Les aéronefs, qu’ils soient monomoteurs ou non, sont soumis à divers effets physiques qui influencent leur maniabilité et leur stabilité en vol. Parmi ces effets, les forces gyroscopiques et de couple de l’hélice jouent un rôle important.

Cet article explique ces phénomènes et met en lumière les avantages sécuritaires de la configuration bimoteur contrarotatif déportée du paramoteur Dragonfly.

Prenez bien le temps pour lire calmement cet article car certaines notions et effets de la précession gyroscopique ne sont pas des plus intuitifs. Nous avons essayé d’être le plus clair et aussi pragmatique que possible lors de rédaction (pas d’équation…peut-être dans un prochain article ?).

L’effet de couple et les effets gyroscopiques sur les aéronefs monomoteurs et leurs conséquences

Effets de Couple

Sur un aéronef monomoteur, l’hélice en rotation génère un effet de couple qui tend à faire tourner l’avion ou le paramoteur dans la direction opposée à celle de l’hélice. Ce phénomène est dû à la troisième loi de Newton, qui stipule que pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée.

Le couple de l’hélice va causer une inclinaison permanente de l’aéronef, nécessitant des mécanismes anti-couple (voir plus bas : sur un paramoteur ils ne fonctionnent pas à 100%),et des ajustements (trim ou commandes) de la part du pilote pour maintenir une trajectoire stable.

L’importance de cette inclinaison dépend notamment de la puissance du moteur et taille de l’hélice, du type d’aéronef, de la surface alaire, de l’envergure et de la masse de l’avion…. Au décollage, sur des avions monomoteurs puissants, l’effet de couple peut être si important que, mal corrigé, il peut être la cause d’accidents (retournement de l’avion).

Mais le danger du couple n’est pas que présent sur les avions puissants : sur un paramoteur, combiné ou non à une force gyroscopique, il peut aussi être dangereux, nous y revenons plus loin dans cet article.

L’effet de couple va dégrader en permanence la finesse de l’aéronef (1/3)

Effets gyroscopiques

Les effets gyroscopiques résultent de la rotation de l’hélice, qui agit comme un gyroscope. Plus l’hélice est massive et plus elle tourne rapidement, plus l’effet gyroscopique est important. Lorsque l’aéronef veut changer d’orientation, l’effet gyroscopique va vouloir maintenir l’aéronef dans l’axe de rotation de l’hélice.

Les actions sur les commandes doivent donc être plus importantes pour obtenir un changement de cap. Par contre, cet effet gyroscopique peut aider à compenser de petites turbulences mais principalement si l’axe de rotation l’hélice est proche du plan des aile, ce n’est pas le cas sur un paramoteur.

L’effet gyroscopique va dégrader la finesse de l’aéronef lors des changements de cap (2/3)

Précession gyroscopique

Lors des changements de cap ou d’assiette, un autre phénomène entre en jeu : c’est la précession gyroscopique. La précession gyroscopique est le phénomène par lequel une force extérieure appliquée sur l’axe de rotation d’un gyroscope (notre hélice) provoque un moment perpendiculaire à la direction de la force appliquée et à l’axe du gyroscope (d’après le trièdre direct des forces).

Ce moment ou couple de précession s’applique au centre d’inertie de l’hélice et agit généralement sur le reste de l’aéronef puisque l’hélice y est fixée. Sur un paramoteur, les effets moteur se font sur la partie châssis et peuvent se répercuter sur l’aile via les élévateurs (voir vidéo ci-dessous)

Cette vidéo de quelques secondes explique le couple de pression gyroscopique de lacet issu d’un mouvement de tangage sur un avion (cet effet est réversible, voir plus bas) : https://www.youtube.com/watch?v=CizBG9Yn2fo

La précession peut entraîner des mouvements indésirables, parfois dangereux, des oscillations et des actions de pilotage supplémentaires pour le pilote et de ce fait, une dégradation de la finesse.

La précession gyroscopique est particulièrement notable lors des manœuvres rapides de changements de cap ou des variations de régime des gaz (remise des gaz sur un paramoteur).

Lors d’un virage (lacet), la précession gyroscopique va provoquer soit un couple piqueur soit un couple cabreur selon le sens de rotation de l’hélice. C’est le tangage gyroscopique. Comme un paramoteur est une machine 2 axes (lacet et roulis sont liés) on peut également affirmer que le roulis provoque un tangage gyroscopique.

