Hélices contra-rotatives, technologie prometteuse pour les avions privés

Les avions équipés d’hélices contra-rotatives, ou hélices coaxiales contra-rotatives, ou hélices à grande vitesse, appliquent la puissance maximale d’un seul piston ou turbopropulseur pour conduire deux hélices coaxiales, en rotation contraire (rotation autour du même axe dans des directions opposées). Deux hélices sont disposées l’une derrière l’autre, et la puissance est transférée du moteur par l’intermédiaire d’une transmission planétaire ou d’engrenage droit.

Fonctionnement des hélices contrarotatives

Lorsque la vitesse de l’air est faible, la masse de l’air circulant dans le disque de l’hélice provoque une quantité importante de flux d’air tangentiel ou de rotation à créer par les pales de filage. L’énergie de ce flux d’air tangentiel est gaspillée dans une conception à hélice unique. Pour utiliser cet effort gaspillé, le placement d’une seconde hélice derrière le premier profite du flux d’air perturbé. Le flux d’air tangentiel provoque également des problèmes de manutention à faible vitesse lorsque l’air frappe le stabilisateur vertical, ce qui provoque un gauchissement de l’avion à gauche ou à droite, selon le sens de rotation de l’hélice. Ceci est éliminé par des contra-rotatives.

Si elle est bien conçue, une hélice contra-rotative n’aura pas d’écoulement d’air en rotation, poussant une quantité maximale d’air uniformément à travers le disque de l’hélice, ce qui entraînera des performances élevées et une faible perte d’énergie induite. Il sert également à contrer l’effet de couple asymétrique d’une hélice conventionnelle.

Avantages

1. Les hélices contrarotatives se sont avérées être entre 6% et 16% (jusqu’à 30 % avec un avion électrique) plus efficaces que les hélices normales.
2. Dans les avions electriques, on peut affecter un moteur pour chaque hélice, les moteurs électriques étant petits et ne chauffant pas, rendant plus simple la mécanique.
3. Un autre avantage est que le couple est pratiquement annulé par la propulsion contre-rotationnelle.
4. Le gain d’efficacité supplémentaire est dû au fait qu’une hélice isolée dépense une certaine énergie conférant une vitesse de « turbulence » à l’air (c’est-à-dire un moment angulaire), en plus de la pousser vers l’arrière (une dynamique linéaire) pour provoquer une poussée. La seconde hélice contrarotative fonctionne en sens inverse de la direction de tourbillonnement du premier rotor, ce qui entraîne un bas tourbillonnement du filet et récupère l’énergie gaspillée en tournant le flux tout en contribuant à l’impulsion vers l’arrière qui provoque la poussée.
5. La possibilité de récupérer une partie de l’énergie de rotation perdue par l’hélice avant, d’où une meilleure efficacité globale.
6. La possibilité d’utiliser une plus faible vitesse de rotation pour le même diamètre qu’avec une hélice classique (ou la même vitesse de rotation pour un plus faible diamètre).
7. Grâce au fait qu’elles tournent dans des directions opposées, les hélices contre rotatives permettent une suppression du couple de renversement et du couple gyroscopique, d’où accroissement de la maniabilité. C’est-à-dire que l’effet gyroscopique d’une hélice est compensé par l’effet gyroscopique de l’autre, qui tourne en sens opposé.

Avantages pour des hélices contra-rotatives pour les avions privés

• Un autre avantage est le fait que cette conception permet un diamètre d’hélice plus petit, permettant un train d’atterrissage plus petit.
• Le décollage s’effectue plus rapidement et dans un espace plus court, grâce à leur efficacité augmentée.
• Apparemment, le premier avion privé avec hélices contre rotatives, le Furio Électrique à 300 chevaux, sera produit en 2017.  Il y a fort à parier que d’autres suivront.

Inconvénients des hélices contrarotatives

Cependant, ces avions peuvent être très bruyants, avec des augmentations de bruit dans la direction axiale (avant et arrière) jusqu’à 30 dB, et tangentiellement 10 dB. La plupart de ce bruit supplémentaire peut être trouvée dans les fréquences plus élevées. Ces problèmes de bruit importants limitent les applications commerciales. Une possibilité est d’enfermer les hélices contra rotatives dans un carénage. Il est également utile que les deux hélices aient un nombre différent de pales (par exemple quatre pales sur l’hélice avant et cinq sur l’arrière). Apparemment,  le problème du bruit excessif est en train d’être résolu.

L’efficacité d’une hélice contre-rotative est quelque peu compensée par sa complexité mécanique et le poids supplémentaire de cette transmission qui rend l’avion plus lourd, donc certaines performances sont sacrifiées pour le transporter. Néanmoins, des hélices et des rotors coaxiaux à contre-rotation ont été utilisés dans plusieurs avions militaires, comme le Tupolev Tu-95 « Bear », qui a une autonomie de 15 000 km grâce à la consommation réduite de ses turbo propulseurs avec hélices contre rotatives.

Les inconvénients peuvent l’emporter sur les avantages dépendant de la conception. Ils sont très complexes. Cela peut entraîner des coûts d’entretien élevés ou une conception peu fiable. Les accessoires de contre-rotation sont également extrêmement bruyants. Le Tu-95 est connu pour être l’avion le plus bruyant au monde.

Les moteurs à hélice contra-rotatives sont également examinés pour être utilisés dans les avions de ligne.