Aérodynamique
généralités
 
 
 
    Pourquoi l'avion vole-t-il ?

L'avion vole parce qu'une force vient s'opposer à son poids et le maintient "en l'air", l'empêchant de tomber. Dans le cas d'une fusée ou d'un Sea Harrier en vol stationnaire, c'est le moteur, qui fournit une force de réaction qui s'oppose au poids. Dans le cas de l'hélicoptère ce sont les pales du rotor principal (qui ne sont ni plus ni moins que des ailes entraînées en rotation). Dans le cas d'un avion ce sont les ailes qui créent cette force en se déplaçant dans l'air avec une vitesse suffisante, et rien d'autre. Donc, si vous me suivez bien, quand les moteurs s'arrêtent en vol, l'avion fait quoi? Il continue à voler tout à fait normalement mais en descente (légère s'il ne s'agit pas d'un chasseur) parce qu'il a toujours ses ailes et que ce sont elles qui lui permettent de voler.

[voix de Michel Chevalet ON]

- Alors...une aile...comment...ça marche?

[voix de Michel Chevalet OFF]

On s'est rendu compte que lorsqu'un objet se déplace dans l'air, il est soumis à une force aérodynamique due à l'écoulement des particules d'air autour de lui. Cette force, appelée "résultante aérodynamique", se décompose en deux parties. D'une part les forces de frottement qui freinent l'objet et d'autre part, si l'écoulement n'est pas symétrique, une force latérale appelée "portance" dans le vocabulaire aéronautique.

Cette dernière force est due au fait que, si l'écoulement n'est pas symétrique, l'aile dévie une quantité d'air importante perpendiculairement à son déplacement en fonction de sa forme et de sa position dans le flux d'air qui l'entoure. Cette masse d'air ainsi déviée produit en réaction (loi de newton) une force opposée sur l'aile: la portance. On voit sur le schéma du haut que, si l'air, globalement, n'est pas dévié par l'aile selon la perpendiculaire à l'écoulement, seule la traînée existe. Sur le dessin du bas, en revanche, la déviation globale est manifeste, la portance existe. C'est cette portance ainsi créée par l'aile qui va s'opposer au poids de l'avion et donc lui permettre de voler. Cette force existe si l'avion a suffisamment de vitesse et que l'écoulement de l'air autour de l'aile est établi convenablement.

Pour les fanas d'aérodynamique, voici une page où est expliqué de façon beaucoup plus rigoureuse (mais plus longue aussi) le phénomène de portance.

Ceci étant acquis, on a cherché à produire des formes favorisant au maximum l'apparition de cette force latérale (la portance) tout en minimisant les forces de frottements (la traînée). Ainsi sont apparus les profils d'aile, chacuns répondant à un type de vol particulier.
En effet, certains profils sont mieux adaptés au vol à basse vitesse, d'autres au vol à haute vitesse. Des systèmes permettant de faire varier la forme du profil en fonction des besoins ont été créés afin d'optimiser l'aile pour une large plage de vitesse. Il s'agit des becs et des volets décrits plus loin.
 
    Un avion peut-il voler sans moteur ?


Oui...il suffit de lire le chapitre juste au-dessus...En fait, en vol, 2 forces s'exercent sur un avion moteurs coupés ou un planeur. Il y a la résultante aérodynamique et le poids. Et c'est tout...Et la portance? Et la traînée? Hum!? Ce ne sont que des composantes de la résultante. On la décompose ainsi pour illustrer son influence selon chaque axe, mais c'est une pure convention.

Considérons un avion moteurs coupés ou un planeur en vol stabilisé et ligne droite. Sa trajectoire est rectiligne, sa vitesse constante donc par définition la somme des forces auxquelles il est soumis est nulle. En d'autres termes la résultante aérodynamique est égale et opposée au poids. Il avance parce qu'une composante de son poids (P1) l'entraîne vers l'avant comme une bille qui dévale une pente. Il vole parce qu'il a des ailes.



Pour les curieux...si il y a un moteur en fonctionnement, comment cela se présente t-il? Il existe alors une troisième force: la force de traction de l'hélice (ou la poussée des réacteurs) et la somme des forces est toujours nulle (ligne droite à vitesse constante) et voilà le dessin:

  • R = résultante aérodynamique
  • P = poids
  • Port = portance
  • Tr = traînée


  • (Graphique du haut)

  • P1 = composante du poids selon la trajectoire
  • P2 = composante du poids selon la perpendiculaire à la trajectoire

 
    Pourquoi l'avion doit-il s'incliner pour tourner ?


Pour le virage, le phénomène est du même ordre que celui du motard qui se penche dans les virages. En physique on énonce qu'un objet soumis à des forces dont la somme est nulle suit une trajectoire rectiligne uniforme. Donc si l'on veut tourner, la trajectoire n'étant plus rectiligne, la somme des forces ne doit plus être nulle. Il faut avoir une force résultante perpendiculaire à la trajectoire et qui fasse tourner l'avion.

Vu de face ou de derrière, deux forces existent: Le poids et la résultante. Le poids ne pouvant être orienté au choix du pilote ;-) il ne lui reste plus qu'à orienter la résultante vers la droite ou la gauche. Comment faire? La résultante est toujours perpendiculaire aux ailes...donc si on incline l'avion...les forces s'organisent comme sur le schéma ci-contre, la somme est non-nulle et donne un vecteur qui est la force déviatrice qui fait tourner l'avion.Sur le schéma, la longueur de la résultante correspond à la portance puisqu'elle est projetée sur le plan perpendiculaire à la trajectoire en vue de face mais ne chipotons pas...

 
    A quoi sert le fil de laine collé sur la verrière des planeurs, hélicoptères, etc.?


Le fil de laine est un vrai fil en laine (généralement) collé à une de ses extrémités par un scotch sur la verrière du planeur ou de l'avion (sauf s'il a une hélice devant parce que le souffle de l'hélice perturberait complètement le fil de laine). Sur hélicoptères je l'ai souvent vu au bout d'une petite tige métallique. Il est placé devant le pilote, au milieu de son champ de vision.

Il est utilisé pour matérialiser le flux d'air qui s'écoule sur l'avion à cet endroit. Le but est de savoir si l'écoulement autour de l'appareil est symétrique afin d'obtenir un vol optimisé du point de vue aérodynamique en évitant une dissymétrie qui augmente la traînée, diminue le rendement de l'aile et crée des effets de masque qui risquent de déventer certaines parties de l'avion. Ceci peut dans certains cas entraîner des décrochages dissymétriques et éventuellement de graves perturbations de l'écoulement dans les entrées d'air des moteurs, provoquant leur extinction, ainsi qu'autour des gouvernes ceci pouvant déboucher sur une importante diminution de leur efficacité et, éventuellement, une perte de contrôle de l'appareil.

Le schéma de droite représente l'avant d'un planeur vu de dessus, le fil de laine est dessiné en bleu.

 
    Que représente la finesse d'un avion (ou d'un planeur) ?


D'une façon simple, la finesse d'un avion, d'un planeur ou d'un hélicoptère, représente sa capacité à planer plus ou moins bien. Plus la finesse est importante, mieux l'appareil plane. Le chiffre de la finesse exprime le rapport de la distance parcourue sur la hauteur perdue. En d'autre terme, la finesse représente "combien de fois" un "planeur" peut parcourir sa hauteur.Par exemple, un planeur ayant une finesse de 30 parcourra 30 km en perdant 1000 mètres d'altitude.

La finesse dépend de la vitesse et il existe une seule vitesse et donc une seule incidence pour laquelle la finesse est maximum. C'est une caractéristique très importante pour le vol car cette vitesse sera utilisée tant pour la montée (meilleur angle de montée sur avions à réaction) que pour d'autres phases de vol (vitesse mini opérationnelle en lisse par exemple).

D'un pont de vue aérodynamique pure, la finesse est définie comme étant le rapport du coefficient de portance (Cz) sur le coefficient de traînée (Cx) et donc, si on les multiplie tous deux par ½ r SV2, la finesse devient égale au rapport de la portance sur la traînée. Donc sur nos schémas, à une vitesse donnée (et donc sous un facteur de charge de 1g, à une incidence donnée), nous visualisons l'angle a de plané (sans vent) comme étant l'angle fait entre la résultante aérodynamique et la portance. Les coefficients Cz et Cx vont toujours par paire pour une incidence donnée, il existe donc une incidence pour laquelle le rapport Cz/Cx est maximal, il s'agit de respectivement des Cz et Cx de finesse maximale définis pour l'incidence de finesse max.

Les ordres de grandeur des finesses maximales sont les suivants:

  • Hélicoptères : 2,5! théorique pour le R22 (compter 2 en réel)
  • Parapente : 7 à 9
  • Chasseurs : Mirage 2000C: 10!
  • Avions légers de tourisme : 8 à 12
  • Deltaplane : environ 12 voir 14 pour les plus fins
  • Avions de ligne : 25 (caravelle) 20 à 25 d'une façon générale
  • Planeurs de compétition : plus de 60. Planeur plastique "lambda": environ 40.

 
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