Article interactif

1 - QUELQUES PRINCIPES DE PHYSIQUE

2 - CALCULS DÉTAILLÉS

3 - TROIS RÈGLES FONDAMENTALES

  • 3.1 - Incidence de d0
  • 3.2 - Incidence de d1
  • 3.3 - Incidence du nombre d’hélices et de leur(s) pas

4 - COMPENSATION DES ARTEFACTS DUS À LA PRÉCESSION DES PROPULSEURS

5 - MISE À PROFIT DU COMPORTEMENT DES GYROSCOPES

6 - CONCLUSION

7 - NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : BM5170 v1

Moments gyroscopiques : hélices, pods et autres volants d’inertie

Auteur(s) : Christian CIBERT, Vincent HUGEL

Relu et validé le 27 janv. 2021

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

RÉSUMÉ

Les pods intègrent une (ou plusieurs) hélice(s) et sont utilisés pour propulser un navire ou un aéronef. Le problème posé est de déterminer les forces auxquelles est soumis un pod, lorsque son orientation varie. Dans cet article, les principes physiques qui président au mouvement anti-intuitif du gyroscope sont présentés, puis utilisés pour calculer les couples générés par une(des) hélice(s) sur son(leur) support. Enfin, les solutions utilisées pour compenser les artefacts induits par la rotation même des groupes propulseurs des navires et/ou des aéronefs sont exposées et des applications directes des principes mis en équations sont envisagées.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

ABSTRACT

Gyroscopic torques: fans, pods and other moment wheels

Pods are used to propel either a boat or an aircraft and comprise one or more fans. One problem is to determine the forces that a pod undergoes when its orientation changes. In this article, the physical principles that define the anti-intuitive movement of the gyroscope are described and used to calculate the torques applied by a fan on its shaft. We consider the solutions used to compensate for these artifacts generated by the normal functioning of these ship and aircraft propellers. Finally, we consider some direct useful applications of the processes we have described by equations.

Auteur(s)

  • Christian CIBERT : MCU, ISTY (Institut des sciences et techniques des Yvelines) Université de Versailles Saint-Quentin en Yvelines (UVSQ), Vélizy-Villacoublay, France

  • Vincent HUGEL : Professeur - Laboratoire de conception de systèmes mécaniques et robotiques (COSMER) Université de Toulon, Toulon, France

INTRODUCTION

Les propulseurs des avions, des dirigeables et des bateaux intègrent des systèmes en rotation, hélices ou turbines orientables, soit du fait de la trajectoire même du navire ou de l’aéronef, soit parce qu’ils sont inclus dans des systèmes mobiles, les pods — sortes de nacelles dans lesquelles sont intégrés les moteurs de propulsion —, les deux évènements étant liés.

Ces systèmes sont assimilables à des gyroscopes qui génèrent, par principe, des couples gyroscopiques. Ces couples modifient l’assiette du navire ou de l’aéronef et doivent être contrôlés. Pour ce faire, il est nécessaire d’en connaître l’intensité et la direction, voire de les prévoir avant même qu’ils ne surviennent.

Les propulseurs de type pod sont de plus en plus utilisés dans l’architecture des navires et nécessairement présents dès les premières épures de la conception des ballons dirigeables. Comparée à la propulsion obtenue par une (ou des) hélice(s) fixe(s), l’utilisation des pods présente de multiples avantages : elle est plus efficace en raison d’une aéro/hydrodynamique favorable, elle réduit la consommation de carburant, le bruit et les vibrations et elle augmente la manœuvrabilité des véhicules en accroissant leur capacité de freinage.

Malgré tout, la construction d’un pod est plus onéreuse que la construction d’un système fixe, le couple généré par chaque hélice est plus faible que celui que permet un arbre fixe et, peut-être surtout, elle met en œuvre un moteur électrique ce qui, à puissance thermique installée équivalente, diminue de facto la puissance propulsive en raison de l’entraînement d’un générateur. Ce dernier désavantage est largement compensé par la diminution de l’encombrement de la machinerie installée, et donc de son poids, ce qui accroît d’autant la capacité de transport du navire ou du dirigeable.

Ces éléments doivent être pris en compte dans le choix de motorisation des navires en fonction de leur programme de navigation. La propulsion des dirigeables par pods est certainement la meilleure des solutions en raison de la manœuvrabilité qu’ils permettent. En effet, les éléments mobiles, tels que les gouvernes des avions et les safrans des navires — surfaces mobiles des gouvernails —, ne sont actifs que s’ils sont orientés dans un flux de fluide qu’ils dévient ou qu’ils utilisent par effet Venturi pour générer des forces utiles au pilotage. Le navire ou l’aéronef doit être en mouvement par rapport au fluide dans lequel il se meut pour que leurs gouvernes mobiles, mais passives, soient efficaces. Les pods assurent à la fois la propulsion et le rôle de gouvernes en tournant selon l’axe de lacet du bateau (même immobile...) et selon les deux axes perpendiculaires de l’aéronef (même immobile...) respectivement de lacet et de tangage.

