AERODYNAMIQUE ET MECANIQUE DU VOL

BIA
CollègeP.Matraja
2016-2017
AERODYNAMIQUEETMECANIQUEDUVOL
AERODYNAMIQUE
2
1. QU’EST-CEQUEL’AERODYNAMIQUE?
2. L’AIR:MILIEUDUVOL
2.1. LESCARACTERISTIQUESDEL’AIR
2.2. ECOULEMENTDEL’AIR
3. LARESISTANCEDEL’AIR:
3.1. LAMISEENEVIDENCE:
3.2. LESPARAMETRESQUIINFLUENCENTLARESISTANCEDEL’AIR
3.3. L’EXPRESSIONMATHEMATIQUEDELARESISTANCEDEL’AIR:
4. LESSURFACESPORTANTES:
4.1. PLAQUEPLANEINCLINEEETNOTIONDERESULTANTEAERODYNAMIQUE:
4.2. SURFACESCOURBESINCLINEESETPROFILD’AILE:
5. L’ECOULEMENTDEL’AIRAUTOURD’UNEAILE:
5.1. ECOULEMENTAUTOURD’UNPROFILD’AILEETREPARTITIONDESPRESSIONS
5.2. L’INFLUENCEDEL’INCIDENCESURLESPHENOMENESSUSTENTATOIRES
5.3. L’INFLUENCEDEL’ALLONGEMENTSURLATRAINEEINDUITE:
6. LAPOLAIRED’UNEAILE:
6.1. L’EXPRESSIONDELAPORTANCEETDELATRAINEE
6.2. EVOLUTIONDELARESULTANTEAERODYNAMIQUEENFONCTIONDEL’INCIDENCE:POLAIRE
6.3. POLAIREETFINESSEAERODYNAMIQUED’UNEAILE
6.4. LAPOLAIREDESVITESSESPOURLEVOLPLANE(COMPLEMENT)
2
2
2
3
3
3
3
3
4
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4
5
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6
7
7
7
MECANIQUEDUVOL
8
1. LEVOLENPALIERRECTILIGNEUNIFORME
2. LECONTROLEDELATRAJECTOIREGRACEAUXFORCESAERODYNAMIQUES
2.1. LESAXESDEL’AERONEF
2.2. LESCOMMANDESDEVOL:
2.3. LEFONCTIONNEMENTDESGOUVERNESASSOCIEESAUXCOMMANDESDUVOL
3. MONTEE,DESCENTEETVIRAGE:
3.1. LEVOLENMONTEERECTILIGNEUNIFORME:
3.2. LEVOLENDESCENTERECTILIGNEUNIFORME:
3.3. LEVOLENVIRAGESYMETRIQUEENPALIER:
4. LELACETINVERSE:UNEFFETSECONDAIREDESGOUVERNESDANGEREUX…
5. LECENTRAGE:EQUILIBREDEL’AVION,STABILITEETMANOEUVRABILITE:
5.1. LES3POINTSPARTICULIERSD’UNAVION:
5.2. LESCENTRAGED’UNAVION:
8
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9
10
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CoursdeM.Lecureur
BIA
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2016-2017
AERODYNAMIQUE
1. QU’EST-CEQUEL’AERODYNAMIQUE?
L'aérodynamique est une branche de la dynamique des fluides qui porte principalement sur la compréhension et
l'analysedesécoulementsd'air,ainsiqu'éventuellementsurleurseffetssurdesélémentssolidesqu’ilsenvironnent.
L'aérodynamiques'appliqueauxvéhiculesenmouvementdansl'air(aérodynes,automobiles,trains),auxsystèmesde
propulsion(hélices,rotors,turbines,turboréacteurs),auxinstallationsfixesdansunairenmouvementsubissantleseffets
du vent (bâtiments, tours, ponts) ou destinés à la production d'énergie (éoliennes), aux systèmes mécaniques
transformantuneénergieaérodynamiqueenénergiemécaniqueetvice-versa(turbines,compresseurs)
La loi de Bernoulli affirme que pour un fluide parfait et incompressible qui est en mouvement le long
d’une ligne de courant : la pression totale Pt et le débit Q restent constants.
è conséquence 1: si la section d’un tube d’air diminue, la vitesse d’écoulement augmente
èconséquence2:silavitessed’écoulementaugmente,lapressionstatiquediminueetcréedonc
uneforced’aspirationperpendiculaireauvecteurvitesse
Puisque le débit du
fluide dans le tube est
constant on a toujours :
Q = V1.S1 = V2.S2 =
V3.S3 = V.S = cte
III. L'air
Les principales caractéristiques de l’air sont :
La masse volumique, notée , elle s'exprime en kg.m-3.
(Environ 1,3 g.L
–1
-3
au niveau de la mer, soit 1,3 kg.m )
La pression, qui est définie par une force par unité de surface P
F
, s'exprime en pascal Pa.
S
(Environ 101300 Pa soit 1013 hPa au niveau de la mer soit environ 1 bar)
La température, notée T, s'exprime en Kelvin (K).
On est plutôt habituée au degré Celsius qui ne constitue qu'une translation d'échelle :
t°(C) = T(K) – 273,15
Exemple de conversion pour 35°C :
35°C = 35 + 273,15 = 308,15 K
D'autres grandeurs sont utiles telles que la viscosité (dans les considérations de trainée) et l'humidité
(relative et absolue) en particulier dans la partie météorologie.
La composition chimique de l'air n'intervient pas en aérodynamique. Il est utile de la connaître pour la partie
ème
"moteurs" car ils fonctionnent au dioxygène (l'air est schématiquement constitué de 4/5
de diazote et de
ème
1/5
de dioxygène).
IV. La loi de Bernoulli (ou principe de Bernoulli)
Le long d'un tube de courant la pression totale Pt et le débit Q restent constants.
Pt =
Cste
et
Q =deuxième
Cste
C'est la loi met
de Bernoulli
La première expérience met en
évidence
La
expérience
en évidence
La troisième expérience confirme
Conséquences
de
cette
loi
:
la capacité de l’air à pousser un
un effet d’aspiration. Lorsque l’air
l’analyse de la seconde : l’air soufflé
obstacle qu’il rencontre Puisque
par le débit Q est
estmisenmouvementsurlasurface
entrelesfeuillesétantàunepression
constant, on a V.S = constante
AUGMENTATION DE LA PRESSION
supérieure de la feuille, il voit SA
plusfaiblequeceluiàl’extérieur:les
Conclusion : si la section diminue, la vitesse d’écoulement augmente et inversement.
surunefacedecelui-ci.
PRESSION DIMINUER (accélération
feuillesserapprochent.
Puisque la pression del’écoulementdel’air).Lapression
totale Pt est constante, on a Ps + ½ V2 = constante
de l’autre face étant supérieure : la
Conclusion : si la vitesse
d’écoulement augmente, la pression statique diminue,
feuilleestalorsaspiréeverslehaut.
Une bonne illustration de ce principe : Le tube de venturi
2. L’AIR:MILIEUDUVOL
En substance, on a donc ceci : si la
section d’un tube de courant décroît alors
la vitesse d’écoulement augmente à cet
endroit et la pression statique diminue.
2.1. LESCARACTERISTIQUESDEL’AIR
L’airestunmélanged’airsecetdevapeurd’eauenquantitéassezvariablequicomportedesimpuretés(issuesde
Dans ce résultat fondamental se
l’activité industrielle, des éruptions volcaniques, de poussières provenant
des
de la floraison de
cache un
desdiverses
"secrets"combustions,
du vol de
l’avion !
certainesplantes,etc.).Cesimpuretésserventnotammentdesupportdelacondensationdelavapeurd’eau.
