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Une brève Histoire de l' HELICE

Qu’est-il, en apparence, de plus simple que l’hélice ? Il semble que l’homme n’ait eu qu’à prendre dans la nature une forme aussi bien adaptée à ce qu’il en attendait.

helice

En réalité, il a fallu quelques millénaires pour parvenir à cette mystérieuse simplicité.

l’aile, la roue à aubes, la rame, le moulin a vent les unes et les autres dans des formes diverses. Tels sont les ancêtres de notre hélice...

C’est l’ancienne civilisation chinoise qui utilisa la première l’hélice, comme élévateur d’eau. Et l’on a trouvé des traces de cet élévateur d’eau sur les bords du Nil  où, plusieurs siècles avant l’ère chrétienne, on utilisait le « limaçon égyptien » qui peut être considéré comme une hélice de "déplacement propulsion" de fluide

.

 

C’est, dit on, Archytas(-428/-360), disciple de Pythagore, qui « renouvelle » cette invention. Laquelle fut employée par Archimède (-287/-212)pour un usage différent : comme vis transporteuse permettant d’assurer une translation mécanique horizontale de différents objets. Sous cette forme, la « vis d’Archimède » est encore utilisée dans certaines usines pour évacuer des copeaux d'usinage par exemple.

La conquête de l'énergie éolienne ne date pas d hier et le besoins de transformer l'énergie du vent en énergie mécanique amènera à inventer l'hélice de captage de l'énergie du fluide . L' histoire nous apprend que les moulins à vent existaient déjà dès la plus haute antiquité, en Perse, en Irak, en Égypte et en Chine. Hammourabi, roi de Babylone avait conçu, paraît-il, dix-sept siècles avant Jésus-Christ, le projet d’irriguer la riche plaine de Mésopotamie, à l’aide de l’énergie éolienne. Les moulins utilisés à l’époque, dans cette région, étaient vraisemblablement à axe vertical et sans doute, analogues à ceux dont les ruines subsistent sur le plateau iranien.


 

Le grec égyptien Héron d’Alexandrie(10/70) représente dans une étude consacrée à la pneumatique, un moulin à axe horizontal qui alimente en air comprimé un orgue

.

 Dans la description du fonctionnement de sa machine:

..... le second a des ailes semblables à celles des moulins à vent. Quand ces ailes, mues par le vent, font tourner le disque Φ, la barre tourne aussi, entraînant dans son mouvement le disque Υ et ses cames qui, venant à frapper sur la palette, soulèvent le piston......

......On peut faire mouvoir le bâtis qui soutient la barre de manière à profiter toujours du vent régnant et à produire ainsi un mouvement de rotation plus rapide et plus continu...

...On voit que les Grecs d’Alexandrie connaissaient le moulin à vent. Les Romains paraissent s’en être très peu servis. Vitruve, Arch., lib. x, cap. v) et Varron (De re rustica, lib. I, cap. XLII) ne parlent que des moulins à eau.

le moulin à vent était il très répandus en Égypte ? II est difficile de le dire. On peut toutefois
affirmer, sans crainte d’être démenti, que la partie orientale du bassin méditerranéen
constitue avec la Chine, où seules les machines à axe vertical étaient connues, le
berceau des aéromoteurs. C’est seulement au Moyen Âge, que les moulins à vent font leur apparition en Italie, en France puis en Espagne et au Portugal. On les rencontre, un peu plus tard, en Grande-Bretagne, en Hollande et en Allemagne. Certains auteurs suggèrent que
leur introduction en Europe est due aux Croisés revenus du Moyen-Orient: "La connaissance des moulins à vent nous vint par les croisades au XI e siècle. Viollet Leduc (Dict. rais. d’arch., t. iv, p. 405) dit qu’on les appelait en Normandie, au XIVe siècle, moulins turquois, en souvenir de cette origine.."  Ce n’est pas impossible. Les machines employées ici, du type à axe horizontal, comportent quatre ailes placées en croix. Elles servent principalement à moudre du grain et surtout du blé. La Hollande les utilise à partir de 1350, pour l’assèchement des polders. Elles sont accouplées alors à des roues à godets ou à des vis d’Archimède qui peuvent élever l’eau jusqu’à cinq mètres. On les emploie également pour
extraire l’huile des noix et des graines, pour scier du bois, pour transformer les
vieux chiffons en papier, pour la préparation des poudres de couleur entrant dans lu
composition des teintures et pour la fabrication du tabac à priser qui remplaçait les
cigarettes autrefois.

