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Moteur et hélice

Groupe motopropulseur

Difficile en regardant le plan 3-vues, de déterminer les performances du groupe motopropulseur.

Difficile aussi, en notre qualité d'amateur à qui la technologie a mis dans les mains un outil génial, d'avoir toutes les connaissances permettant de l'exploiter. Mais avec un peu de bon sens et de recherches dans le côté lumineux de l'internet, nous devrions pouvoir rester dans le plausible.

Pour un avion à hélice, derrière l'appellation « Groupe Moto Propulseur », GMP, se cachent trois organes : l'hélice, le réducteur, et le moteur. En simplifié, le réducteur permet à l'hélice de tourner à son meilleur régime lorsque le moteur est le plus à l'aise.

Quelles données Plane-Maker demande-t-il ?

Menu « Standard/Specs Moteur »

Nous trouvons cinq onglets, avec une foultitude de données à remplir. Fort heureusement, elles ne sont pas toutes utilisées :

Même avec des connaissances limitées de notre Norécrin, nous savons, par sa date de conception et son usage prévu, qu'il n'y aura pas de système sophistiqués de contrôle des gaz ou de réglage de pas d'hélice, ce qui devrait déjà faire un tri dans la liste des paramètres demandés.

Onglet « Description »

Cadre « SPECS GENERAL MOTEUR ».

A notre stade préliminaire, la seule donnée qui pourrait nous intéresser est « ratio masse hélice », qui compare la masse de notre hélice à la même hélice réalisée en aluminium massif. En effet, notre Norécrin pouvait être équipé d'une hélice en bois, massif elle aussi, et il n'y aurait qu'à réaliser le rapport densité du bois/densité de l'aluminium.

Elle était très certainement faite de bois dur, comme le hêtre, par exemple, d'une densité de 0,7. L'aluminium possède une densité de 2,7 kg/dm3, donc le ratio masse helice vaut 0,7/2,7 = 0,26. Ratio Mass Hélice : 0,26

Cadre « ALTITUDE CRITIQUE »

Dans ce cadre, nous trouvons la donnée du même nom, que nous allons laisser à 0.

L'altitude critique est l'altitude à laquelle les compresseurs du moteur ne permettent plus d'apporter assez d'oxygène au moteur, qui perd ainsi de sa puissance. A ma connaissance le moteur du Norécrin n'est pas muni de compresseurs, donc l'altitude critique est celle du sol, 0 mètres.

Il y a trois cases intitulées « FADEC ». Le FADEC est un système moderne et complexe de gestion des moteurs, qui n'existait pas à l'époque de notre projet, il faut donc décocher ces trois cases, si elle sont cochées.

Cadre « MOTEUR HELICE SPECS »

  • Puissance maximale autorisée : 145. la puissance du moteur, en CV
  • Zone rouge : 2500 tr/min, estimation, vitesse de rotation à partir de laquelle le moteur est en danger.
  • Idle : 800 tr/min, estimation, régime de ralenti
  • Pertes de transmission : 0.01, estimation. Ceci sous-entend qu'il y a un réducteur entre l'arbre moteur et l'hélice. Nous décidons que l'hélice du Norécrin est en prise directe sur l'arbre du moteur, et qu'il n'y a donc pas de pertes dans des engrenages de transmission. (Considérations ayant abouti à cette affirmation péremptoire disponibles sur cette page), mais il y a toujours les pertes dues aux accessoires connectés sur le moteur.
  • Max arc vert : vitesse maxi de la zone verte sur le cadran du compte-tours. Laissons 0.
  • Mini arc vert : vitesse mini de la zone verte sur le cadran du compte-tours. Laissons 0.
  • Minimum prop governor engine RPM : 0, ne concerne que les systèmes sophistiqués permettant d'ajuster la vitesse de rotation d'hélice à une valeur souhaitée lorsqu'on tire au maximum la commande de pas d'hélice. Nous n'en aurons pas besoin pour notre Norécrin.
  • temps intro fuel démarrage moteur : la durée entre l'action sur le démarreur et l'arrivée effective de l'essence dans les cylindres pour une mise au ralenti, laisser la valeur par défaut.
  • throttle advance time idle to max : 2,5, estimation, durée nécessaire en secondes pour la prise de régime du moteur lorsque la manette des gaz est brusquement amenée de « ralenti » à « plein gaz ».
  • Montant boost : 0, ne concernent que des techniques très particulières d'augmentation de puissance par injection d'eau ou de carburant particuliers, il serait très surprenant que notre Norécrin soit équipé de tels systèmes.
  • capacité boost : 0, idem que pour « Montant boost »

(sur cette illustration les pertes de transmission ne sont pas renseignées : mettre 0.001)

Onglet « Emplacement »

Il est... vide. C'est normal, les données n'apparaissent qu'en fonction des moteurs installés.

Nous allons installer un moteur : cliquer sur la petite flèche au dessus de la case « # engn » pour afficher 1. Nous avons maintenant une liste de renseignements à fournir.