-
Lamassevolumiquedel’air:notéeρ,estexpriméeenkg.m-3
Lapression,notéeP,estexpriméeenPascal(Pa);c’estlaforceexercéeparunitédesurface.
1 - AMV - BIA & CAEA.doc
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Latempérature,notéeT,estexpriméeenKelvin(K).ATTENTION:RappelT(K)=T(C°)+273
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CoursdeM.Lecureur
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2016-2017
2.2. ECOULEMENTDEL’AIR
Pendantlevol,c’estl’avionquisedéplacedansl’airmaissil’onregardel’ailed’unaviondel’intérieurdecelui-ci:
L’AIR, MILIEU DU VOL
on peut considérer que l’on voit l’aile immobile et que c’est l’air qui se déplace. Il existe 3 types d’écoulement de l’air
classésselonlecomportementdesfiletsd’air: 2 - Ecoulement de l’air (suite)
L’écoulement laminaire
les filetstous
d’air suivent
tous des trajectoires
rectiligne
parallèles
* L’écoulement laminaire: les filets d’air suivent
des trajectoires
rectiligne
parallèles
entre eux. On peut imaginer que l’air est constitué de lames
entreeux.Onpeutimaginerquel’airestconstituédelamessuperposées,glissantparfaitementles
aire (division par 20 de la résistance
!) lorsqu'on atteint les formes
superposées, glissant parfaitement les unes sur les autres.
ême maître-couple !.
unessurlesautres.
L’écoulement
turbulent
* L’écoulement turbulent: les filets d’air suivent
tous des
trajectoires quasiment parallèles
les filets d’air suivent tous des trajectoires quasiment parallèles
entreeux.Lesfiletsd’airnesontplusrectilignes,toutensedéplaçantdansunemêmedirectionavec
entre eux. Les filets d’air ne sont plus rectilignes, tout en se
déplaçant dans une même direction avec une même vitesse.
unemêmevitesse.
tance 50 %
Résistance 15 %
Résistance 5 %
d'optimiser la pénétration dans l’air.
ntent une résistance minimale aux vitesses
elative (rapport D/A) comprise entre 1/3 et
t à environ 1/3 de la distance à partir du
L’écoulement
tourbillonnaire
* L’écoulement tourbillonnaire: l’ensemble
de l’écoulement
des filets d’air est très
l’ensemble de l’écoulement des filets d’air est très désordonné.
désordonné.Lesfiletsd’airsedéplacentglobalementdanslamêmedirection,malgréquecertains
Les filets d’air se déplacent globalement dans la même direction,
malgré que certains filets d’air peuvent remonter l’écoulement et
minue, l'importance relative de la filetsd’airpeuventremonterl’écoulementetformerainsidestourbillons.
traînée de frottement augmente.
nt varier considérablement sans qu'on observe
sistance.
une notion assez précise de la forme idéale
x corps ayant cette forme, par exemple un
s forcément une résistance minimale lorsqu'ils
Dimensions optimales
former ainsi des tourbillons.
urfaces
Notion de couche limite:lesfiletsd’airarriventauvoisinaged’une
surfacesolide,lavitessed’écoulementralentitprogressivementaufuretàmesure.Cettecouche
d’air freinée s’appelle la couche limite. L'épaisseur d'une couche limite est variable suivant
entre autre, la vitesse (plus la vitesse est élevée, plus la couche est mince) et l'état de la
surface(pluslasurfaceestlisse,pluslacoucheestmince).
LA RESISTANCE DE L’AIR
la couche limite
ent que présente une plaque
f (figure ci-contre). L'air est
tains cas, dans le voisinage
décolle avec de la poussière sur ses
même poussière.
surface ralentissent les
frottement des unes sur les
scosité, ce qui produit une
e au fur et à mesure qu'on
ur atteindre la vitesse de
e quelques millimètres autteindre plusieurs dizaines de
Notion de couche limite
t la limite de
e couche limite.
st consacré à l’étude
la couche limite peut
ci-contre). En ce qui
avantage de la
e limite turbulente est
en donnant à un
1 – La mise en évidence
Positionnons verticalement une plan
soufflerie et observons ce qu’il se pa
3. LARESISTANCEDEL’AIR:
Envoyons un écoulement laminaire
à l’avant de la plaque, l’air va exerc
tandis qu’à l’arrière de la plaque se
créant des tourbillons d’air.
3.1. LAMISEENEVIDENCE:
Couche limite en écoulement laminaire ou turbulent
Soumiseàunécoulementd’airlaminaire,uneplanchedeboissubit:
Dans la couche limite laminaire, les différentes
épaisseurs d'air glissent en douceur les unes sur les
autres (fig).
Dans la couche turbulente, des tourbillons violents
se produisent et sont responsables de l’essentiel de la
traînée de frottement.
Ci-contre la variation de vitesse de l’écoulement
d’air au sein de la couche limite laminaire.
LA RESISTANCE DE L’AIR
Dans cette expérience, la plaque en
une force horizontale que l’on appel
l’air.
- unefortepressionàl’avant
3 – L’expression de la résistance de l’air
- unedépressionquiprovoquedestourbillonsd’airàl’arrière
- Nous
uneforcehorizontalequ’onnommerésistancedel’air.
avons vu précédemment que la résistance de l’air était :
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En plaçant un appareil de mesure te
nous pouvons mesurer cette force e
facteurs qui la font varier.
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proportionnelle à la surface ou à l’aire.
3.2. LESPARAMETRESQUIINFLUENCENTLARESISTANCEDEL
’AIR
•
•
•
•
LA RESISTANCE DE L’AIR
Larésistancedel’airestproportionnelleàlasurfaceouàl’aire(S).
proportionnelle au carré de la vitesse.
Larésistancedel’airestproportionnelleaucarrédelavitesse(v)
Larésistancedel’airestproportionnelleàlamassevolumiquedel’air(ρ)
proportionnelle à la masse volumique de l’air.
Larésistancedel’airdépenddelaformedel’objetouducorps(K)
dépendante de la forme de l’objet ou du corps.
Résistance de l’air
en Newton (N)
R=
Coefficient de la forme du corps
et de son état de surface
K.ρ.V2.S
Aire ou surface
en m2
Masse volumique de l’air
en kg.m-3
Vitesse
en m.s-1
Le disque vu dans notre expérience. L’é
pour contourner l’obstacle. Il ya une fort
et une dépression à l’arrière (aval) avec
La demi-sphère. Les filets d’air ont plus
avant de l’objet mais à l’arrière il subsis
tourbillonnaire.
3.3. L’EXPRESSIONMATHEMATIQUEDELARESISTANCEDEL’AIR:
Cela nous permet d’écrire l’expression de la résistance de l’air sous la forme :
2 – Les paramètres influençant la résistance de l’air (suit
La sphère. Les filets d’air contournent l’
subsiste une dépression avec une zone
mais non complètement résorbée.
La forme fuselée ou goutte d’eau. Les
facilement et se rejoignent à l’arrière san
que la résistance de l’air est plus faible p
Cette forme fuselée a une résistance aér
8 fois moins que le disque initial avec un
CONCLUSION: La forme d’un aéronef sera étudiée avec précision en vue de
réduire au maximum la résistance de l’air, notamment en utilisant des formes
aérodynamiquesentenantcomptedesbesoinsetdescontraintesdetransport.
