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Accélération et vitesse angulaires: impacts en termes de stabilité du MK

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L’accé­lé­ra­tion angu­laire est la varia­tion de la vitesse angu­laire au cours du temps.

L’accélération angu­laire se mesure en radians par seconde au carré (rad/s²).

  • 1 degré = 0,017453 radians
  • 1 radian = 57,296 degrés
  • 1 cercle = 360° ou 6,2832 radians (= 2π)

En méca­nique, la vitesse angu­laire ω, aussi appe­lée fré­quence angu­laire ou pul­sa­tion, est une mesure de la vitesse de rota­tion. Elle s’exprime en radians par seconde (rad.s–1), ou plus sim­ple­ment en s–1 puisque les angles sont des gran­deurs sans dimen­sion. Une révo­lu­tion com­plète est égale à 2π radians.

Elle reste de manière cou­rante don­née en tours par minute (tr/min), notion plus par­lante à beau­coup de gens. On va faire simple.

En pra­tique

La vitesse angu­laire dépend de la dis­tance à par­cou­rir, et du temps qu’on a pour le faire. Si on estime que notre MK, incliné de 20° doit se redres­ser en 1/10ème de seconde, on com­prend qu’il y a un lien étroit entre:

  • la dis­tance à par­cou­rir au niveau de l’axe d’hélice, qui est pro­por­tion­nelle à l’envergure.
  • le pas de l’hélice, qui cor­res­pond à la dis­tance par­cou­rue dans un fluide non com­pres­sible à chaque tour d’hélice sur l’axe de rota­tion de celle-ci. C’est une notion équi­va­lente à la notion de pas de vis.
  • et la vitesse de rota­tion de l’hélice.

Au niveau de chaque hélice, plus son pas est grand et plus sa vitesse de rota­tion est grande, et plus elle par­courra vite la dis­tance néces­saire pour remettre son bras à l’horizontale en fai­sant pivo­ter le centre de rota­tion du MK.

A vitesse et pas constant, un bras plus court implique une dis­tance à par­cou­rir plus courte.

Exemple de petit MK

  • Entre-axes du MK = 40 cm
  • Incli­nai­son = 20°
  • 360° / 20° = 18
  • 40 x π = 125,66 cm (cir­con­fé­rence du cercle au niveau des axes  d’hélices)
  • dis­tance à par­cou­rir e 1/10ème de seconde= 125,66 / 18 = 7 cm
  • Pour une héice de 10x4.5; le pas est de  4,5 x 2,54 = 11,43 cm
  • 7 cm / 11,43 cm= 0,61 tours
  • si on se donne 1/10ème de seconde pour faire cette dis­tance, il faut donc tour­ner à 0,61 x 10 x 60 s = 367 tours par minute

Exemple de grand MK

  • Entre-axes du MK = 80 cm
  • Incli­nai­son = 20°
  • 360° / 20° = 18
  • 80 x π = 251,33 cm (cir­con­fé­rence du cercle au niveau des axes  d’hélices)
  • dis­tance à par­cou­rir e 1/10ème de seconde= 251,33 / 18 = 14 cm
  • Pour une héice de 10x4.5; le pas est de  4,5 x 2,54 = 11,43 cm
  • 14 cm / 11,43 cm= 1,225 tours
  • si on se donne 1/10ème de seconde pour faire cette dis­tance, il faut donc tour­ner à 1,225 x 10 x 60 s = 735 tours par minute

Exemple de MK dino­so­rien

  • Entre-axes du MK = 160 cm
  • Incli­nai­son = 20°
  • 360° / 20° = 18
  • 160 x π = 502,65 cm (cir­con­fé­rence du cercle au niveau des axes  d’hélices)
  • dis­tance à par­cou­rir e 1/10ème de seconde= 502,65 / 18 = 28 cm
  • Pour une héice de 10x4.5; le pas est de  4,5 x 2,54 = 11,43 cm
  • 28 cm / 11,43 cm= 2,45 tours
  • si on se donne 1/10ème de seconde pour faire cette dis­tance, il faut donc tour­ner à 2,45 x 10 x 60 s = 1470 tours par minute

Conclu­sion

On note que les vitesses de rotai­ton néces­saires ne sont pas déli­rantes. Atten­tion, rappelez-vous qu’il y a une phase d’accélération, puis de frei­nage de l’hélice, qui dépend du “régime de croi­sière” des hélices, ce qui fait qu’il ne s’agit que d’une vitesse de rota­tion moyenne sur la période. En pra­tique, il faut être sûr d’atteindre les 1000 t/mn. Tous les moteurs bru­sh­less savent atteindre ces vitesses de rota­tion, eton peut donc envi­sa­ger de très grands MK du moment qu’on atteint les vitesses de rota­tion requises.

La vraie limite est plu­tôt le moment d’inertie; qui va entrai­ner une mol­lesse géné­rale des réac­tion, car l’air étant un fluide com­pres­sible, le ren­de­ment réel de l’hélice n’est pas égal à son pas. En fait, l’hélice patine et au lieu d’avancer de 11,43 cm, elle ne va par­cou­rir peut-être que 8 ou 9 cm, qui devront être com­pen­sés par une aug­men­ta­tion pro­por­tion­nelle du régime de rota­tion. Un ren­de­ment clas­sique est de l’ordre de 70%.

Le ren­de­ment dépend de plein de para­mètres (infor­ma­tions reprises  du site http://aero.modelisme.com/):

  • Le prin­ci­pal est la géo­mé­trie de l’hélice. On peut tous com­prendre qu’une hélice à pro­fil évolué (et évolu­tif) sera plus per­for­mante qu’un bout de bois taillé par un pithé­can­thrope. De même, on ne négli­gera pas l’état de sur­face des pales. Tou­jours pon­cer le petit fil (résidu de mou­lage) qui dégrade l’état du bord d’attaque et éviter les bouts d’hélice rognés.
  • Le maté­riau consti­tu­tif peut dégra­der le ren­de­ment si des défor­ma­tions de pales appa­raissent à haut régime. Les hélices rigides sont géné­ra­le­ment gra­ti­fiées d’un meilleur ren­de­ment (mais elles sont sou­vent plus chères et plus fragiles).
  • L’équilibrage de l’hélice. Un mau­vais équi­li­brage sta­tique (ou dyna­mique) de l’hélice pro­voque un retour d’énergie vers le moteur qui se tra­duit par une mise en vibra­tion de l’ensemble pro­pul­sion (et châs­sis, nacelle…)
  • Les dimen­sions de l’hélice. Elles influent direc­te­ment sur les per­for­mances du pro­fil des pales, de la même manière que la corde des ailes de pla­neurs. Une grande pale, donc large, sera gra­ti­fiée d’un nombre de Rey­nolds élevé, donc de per­for­mances meilleures en terme de rap­port poussée/frottement.
  • La vitesse de rota­tion. Plus elle sera faible, moins on aura de tour­billons et de frot­te­ments para­sites. Les effets de com­pres­sion seront aussi plus favorables.

J’ajouterai aussi les “zones d’ombres” que créent les bras, qui devraient être les plus fins et les plus pro­fi­lés pos­sibles. Ça tombe bien, l’essnetiel des forces s’appliquant ver­ti­ca­le­ment, on peut envi­sa­ger un pro­fil en lame de cou­teau ver­ti­cale ou en goutte d’eau, au moins dans la par­tie expo­sée au souffle de l’hélice.

Dimen­sion­ne­ment des hélices

Pour ceux que ça inté­resse et qui se sentent de fair quelques cal­cls, je vous ren­voie à l’excellent article cité plus haut, qui pro­pose une démarche assez simple et concrète.

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