Lors d’une prise d’altitude ou d’une remise des gaz sur un paramoteur (tangage), la précession gyroscopique va provoquer un couple de lacet soit à gauche soit à droite suivant le sens de rotation de l’hélice. C’est le lacet gyroscopique.

Cela nécessite des corrections de la part du pilote qui provoquent une dégradation de la finesse.

La précession gyroscopique va dégrader la finesse de l’aéronef lors des changements de cap ou prises d’altitude (3/3).

Effets moteur expliqués en vidéo

Cette vidéos explique, avec des termes un peu différents (couple de reversement…) les effets physiques du moteur sur un avion.

Les paramoteurs et configurations push (hélice propulsive et non tractive) ne sont pas concernés par l’effet girouette : leur châssis n’est pas soufflé par l’hélice.

Quelles conséquences sur un paramoteur ?

Concrètement sur un paramoteur, ces effets peuvent avoir des conséquences graves comme montré dans les premières secondes de cette vidéo de 500 AGL :

Systèmes anti-couple sur les paramoteurs ? Oui mais…

Alors les constructeurs de paramoteurs mono-hélices ont essayé, avec plus ou moins de succès (et souvent moins que plus), de mettre en place des systèmes mécaniques de compensation du couple.

Sauf qu’à l’heure actuelle, aucun de ces mécanismes ne peut physiquement annuler 100% des effets du couple durant toutes les phases du vol.

Au mieux ils peuvent annuler totalement le couple à un seul régime moteur mais au prix de réglages assez pointus car cela dépend du PTV, du poids du pilote, du régime moteur et de la stabilité des RPM, de l’hélice utilisée…entre autres (car la densité et la température de l’air influent aussi…).

Généralement, on règle le ou les système anti-couple sur le régime de croisière mais les réglages ne sont jamais parfaits.

Bref il est assez délicat d’obtenir une annulation totale du couple moteur avec ces systèmes, quand bien même on en combine plusieurs comme expliqué dans la vidéo ci-dessous.

Une autre vidéo de 500 AGL explique les différents types de systèmes anti-couple sur les paramoteurs :

Il est important de préciser que ces mécanismes anti-couple n’ont aucune influence sur les effets gyroscopiques.

L’effet de couple et les effets gyroscopiques sur les aéronefs bimoteurs contrarotatifs comme les paramoteurs Dragonfly

Un paramoteur Dragonfly utilise une configuration bimoteur contrarotative non coaxiale, où deux hélices déportées tournent dans des sens opposés et à des vitesses de rotation (RPM) identiques ou très proches.

La configuration Dragonfly présente plusieurs avantages significatifs en termes de réduction des effets de couple et gyroscopiques.

Avantage 1 : un bimoteur contrarotatif comme Dragonfly annule totalement les effets du couple moteur, il sera plus stable et décollera plus vite !

Avec des hélices contrarotatives, les couples générés par chaque hélice se compensent mutuellement lorsque les hélices tournent au même régime. L‘effet de couple moteur sur l’appareil est annulé à 100%.

En conséquence, le pilote n’a pas besoin de faire autant d’ajustements pour maintenir une trajectoire stable, ce qui améliore la maniabilité et les performances au plané de l’appareil (finesse).

Bien évidement sur un Dragonfly il n’y a aucun mécanisme de compensation du couplee à régler ou ajuster puisqu’ils sont tout à fait inutiles.

L’absence de couple permet également une prise en charge de l’aile plus rapide au décollage. C’est à dire que l’aile va décoller plus rapidement après le gonflage. L’aile d’un Dragonfly va voler aussi rapidement qu’avec un décollage en parapente (qui n’a évidement aucun effet de couple).

En pratique cela donne ceci…

L’absence de couple améliore la maniabilité et la finesse d’un Dragonfly et permet des décollages plus cours et plus rapides (1/3)

Avantage 2 : Dragonfly réduit fortement les effets gyroscopiques. La machine réagit plus vite et est plus maniable.

Les effets gyroscopiques dépendent de la vitesse de rotation et de la masse des corps en mouvement.

Sur un Dragonfly, les hélices et moteurs sont beaucoup plus légers que ceux d’un paramoteur monomoteur, même électrique. Les effets gyroscopiques sont réduits par cet aspect de la conception.

Les hélices contrarotatives réduisent aussi les effets gyroscopiques. Chaque hélice agit comme un gyroscope, mais en tournant dans des directions opposées, les forces gyroscopiques générées par chaque hélice peuvent se compenser mutuellement !