L'hélice ne réapparaît que chez Léonard de Vinci(1452/1519) ;Léonard étudie les différents moyens de soulever l'eau dont la vis:

 Celui-ci, le premier, aurait affirmé qu’une hélice mise en mouvement dans l’air ou dans l’eau devait progresser dans le sens de son axe. C'est le célèbre dessin de l'hélicoptère décrivant l'hélice comme moyen de propulsion de véhicule:

Mais ce dessin (ci dessous) moins connu de léonard est tout aussi édifiant sur l'utilisation de l'hélice comme captrice de l'énergie d'un fluide. Ici le courant d'air chaud montant dans une colonne au dessus d'une source de chaleur est transformé en énergie mécanique (De nombreux projet de centrales solaires utilisent ce procédé de nos jours..). La forme de l'helice est ici incroyablement moderne!

Après Léonard de Vinci, nous trouvons l’Anglais Hooke : celui-ci, en 1681, proposa pour la propulsion des bateaux, des ailes semblables à celles des moulins à vent, les bateaux étant à l’époque exclusivement mis en mouvement par des roues à aubes. Nous retrouvons cette même conception chez le mathématicien Bernoulli, en 1752. Proposition analogue aux deux précédentes par James Watt en 1784. Mais l’heure de l’hélice n’était pas encore venue : la puissance des machines montées sur les bateaux n’excédait pas quelques dizaines de chevaux et, de ce fait, les roues à aubes n’avaient pas un encombrement prohibitif.

Il semble que la "première utilisation" de l’hélice (en tant que moteur hydraulique servant à actionner des moulins) remonte à 1699. On la doit au mécanicien français Duquet et la seconde utilisation ,identique à la première , serait également due à un Français, le mécanicien Dubost, en 1743.Après Léonard de Vinci, le Français Paucton songea à appliquer l’hélice à la propulsion aérienne. Dans sa « Théorie de la vis d’Archimède », parue en 1768, il décrit un hélicoptère doté de deux « ptérophores » (ailes), l’un à axe vertical, pour assurer l’ascension, l’autre à axe horizontal pour le déplacement et la direction (à l’époque, les questions de propulsion et de direction n’étaient pas encore dissociées).

La première application de l’hélice à un appareil aérien en grandeur est due au Français Blanchard (fig. 1) :

 en 1784 il en équipa un aérostat, sans obtenir grand résultat ni en propulsion ni en direction. De cette application de l’hélice en 1784 il ne faudrait pas déduire que l’hélice fut adoptée d’emblée et que les années suivantes furent consacrées à perfectionner ce propulseur seul.

 Après 1 784, il y eut encore des aérostats que l’on tentait d’actionner au moyen de différents systèmes de rames ; dans le projet de dirigeable de Bredin (même année) la propulsion devait être assurée par des roues à aubes. Remarquez le pivotement de la pale lorsqu' elle remonte (fig. 2)

;

 en 1785, sur l’aérostat d’Alban et Valet (fig. 3) propulsion par une sorte de grande hélice, déplacement vertical au moyen de rames à clapets;

en 1785, propulsion par rames sur l’aérostat de Guyton de Morveau (fig. 4);

propulseur à « surfaces ondulantes » sur l’aérostat ~ de Gontier-Grigny, en 1860 (fig. 5).

La même année que Blanchard (1784) deux autres Français, Launoy et Bienvenu, essayaient pour leur modèle réduit d’hélicoptère des hélices « contra rotatives » .

L’hélice s’imposa assez rapidement dans l’aérostation, plus rapidement que dans la propulsion marine, nous le verrons. Et le plus lourd que l’air ne connut pas d’autre propulseur, de ses origines à la réaction. Toutefois l’hélice de l’époque aérostatique et celle des débuts de l’aviation n’avaient pas la merveilleuse simplicité actuelle ; elles tenaient par- fois de la roue à aubes, de la pagaie, de la rame, du ventilateur. Et, puisque étaient liées dans la pensée des chercheurs la propulsion aérienne et la propulsion marine, comment passa-t-on du limaçon égyptien à l’hélice du bateau ?