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CoursdeM.Lecureur
BIA
Si une surface plane est placée perpendiculairement à l'écoulement elle subit des forces dues à
perpendiculairement à un écoulement d’air laminaire ; nous avons vu
la pression exercée par l'air coté "au vent" et une aspiration (plus exactement une dépression), se
qu’en amont de celle-ci qu’il y avait une surpression tandis qu’en aval
traduisant elle aussi une force, cotée "sous le vent".
une dépression.
L'écoulement de l'air par rapport à la plaque génère ce que l'on appelle un "vent relatif".
La planche ,ici, subit une force horizontale (aspiration) due au
Si nous inclinons cette plaque par rapport
à l'écoulement, donc par rapport au vent relatif, la 2016-2017
produit des différentesCollègeP.Matraja
de pression par la surface de la plaque.
surpression et la dépression subsistent mais l'ensemble de forces générées change d'orientation…
4. LESSURFACESPORTANTESDans
: l’illustration proposée la plaque
est poussée vers le haut et vers l'arrière.
4.1. PLAQUEPLANEINCLINEE
Comme
ETNOTIONDERESULTANTEAERODYNAMIQUE :
son nom l'indique, la
Prenonslamêmeplancheenboisqueprécédemmentetinclinons-la.Nous
résultante aérodynamique ( R ) ,
pouvons
remarquer
les
filetsinclinons
d’air la
contournent plus facilement.
rassemble
enplanche
unque
seul en
vecteur
Prenons
cette même
bois etl'ensemble
la. Nous
des
actions de
led’air
profillaen
Néanmoins,ilsubsistedeszonesdesurpressionetdedépression.
pouvons
remarquer
quel'air
lessur
filets
contournent plus
mouvement.
facilement.
Néanmoins, il subsiste des zones de surpression
Pour un objet volant (avion)
cette
force permet
la sustentation
dans
et deEn
dépression.
revanche
la force
qui s’exerce
surl'air…
la plaque n’est plus horizontale
Manip : ces effets peuvent facilement
être
mis
en
œuvre
dans
une
voiture
en
mouvement
(
) simplement
mais
perpendiculaire
à
la
planche.
On
appelle
force
: la résultante
En revanche la force qui s’exerce sur la plaque n’est pluscette
en sortant la main et en changeant
son inclinaison.
horizontale
mais perpendiculaire à la planche. On appelle cette
aérodynamique.
: la résultante aérodynamique.
II. Portance etforce
trainée
Trainée et portance à partir d'une plaque…
Pour aider à la compréhension, le vecteur force ( R ) représentant
la résultante aérodynamique peut être décomposée en deux … une
partie UTILE pour un objet volant : la portance (Rz) perpendiculaire à
l'écoulement et un mal nécessaire… : la trainée (Rx) parallèle à
l'écoulement. R Rz Rx
LES SURFACES
PORTANTES
Portance
et trainée
sont respectivement positionnées
perpendiculairement et parallèlement au vent relatif (schéma).
2 – Les surfaces courbes inclinées
Ces forces,
qui sont en réalité réparties sur toute la surface, peuvent se ramener vers un point
Nous avons vu d’application
précédemment que
les objets
ayant une
forme aérodynamique
avec
des
unique
appelé
le centre
de poussée
(CP).
formes courbes étaient plus efficaces
les formes plane ou sphérique pour l’écoulement
URFACESCOURBESINCLINEESETPROFILD
Pour une
aileque
d’avion,
la position du centre de poussée AILE
(CP)
de l’air.
4.2. S
’
:
dépend du profil et de son
orientation par rapport
au
vent
relatif.
Nous avons vu en TP que les objets ayant une forme aérodynamique avec des formes
En outre, ceLes
point
se déplace en fonction de l’angle d’incidence.
filets d’air s’incurvent plus facilement et « collent »
courbesétaientplusefficacesquelesformesplaneousphériquepourl’écoulementdel’air.
Influence de
la àsurface
etcourbe,
de lacevitesse
mieux
une surface
qui permet de faire
disparaître presque totalement la zone tourbillonnaire.
Lesfiletsd’airs’incurventplusfacilementet«collent»mieuxàunesurfacecourbe,cequipermetde
De plus,
l’effet de courbure a pour effet d’accentuer
fortement
la vitesse
de l’écoulement de l’air sur le
Les études fairedisparaîtrepresquetotalementlazonetourbillonnaire.Deplus,l’effet
en soufflerie
montrent
de courbure a pour effet
de proportionnelle
l’aile.
la portance dessus
(R ) est
à
que
x
d’accentuerfortementlavitessedel’écoulementdel’airsurledessusdel’aile.L’airétantaccéléré
la surface alaireau-dessusdel’aile,lapressiondiminuelocalement;inversement,au-dessousdel’aile,l’airestfreinéeten
(S), qu'elle est
Au-dessus de l’aile, l’air étant accéléré, la pression diminue localement ; inversement, auproportionnelle
auconséquence,
carré de la
dessous de l’aile,
l’air est freiné et en
la vitesse
pression augmente localement.
conséquence,lapressionaugmentelocalement.
Flèche (définition plus précise : CAEA) : C'est l'angle
(V²) et qu'elle dépend (proportionnalité
horizontal formé entre le lieu du quart avant des cordes et l'axe
Nous constatons
que
la
plaque
courbe
est
aspirée
par
sa
surface
supérieure
et
poussée
aussi) II
de -la Aérodynamique
masse volumique
de l'air ( ).
de
l'aile.
l'avion le rôle de «surface portante». La
les aéronefs,
c’est
principalement
qui vadejouer
sous sa face inférieure.Pour
La résultante
aérodynamique
est plus
importante que pourl’aile
une transversal
plaque plane d’une surface identique. Nous pouvons en conclure que la portance
- Principales
des ailes(ou
Flèche (définition plus complexe pour le CAEA)
On1est
rappelle
quecaractéristiques
lac’est
masse
volumique
la faire voler un avion.
formedesonprofiladoncuneimportancemajeurepourcomprendrelamécaniqueduvol
augmente et la traînée
plus faible,
le but
recherché
pour
.
densité) de l'air diminue avec l'altitude.
I. Les
différentes
parties
de l'aile
(Rappel)
Le physicien
Daniel
BERNOULLI,
au XVIIIe
siècle,
a démontré que dans un fluide en
La charge alaire est le rapport Portance/Surface alaire. (est exprimée en newtons par
écoulement,
la vitesse
la pression
Bord d'attaque
: Bordet
avant
de l'aile. varient en sens inverse.
mètre carré (N.m–2) ) Elle est aussi égale au rapport : Poids de l'avion/Surface alaire si la
Bord de fuite : Bord arrière de l'aile.
1 -:AMV
- BIA
& CAEA.doc
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Emplanture
Extrémité
de l’aile
reliée au fuselage.
portance
est égale au poids de l'avion comme dans le cas
du vol horizontal .
L'écoulement de l’air à cet endroit peu être optimisé par un carénage appelé : le
karman.
L'allongement : en aérodynamique, l'allongement d'une
aile se calcule en divisant le carré de l'envergure par la surface des
L2
ailes.
. Plus simplement c'est aussi le rapport de l’envergure
S
L
par la longueur de la corde moyenne :
même si la corde
C
moyenne est parfois difficile à définir (Spitfire Concorde…).
Saumon : Extrémité libre de l’aile
Extrados : surface supérieure de l'aile, comprise entre le bord
d’attaque et le bord de fuite.