Ainsi un appareil bimoteur contrarotatif sera beaucoup moins soumis à l’effet gyroscopique : sans effet gyroscopique, la maniabilité d’un appareil sera meilleure, d’autant plus si la machine n’est pas soumise au couple moteur.

La réduction des effets gyroscopiques améliore la maniabilité et la finesse d’un Dragonfly (2/3)

Avantage 3 : Dragonfly annule le couple de lacet gyroscopique et rend la machine plus sécurisée à la mise des gaz.

La précession gyroscopique concerne chaque hélice et le couple des forces de la précession s’applique sur le centre de chaque hélice. Il y a 2 forces de précession gyroscopique en aéronautique : celle issue du lacet et celle issue du tangage.

Sur un aéronef monomoteur (ou multimoteur non contrarotatifs) :

1. La force gyroscopique issue d’un mouvement de tangage va créer un couple de lacet donc un mouvement de lacet

2. La force gyroscopique issue d’un mouvement de lacet va créer un couple de tangage donc mouvement de tangage

Le sens des mouvements gyroscopiques va dépendre du sens du mouvement qui les a créé et du sens de rotation du gyroscope. Si l’hélice tourne dans l’autre sens, le sens des effets gyroscopiques est inversé.

Plus l’hélice tourne vite (décollage ou reprise d’altitude), plus les effets gyroscopiques sont grands.

Plus le changement de direction de l’axe de l’hélice est important et rapide, plus les couples gyroscopiques sont grands et donc plus les mouvements gyroscopiques non désirés de l’appareil seront importants.

Avec une configuration bimoteur contrarotatif latérale, il est physiquement possible d’annuler la lacet gyroscopique. Un mouvement de tangage ne créera plus de précession gyroscopique de lacet car les 2 couples gyroscopiques des 2 moteurs vont s’annuler mutuellement !

Si on applique un mouvement de tangage sur un Dragonfly, les 2 moments de précession vont s’opposer et s’annuler mutuellement, ils ne vont pas créer un mouvement de lacet comme sur les monomoteurs.

Ainsi avec une configuration Dragonfly, un mouvement de tangage ne crée plus de mouvement de lacet indésirable qui peu s’avérer dangereux au décollage.

Sur un Dragonfly, la mise des gaz ne va plus vous faire pivoter d’après un mouvement de lacet (gyroscopique) et de roulis (effet de couple). Cela améliore ainsi la stabilité et la sécurité en vol..et au décollage !

Le GMP d’un Dragonfly est beaucoup plus stable lors de la mise des gaz et cela explique pourquoi il décollera plus vite. Cela permet même d’accepter sans conséquence de petites fermetures au décollage.

Par contre sur un paramoteur monomoteur, ce phénomène est bien perceptible et peut être dangereux. C’est exactement ce qu’on voit dans la première vidéo ci-dessus : le tangage du plan de l’hélice crée un important mouvement de lacet qui, incontrôlable au décollage, aboutit au crash de la machine...

Avantage 4 : Dragonfly transforme un handicap en avantage aéronautique. Le lacet du pilotage va créer un mouvement de roulis sur le châssis (et non plus de tangage)

Un mouvement lacet ou roulis du pilote sur Dragonfly induit un lacet ou roulis gyroscopique sur le châssis et non plus de tangage. Explications.

Sur un Dragonfly, un mouvement de lacet vers la gauche va faire monter l’hélice droite et baisser l’hélice gauche. Ceci crée un couple de roulis sur le châssis. Inversement un lacet vers la droite va faire monter l’hélice gauche et faire baisser l’hélice droite.

On a donc un phénomène bénéfique de roulis gyroscopique induit par le lacet sur un Dragonfly exactement comme…se comporte l’aile de parapente qui nous fait voler et ça c’est plutôt intéressant…

Un mouvement de lacet, c’est à dire un changement de cap va être facilité par la précession car elle créé un mouvement de roulis qui va dans le sens du lacet.

Le phénomène étant réversible, un mouvement de roulis sur Dragonfly va induire…un mouvement de lacet.

Les 2 photos illustrent ce phénomène : on voit nettement que dans un virage, la sellette a pris du lacet dans le sens de virages à gauche. Ce phénomène se produit essentiellement au début du virage lors de la prise de roulis.

En inversant le sens de rotation des hélices, toutes les forces gyroscopiques seraient inversées : roulis et lacet s’opposeraient d’un point de vue mécanique de vol du parapente et la machine serait un peu plus difficile à faire tourner mais….elle serait aussi plus stable naturellement et sans aucune régulation.