A droite de #engn nous choisissons le type de moteur : pour notre moteur a pistons nous avons le choix entre type à carburateur ou à injection. La consultation d'internet nous a appris que le Norécrin 1203 était motorisé par un Reignier 4LO à carburateur, donc nous allons choisir « carb recip »

Type d'hélice, nombre de pales, sens de rotation, et équipement divers

  • Nombre d'hélices (#prop) : 1, il peut y avoir plusieurs hélices sur un moteur.
  • Type d'hélice : fixed, hélice à pas fixe.
  • Nombre de pales : 2
  • Sens de rotation : CW. Quand on est assis dans le Norécrin et qu'on regarde l'hélice, elle est « CW » si elle tourne dans le sens des aiguilles d'une montre », et « CCW » si elle tourne en sens inverse. Il est parfois délicat d'interpréter un « sens négatif » figurant sur une notice : il suffit qu'on regarde le moteur de l'autre côté pour que le sens devienne positif. Pour lever le doute, la recheche d'information s'est basée sur les photos de Norécrin disponibles sur le net, sans connaître le moteur qui était sous le capot.
  • Les trois cases à cocher ne concernent pas notre norécrin, c'est un parti-pris : il n'y a pas d'embrayage et l'hélice n'est pas carénée.

Position et orientation de l'hélice

Les trois données suivantes donnent la position de l'hélice, qui est très voisine du point de référence. La position latérale et la position verticale sont confondues avec l'origine des axe, et la position longitudinale est légèrement en arrière :

  • long arm = 0,22 m
  • lat arm = 0
  • vert arm = 0

Puis viennent deux cases pour l'orientation de cette hélice. Nous n'avons pas la valeur de ces paramètres, qui doivent se trouver sur la liasse de plans originale, mais ils ont malheureusement peu d'intérêt pour les lecteurs potentiels des fiches descriptives accompagnant souvent les plans 3-vues. Donc nous sommes dans l'inconnu. De toute manière, ces paramètres sont intimement liés à l'efficacité de l'hélice et de son moteur, et rien ne garanti, à ce stade de la réalisation, que l'hélice que nous allons créer pour notre Norécrin aura les caractéristiques de l'hélice réelle...

  • vert cant : 0
  • horiz cant : 0

Nota : pour la première de ces cases, une erreur de traduction a positionné un libellé « vue centre x » qui n'a rien à voir avec cette partie consacrée à l'hélice. Cependant le paramètre renseigné est bien l'orientation verticale de l'hélice au dessus ou au dessous de l'axe longitudinal, et a pour nom « vert. cant (deg)».

Nous ne renseignerons ces paramètres qu'au moment des essais en vol.

Rayon de l'hélice et largeur de pale

Le « prop radius », le rayon de l'hélice, il est plus facile de mesurer le diamètre que nous n'oublierons pas de diviser par deux : prop radius = 1,05 m.

La case « vecteur » permet, si cochée, de pivoter l'axe de l'hélice pour orienter sa traction, ne pas cocher cette case.

Corde base et extrémité

La mesure de la corde d'emplanture et de la corde d'extrémité sur notre plan 3-vues n'est pas précise. De plus, nous avons décidé d'utiliser une hélice en bois, et l'auteur du dessin a dessiné une hélice qu'on imagine métallique mais qui pourrait être en bois, si on en croit la largeur à l'emplanture. Les dimensions mesurées seront donc utilisées « à titre indicatif ».

Malgré le mètre utilisé comme unité, la longueur de ces cordes est exprimée en pouce, un pouce, ou inch, = 25,4 mm
Nous estimerons la largeur du milieu de la pale à environ 14 cm, soit 5,51 pouce.

Largeur de l'extrémité de pale selon le plan 3-vues : 0,076m, arrondi à 8 cm qu'il nous faut convertir en pouces, soit 3,15 pouces. Nous donnerons un peu plus loin un joli galbe à l'allure de notre pale, avec le même système que pour l'arrondi des ailes.

3,1 pouces à l'extrémité, 5,5 à l'emplanture de pale :

Pas minimum et maximum, design speed.

Pas min et max : Nous laissons 0,00° pour chaque paramètre. L'hélice étant à pas fixe, Plane-Maker calculera lui-même le bon pas.

Design rpm, design speed acf, helice. Si on en croit la bulle d'aide de Plane-Maker, Le « design speed acf » est la somme de deux données : la vitesse de déplacement de l'avion, et la moitié de la vitesse du flux d'air généré par l'hélice. Nous reviendrons sur ces paramètres lors des essais en vol. Pour le moment le couple 125 kts - 2600 tr/min semble convenir.

Un troisième paramètre permet aux automatismes de contrôle d'un aéronef, de ne pas dépasser une vitesse d'extrémité de pale que nous aurions défini. Nous supposons que le Norécrin n'est pas muni d'un tel dispositif, donc nous entrons la valeur maximale dans ce champ : 9,9999

  • Design RPM : 2600
  • Design speed acf : 125
  • Helice : 9,999, hélice non limitée

Coefficient de réduction

Nous avons estimé lorsque nous avons étudié le moteur, que l'hélice du Norécrin était en prise directe avec l'arbre du moteur, le rapport de réduction est donc 1:1

Onglet « Transmission »

Nous avons bien un seul moteur relié à une seule hélice par une seule transmission, et il n'y a pas, à priori, de système de roue libre sur l'arbre moteur, donc laisser les données telles qu'elles sont :

Onglet « SFC/Son »

Dans cet onglet, nous pouvons définir les consommations du moteur, la position des échappement, l'opacité des gaz d'échappement, et renseigner X-Plane sur les conditions d’enregistrement du fichier sonore reproduisant le fonctionnement du moteur. Bien des données resteront par défaut.

