Conception et évaluation des performances des systèmes

Anibal
Sélection des hélices candidates

Elaboration du cahier des charges

L’objectif principal du cahier des charges Anibal est de définir les points de performance aérodynamique et acoustique sur lesquels doit s’appuyer le processus d’optimisation de l’hélice. Une sélection de configurations a donc été réalisée en prenant en compte les objectifs du projet – une réduction de bruit de l’ordre de 8 dB avec dégradation de performance inférieure à 3 % en phase de montée initiale- mais aussi des critères plus larges tels que la réduction du bruit en "tour de piste" ou la vérification des performances en remorquage.

Plus précisément, il s'agit de définir, fabriquer et caractériser par des essais au sol et en vol une hélice prototype répondant à des spécifications permettant son utilisation sur un avion DR400 remorqueur de planeurs et présentant toutes les caractéristiques nécessaires pour être certifiable selon la norme JAR-P en vigueur, être industrialisable avec un coût de production acceptable pour les clients potentiels et apporter une réduction de bruit sensible sans dégradation notable de performance.

Dans cette optique, le cahier des charges doit concerner une famille d’hélice destinée à équiper les groupes motopropulseurs d’avions légers d’une puissance de 100 à 180 CV et à préciser l’application remorquage sur un DR400 équipé d’un moteur Lycoming de 180CV.

L’élaboration de ce cahier des charges repose principalement sur la définition et l'évaluation de l’hélice de référence, qui servira à comparer les performances des hélices candidates.

Sélection de la pale de référence

L’une des difficultés de l’optimisation devant mener à l’hélice Anibal est que ses objectifs se fondent sur les performances d’une hélice existante (niveau de bruit et performance d’une hélice standard équipant les DR400/180 remorqueur) et non sur des valeurs absolues (triplet régime/puissance/traction pour l’aérodynamique et niveau en dB pour le bruit).

La première phase de l’élaboration de ce cahier des charges a donc été de définir la référence et de l’évaluer le plus précisément possible.

La sélection se fait assez facilement en s’appuyant sur le manuel de vol d’un DR400 -180. La section 1.7, rappelée Figure 1, définit les 4 hélices Sensenich de type 76EM8S50 pouvant équiper ce type d’appareil : il s’agit de la 64, 68, 58 et 54 (pas de l’hélice en pouces).

Néanmoins, à la section 7.1 (voir Figure 2), il est précisé que pour les activités de remorquage de planeur, qui nous intéressent ici, seuls deux hélices sont autorisées, celles présentant les pas les plus faibles : la 58 et la 54. Il est certain que l’hélice Anibal doit être apte au remorquage mais cette hélice doit aussi servir de base à une famille d’hélice non restreinte à ce seul usage. De ce fait, la 54 apparaît comme trop typée pour servir de référence au projet Anibal et l’on retient la 58 qui apparaît plus polyvalente.

L’hélice de référence Anibal est donc la Sensenich de type 76EM8S50-58.

Figure 1 : extrait du manuel de vol d’un DR400 décrivant les 4 types d'hélices pouvant équiper l'appareil

Figure 2 : extrait du même manuel de vol précisant les hélices aptes au remorquage

Sélection des points d’optimisation

A la vue des objectifs de la convention Anibal, il semblait important de sélectionner à la fois des points de performance aérodynamique et acoustique. Ces points de calcul (et donc potentiellement d’essais), peuvent se classer en 2 catégories :

• les points d’optimisation acoustique sur lesquels l’hélice sera optimisée et, si possible, testée en vol (par exemple le point de certification acoustique)
• les points de non régression tant aérodynamiques qu’acoustiques, qui ne seront calculés que sur les hélices "candidates" et pas forcément testés en vol (point de vérification de la VNE par exemple)

Pour déterminer ces points, plusieurs sources ont été utilisées :

• la certification JAR-P actuelle (ou OACI chap. 6) définissant le seul point de mesure acoustique actuellement certifié (montée au décollage)
• des discussions avec le Bureau des Nuisances Sonores du SAFCT concernant des éventuelles procédures d’essais visant à mieux évaluer la gêne sonore occasionnée par l’aviation légère
• le manuel de vol d’un DR 400 / 180 R équipé de l’hélice Sensenich de référence
• le compte rendu des essais réalisés au CEV d’Istres en 1999 et notamment la définition de la polaire appareil définie comme suit :

Cx = 0,028 + 0,093958 Cz2 avec Serf = 13,6 m2

Partie acoustique

Le point de certification, réalisé durant la phase de montée, est évidemment à retenir (point 1).