L’hélice que nous connaissons découle donc de la vis : l’hélice devait se visser dans l’eau comme le boulon dans l’écrou. Les premières hélices marines, par analogie, étaient très longues et leur axe (qui n’était autre que l’arbre moteur) portait plusieurs « pas », plusieurs « filets ». Comment passa-t-on de cette forme d’hélice à la forme actuelle (à fraction de pas) ? C’est le hasard qui en décida, comme dans beaucoup de découvertes

En 1836, un des premiers bateaux un bâtiment anglais à être muni d’hélice, cassa celle-ci. Le voici immobilisé. Il tenta de repartir avec la partie de « vis » qui lui restait et, chose curieuse, on s'aperçut que sa vitesse avait augmenté. Les Anglais restèrent sur leur étonnement et ne déduisirent rien de ce fait. Mais le Français Augustin Normand, lui, sut tirer de l’événement des conclusions capitales, nous le verrons tout à l’heure...

Nous avons laissé notre « vis hydraulique » à l’époque des expériences des Français Duquet et Dubost. Quelques années plus tard, en 1768, Paucton affirma que la vis d’Archimède pouvait être appliquée à la propulsion des navires, mais aucune réalisation ne s’ensuivit.

Puis ce furent les brevets de l’Anglais Bramah (1 785), des Américains Lyttelton (1794), Shorter (1799), du Français Dallery (1803), de l’Américain Stevens (1804), des Français Rennie (1820) (fig. 6),

 Delisle (1823) (fig. 7) et Bourdon (1824), de l’Autrichien Ressel (1826), des Américains Cummerow (1829) et Smith (fig. 8), Woodcroft (1832), du Français Frédéric Sauvage (1832) (fig. 9).

 

La contribution de Sauvage est capitale pour deux raisons : d’abord parce que le premier, il proposait une hélice à une seule spire et non plus une vis comportant un arbre long, ensuite parce qu’il réalisa plusieurs tentatives, toutes réussies. Si celles-ci ne connurent pas le développement qu’elles méritaient, c’est uniquement parce que les pouvoirs officiels ne comprirent rien aux expériences de Sauvage. Il fallut que l’ingénieur suédois Ericson mît au point un propulseur semblable, en 1836, pour que ce propulseur se généralisa en Angleterre et en Amérique. Pour que l’on comprenne enfin en France que l’hélice de Sauvage était infiniment supérieure aux roues à aubes.

 La France allait apporter une autre contribution à l’hélice marine, celle d’Augustin Normand.

Normand, partant à la fois de la mésaventure survenue au navire anglais et de l’hélice de Sauvage a une seule spire songea qu'il y aurait intérêt a fractionner la spire entière (fig. 10) de façon a ce que le nouveau propulseur ne comporte plus que des "fractions de pas " prises a intervalles réguliers sur cette spire correspondant a un tour. La surface propulsive était ainsi répartie sur plusieurs pales : la marine disposait alors de son hélice à plusieurs pales qu’elle utilise aujourd’hui:

 

L’histoire de l’hélice de Sauvage vaut d’être contée:

Frédéric Sauvage, estimant que le système des roues à aubes pour mouvoir les bateaux était mauvais, cherchait une autre solution. Il la trouva en regardant évoluer un poisson rouge dans son bocal. « Voilà le propulseur qu’il faut, dit-il. C’est le mouvement de godille de la queue du poisson, celle-ci prenant constamment appui sur le liquide ; ce mouvement sinueux est assimilable à celui de la vis qui progresserait dans l’eau. » Il en est de même pour le mouvement des pieds dans le crawl, compte tenu de la position qu’ils doivent avoir.

Mais comment traduire mécaniquement l’action de la queue du poisson ? Sauvage, sur un morceau de bois cylindrique. gros comme un crayon, trace une ligne en forme d’hélice géométrique. Sur cette ligne et perpendiculairement à l’axe du cylindre, il plante des aiguilles très proches les unes des autres. Il obtient ainsi la structure d’une surface hélicoïdale, qu’il termine en collant de la toile huilée sur les aiguilles. Telle fut sa première hélice. Montée sur un bateau modèle réduit de 27 cm de long elle fut une réussite. Elle était mue par un système de contre- poids et poulie de renvoi. Sauvage réalise ensuite une hélice en cuivre, mue par contre poids et mécanisme d' horlogerie. Puis il monte deux hélices tournant cote a cote en sens inverses pour équilibrer le bateau. Un brevet d' invention lui est accordé le 28 mai 1832.

Mais l’invention de l’hélice s’opposait à des intérêts puissants liés au système de roues à aubes. Un peu comme de nos jours avec l'utilisation des énergies fossiles . . . . . ...........