Intrados : surface inférieure de l'aile, comprise entre le bord
d’attaque et le bord de fuite..
II. Caractéristiques géométriques d'une l'aile
La géométrie d'une aile se définit en fonction de plusieurs
éléments:
L'envergure : par définition la distance entre les deux
extrémités de l’aile.
L'envergure
La surface alaire (ou surface d’aile) est la surface de la projection
horizontale du contour des ailes. Cela correspond à la totalité de
la voilure, y compris celle qui traverse le fuselage :
Surface alaire
Flèche : angle formé par la perpendiculaire de l’axe
longitudinal de l’avion et le bord d’attaque de l’aile; elle peut être
positive, négative ou neutre.(définition BIA)
Flèche (définition simplifiée BIA – simple compréhension)
Le Dièdre : c'est l'angle formé par le
plan des ailes et le plan horizontal; il peut être
positif (comme sur ce DR 400 d'aéroclub), nul
(chasseurs et avions d'acrobatie) ou négatif
(certains chasseurs ou gros porteurs).
L’Angle de calage : c'est l'angle entre
la corde du profil d'emplanture et l'axe
longitudinal de référence du fuselage,
généralement horizontal à la vitesse de croisière.
C’est un angle figé par CONSTRUCTION. Il est indépendant de l’orientation de l’appareil. En vol de
croisière stabilisé, l'angle de calage est égal à l'angle d'incidence.
Angle à ne pas confondre avec l'angle d'incidence.
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CoursdeM.Lecureur
et amincie du profil optimisée pour diminuer la traînée aérodynamique ;
l'extrados correspond au dessus de l'aile et l'intrados au dessous.
(dans le sens de la marche)
Autres définitions à connaitre
BIA
Profil de l’aile : contour géométrique obtenu par
une section verticale de l’aile (perpendiculaire à l’axe
de
CollègeP.Matraja
tangage)).
2016-2017
5. L’ECOULEMENTDEL’AIRAUTOURD’UNEAILE:
5.1. ECOULEMENTAUTOURD’UNPROFILD’AILEETREPARTITIONDESPRESSIONS
IV. Les angles associés aux axes
A l’extrados, la courbure de l’aile fait parcourir plus de distance à
l’air, ce qui l’accélère : une dépression a lieu.
A l’intrados, c’est l’inverse, une surpression naît sous l’aile
Corde de référence : segment, parallèle à l’axe de roulis (ou à l’axe longitudinal de
l’avion) qui joint le bord d’attaque au bord de fuite. Sa
longueur varie le long de l’aile.
Profondeur
longueur de
corde
de référence.
Répartition
des:pressions
lelalong
d’une
aile: les pressions sont représentées par des vecteurs
Ligne moyenne : ligne située à égale distance de l’extrados et intrados.
dontlalongueurestproportionnelleàlavaleurdeladépressionoudelasurpression.Onconstate
Assiette
Inclinaison
Angle de lacet
L'épaisseur
maximale d’un profil
d’aile se situe vers
le tiers
avant. Mais l'indication
La dérive ou plus exactement la gouverne
La
gouverne
de
profondeur
permet
de
Les
ailerons
permettent
de
modifier
quelesforcesdesustentationlesplusimportantessontlocaliséessurletiersavantduprofilde
intéressante
est
l'épaisseur
relative.
de direction permet de modifier l'angle de
modifier l'angle d'assiette…ou assiette
l'angle d'inclinaison… ou inclinaison
lacet … ou lacet.
l’aile.C’estl’extradosquiestmajoritairementresponsabledel’effetsustentateur.
Attention
malgré toutrelative
a ne pas catégoriser
une actionexprimé
car les actions sur les gouvernes ont des effets induits
Épaisseur
: c'esttrop
levite
rapport,
sur les autres axes. Un braquage d'aileron (roulis) crée le lacet inverse par exemple !
en pourcentage, entre l'épaisseur maximale du profil
INFLUENCEDEL
’INCIDENCE
SURLESPHENOMENESSUSTENTATOIRES
et de la5.2.
corde.L’Ep%
= épaisseur/ profondeur
(corde)
V.Profil
Les :angles
vol on en distingue
vue enassociés
coupe deau
l'aile,
Définitions
quatre
types :
Dans le plan verticalBiconvexe
contenant
(symétrique ou non)
la trajectoire
l'avion il est
Avions
ou de
planeurs
de voltige
important de définir les relations
Plan convexe
entre la pente, l'assiette et
Creux : Planeurs
l'incidence.
Autostable : ailes volantes
Ils iciLa
sont
classés
du moins
stable vers le plus stable.
pente
est l'angle
formé
entre l'horizontale et la
trajectoire
de l'avion. : distance
Cambrure
entre la corde et la ligne moyenne mesurée perpendiculairement à la
corde. La cambrure varie du bord d’attaque au bord de fuite le long d’un profil dissymétrique et
L'assiette est l'angle formé entre l'horizontale et l'axe longitudinal de l'avion.
est nulle pour un profil symétrique.
L'II.
incidence
est l'angle formé entredynamique
la trajectoire ded'une
l'avion etd'aile.
l'axe longitudinal de l'avion.
Caractéristiques
L'angle
d'incidence : par définition…C’est
ANGLE
Entre
l’angle entre
la
corde
de
profil
et
la
direction
du vent
L’horizontale
Pente
relatif. (Cet angle varie au coursLadutrajectoire
vol il nedefaut
pas le
l’avion
Incidence
confondre
avec l'angle de calage
par construction)
(oufigé
la direction
du vent relatif)
Assiette
Et
La trajectoire de l’avion
(ou la direction du vent relatif)
L’axe longitudinal de l’avion
La trajectoire de l’avion
(ou la direction du vent relatif)
L’horizontale
L'angle d'incidence
Assiette = Pente + Incidence
L’ECOULEM
Attention
une assiette cabrée ne signifie pas montéePage
: 22 sur 103
1 - AMV
- BIA & CAEA.doc
16/11/2014
3 – Influence de l’incidence
Le point d’application de la résultante aérodynamique s’appelle le centre de poussée (CP). Il débute sur le quart
ou le tiers avant de la corde.
Rap
l’inc
Pour une aile d’avion, la position du centre de poussée (CP) dépend du profil et de son orientation par
traje
rapport au vent relatif. En outre, ce point se déplace en fonction de l’angle d’incidence
nég
ATTENTION l'attitude d'un avion (figée par exemple
par une photographie) ne donne pas nécessairement sa
trajectoire …!
Attention donc par exemple… une assiette a cabré
n'implique pas nécessairement de monter ! L'avion peut avoir
une trajectoire horizontale ou même être en train de tomber !
De même pour l'inclinaison ou l'angle de lacet. Si
Evolutionsdespressionsenfonctiondel’incidence:
l'action sur les gouvernes (ailerons et gouverne de direction)
n'est pas coordonnée l'avion peut se positionner, et voler, de
manière assez bizarre ("En crabe") avec la "bille" coincée à
Dans les 2 premiers cas, on remarque que les zones de pression et de dépression augmentent en se
droite ou a gauche de l'instrument.
déplaçantversl’avantduprofil.Celaentraineuneaugmentationdelarésultanteaérodynamique
etledéplacementducentredepoussée(CP)versl’avant.
Lorsd’uneincidenceprochede20°,lazonededépressionsurextradosdiminuebrutalementalorsqu’à
1 - AMV - BIA & CAEA.doc
Page 34au
sur 103
intrados il y a peu d’évolution
niveau de la pression. A16/11/2014
ce moment là, on dit que l’on atteint
l’incidencededécrochage.Quesepasse-t-il?Ladéviationdesfiletsd’airaubordd’attaquedevientsi
importantequ’ilsnepeuventplussuivrel’extradosetqu’ilsdécollentdelasurfacedel’aileencréant
unezonetourbillonnaire.Celaprovoqueladiminution brutale de la portance et l’avion perd de
l’altitude.
Incidence faible
Dan
et d
prof
dyn
ver
Sur l'image ci-contre… si on enlève la fumée l'avion semble
monter de la gauche vers la droite alors qu'en réalité il descend comme le
montre la trajectoire matérialisée par le fumigène… avec en plus les ailes
dans le plan de descente.
Incidence forte
L’extrémité de l’aile est un lieu où se crée des phénomènes particuliers qui freinent la
progressiondel’avion;cesontlesTOURBILLONSMARGINAUXouturbulencesdesillage.
Les tourbillons marginaux sont dus à la surpression de l’intrados qui a tendance à aller
comblerladépressiondel’extradosencontournantleboutdel’aile.
Les tourbillons marginaux sont contrarotatifs et peuvent se sentir très loin derrière. Les
tourbillons marginaux apportent une traînée supplémentaire à la traînée propre du
profildel’aile:c’estlatraînéeinduite(…parlaportance)
NB:pourdiminuer,cephénomèneonjouesurl’allongementdel’aile.Plusl’allongementaugmente,moins
latraînéeinduiteseraforte.Danslecasdesavionsdetransportquiontunallongementpeuélevé,onajoute
enextrémitédevoiluredesWINGLETSquipermettentderéduirelatraînéeinduite.
Page5
Lors
extr
-luti
atte
Que
dev
qu’i
L’ECOULEMENT-lon
DE
Incidence de décrochage
l’av
4 – Influence de l’allongement : traînée
5.3. L’INFLUENCEDEL’ALLONGEMENTSURLATRAINEEINDUITE:
Nou
inci
CoursdeM.Lecureur
L’e
ph
de
ou
Le
l’in
de
Le
se
de
l’in
ma
tra
(p
Po
de
all
de
ind
L’ECOULEMENT DE L’AIR AUTOUR D’UNE AILE
4 – Influence de l’allongement : traînée induite
BIA
L’allongement d’un avion est le rapport entre le carré 2016-2017
de l’envergure et sa surface alaire.
CollègeP.Matraja
Il y a 3 cas selon le type d’aile donc 3 méthodes de calcul :
Aile rectangulaire
Rappel:l’allongementd’unavionestlerapportentrele
carrédel’envergureetsasurfacealaire.Ilya3casselon
L’ECOULEMENT DE L’AIR AUTOUR D’UNE AILE
letyped’ailedonc3méthodesdecalcul:
Aile delta
Aile trapézoïdale
L
L
L
C
4 – Influence de l’allongement : traînée induite (suite)
H
Quelques exemples d’allongement
λ = L2 / LC
soit λ = L / C
Petit allongement : Concorde = 1,55
Grand allongement : Dahs8 = 13,4
de 10 à 15
λ = L2 /Surf. de réf.
En prenant la corde moyenne
tient compte de la partie cachée de l’aile par le fuselage.
On ne tientL’envergure
pas compte des gouvernes de profondeur dans le calcul de la surface alaire.
L'allongementpermetdediminuerlatraînéeinduite
parlaportance,auxdépendsmalheureusementdela
masse de l'aile. Il convient donc de trouver un
compromis acceptable en fonction du cahier des
charges. Les valeurs les plus courantes tournent
autourde7ou8.
Très grand allongement : Hélios = 30
> à 20
Cx) va
nce (α) :
aînée est
ment
ugmente,
de plus
Les pales d'hélicoptères sont des ailes à très grand allongement :
Robinson R22, rotor diamètre 7,67 m, allongement 42
6. LAPOLAIRED’UNEAILE:
6.1. L’EXPRESSIONDELAPORTANCEETDELATRAINEE
Expression de la portance Rz et de la trainée Rx.
Les deux composantes qui nous intéressent (portance (RZ) et traînée (RX)) dépendent du fluide
( ), de la vitesse (V) , de la surface alaire (S) et des performances aérodynamiques (Cx et Cz).
En vol rectiligne horizontal stabilisé on obtient les expressions suivantes :
Rz
1
.S .V 2 .C z
2
et
RX
S est la surface alaire de l’avion (exprimée en m²)
V est la vitesse du vent relatif (exprimée en m.s-1), c'est-à-dire la vitesse de l’avion par
rapport à l’air (et non par rapport au sol).
CX et CZ sont des coefficients (sans dimension) qui sont spécifiques à un avion et à sa
voilure pour un angle d’incidence considéré. Ils sont en général déterminés
expérimentalement dans une soufflerie.
CX
est le coefficient de traînée et
CZ
1
.S .V 2 .C X
2
est la masse volumique de l’air (exprimée en kg/m 3),
OLAIRE D’UNE AILE
raînée
Allongement moyen : DR400 = 5,35
de 5 à 8
λ = L2 / Surf. de réf.
Cmoy
est le coefficient de portance.
LA POLAIRE D’UNE AILE
III. Etude d'un profil
aérodynamique.
2 – Expression de la portance (suite)
Simulation des pressions en fonction de l'incidence.
1 – l’incidence et le coefficient de portance
L'image est issue d'un petit film : portance.mov
sont nuls.
dans lequel les couleurs permettent d'apprécier
les
pressions.
2 – l’incidence et le coefficient de portance
sont au maximal.
ICI, pour une incidence de 9° on
observe :
Entre
Une dépression importante (1500 kPa) sur
le 2 et 3 – l’incidence augmente tandis
que le coefficient de
tiers avant de l'extrados
portance diminue.
Une forte surpression (1000 kPa) localisée au
voisinage du bord d'attaque
3 – l’aile décroche, il n’y a plus de portance.
Polaire du coefficient
de traînée
(Cx) cidessous montre les L’avion perd de l’altitude.
La séquence
d'images
en fonction variations
de l’angleded’incidence
pression pour(α)
des incidences de -6 à
+9° par pas de 3°
Remarque :
s particuliers permettent d’augmenter fortement la traînée.
és dans 3 cas :
nte
stances de roulement
Polaire du coefficient de portance (Cz)
en fonction de l’angle d’incidence (α)
Le pilote peut augmenter la portance lors de certaines phases de vol : le décollage et
l’atterrissage. Pour cela, il utilise des dispositifs appelés HYPERSUSTENTATEURS. Ils sont
situés aux bords d’attaque (becs) et de fuites (volets). Ils agissent en augmentant à la fois la
surface de l’aile et sa courbure.
Lorsque les hypersustentateurs sont utilisés, le Cz augmente fortement, mais malheureusement
le Cx augmente aussi : donc la résistance à l’avancement est plus grande. En vol, ces
dispositifs sont rentrés afin de diminuer la traînée ainsi que la consommation de carburant.
Page6
CoursdeM.Lecureur
II - Aérodynamique de l'aile.
BIA
I.
CollègeP.Matraja
2016-2017
6.2. EVOLUTIONDELARESULTANTEAERODYNAMIQUEENFONCTIONDEL’INCIDENCE:POLAIRE
Qu'est ce que "la polaire" ?
4 - La polaire.
La polaire d’une aile est une courbe tracée point
par point qui fait correspondre les coefficients de
traînée et de portance déterminés expérimentalement
pour différents angles d’incidence.