Concrètement 2 hélices latérales qui tournent dans les 2 opposés permettent les cas suivants :

On peut exploiter la précession pour gagner en maniabilité ou en stabilité, la précession devient donc un allié aéronautique au lieu d’être un handicap.

1. Dans une configuration « maniabilité », les forces de précession générées par chaque hélice iront dans le sens de la manœuvre voulue par le pilote et ne s’y opposeront plus.

2. Dans une configuration « stabilité », c’est l’inverse, les forces de précessions s’opposeront au mouvement et la machine sera naturellement plus stable.

Un mouvement de tangage sur un Dragonfly n’induit…aucun effet de lacet

La réduction ou l’utilisation de la précession gyroscopique améliorent la maniabilité (ou la stabilité) d’un Dragonfly en vol (roulis gyroscopique induit par le lacet), réduit les mouvements indésirables lors de la course d’envol et supprime totalement le roulis gyroscopique induit par le tangage (3/3)

Avantage 5 et conclusion : un Dragonfly peut voler en sécurité dans des conditions aérologiques plus soutenues qu’un paramoteur monomoteur.

Du fait des 4 avantages ci-dessus, la configuration bimoteur contrarotatif de Dragonfly offre des avantages significatifs et sécuritaires en termes de réduction des effets de couple et gyroscopiques.

En annulant ou en exploitant ces effets, l’aile au-dessus d’un Dragonfly se comportera plus comme une aile d’un vol en parapente non motorisé qu’en paramoteur. Or les parapentistes volent, quasi, toujours en conditions aérologiques soutenues.

Un Dragonfly améliore la stabilité en vol, facilite les manœuvres et réduit la charge de travail du pilote et la consommation de la machine. C’est une solution attrayante pour les concepteurs et les pilotes de paramoteur à la recherche de performances optimales et d’une sécurité accrue.

Cela permet donc concrètement de voler dans des conditions aérologiques plus soutenues tout en restant dans un cadre sécuritaire acceptable.

Bonus : comparaison avec des avions bimoteurs à hélices non contrarotatives

L’immense majorité des avions bimoteurs (et multimoteurs) n’ont pas de configuration contra-rotative. Ils utilisent généralement les mêmes moteurs et les mêmes hélices sur chaque nacelle (réduction des coûts).

L’Airbus A400M est un des premier avion à turbopropulseur à utiliser une configuration contrarotative par paire de nacelles.

Dans les aéronefs bimoteurs à hélices non contrarotatives, comme le Beechcraft B60, les hélices tournent dans le même sens. Cela signifie que les effets de couple et gyroscopiques ne sont pas annulés, mais plutôt amplifiés.

Le pilote doit donc faire face à des défis supplémentaires pour maintenir la stabilité et la maniabilité de l’appareil.

Effets de couple amplifiés

Avec des hélices tournant dans le même sens, les couples générés par chaque hélice s’additionnent, créant une force de rotation plus importante sur l’avion.

Cela peut rendre l’avion plus difficile à contrôler, surtout en cas de panne moteur.

Effets gyroscopiques et précession accrus

Les effets gyroscopiques sont également plus prononcés dans les aéronefs bimoteurs à hélices non contrarotatives. Les forces gyroscopiques générées par chaque hélice s’additionnent, ce qui peut entraîner des mouvements indésirables et des défis supplémentaires pour le pilote.

La précession gyroscopique est également plus marquée dans ces configurations. Les forces de précession générées par chaque hélice s’additionnent, créant des mouvements supplémentaires que le pilote doit compenser.

Dans les faits, un multimoteur non contrarotatif (mêmes moteurs, mêmes hélices) se comporte comme un monomoteur vis à vis des effets gyroscopiques.

Conclusion générale sur les effets moteurs

En résumé, les effets de couple et gyroscopiques sont des phénomènes importants à considérer dans la conception et l’exploitation des aéronefs. Les aéronefs monomoteurs et bimoteurs à hélices non contrarotatives doivent faire face à ces défis, nécessitant des ajustements constants de la part du pilote ou de système de compensation (automatique ou non) pour maintenir la stabilité et la maniabilité et éviter les mouvements parasites.

Dans tous les cas, sur un monomoteur les effets de couple et gyroscopiques dégradent, directement ou indirectement les performances aéronautiques de l’aéronef (maniabilité, finesse, consommation…).