Sauvage, pendant plusieurs années monte ses hélices sur des bateaux mus à bras d’hommes, ne trouvant pas les concours nécessaires pour les monter sur des bateaux à vapeur. La possibilité lui en est offerte en 1841 par un constructeur de bateaux du Havre, Augustin Normand. Les deux hommes se lient. Puis se séparent sur un point précis : la fraction de pas, à laquelle Sauvage était opposé. Et c’est là que nous trouvons l’apport d’Augustin Normand.

Hélice de Sauvage(type vis), et helice d’Augustin Normand fractionnée (type reaction)

C'est une avancée majeur en terme d'approche du concept de propulsion par hélice, qui fait passer l'hélice, du stade de vis, au stade de propulseur à "réaction" répondant au principes de Newton(F=m.a) et Action-Réaction. C'est de cette révolution , accidentelle (En 1836, un des premiers bateaux un bâtiment anglais à être muni d’hélice, cassa celle-ci. Le voici immobilisé. Il tenta de repartir avec la partie de « vis » qui lui restait et, chose curieuse, on s'aperçut que sa vitesse avait augmenté. Les Anglais restèrent sur leur étonnement et ne déduisirent rien de ce fait. Mais le Français Augustin Normand, lui, sut tirer de l’événement des conclusions capitales) que découle notre hélice moderne et sa méthode de calculs.

Pour bien comprendre l'avancée en terme de rendement et d'hypothese de calcul de performance, le problème général du propulseur se pose ainsi :

La poussée(newtons) est le produit de deux facteurs : Poussée=masse(kg) X acceleration (m/sec²)(voir newton:F=m.a).C'est la variation de quantité de mouvement qui génere la poussée.

  • L'acceleration (m/sec²) utilisée pour calculer la poussée = vitesse(m/sec) apres l'hélice - vitesse(m/sec) avant l'hélice
  • La masse utilisée pour calculer la poussée, c'est la masse déplacée en une seconde , c'est le débit massique(kg/sec)
  • La puissance nécessaire pour produire cette poussée est le produit de deux facteurs : Puissance(watt)= Poussée(newton) X vitesse(m/sec).

Pour quantifier le rendement (la qualité) de ce propulseur, nous devons différencier les 2 formes de puissances qui sont en jeu dans la propulsion:

  • La puissance utile constatée en terme de déplacement, celle qui nous est utile: P.Utile=vitesse avant l'hélice X Poussée.
  • La puissance cinetique produite par l'hélice. Cette puissance est calculée simplement d'apres la variation d'énergie cinétique du fluide.(énergie cinetique=0.5 X masse X Vitesse²).
    • Donc la puissance cinétique de notre hélice =
    • = (energie cinetique du fluide apres l'hélice) - (energie cinetique du fluide avant l'hélice)
    • = 0.5 X masse X (vitesse derriere hélice)² - 0.5 X masse X (vitesse devant hélice)²
    • = 0.5 X masse X vitesse derriere hélice² - vitesse devant hélice²

Pour bien comprendre la réalité et l'utilité de ces 2 puissances, imaginons un bateau attaché au quai, ou un avion avant de se lancer pour le décollage avec les freins serrés, dont l'hélice tourne et produit une poussée:

Le vehicule etant fixe, la vitesse est nulle, donc la puissance utile (P.Utile=vitesse avant l'hélice X Poussée) est nulle. Pourtant la poussée de l'hélice, et sa puissance, est bien réelle, l'hélice tourne et est alimentée par un moteur qui consomme de l'énergie! Il faut donc la quantifier, pour cela on utilse la variation d'énergie cinétique que l'hélice applique au fluide. Notons au passage que l'energie consommée par l'hélice lorsque le véhicule est a l'arret est gaspillée! Une "bonne hélice" qui rapporte de l'argent en transportant de la marchandise avec un minimum d'energie, c'est un hélice qui donnera le maximum d'énérgie utile avec le minimum d'énergie cinetique !

Le rendement (la qualité) de notre hélice est donc definit par le rapport: puissance utile / puissance cinetique.

Ce concept vaut de nos jours comme il valait il y a mille ans : il faut, pour un haut rendement, un débit élevé à vitesse aussi faible que possible. Mais il a fallu des millénaires de méditation pour établir que la forme hélice était celle qui, le plus simplement, permettait de refouler une énorme masse d’air à faible vitesse.

Bibliographie:

 

"histoire de l'hélice" Jean Grampaix édition D'Argenson 1966

"léonard de Vinci" édition atlas 1986

"le grand livre de l'éolien" Paul Gipe édition du moniteur 2004

Sites internet:

http://remacle.org/bloodwolf/erudits/heron/pneumatiques.htm