Cela peut donner le tableau ci-contre :
Dont on déduira la courbe ci-dessous
On rappelle que l'angle d'incidence est mesuré entre la corde
de profil et la direction du vent relatif.
(Cet angle varie au cours du vol il ne faut pas le confondre avec
l'angle de calage figé par construction)
Coefficients Coefficients
Angles
de portance de traînée
d’incidence
(100Cz)
(100Cx)
– 4°
-9
1
0°
20
1
4°
51
1.8
8°
80
3.3
12°
105
5.5
16°
133
10
19°
143
14.6
20°
126
21.1
Le point M1 correspond à l’angle d’incidence
donnant une portance nulle (Cz = 0). Il est situé à
Ø
l'intersection de la polaire et de l'axe des Cx/Cz. Cet angle est
presquetoujoursnégatifmaispeutcependant,pourcertainsprofils,
atteindredesvaleurspositivesélevées.Atteindrecettesituationavec
une assiette quasi normale est impossible car l'avion ne peut pas
"voler"...ilnepeutque"tomber".Cettesituationestdoncplusfacile
d'accèsenpiqué.
Le point M2 correspond au point de traînée
minimale (Cx min ). Il est situé à l'intersection de la tangente
Ø
verticale à la polaire avec l'axe des Cx. Une aile calée à cette
incidence permet d'obtenir la plus grande vitesse en trajectoire
horizontale.Ilestdoncutilisépourobtenirlavitessemaxi.
Le point M4 correspond au point de finesse
maximale c'est-à-dire celui pour lequel l'angle d’incidence donne
Ø
L'extrapolation des points permet un tracé de la courbe
Les points remarquables - (Attention ce n'est pas la même polaire qu'à coté)
II. Que peut-on lire sur la polaire d’une aile ?
La polaire est une donnée
très importante car elle permet
de déterminer un certain nombre
de points qui sont
caractéristiques des diverses
phases de vol de l’avion.
le plus grand rapport (Cz/Cx max). La tangente à la courbe en ce
point passe par l'origine. Par vent nul, ce rapport Cz/Cx optimal
permettrait d'atteindre le maximum de rayon d'action. Il peut
servirpourplaneraumieuxencasdepannemoteurparexemple!
Ø Le point M6 : correspond au point de portance
maximale (Cz max). Repéré par la tangente horizontale à la
Ces points caractéristiques
sontLa
illustrés
dansd'un
des avion
exemples
finesse
est définie comme le rapport entre la portance et la traînée. C'est aussi
le rapport
de la vitesse
horizontale
sur la vitesse de chute ( V / Vz). C'est aussi le rapport entre la
schématiques
sur la figure
cidistance
et polaire
la perte d'altitude. La finesse maximale ne dépend pas du poids mais du coefficient de portance et donc de
contreparcourue
associée à la
l'incidence de l’aile. La vitesse de finesse maximale augmente avec le poids pour un même avion.
envisagée.
70
Planeur ETA
On étudiera surtout 1, 2, 4 & 6
60
Planeur compet classe libre
Planeur standard actuels
1 - AMV - BIA & CAEA.doc
Page 27 sur 103
35
45
LA POLAIRE D’UNE AILE
Planeur de compet années 60
polaire, il correspond donc à un angle d’incidence maximal
avant décrochage. C'est l'angle qui, pour une vitesse donnée,
permetd'emporterlachargemaximum.Ilreprésentedoncunintérêt
pratique lorsque l'avion est lourdement chargé... Mais ATTENTION
au-delàdecepoint,ilyarisquededécrochageaérodynamique!
16/11/2014
6.3. POLAIREETFINESSEAERODYNAMIQUED’UNEAILE
La finesse d'un avion est définie comme le rapport entre la portance et la traînée. C'est
Dans la conception d’un profil d’aile, le but recherché est d’obtenir un profil ayant un
le rapport de la vitesse horizontale sur la vitesse de chute ( V / V ). C'est aussi le rapport entre
22
Caravelle
avion ligne moderne
4 – Finesse
aérodynamique
22
20
Aile delta rigide
17
Planeur Grunau Baby de 1931
15
avion ligne ancien
maximum
de portance pour
Aile delta souple
15 un minimum de traînée. Il est donc intéressant de calculer
Concorde
à Mach 0.95
11.5
le rapport
entre le coefficient
de portance (Cz) et le coefficient de traînée (Cx) : plus le
Parapente
fin
10
rapport
obtenu
est élevé,
plus le rendement aérodynamique de l’aile est élevé.
z
distance
parcourue et la perte d'altitude. La finesse maximale ne dépend pas du poids mais du coefficient de portance et do
l'incidence de l’aile. La vitesse de finesse maximale augmente avec le poids pour un même avion.
planeurs ont des voilures à fort allongement (de 20 à 25) et des finesses max de 50 à 60, les avions
classiques de 6 à 12 pour une finesse de 20 et les avions rapides à faible allongement (de 3 à 5) ont une
finesse de 10 environ.
Les multiples expressions de la finesse
f
1
tan( )
Remarque :
comme Vx
45
Planeur standard actuels
35
Planeur de compet années 60
22
Caravelle
22
avion ligne moderne
20
Aile delta rigide
17
Planeur Grunau Baby de 1931
15
15
avion ligne ancien
Aile delta souple
11.5
Concorde à Mach 0.95
10
Parapente fin
10
Mirage 2000
Vitesse horizontale Vx sur la vitesse verticale Vz
Cz
Cx
60
Planeur compet classe libre
L'expression peut se rencontrer sous les différentes formes suivantes :
Rz
Rx
70
Planeur ETA
10
Mirage 2000
Concorde à Mach 2
7.3
Ce
rapport est appelé
la finesse aérodynamique. Le point de finesse maximal est important :
Parapente
7
ilConcorde
représente
l’incidence
de vol permettant
décollage
4
d’effectuer
la plus longue possible
Hélicoptère moderne la distance
3
Hélicoptère
ancien
2
en
vol plané
sans
vent. Sa relation peut être
définie de différentes manières :
Comparaison finesse / allongement. La finesse d'une aile augmente avec son allongement. Les
7.3
Concorde à Mach 2
Vx D
et encore
: l’altitude perdue ∆z
Distance parcourue
D sur
Vz h
7
Parapente
4
Concorde décollage
3
Hélicoptère moderne
V (angle très faible ) on peut écrire f
V
2
Hélicoptère ancien
Les planeurs de compétition modernes ont desVzfinesses
P
maximales
70 ; celles
des planeurs
club
Rx T et Rde
comme,de
en60
volàhorizontal
stabilisé
aussi f
P on ase
z
T et 22 ; celles des parapentes
situent entre 35 et 45 ; celles des avions de lignes autour de 15
autour de 9 ; celles
des avions de chasse autour de 5 et les hélicoptères autour de 3.
III. Compléments sur les 4 types de profil fondamentaux (CAEA).
Comparaison finesse / allongement. La finesse d'une aile augmente avec son allongement
planeurs ont des voilures à fort allongement (de 20 à 25) et des finesses max de 50 à 60, les avions
classiques de 6 à 12 pour une finesse de 20 et les avions rapides à faible allongement (de 3 à 5) ont un
finesse de 10 environ.
Les multiples expressions de la finesse
6.4. LAPOLAIREDESVITESSESPOURLEVOLPLANE(COMPLEMENT
)
L'expression peut se rencontrer
sous les différentes formes suivantes :
Profils biconvexes
Les profils biconvexes peuvent être
symétriques ou dissymétriques.