Consommations spécifiques

Les consommations spécifiques de notre moteur sont renseignées dans le cadre RECIPROCATING OR TURBOPROP SPECIFIC FUEL CONSUMPTION, il s'agit de la consommation en livres de carburant par cheval et par heure.

Nous allons laisser les données par défaut, 0,440 quelle que soit l'altitude, quitte à y revenir au moment des essais, si nous constatons que l'appareil a une autonomie très inférieure ou supérieure à l'autonomie attendue.

Bruit du moteur

C'est ici qu'il faudra venir pour renseigner X-Plane lorsque nous aurons fait un enregistrement du son du moteur et de l'hélice. Pour le moment nous n'avons pas ces renseignements et fichier, donc nous laisserons X-Plane utiliser le son par défaut.

Position de l'échappement

Il n'y a qu'un seul échappement par moteur. Si dans le réel il y en a plusieurs, il faut trouver un point médian réaliste. Pour notre Norécrin, nous définirons l'échappement tel que figuré ci-dessous. La mesure se fait par rapport au point central de l'hélice : 

Le moteur étant sur l'axe de symétrie, la cote latérale vaudra zéro.

Pour ces valeurs, l'unité de mesure est le pied, même quand on demande à Plane-Maker de parler en mètres. Il faut donc convertir nos mètres en feet :

Position sortie échappement :

  • première ligne : position longitudinale, 1.26 * 3.28083 = 4.13 ft
  • seconde ligne : position latérale, 0 ft
  • troisième ligne : position verticale, -0.844 * 3.28083 = -2.77 ft 

Opacité des gaz d'échappement

Pour un contrôle visuel de la bonne position de l'échappement lors d'un futur vol d'essai, mette l'épaisseur de la fumée au maxi (paramètre "saleté échappement"=9.99, dans le cadre ci-dessus)

Onglet « Hélice »

Nous allons donner une forme à notre pale d'hélice, pour qu'elle soit moins "trapézoidale".

Notez dans un coin la valeur de « Design speed » vue sur l'écran « emplacement » puis remplacez-la par une valeur très faible, comme 10 kts, par exemple : la pale devient plane, comme si elle était perpendiculaire à notre regard, et nous pouvons jouer sur ses cordes pour adapter ses contours.

Tableau reprenant les deux premières lignes

ratio corde 1,000 1,030 1,060 1,090 1,120 1,120 1,130 1,120 1,090
offset corde -0,200 -0,200 -0,200 -0,200 -0,200 -0,200 -0,200 -0,200 -0,190

N'oubliez pas de remettre le design speed à sa valeur initiale, 125 kts, et vous obtiendrez le résultat ci-dessous :

Vérifier la présence de la polaire de la pale d'hélice

Une pale d'hélice est aussi une aile, et tout comme pour les ailes, il faut attribuer un profil, ou vérifier qu'il est bien présent, si nous voulons obtenir une poussée. Cette attribution se fait dans l'onglet "Base" accessible par le menu "Expert/Profils" :

Dans cet onglet, Plane-Maker liste les hélices présentes dans votre projet.

Le fichier profil doit être "Clark-Y". Si ce n'est pas lui, cliquer dans chacun des carrés à gauche de chaque ligne pour ouvrir le navigateur interne de Plane-Maker, naviguer jusqu'au dossier "Airfoils" puis choisir "Clark-Y (good propeller).afl"
 

Prévoir le plein de carburant

(un oubli de ma part, sorry... Rédaction rapide, la rédaction définitive est à venir)
Les réservoirs sont définis dans l'onglet "RESERVOIRS" accessible par le menu "Standard" / "Masses et équilibrage"
Cet onglet propose 9 réservoirs disponibles, nous n'en utiliserons que deux, selon le schéma suivant :
image
Chaque réservoir est caractérisé par 5 données : le pourcentage de carburant qu'il contient (100% étant la totalité de l'emport en carburant), le traditionnel triplet de coordonnées qui situe géométriquement son centre de gravité, et le "fuel pump pressure", dont nous n'avons vraisemblablement pas besoin ici et qui restera à zéro.

(selon la dénomination Plane-Maker)
Numéro Réservoir1ratio : 0.50
Long tank CG location : 2.58 m (mètres, pas feet, cochez la bonne case dans Standard/Point d'observation)
Lat tank CG location : -0.96 m
Vert tank CG location : -0.53 m
Fuel pump pressure : 0.00

Numéro Réservoir2ratio : 0.50
Long tank CG location : 2.58 m
Lat tank CG location : +0.96 m
Vert tank CG location : -0.53 m
Fuel pump pressure : 0.00