PARTIE 2
II. Ailes rigides : les ailes d’avion
A. Notions sur le fonctionnement d’un avion
1) Les différentes parties de l’avion
Un avion, qu’il soit de tourisme, commercial, ou encore militaire possède des éléments mobiles qui lui permettent d’interagir avec l’air et ainsi de se stabiliser ou d’évoluer en vol ; ceux-ci permettent le contrôle de l’avion dans la masse d’air. Au niveau de la queue et des ailes, les gouvernes de direction et de profondeur, les ailerons, les volets et les aérofreins assurent à l’avion stabilité et direction.
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2) Les axes
Mobile dans l’espace, l’avion évolue autour de trois axes : le roulis, le tangage, le lacet.
-L’axe de roulis : c’est un axe horizontal reliant la pointe avant de l’avion à l’arrière du fuselage. Le mouvement autour de cet axe s’appelle l’inclinaison. Les ailerons placés sur le bord de fuite du bout des ailes contrôlent l’inclinaison de l’appareil.
-L’axe de tangage : c’est un axe horizontal, perpendiculaire à l’axe de roulis qui rejoint les deux extrémités des ailes. La position autour de cet axe s’appelle la pente. L’action des gouvernes de profondeur situées au niveau de la queue de l’avion corrige la pente de l’avion.
-L’axe de lacet : c’est un axe vertical, concourant aux deux autres. Le mouvement autour de cet axe s’appelle la cadence ou taux de virage. C’est la gouverne de direction de la queue qui agit sur ce mouvement.
L’Aviation, guide pratique des sports aériens. François DABIN. Page 29.
3) Les forces s’exerçant sur l’avion
Le fuselage ainsi que les ailes d’un avion sont principalement constitués d’aluminium. La densité de ce dernier est donc fortement supérieure à celle de l’air. L’avion possède des moteurs qui lui donnent de la puissance ; les ailes sont à l’origine de la force de sustentation. Egalement appelée portance, c’est une force dirigée vers le haut et qui s’oppose au poids de l’appareil. En vol, un avion est soumis à quatre forces. Le vol de l’avion dépend de l’équilibre de ces dernières.
La poussée : c’est une force dirigée vers l’avant. Les moteurs ou les réacteurs de l’avion sont à l’origine de cette force également appelée force de traction. C’est grâce à cette force de poussée que l’avion progresse dans l’air.
La trainée s’oppose à la force de traction. Elle est donc dirigée vers l’arrière de l’avion. La force de trainée correspond à la résistance de l’air. Cette force est exercée par le vent relatif sur l’avion. La forme des ailes et du fuselage est optimisée pour diminuer au maximum cette force qui n’est autre que source de perte de performances aérodynamiques. La trainée exercée sur un cerf-volant par exemple est forte.
La portance est une force dirigée vers le haut. La forme particulière des ailes est à l’origine de cette force de sustentation, qui permet à l’avion de s’élever dans les airs. L’aspect technique de cette force sera développé dans la partie suivante.
Le poids, dû à la gravité est une force dirigée vers le bas et qui s’oppose à la portance.
L’Aviation, guide pratique des sports aériens. François DABIN. Page 113.
B. Pourquoi ça vole ?
1) Les forces s’exerçant sur les ailes
Le profil d’une aile est le contour de la coupe transversale de l’aile. On utilise des termes spécifiques pour chaque partie du profil. Le bord d’attaque est la partie avant du profil ; le bord de fuite, la partie arrière. L’extrados est la partie supérieure de l’aile ; l’intrados, la partie inférieure.
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Cette forme spécifique du profil est à l’origine de la force de sustentation. En effet, lorsque l’air s’écoule autour du profil, l’extrados étant bombé vers le haut, les filets d’air s’accélèrent (ce phénomène est appelé l’effet Venturi) et s’étirent. De ce fait, les particules d’air sont moins nombreuses. Il y a alors formation d’une dépression au niveau de l’extrados. Sur l’intrados, l’inverse se produit. Les particules d’air sont ralenties, elles s’accumulent, ce qui donne naissance à une légère surpression.
http://aerodynamismetpe1eres.ifrance.com/partie%20i.htm#forces
La différence de pression entre l’extrados et l’intrados est à l’origine de la portance.