Ce sont généralement des profils
performants et rapides.
f
Rz
Cz
1
Vx
D
et encore :
Pourunvolenplanérectiligne,ellereprésentelavitesseverticaleVzenfonctiondelavitesse
Rx Cx tan( ) Vz h
horizontaleVx.
Les profils biconvexes symétriques présentent des caractéristiques identiques en vol dos et
V
Ø Le point 1 : taux de chute mini
Ilcomme
représente
la vitesse
minimale
que l’on
en vol normal, ce qui en fait de bons profils pour les avions d'acrobatie.
f
très faible ) verticale
on peut écrire
Vx V (angle
Vz
L’intrados et l’extrados convexes sont symétriques par rapport à la
corde.
La
ligne
moyenne
et
peutprendrepourplaner.C’està
cettevitessequeladescenteseralapluslongueendurée.Pour
la corde sont confondues, la flèche est nulle ainsi que la courbure relative. Ces profils sont utilisés
P
unevitesseinférieure,ondécroche.
comme, en vol horizontal stabilisé Rx T et Rz P on a aussi f
pour les empennages verticaux et horizontaux.
T
Ø Le point 2 : finesse maximale.
Il représente la vitesse pour laquelle la distance
1 - AMV - BIA & CAEA.doc
Page 23 sur 103
16/11/2014
parcourueavantd’arriverausolseralaplusgrande.
III. Compléments sur les 4 types de profil fondamentaux (CAEA).
Ilreprésentelesvitessesverticaleethorizontaleque
Ø Lepoint3:pointdedécrochage
Profils biconvexes
l’onnedoitpasatteindresouspeined’arriverausolplusrapidementqueprévu....
Les profils biconvexes peuvent être
Page7
symétriques ou dissymétriques.
Ce sont généralement des profils
performants et rapides.
CoursdeM.Lecureur
Les profils biconvexes symétriques présentent des caractéristiques identiques en vol dos
en vol normal, ce qui en fait de bons profils pour les avions d'acrobatie.
L’intrados et l’extrados convexes sont symétriques par rapport à la corde. La ligne moyenn
BIA
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MECANIQUEDUVOL
Lamécaniqueduvolestl’étudedesdifférentesforcesquis’appliquentàunaéronefenvol.Lesforcessontrépartiesen3
fonctionsdépendantesdeleurorigine:
LesForcesPROPULSIVESgrâceauxmoteurs(hélices,turboréacteurs…)
MECANIQUE DU VOL
LesForcesAERODYNAMIQUESinduitesparlavitessededéplacementdel’aéronef
La mécanique du vol- est LesForcesINERTIELLESenfonctiondesaccélérationssubiesparlamassedel’avion
l’étude des différentes forces qui s’appliquent à un aéronef en vol. Les
forces sont réparties en 3 fonctions dépendantes de leur origine : INERTIELLE (en fonction des
accélération subies
par la
masse
de l’avion),
PROPULSIVE
AERODYNAMIQUE
Toutes
ces
forces
vont s’appliquer
au(moteurs)
CENTREetDE
GRAVITE de l’avion. En vol rectiligne uniforme la
induites par la vitesse de déplacement de l’aéronef).
sommedesforcesappliquéesaupointGestnulle.
Toutes ces forces vont s’appliquer au CENTRE DE GRAVITE de l’avion. En vol rectiligne
uniforme la somme des forces appliquées au point G est nulle.
1. LEVOLENPALIERRECTILIGNEUNIFORME
1 – Le vol en palier rectiligne uniforme
Les 4 forces vont s’équilibrer deux à deux :
- La trajectoire étant horizontale, la portance équilibre
le poids : Rz = mg.
- la vitesse est constante, la traction de l’hélice ou la
poussée du réacteur équilibre la traînée : T = Rx.
1 – Le vol en palier rectiligne uniforme (suite)
A savoir :
L’équation de la propulsion est :
A savoir :
L’équation de la sustentation est :
T = Rx = ½ .ρ. V2 . S . Cx
Rz = mg = ½ .ρ. V2 . S . Cz
N
kg
m.s-2
kg.m-3
N
m.s-1 m2
N
kg.m-3
m.s-1
m2
III – Mécanique
vol. de ces 2 équations, on obtient la for
En faisant ledu
rapport
2 – Les axes… de rotation de l’avion. mg/T = Rz/Rx = Cz/Cx = f
2. LECONTROLEDELATRAJECTOIREGRACEAUXFORCESAERODYNAMIQUES
2.1. LESAXESDEL’AERONEF
I. Les 3 axes
Pour un avion de masse donnée, volant en palier à une vitess
de Cz. Il n’y a donc qu’une seule incidence de vol possible à c
L’avion se déplace
dans les trois dimensions
et doit donc pouvoir
modifier son orientation
suivant 3 axes.
A cette incidence de vol correspond un seul Cx : ce dernier co
par conséquent, la traction (ou la poussée) à afficher.
Les 2 équations de sustentation et de propulsion sont étroitem
Pour un avion ils
portent les noms suivant :
Roulis… Roll
Tangage… Pitch
Lacet… Yaw
II. Les actions de pilotage correspondantes
AXES DE
L'AVION
Tangage
(axe transversal)
Roulis
(axe longitudinal)
Lacet
Gouverne
Commandes
Mouvement de l'avion
Profondeur
Manche ou volant Av-Ar
Montée ou descente
Ailerons
Manche ou volant G-D
Inclinaison latérale D ou G
Dérive
Palonniers
(Pédales)
Orientation du nez
Page8
Roulis
Action avant-arrière du manche
Tangage
CoursdeM.Lecureur
Lacet
Action gauche-droite du manche
Action du palonnier
BIA
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2.2. LESCOMMANDESDEVOL:
PalonniersGetD
Manche
III.
Le fonctionnement des gouvernes associées
2.3.
LEFONCTIONNEMENTDESGOUVERNESASSOCIEESAUXCOMMANDESDUVOL
Gouverne de profondeur et tangage
AXE
Gouverne
Commandes
Mouvement de l'avion
Tangage
Profondeur
Manche ou volant Av-Ar
Montée ou descente
(axe transversal)
L'action sur la gouverne de profondeur s'effectue au manche (ou volant).
On pousse (rouge) pour descendre. La
gouverne voit sa portance augmenter ce qui
génère un couple (effet) piqueur (la portance
fait se soulever la queue de l'appareil).
A l'inverse on tire (bleu) pour monter. (La
portance de la queue diminue etc…
Ailerons et roulis
AXE
Gouverne
Commandes
Mouvement de l'avion
Roulis
(axe longitudinal)
Ailerons
Manche ou volant G-D
Inclinaison latérale D ou G
L'action sur les ailerons s'effectue au manche (ou
volant). On incline le manche (ou on tourne le volant) vers le
coté ou l'on veut tourner.
Les deux ailes contribue à l’inclinaison de l’appareil mais de manières
différentes : l'aileron du coté intérieur au virage se relève, la portance de
l'aile diminue et s'enfonce ce qui provoque l'inclinaison. De l'autre coté
l'aileron s'abaisse et fait augmenter la portance. L'aile se relève et aide à
l'inclinaison souhaitée.
Gouverne de direction et lacet
AXE
Lacet
Gouverne
Commandes
Mouvement de l'avion
Dérive
Palonniers
(Pédales)
Orientation du nez
L'action sur la gouverne de
direction (seule) s'effectue au
palonnier. On pousse du coté ou
l'on veut tourner.
