Didacticiel : concevoir une hélice d'ULM (croisière 130 km/h) avec Heliciel

Le constructeur amateur d'un ULM multiaxe veut tailler une hélice bois-carbone adaptée à sa machine, plutôt qu'une hélice « catalogue ». Ses données :

• Croisière visée : 130 km/h (36,1 m/s) au niveau de la mer, air à 15 °C ;
• Traînée totale de l'ULM en croisière estimée à 450 N (machine de ~430 kg à une finesse d'environ 9,5 — estimation de l'auteur pour ce scénario ; remplacez-la par votre propre mesure ou bilan de traînée) ;
• Moteur Rotax 912 UL (80 ch) avec réducteur 2,43 : 5 800 tr/min moteur = 2 387 tr/min maximum à l'hélice ;
• Diamètre maximum : 1 700 mm (garde au sol), 3 pales, pas fixe.

• Organisation et phases de conception :

1. Partir du modèle hélice avion
2. Design en croisière : Heliciel cherche le régime pour 450 N
3. L'erreur à ne pas commettre : plein régime à basse vitesse
4. Courbes de poussée disponibles du décollage à la croisière
5. Bruit : fréquences de passage de pale et vitesse de bout
6. Bilan et modèle à télécharger

1 : Partir du modèle hélice avion : le modèle livré est une hélice de 1 800 mm à… 7 pales (une hélice de démonstration multipale). Aucune importance : nous allons imposer notre géométrie. C'est l'occasion de rappeler qu'un modèle est un point de départ, jamais une recommandation.

2 : Design en croisière : nous demandons à Heliciel une hélice de 1 700 mm, 3 pales, dans l'air à 15 °C au niveau de la mer, avancée 36,1 m/s, avec un objectif de poussée de 450 N : le logiciel cherche seul le régime de rotation qui produit cette poussée en reconstruisant le vrillage optimum à chaque essai. Résultat :

• régime de croisière trouvé : 1 137,5 tr/min à l'hélice (soit ~2 760 tr/min moteur à travers le réducteur 2,43 : un régime de croisière économique pour le Rotax) ;
• poussée -450,9 N (négative = propulsive dans la convention d'axes d'Heliciel) ;
• rendement propulsif : 0,88 — excellent, typique d'une hélice grande et lente ;
• puissance absorbée : 18,5 kW (25 ch) sur les 59 kW disponibles : la réserve servira à la montée ;
• couple : 155 N·m à l'hélice (64 N·m côté moteur) ; paramètre d'avancement J = 1,12 ; pas géométrique 2,45 m à 0,7 R ;
• Mach en bout de pale : 0,31 — très loin du mur sonore, gage de discrétion et de rendement.

3 : L'erreur à ne pas commettre : que se passe-t-il si l'on évalue cette hélice à pas fixe plein régime (2 387 tr/min) à 54 km/h, comme en début de roulage ? Heliciel répond… 3 104 N de poussée pour 309 kW absorbés — près de 4 fois la puissance du moteur, avec 6 avertissements de décrochage des profils. Ce chiffre n'est pas une erreur du logiciel : il dit simplement que le moteur ne pourra jamais entraîner cette hélice à 2 387 tr/min à basse vitesse. En pratique, l'hélice « cale » le moteur à un régime bien plus bas, et c'est le couple moteur disponible qui fixe le point de fonctionnement. C'est LE compromis de l'hélice à pas fixe : taillée pour la croisière, elle bride le moteur au décollage (et inversement). D'où les hélices à pas variable sur les avions plus exigeants.

4 : La poussée disponible du décollage à la croisière : balayage de la vitesse de vol de 20 à 42 m/s (72 à 151 km/h), au régime de croisière 1 137,5 tr/min, géométrie figée (mode « Hors design ») :

Lecture : sous la vitesse de croisière, la poussée disponible dépasse la traînée (698 N à 94 km/h contre ~450 N de besoin) : c'est la réserve qui fait monter l'ULM. Au-delà de 130 km/h, la poussée s'effondre : notre point de design est bien le plafond de croisière de ce calage. Le rendement, lui, reste au-dessus de 0,83 sur toute la plage utile — la signature d'une hélice bien née.

5 : Le bruit : Heliciel fournit les indicateurs acoustiques (pas de niveau sonore en dB — aucun modèle acoustique n'est embarqué, méfiez-vous des logiciels qui promettent un dB(A) théorique) :

• fréquence de passage des pales : 56,9 Hz (harmoniques 114 et 171 Hz) : un bourdonnement grave, bien moins fatigant que le sifflement d'une hélice rapide ;
• vitesse de bout de pale : 101 m/s (Mach 0,31) : en dessous de 0,7 Mach, le bruit de bout de pale reste modéré.

6 : Bilan et modèle à télécharger

• Hélice 3 pales Ø 1 700 mm, pas 2,45 m (0,7 R), pas fixe ;
• croisière 130 km/h à 1 137,5 tr/min hélice (2 760 tr/min moteur) : poussée 451 N, rendement 0,88, 18,5 kW absorbés ;
• réserve de poussée en montée : +250 N vers 95 km/h ;
• Mach bout de pale 0,31, BPF 57 Hz.

Le projet complet est téléchargeable ici : helice_ulm_130kmh_1700mm.hlc (à ouvrir avec Heliciel). Il est également intégré aux modèles livrés avec le logiciel. Depuis ce projet : export STL/STEP des pales, plans, armature et vérification de résistance mécanique.

Avertissement : une hélice d'aéronef engage la vie de son pilote. Les résultats d'Heliciel sont théoriques ; la fabrication, l'équilibrage et les essais relèvent des règles de l'art et de la réglementation ULM. Ne volez jamais sur une hélice non éprouvée au banc et au point fixe.

Je reste à votre disposition pour toutes remarques ou compléments d'information via contact@heliciel.com

• JF Iglesias développeur Heliciel.

Pour voir une hélice d'avion en croisière et au point fixe dans l'air qu'elle brasse, lisez le cas concret hélice avion CFD : deux écoulements très différents, en images.