau ». Ceux qui savent de quoi il retourne comprendront, les autres ne se poseront pas la question.

MTV-18B

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