La dépression de l’extrados est cependant beaucoup plus importante que la surpression de l’intrados. L’avion est alors réellement aspiré vers le haut. Sur le schéma ci-dessous on peut visualiser la répartition et l’intensité des ces forces de pression :
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Toutes ces forces sont représentées par un unique vecteur force, celui de la portance. L’intensité de cette force se traduit mathématiquement par la formule suivante :
P = ½ . Ro . S . V². Cz
Avec :
- P : la portance en Newton,
- Ro : la masse volumique du fluide en kilogramme par mètre cube,
- S : la surface d’attaque de l’aile en mètre carré,
- V : la vitesse du système en mètre par seconde,
- Cz : le coefficient de portance (sans unité).
De même, l’intensité de la trainée a pour formule mathématique :
T = ½ . Ro . S . V² . Cx
où Cx est le coefficient de trainée (sans unité).
On remarquera que la portance et la trainée sont proportionnelles au carré de la vitesse. Si par exemple la vitesse d’un avion double, la portance quadruple.
La somme vectorielle de la portance et de la trainée est le vecteur « résultante » de ces deux forces. C’est la résultante des forces aérodynamiques (R.F.A.) ; elle s’équilibre avec le poids.
Schéma bilan des forces s’appliquant sur une aile :
Le parapente, s’initier et progresser. Pierre-Paul Ménégoz, Yves Goueslain. Page 100.
2) Le profil de l’aile, un facteur primordial
On a vu précédemment que la forme du profil est à l’origine de toutes les forces qui s’exercent sur ce dernier. La trainée est une force qui s’oppose à la traction d’un avion. Elle correspond à la résistance de l’air et est en fait synonyme de perte de performances aérodynamiques. Il faut donc optimiser au maximum le profil et la forme d’une aile afin d’obtenir le meilleur rapport portance/trainée possible. Pour un avion, des études aérodynamiques montrent que pour obtenir un bon rapport portance/trainée, la répartition de la portance le long de l’aile doit être elliptique ; comme le montre le schéma ci-dessous :
http://aerodynamique.chez.com/elliptique.html
Il existe de nombreux types de profils. Les constructeurs aéronautiques choisissent bien évidemment un profil qui correspond au type d’avion à réaliser. Les avions de chasse par exemple doivent être rapide et mobile. Tandis que les avions de ligne tentent de réduire leur consommation et rejet en CO2.
Exemples de profils :
http://aerodynamique.chez.com/profil.html
C. Principes aérodynamiques
1) Définitions
La mécanique des fluides est l’étude du comportement des fluides et des forces associées. Cette mécanique est constituée de la statique des fluides, c’est l’étude des fluides au repos et de la dynamique des fluides, c’est l’étude des fluides en mouvement. On dénombre deux catégories de fluides. Les fluides non-newtoniens comme le sang, les gels, les pâtes, qui sont caractérisés par une vitesse de déformation non proportionnelle à la force qu’on lui applique. Les fluides newtoniens comme l’eau et l’air sont caractérisés par un coefficient de viscosité qui dépend de la température et de la pression. Les avions sont donc soumis aux lois et propriétés des fluides newtoniens.
2) Principe de Bernoulli
Daniel Bernoulli (1700-1782) est un médecin, physicien et mathématicien suisse. Le théorème de Bernoulli a été établi en 1738. Il fixe les bases de la mécanique des fluides. Ce théorème dit que : la somme des pressions et des énergies mécaniques par unité de volume est constante le long d’une ligne de courant d’un fluide incompressible. Le principe de Bernoulli conduit à une relation entre la pression et la vitesse du fluide. Il montre que la vitesse du fluide augmente lorsque la pression exercée sur le fluide diminue. Ceci explique la force de portance créée par l’écoulement de l’air autour d’une aile. On utilise alors cette loi pour optimiser la forme des ailes d’un avion.
Bien que l’air soit un gaz compressible, à basse vitesse, l’écoulement d’air est non compressible. Le nombre de Mach (du physicien autrichien Ernst Mach (1838-1916)) correspond au rapport entre la vitesse d’écoulement du fluide et la vitesse du son. C’est un nombre sans unité. Un écoulement est incompressible en dessous de Mach 0.3. Un écoulement incompressible est caractérisé par une masse volumique du fluide inchangée. C’est une condition nécessaire pour pouvoir appliquer la formule de Bernoulli.