Si une hélice est assimilée au disque d’un gyroscope, elle produit un couple gyroscopique si l’orientation de son axe de rotation est modifiée par un couple piloté. Les axes de ces deux couples sont perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à l’axe de rotation de l’hélice. Ainsi, l’effet gyroscopique dû à la rotation du pod, selon l’un de ses deux degrés de liberté, est supporté par les actionneurs présents sur l’autre de ses deux axes de rotation. Cela fait que le dimensionnement des actionneurs du pod doit intégrer cette donne, fonction de la vitesse de rotation de l’hélice autour de son axe et de ses vitesses angulaires de rotations.

Il ne faut pas oublier que ces efforts sont transmis in fine à la structure du navire ou de l’aéronef en s’ajoutant aux contraintes induites par la poussée motrice de l’hélice (ou des hélices), dont il faut tenir compte dans le contrôle de l’assiette des navires ou des aéronefs.

Notre objectif n’est pas d’ajouter un article à une liste déjà très longue des documents disponibles sur ce thème ; les mécanismes physiques qui génèrent ces artefacts sont connus et bien maîtrisés par les ingénieurs qui travaillent au sein des bureaux d’étude. En revanche, enseignants et universitaires, nous constatons à regret qu’il est souvent, pour ne pas dire toujours, difficile à un non-spécialiste, mais néanmoins ingénieur, de trouver, dans cette même littérature, les données simples qui lui permettent d’envisager l’incidence de ces artefacts présentés le plus souvent comme des illustrations amusantes ou étonnantes.

Ainsi, après des rappels qualitatifs, mais néanmoins nécessaires, de quelques principes de physique simples, nous exposons les calculs complets des moments gyroscopiques générés par le groupe propulseur — hélice(s) et rotor du moteur — inclus dans un pod en omettant à dessein les forces de poussée exercées par les hélices. Puis, nous envisagons les moyens de compenser les effets gyroscopiques des mobiles dont ils peuvent impacter la trajectoire et/ou le comportement. Enfin, nous présentons quelques applications qui mettent à profit les effets gyroscopiques.

Le lecteur trouvera en fin d’article un tableau des notations et symboles utilisés.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 92% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

KEYWORDS

pod   |   gyroscope   |   Coriolis   |   fans   |   moment wheels   |   navigation

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm5170


Cet article fait partie de l’offre

Fonctions et composants mécaniques

(213 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Présentation

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 94% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

TEST DE VALIDATION ET CERTIFICATION CerT.I. :

Cet article vous permet de préparer une certification CerT.I.

Le test de validation des connaissances pour obtenir cette certification de Techniques de l’Ingénieur est disponible dans le module CerT.I.

Obtenez CerT.I., la certification
de Techniques de l’Ingénieur !
Acheter le module

Cet article fait partie de l’offre

Fonctions et composants mécaniques

(213 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Sommaire
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BENSON (H.) -   Physique 1, mécanique.  -  Paris, Bruxelles : DeBoeck Université (1999).

  • (2) - DUQUESNE (M.) -   La Physique.  -  Paris, Bruxelles : DeBoeck Université (2001).

  • (3) - WOODMAN (O.J.) -   An Introduction to Inertial Navigation.  -  In : University of Cambridge, p. 1-37 (2007).

  • (4) - ALPER (S.E.), OCAK (I.E.), AKIN (T.) -   -Ultrathick and high-aspect-ratio nickel microgyroscope using EFAB multilayer additive electroforming.  -  Journal of Microelectro-mechanical Systems, 16 : p. 1025-1035 (2007).

  • (5) - SON (Y.), SHIN (H.), KIM (D.), PARK (Y.), NOH (J.), CHOI (K.), CHOI (J.), KIM (Y.) -   Rocking drones with intentional sound noise on gyroscopic sensors.  -  Usenix Security, p. 881-896 (2015).

  • (6) - TOWNSEND (N.C.), SHENOI (R.A.) -   Gyrostabilizer...

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 92% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Fonctions et composants mécaniques

(213 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Sommaire

QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE

1/ Quiz d'entraînement

Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.

2/ Test de validation

Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.

Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Fonctions et composants mécaniques

(213 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS