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1°) Généralités et principes aérodynamiques  
 
 

A) Principe fondamental : l’écoulement de l’air autour d’un objet

Un avion (ou tout ce qui y ressemble) doit, pour pouvoir voler, se déplacer par rapport a l’air ambiant. Ces déplacements créent sur les surfaces de l’aéronef (ailes, dérive, fuselage,…) des forces qui vont lui permettre de voler. Ce déplacement d’air par rapport à l’avion est appelé le vent relatif. En extrapolant, si un avion a besoin de 75km.h -1 de vent relatif pour décoller, une rafale bien orientée pourrait le faire décoller sans que celui-ci n’ait besoin de mettre en route son moteur !

La pression diminue lorsque la vitesse d’un fluide augmente. Une expérience simple permet de mettre en évidence ce phénomène : il suffit de souffler sur une feuille de papier et remarquer qu’elle se soulève, une dépression se forme sur l’extrados. Ainsi, la pression varie dans le sens inverse de la vitesse.

Le « bord d’attaque » est la zone extrême avant de l’aile, le « bord de fuite » la zone arrière.

L’ « extrados » est la partie supérieure de l’aile et l’ « intrados » la partie inférieure.

 

B) Les forces

La forme d’une aile d’avion étant bombée sur l’extrados, l’air qui y circule est contraint de parcourir une distance plus longue, et donc il y règne une pression plus basse. Au contraire, sur l’intrados, la vitesse d’écoulement de l’air est ralentie et la pression légèrement plus élevée.

Cette dépression sur l’extrados et cette pression sur l’intrados créent une force dirigée vers le haut : La résultante aérodynamique : Ra

 

Pour monter (ou descendre) un avion doit incliner ses ailes : augmenter l’incidence, c'est-à-dire l’angle entre le vent relatif et les ailes. Plus précisément entre le vent relatif et la corde du profil, c'est-à-dire la droite joignant le bord d’attaque et le bord de fuite. Quand cette incidence augmente, la dépression augmente et, jusqu'à un certain moment, la résultante aérodynamique augmente. Pour pouvoir incliner ses ailes, il utilise la gouverne de profondeur qui va augmenter (ou diminuer) la portance sur cette partie arrière de l’avion qui va le faire « basculer ».

 

La résultante aérodynamique se décompose conventionnellement en 2 forces : l’une perpendiculaire au vent relatif : la portance Za , l’autre parallèle au vent relatif : la traînée Xa. Il existe alors la relation vectorielle suivante Xa + Za = Ra. La portance permet la sustentation et la traînée s’oppose au déplacement de l’avion.

On remarque que la portance s’oppose au poids et reste pratiquement constante durant le vol.

Différents paramètres agissent sur la portance et la traînée. La masse volumique de l’air ρ, la vitesse d’écoulement de l’air V, la surface alaire S, c'est-à-dire la surface totale de la voilure et de la coupe du fuselage et des coefficients aérodynamiques Cx et Cz qui varient avec l’incidence, la forme de l’aile et son état de surface.

Ces paramètres sont liés par les deux relations suivantes : Za=1/2 * ρ * S * Cz * V² et Xa= 1/2 * ρ * S * Ca * V²

Ces deux coefficients (Cx et Cz) sont le reflet des qualités aérodynamiques des ailes dans l’air. Cz est la capacité à transformer en portance les pressions exercées sur l’aile et Cx est le coefficient de défauts générateurs de traînée. Les constructeurs cherchent donc à avoir le plus petit Cx possible et le plus grand Cz.

 

La surface alaire S peut être modifiée a l’aide de « volets » qui allongent la surface de l’aile et donc d’après la relation précédente si S augmente, Za, la portance aussi et la traînée également…

Cette augmentation de portance est nécessaire (en raison de la vitesse plus faible) dans certaines phases du vol, atterrissage et décollage d’où l’utilisation des volets.

L’allongement est un phénomène qui va nous intéresser pour la comparaison avion-oiseau.. En effet il s’agit du rapport entre l’envergure de l’aile (longueur mesurée d’une extrémité de l’aile à l’autre) sur la longueur de corde moyenne.

Un faible allongement va favoriser la portance (cas des avions de chasse) et un fort allongement va réduire la traînée (cas des planeurs) : en effet, celle-ci est due en partie au « tourbillon de Prandtl » qui est diminué dans le cas d’un grand allongement. Ce tourbillon marginal génère une traînée induite par la portance. Pour simplifier : en raison de l’écoulement autour des ailes, de l’air « s’enroule » autour de l’aile jusqu'à l’extrémité de celle-ci ; plus la corde à cet endroit est faible, plus le tourbillon marginal l’est aussi et donc plus la traînée induite est réduite.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Une courbe appelée la polaire permet de voir l’évolution entre Cz, Cx et l’incidence. On remarque qu’à partir d’une certaine incidence les deux coefficients diminuent : c’est le décrochage. La portance ne compense plus le poids, en fait celle-ci n’est plus « créée » par l’écoulement de l’air qui se décolle de l’extrados, il n’y a plus la dépression qui la générait.

 

 

 

Polaire d’un profil, c'est-à-dire la courbe Cx=f(Cz)

 

 

 

 

Deux forces majeures s’exercent également : le poids P dirigé vers le centre de la terre, qui s’exerce au niveau du centre de gravité de l’avion et la traction T. A l’horizontale, on peut considérer que l’on a la relation vectorielle suivante : T+Xa = 0 et Za+P=0

En montée ou en descente les forces se compensent comme dans les deux schémas récapitulatifs.

 

C) Comment l'avion se dirige dans les trois dimensions ?

Pour monter ou descendre : la gouverne de profondeur.

Celle-ci ce situe a l’arrière, en augmentant la portance de celle-ci (en l’abaissant), l’arrière se soulève et l’avion se penchera vers l’avant et réciproquement.

 

Pour virer : les ailerons et la gouverne de direction

Les ailerons situés sur les ailes permettent d’incliner l’avion : en baissant l’aileron gauche, la portance augmentera de ce coté, l’avion se penchera donc vers la droite.

 

La gouverne de direction, située sur la queue, permet de se remettre face au vent relatif, elle engendre un effet rotatif à l’avion.

 

 

 

 

 

cliquer dessus pour l'agrandir.

 

 

 

 

 

 

 



 
2°) Les différentes machines de l'homme  
 
 

A) Les hélicoptères

La capacité des hélicoptères à décoller et atterrir verticalement ainsi que de pouvoir rester immobiles (vol stationnaire) offre beaucoup d’avantages, et de telles machines sont apparues sensiblement en même temps que les avions, puisque les deux premiers hélicoptères « officiels » sont ceux de Louis Breguet en 1907, exception faite bien entendu des dessins de Léonard de Vinci.

 

Le rotor assure à la fois la portance (sustentation) et la propulsion, qui est obtenue par basculement vers l’amont de l’axe de rotation du rotor. Cette caractéristique permet de les rapprocher des oiseaux, qui eux aussi utilisent leurs ailes pour a la fois se propulser, se diriger et s’élever. De plus, contrairement aux avions, ces pales qui génèrent la portance sont mobiles, comme pour les oiseaux. La rotation du rotor engendre des efforts aérodynamiques sur les pales se décomposant en une force de portance et une force de traînée, cette dernière s’opposant à la rotation. Pour vaincre cet effort de traînée et maintenir une rotation du rotor, il faut fournir au rotor un couple moteur.

 

Ce couple moteur induit sur la cellule un couple opposé qui est contrebalancé par un rotor de queue.

© Microsoft Corporation.

Portance d'un hélicoptère

La portance d'un hélicoptère est assurée par un ou plusieurs rotors. Ceux-ci sont munis de pales articulées sur le moyeu, qui peuvent s'abaisser ou s'élever lorsque l'hélicoptère s'avance, afin que toutes les pales conservent la même vitesse dans l'air. Dans le cas contraire, l'appareil basculerait.

Encyclopédie Microsoft ® Encarta ® 2004.

 

B) Les aéronefs non motorisés : les planeurs, les ailes delta ou les parapentes

Pour ces aéronefs, l’objectif est de parcourir la distance maximale à partir d’une altitude de départ, soit de voler le plus longtemps possible, c’est-à-dire de voler avec la vitesse verticale de descente le plus faible possible.

La finesse est le paramètre essentiel pour ce type d’appareil ; elle varie pour les planeurs actuels entre 30 et 60 selon leur taille. Une finesse de x permet a un aéronef de parcourir x fois sa hauteur. Elle correspond au rapport portance/traînée et donc Cz/Cx. Ces valeurs élevées de finesse sont obtenues grâce à des ailes de grand allongement ( l de 20 à 45) pour réduire la traînée induite. Un avion aura lui une finesse comprise entre 8 et 12.

Pour les ailes delta ou les parapentes, les finesses sont nettement plus faibles (de 5 à 12), parce que les allongements sont plus petits (de 6 à 10 pour les ailes delta, de 3 à 5 pour les parapentes). Ces aéronefs n’utilisent pas d’énergie autre que le vent et les courants d’air ascendants (air chaud) pour voler, comme les oiseaux !

 

C) Les avions à moteur !

On peut estimer qu’il s’agit d’un compromis entre le planeur et l’hélicoptère ! En effet comme le planeur il a une surface portante fixe et comme l’hélicoptère sa traction est générée par une hélice (la pale de l’hélicoptère) verticale cette fois.

Il existe une grande variété de ceux-ci : les avions commerciaux à très grosse capacité d’emport (le Bœing 747 peut emporter jusqu'à 500 passagers et le nouvel Airbus A380 jusqu'à 800 !!!)

Les avions militaires de combat devant être les plus polyvalents possible, ils ont de très grandes vitesses (mach 3 !) et une très grande liberté dans les manœuvres acrobatiques. En revanche leur autonomie est limitée (2 heures de vol maximum pour les Mirages).