Prospective et synthèse
Anibal
Etat de l'art
Les études menées ces dernières années par l’Onera ont permis d’acquérir une large expérience dans le domaine des calculs d’hélices et ont notamment débouché sur la mise au point d'un code de calcul de définition d’hélices et d’évaluation du bruit qu‘elles sont susceptibles d’engendrer.
Ainsi, les travaux menés par l’Onera au cours de la première phase du programme Anibal concernent l’une des sources de bruit des avions légers : l’hélice.
Cette première phase d’Anibal comporte deux étapes :
- la première concerne une analyse de l’existant limitée aux travaux français
- la deuxième complète l’étude des travaux français et étend l’analyse de l’existant aux travaux étrangers
Travaux effectués en France
L’objectif fixé pour la première étape de la première phase du programme Anibal est l’établissement d’un bilan de synthèse décrivant l’état de l’art en France et précisant le niveau de réduction de bruit qu’il semble possible d’atteindre à court ou moyen terme. Les taches suivantes ont été réalisées :
- recueil et analyse de l’expérience acquise en France sur l’étude, la réalisation et l’utilisation d’hélices pour avions légers
- recensement des résultats d’études aérodynamiques et acoustiques utilisables dans le cadre de ce projet
- recensement et analyse de la nature et des résultats des études et expérimentations concernant les hélices à niveau de bruit réduit
- description des paramètres de nuisance acoustique et proposition de critères d’optimisation acoustique
- description des performances aérodynamiques à obtenir pour chaque application envisagée
Les études, recherches et expérimentations menées en France ces dernières années pour mesurer et réduire le bruit émis par les hélices d’avions légers du type monomoteurs à piston ont débouché sur des résultats très hétérogènes. Le manque de références indiscutables pour juger de la qualité de ces résultats (sans séparation des sources "hélice" et "échappement", procédures de mesures différentes, appareils de mesures différents, corrections apportées différentes) conduit à une impossibilité de quantifier de façon précise les améliorations trouvées.
Les seuls documents transmis à l’Onera et concernant des essais en vol permettant d’apprécier le gain global "hélice + échappement" sont ceux rédigés par le Centre d'Information et de Conseil à la Vie Associative (CICVA) sur demande de la Fédération Française de Vol à Voile (FFVV).
Au cours de cette campagne d’essais, une hélice quadripale Hoffmann a été testée sur des avions remorqueurs. Cette campagne s’est déroulée de la façon suivante :
- le 6 octobre 1991, un vol de comparaison en remorquage a été avec décollage en patrouille de deux attelages avec niveaux de carburant équivalents :
- MS 893A F-BRKS avec équipement standard (hélice bipale SENSENICH 76EM8-0-54, diamètre 1,93m) + Pégase C101
- MD 893A F-BRLB avec hélice quadripale Hoffmann (HO4/27HMA 170, diamètre 1,7m, pas de 110cm)
- le 13 octobre 1991, un vol d’essai d’adaptation a été effectué avec un MS 893A équipé de l’hélice quadripale Hoffmann et du silencieux Mecanair
- le 17 novembre 1991, des mesures de bruit on été effectués avec les deux attelages de l’essai du 6/10/1991
Dans le rapport concernant ces essais, on note que l’équipement des MS 893A avec des hélices quadripales a permis, moyennant quelques adaptations de calage des pales, de préserver les performances au profit d’un niveau acoustique nettement réduit. En effet l’action conjuguée de l’hélice Hoffmann et du silencieux Mecanair a permis une diminution du niveau de bruit de 8dBA. Cependant, l’analyse statistiques des durées de remorquage montre que l’avion équipé de l’hélice quadripale se révèle moins performant que l’avion de série. Les performances n’ayant pas été mesurées de façon fiable, il est impossible d’établir le bilan réduction du bruit - performances. Aucun des documents analysés au cours de cette étude ne permet d’apprécier le gain de bruit dû à la seule modification de l’hélice.
Cependant, les études sur le bruit d’hélice menées par l’Onera ont montré que le paramètre dominant est le nombre de Mach de rotation en bout de pale. En effet pour un nombre de Mach d’avancement de M = 0,15 (soit une vitesse de 180 km/h), le bruit d’épaisseur est une fonction linéaire et rapidement croissante du nombre de Mach de rotation périphérique. Il en est de même pour le bruit de charge mais dans des proportions moindres. De plus, l’influence des harmoniques d’ordre élevé sur le niveau total est d’autant plus forte que le nombre de Mach de rotation est grand (ce qui est d’autant plus pénalisant en dBA). Ainsi toute augmentation du régime de rotation ou du rayon de l’hélice entraîne un fort accroissement du niveau sonore.
Ainsi, les bruits d’épaisseur et bruit de charge sont des fonctions dépendant des paramètres suivants :
Pc = fct (Np, Va, Vrot, traction et couple)
Pe = fct (Np, Va, Va, épaisseur)
Avec :
Np = Nombre de pales
Va = Vitesse d’avancement
Vrot = Vitesse périphérique
Une étude théorique a montré les tendances suivantes :
Dans la réalité, ces modifications sont couplées : par exemple une diminution de la vitesse périphérique impose généralement une augmentation du nombre de pales.
Autant que faire ce peut, la taille de l’hélice devra donc être diminuée et, afin de conserver les mêmes performances aérodynamiques, le nombre de pale sera augmenté.
En outre, on essaiera de diminuer les harmoniques de rang élevé afin de réduire le niveau pondéré A. Des modifications seront donc apportées à la forme des pales (mise en flèche, effilement) visant à introduire des déphasage entre sources devenant significatifs en moyenne fréquence, ce qui permettra d’obtenir une réduction de bruit complémentaire.
Travaux effectués à l’étranger
Afin de procéder à l’analyse des actions menées à l’étranger, l’Onera a effectué une recherche bibliographique sur le serveur Cedocar et s’est procuré les documents issus des études concernant la réduction de bruit d’hélice d’avions légers. Ces études ont été effectuées aux Etats-Unis et en Allemagne. Les études américaines recensées ont principalement été menées ou commandées par la Nasa. L’analyse de l’ensemble de ces études a montré que les résultats numériques présentés étaient difficilement comparables, en raison d’une grande disparité dans les méthodes de calculs, les moyens d’essais, ou les conditions de mesure. En effet, chaque étude présente une ou plusieurs particularités qui gênent toute comparaison objective avec les résultats des autres études. Au regard des quelques études dont les conclusions sont exploitables, il semble toutefois possible de réduire le bruit d’hélice des avions envisagés d’environ 5dBA sans dégradations de performances.
Cependant si l’on considère le niveau sonore global de l’avion, le gain total résultant de la réduction du bruit d’hélice dépend fortement du niveau sonore émis par le pot d’échappement. On constate que, si l’on ne réduit pas le niveau sonore de l’échappement, les gains sonores totaux seront compris entre 2dB et 5dB (en fonction de l’écart sonore initial entre l’hélice et l’échappement) en considérant que le gain sonore d’hélice est égal à 6 dB. Afin de bénéficier des améliorations du niveau sonore des hélices, il est donc nécessaire de réduire également la seconde source de bruit de l’avion, l’échappement, celle-ci n’étant plus négligeable. De plus, les résultats numériques des études restent imprécis, soit par manque de validation par essais, soit par des approximations dans le modèle numérique utilisé.
En tenant compte de tous les éléments rassemblées au cours de cette analyse, l’Onera a estimé qu’il serait possible de diminuer de façon notable les nuisances sonores tout en conservant et même en améliorant, les performances des avions légers.