Les autres points acoustiques sont issus de la documentation du SAFCT/BNS qui propose des points de survol en palier (5 points) permettant de couvrir l’ensemble de régime de rotation du moteur. Pour le calcul d’optimisation, en s’appuyant sur ces recommandations, on retient les points suivants :

• survol au régime moteur Maxi Continu (point 2)
• survol au régime moteur Maxi Continu -200tr/min (point 3)
• survol au régime permettant d’obtenir une vitesse de 190km/h (point 4)
• survol correspondant à la vitesse de décrochage + 15 nœuds (point 5)

Point 1

La section 4.8 du manuel de vol "Montée normale" fournit les valeurs nécessaires pour le calcul du point 1 : la vitesse est de 160 km/h et la puissance est maximale, soit 180 CV. En ce qui concerne la vitesse de rotation du moteur dans cette phase de vol, elle devrait se situer au dessus de 2500 tr/min (il s’agit du régime Mini Plein gaz en montée au niveau de la mer). La traction obtenue permet de remonter, via la polaire appareil, à la pente de montée.

Point 2

On utilise le régime Maxi Continu, soit 2700 tr/min d’après la section 1.5 "Groupe Moto Propulseur". Toujours d’après le manuel de vol, section 5.06, la vitesse propre est de 230 Km/h (avec 70% de la puissance).

Point 3

On fixe donc le régime de rotation à 2500 tr/min. D’après la section 5.06 du manuel de vol "Performances en palier", reproduite à la Figure 1 ; à 0 pied et 2500 tr/min, la vitesse propre est de 212 km/h (avec 58% de la puissance).

Extrait du manuel de vol : performance en palier

Point 4

Les recommandations du SFACT/BNS proposent un survol au RMC – 400 tr/min soit un régime de rotation à 2300 tr/min. D’après la section 5.06 du manuel de vol "Performances en palier", à 0 pieds et 2400 tr/min, la vitesse propre est de 200 Km/h. On peut donc en déduire une vitesse d’environ 190 Km/h pour 2300 tr/min avec l’hypothèse d’une réduction de 10 km/h par 100 tr/min (en effet la vitesse diminue de 9km/h par 100 tours entre 2700 et 2400 tr/min).

Pour l’optimisation, ce point de vol a été modifié : en effet, il s’avère judicieux de transformer ce point à iso régime en point de comparaison des différents candidats à iso-vitesse. On choisit donc une vitesse assez faible. 190 km/h qui se fera à un régime proche des 2300 tr/min.

Point 5

D’après la section 5.03 "Vitesse de décrochage", reproduite Figure 4 , à 0 degré d’inclinaison et les volets rentrés, la vitesse de décrochage est de 99 km/h, donc la vitesse du point 6 vaut environ 130 Km/h. Le régime de rotation associé devrait se situer autour de 1900 – 1950 tr/min.

Extrait du manuel de vol : performances au décrochage

Partie aérodynamique

En plus de vérifier la non régression des points 1 à 6 au niveau des performances aérodynamiques, il faut rajouter 3 points étant apparus comme importants lors de la réunion de lancement du projet :

• point de montée avec planeur, ce point étant modélisé dans les simulations par une montée 110km/h à une puissance de 180CV
• point de "vérification de la traction au décollage", devant permettre d’assurer une capacité d’accélération suffisante du remorqueur en tractant un planeur (point 7)
• point de "vérification de la VNE", devant permettre de ne pas diminuer la VNE (point 8)

Point 6

On se place à pleine puissance (180CV) et 110km/h sur trajectoire

Point 7

On se place à pleine puissance (180CV), et l’on vérifie la traction fournie par l’hélice pour différentes valeurs de vitesses entre 0 et 50km/h.

Point 8

Ce point est plus délicat à évaluer. Il s’agit de s’assurer que l’hélice optimisée, pour la vitesse "à ne pas dépasser", gaz réduit, en moulinet, un couple plus élevé que celui de l’hélice de référence.

Evaluation des performances de référence : génération des données

Après avoir sélectionné l’hélice de référence ainsi que les points de référence pour l’optimisation, l’Onera a évalué les performances de cette hélice sous formes de triplet vitesse / puissance / traction, pour chacun de ces points.

L’idéal aurait été de disposer, au départ du projet, de la géométrie complète de l’hélice (corde, vrillage, flèche, épaisseurs et profils pour un nombre suffisant de sections le long de l’envergure) ainsi que des "polaires" (valeur des coefficients aérodynamique Cl, Cd et Cm en fonction de l’incidence et du Mach) des profils qui la composent. Etant donné l’absence de ces données, il a été décidé de procéder à la mesure tridimensionnelle d’une hélice afin d’accéder aux dimensions géométriques de l’hélice et notamment à celle des profils.

Les mesures de l’hélice Sensenich de type 76EM8S50-58 neuve, fourni par le SEFA, ont été réalisées au CRIT de Toulouse en décembre 2004. Les cotes ont été mesurées par palpage sur 10 sections de 100 points environ comme montré sur cette figure.

Ces données nous ont permis d’obtenir la géométrie réelle de l’hélice de référence (corde, vrillage) et de remonter aux profils qui l’équipent.

Ci-dessous figurent des exemples de profils et de polaires calculés par l’Onera afin d’améliorer les prévisions numériques des performances de l’hélice de référence ainsi que des hélices candidates issues de l’optimisation.