3) Nombre de Reynolds
Autour d’un profil, l’air en mouvement se comporte comme s’il était constitué de lames de fluide extrêmement fines et superposées. La première de ces lames, en contact avec la paroi de l’aile, reste immobile. Les lames supérieures possèdes des vitesses croissantes les une par rapport aux autres jusqu’à une lame qui, comme celles qui arrivent ensuite, possède la vitesse de l’écoulement libre du fluide. L’ensemble des lames, se déplaçant à des vitesses croissantes et différentes de celle de l’écoulement libre de l’air, forme ce qu’on appelle la couche limite.
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L’écoulement au niveau de l’extrados peut ainsi être laminaire, comme le montre le schéma ci-dessus : les petites couches sont toutes parallèles . On dit d’un écoulement qu’il est turbulent lorsque aucun de ces filets ne sont parallèles. Ils sont même complètement désordonnés, tout comme la répartition de leurs vitesses. En réalité, la couche limite n’est pas laminaire tout au long de l’extrados d’une aile. En effet, elle commence par l’être au niveau du bord d’attaque puis devient turbulente à partir d’un endroit de l’aile appelé zone de transition. Cette zone de transition peut être suivie d’un décollement de la couche limite.
Le schéma suivant illustre la couche limite le long du profil :
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Il va sans dire qu’il est impératif d’éviter un décollement de la couche limite au niveau de l’extrados. De plus, les zones de turbulence
ont bien sûr un effet néfaste sur la force de portance de l’aile. Il faut donc absolument retarder au maximum la zone de transition sur la
paroi du profil.
Osborne Reynolds (1842-1912) est un ingénieur et physicien irlandais qui apporta beaucoup à la dynamique des fluides.
Le nombre de Reynolds que ce physicien mit en évidence caractérise le régime de l’écoulement autour d’un profil. C’est le
rapport entre les forces d’inertie et les forces visqueuses :
Re = UL / v
Avec :
- Re : le nombre de Reynolds, sans dimension,
- U : la vitesse du fluide en m/s,
- L : la longueur de la corde de l’aile (distance entre le bord d’attaque et le bord de fuite),
- v : la viscosité cinématique du fluide, en m²/s
Le nombre de Reynolds étant sans unité et pouvant s’appliquer à tous les profils usuels, il permet la comparaison de différentes ailes. L’augmentation de ce nombre va avec l’amélioration des caractéristiques de portance.
4) L’incidence
L’angle d’incidence est l’angle compris entre le plan de l’aile et la direction du vent relatif. L’angle d’incidence d’un avion varie tout au long du vol. Au décollage, cette angle augmente. L’incidence diminue à l’atterrissage.
Le parapente, s’initier et progresser. Pierre-Paul Ménégoz, Yves Goueslain. Page 97.
La modification de cet angle s’accompagne du changement de l’intensité de la résultante des forces aérodynamiques. En effet si l’incidence devient grande, l’écoulement de l’air autour de l’aile ne se fait plus parfaitement bien et on observe un décollement des flux au niveau de l’extrados. Il apparaît alors des turbulences.
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Dans ce cas, l’augmentation progressive de cet angle se traduit par l’augmentation de la portance. Cependant si l’angle d’incidence augmente trop fortement, les turbulences déjà créées au niveau du bord de fuite s’amplifient et il y a décollement de la couche limite. La zone de transition remonte alors jusqu’au bord d’attaque. Les filets d’air ne parviennent plus du tout à suivre le contour de l’aile. La dépression et l’effet de succion disparaissent totalement, la force de portance s’effondre : c’est le décrochage.
Sur le schéma, les petites flèches en arc de cercle représentent les turbulences créées sur l’extrados pour un angle d’incidence trop fort :
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5) La finesse
La finesse est le rapport entre la portance et la trainée, entre la vitesse horizontale et la vitesse verticale ou encore entre la
distance horizontale parcourue et le dénivelé. C’est une grandeur sans unité qui permet de caractériser les aéronefs n’ayant pour moteur
que leur poids. Plus ce rapport est élevé, et plus le rendement aérodynamique d’une aile est élevé. Les aéronefs ayant une forte finesse
sont les planeurs. Ils peuvent en effet atteindre une finesse maximum de 40, c'est-à-dire qu’un planeur ayant une finesse maximum de 40
peut parcourir une distance de 40 kilomètres sur 1000 mètres de dénivelé.
L’angle d’incidence a une influence sur la finesse d’un avion. En effet, à chaque angle correspond une finesse précise.
L’Aviation, guide pratique des sports aériens. François DABIN. Page 70.