Performances aérodynamiques de référence

Les performances de l’hélice de référence ont été recalculées en utilisant la nouvelle géométrie issue des mesures CRIT ainsi que les polaires de profils issues des calculs de l’Onera.

Les résultats des simulations en hélice isolée sont présentés sur la courbe caractéristique de l’hélice, représentant l’évolution de l’efficacité croisière de l’hélice (qui représente le rapport entre le rendement de propulsion et la puissance fournie) en fonction du paramètre d’avancement (rapport entre la vitesse d’avancement et la vitesse périphérique).

Courbe de performance de l'hélice de référence

On remarque que l’efficacité maximale avoisine 0,85, ce qui est relativement élevé. Parmi les différents points d’optimisation qui ont été mis en valeur sur la courbe, on peut noter que les différents points de palier se situent tous autour de l’efficacité maximale. Les 2 points de montée (avec et sans planeur), plus chargés, se situent dans la partie ascendante de la courbe, à des facteurs d’avancement plus faibles et présentent donc des efficacités plus faibles (respectivement 0,67 et 0,785). Cette hélice a un paramètre d’avancement d’efficacité maximale assez faible - 0,7, ce qui signifie que les vitesses de croisière ne sont pas élevés (cette hélice permet d’atteindre 230 km/h à 2700 tour/min). Ceci s’explique facilement par le fait que l’on a sélectionné une hélice "petit pas", typée montée et remorquage. Idéalement, une optimisation purement aérodynamique de cette hélice devrait avoir deux effet sur la courbe : d’une part, le maximum de la courbe d’efficacité devrait être augmentée et d’autre part, cette courbe devrait être élargie. Le tableau ci-dessus résume les résultats des simulations sur les principaux points d’optimisation de l’hélice de référence.

Table 1 : performance hélice de référence

En ce qui concerne les points de non régression du tableau d’optimisation, les valeurs figurent dans le tableau suivant. Pour le point fixe, on ne calcule pas l’efficacité (car V =0) mais la figure de mérite
          
avec T la traction et P la puissance.

Le point de VNE a été obtenu en augmentant la vitesse d’avancement a régime maximale (2700 tr/min) jusqu’à ce que la puissance devienne négative.

Table 2 : Performances Sensenich (points additionnels)

Performances acoustiques de référence

Les données issues des calculs aérodynamiques, c'est-à-dire la géométrie de l’hélice ainsi que la répartition de traction et de couple en envergure, ont ensuite été fournies au département en charge de l'acoustique à l’Onera, le DSNA.

Voici les résultats des évaluations.

Contribution des termes d'épaisseur et de charge dans le niveau de bruit maximum pour les différentes configurations de vol de l'hélice Sensenich

Plusieurs tendances peuvent être déduites de ces résultats. Au niveau des différents points de palier, les évaluations portent sur des régimes variant de 2330 tr/min à 2700 tr/min : on constate que le niveau sonore augmente régulièrement avec le régime ce qui s’explique par l’augmentation des vitesses locales et par l’augmentation de la charge sur l’hélice. Néanmoins, la répartition entre le bruit de charge et le bruit d’épaisseur évolue de manière différente en fonction du régime : en effet à 2330 tr/min, les deux contributions sont du même ordre de grandeur (53 dBA chacune) alors qu’au régime maximum (2700 tr/min), l’essentiel du bruit provient de la contribution du bruit d’épaisseur (69 dBA pour un bruit total de 70 dBA). L’optimisation, par réduction du diamètre, va permettre de réduire assez facilement la composante "bruit d’épaisseur". Par contre, le bruit de charge va être plus délicat à traiter étant donné que la puissance et la traction vont assez peu bouger (volonté d’iso–performance). De plus, la réduction de diamètre va augmenter la charge sur chaque pale ; effet toutefois compensé par l’augmentation probable du nombre de pales. On peut d’ores et déjà supposer que la diminution du bruit total sera relativement aisée à obtenir à fort régime en palier (par réduction de diamètre) mais que le travail d’optimisation devra viser à réduire la composante du bruit de charge à faible régime qui, malheureusement correspond aux configurations de vol à faible vitesse et faible altitude (type tour de piste).

Une autre comparaison intéressante pour la suite de l’optimisation est celle entre le point de palier à 2500 tr/min et le point de certification (à 2520 tour/mn). Les mach locaux sur les sections étant à peu près identiques, la composante "bruit d’épaisseur" est assez proche (autour de 60 dBA). Par contre, le point de certification présente une composante "bruit de charge" beaucoup plus élevée que le cas de survol palier : 64 dBA contre 56 dBA. Ceci s’explique facilement par la différence de puissance (130 kW contre 76 kW) et de traction (228 daN contre 110 daN) entre les deux cas de vol. La réduction de du bruit en certification doit donc s’appuyer aussi sur la réduction du bruit de charge.

Les performances ainsi calculées sont considérées comme les performances de référence de l’optimisation Anibal (visant une réduction de bruit de l’ordre de 8 dB).

Mis à jour le 4 octobre 2006 - © ONERA 2009 - Crédits et conditions d'utilisation