Poussée pied gauche (rouge)
oriente la dérive à gauche… et, par En fait la dérive se comporte verticalement comme un profil d’aile, et sa rotation
effet girouette, fait tourner à gauche provoque d’un côté une surpression et de l’autre une dépression comme dans le
Page9
CoursdeM.Lecureur
cas de la portance. La force aérodynamique qui en résulte fait tourner l’avion
autour de son axe de lacet)
BIA
CollègeP.Matraja
2016-2017
3. MONTEE,DESCENTEETVIRAGE:
3.1. LEVOLENMONTEERECTILIGNEUNIFORME:
Pourquel’avioneffectueunemontée,ilfautquelepiloteaugmentel’angle
d’assiette de l’avion et qu’il augmente en même temps la traction vers
l’avant.LatrajectoirefaitalorsunangleƔavecl’horizontaleappelépente.
Ilenrésultedeuxpropriétés«géométriques»fondamentales:
- en montée rectiligne uniforme, la portance de l’avion est inférieur
aupoidsdel’avion
Rz<mg
- doncenmontéerectiligneuniformelatractiondoitêtresupérieure
àlatraînéepourgarderunevitesseconstanteT>Rx
Remarque: on appelle VITESSE ASCENSIONNELLE, ou TAUX
DE MONTEE, la projection de la vitesse de l’avion sur un axe
vertical.OnlanoteVzetonaVz=V.sinγ
3.2. LEVOLENDESCENTERECTILIGNEUNIFORME:
Lors d’une descente, le pilote de l’avion réduit le gaz et la traction de l’avion
diminue.Onadonclaportancedel’avionquiresteinférieureaupoidsdufait
delapenteetlatractionquidevientinférieureàlatraînéecettefois-ci:
Rz<mg
T<Rx
Remarque: on appelle VITESSE VERTICALE DE DESCENTE, ou
TAUX DE CHUTE, la projection de la vitesse de l’avion sur un axe
vertical.OnlanoteVzetonaVz=V.sinγ
3.3. LEVOLENVIRAGESYMETRIQUEENPALIER:
Lamiseenviraged’unavionnes’effectuepascommepourunevoiture:si
on essaie d’orienter le nez de l’avion grâce au palonnier, en le faisant
pivoter autour de son axe de lacet, on constaterait qu'il volerait « en
crabe » et qu'il poursuivrait sa ligne droite pendant quelques instants.
Pour éviter cela, onfaitensorted’inclinerlaportancepour
déclencher un virage. Cette opération se fera en inclinant
lesailes. La composante horizontale de la portance est dirigée
vers l'intérieur du virage. Elle constitue ainsi une force
déviatricequimodifielatrajectoiredel'avion.
(CAEA)
Mais cette seule force n'oriente pas le nez de l'avion dans une direction
souhaitée.Ellenefaitqu'entraînerl'avionlatéralement.Ilfautparconséquentalignerl'aviondanslelitduventrelatif.
Lasolutiontientdansl'applicationde«l'effetdegirouette»:onplaceunesurfaceverticaleàl'arrière,ladérive,pour
quel'avionnevolepasencrabe.Grâceàelle,l'avionpivoteraautourde
son axe vertical (axe de lacet) et le nez s'alignera tangentiellement au
virage. Là est le rôle essentiel de la dérive : maintenir l'axe
longitudinal de l'avion parallèle à l'axe du vent relatif.
Lorsque cette condition est réalisée, le vol est dit «
symétrique»
este lorsque
rfaces latérales étant
es se trouvant située
tend à faire tourner
ramener dans le
Effet de girouette
le : l'effet redresseur du dièdre (BIA)
e clubs est un
rtance augmente
l'aile haute.
Page10
CoursdeM.Lecureur
Lors de ces phases de vols, l’avion et le pilote
subissent une force résultante qui naît de la conjugaison
du poids et de la force centrifuge générée par la courbure
CollègeP.Matraja
de trajectoire.
BIA
2016-2017
Paramètresfondamentauxlorsd’unvirage:
Cette force donne une sensation de tassement et elle
Lefacteurdecharge:c’estlerapportentrelaPortancedel’avion(Rz)etsonPoidsapparentP’.
est- d’autant
plus importante que la manœuvre est serrée
et/ou Le
rapide.
poids apparent augmente avec l’inclinaison du virage à cause de la force centrifuge
Exemple d'une ressource
(action sur le manche visant à faire remonter l'avion)
produite.
La portance doit être « égale et opposée » au poids apparent pour que le vol soit possible. Elle
est donc plus importante en virage qu'en ligne droite.
Valeur du facteur de charge (n) en fonction de l'inclinaison du virage (2 à 60°, 3 à 70° et 10 à, 84 °)
C’est cette augmentation que quantifie le facteur de charge.
Commeona
n=Rz/P’envirage,Rz=mg
etP’=mg.cosφ
donnent:
Pour un virage
coordonné (écoulement symétrique…
ou ni dérapé ni glissé), on
a la relation :
1
cos( )
Attentionaudécrochageenvirage!
n=1/cosφ
(avecφl’angled’inclinaisonduvirage)
n
-
Le graphisme ci-contre représente l’évolution du facteur de charge avec l’inclinaison.
Si n vaut 1, la portance est égale au poids, l'inclinaison est
nécessairement nulle.
Si n vaut 2, la portance vaut deux fois le poids de l'avion. La force
que l’on subit vaut deux fois la force que l’on subit à inclinaison nulle,
c'est-à-dire le poids. On a la sensation de peser deux fois plus lourd.
efforts subis par la structure de l'avion sont également deux fois
Les
plus importants qu'à inclinaison nulle.
Nombre de "G"
En fait le nombre de " G" souvent indiqué lors de présentation
d'avions
de chasse ou d'acrobatie est en fait… le facteur de charge
III. Virage
coordonné,
ou glissé… de l'orientation de la
lors de certaines
phases
de vol. dérapé
Les G dépendent
contrainte
par
rapport
au
pilote.
Le différentes manière de prendre un virage vues de l'extérieur
-Attentionauviragesnonsymétriques!
En G positifs la contrainte subit par le pilote s'exerce de haut en
bas le pilote subit un voile noir. Le cerveau n'étant plus suffisamment
irrigué par le sang, il y a perte de la vision (partiellement vers 4G
c'est le voile gris) , ceci précédant une perte de connaissance, vers
5G.
En G négatifs la contrainte subit par le pilote s'exerce de bas en haut et le
pilote subit un voile rouge. Cette situation est mal tolérée car la pression du sang
augmente dans la tête et dans les yeux. À cause de cette augmentation du volume
de sang, le pilote voit au travers d’une sorte de brouillard rose. Si l’intensité de la
force « g négative » est trop forte (supérieure à 5 g), des vaisseaux sanguins
peuvent se rompre dans le cerveau et donner des ruptures d’anévrismes causant
la plupart du temps la mort du pilote.
combinaison anti-G
Pour remédier à ces problèmes, les pilotes des avions de chasse portent une combinaison anti-G
qui serre en particulier fortement les cuisses pour empêcher le sang de s'y accumuler en grande quantité.
Les mêmes situations vues de l'intérieur
1 - AMV - BIA & CAEA.doc
Glissé
La bille "tombe" vers l'intérieur du virage
Page 43 sur 103
Normal ou coordonné
(correct) - La bille est centrée
16/11/2014
Dérapé
La bille est projetée vers l'extérieur du virage
.
IV. Rappel sur les axes
Les rotations d’un avion
se font toutes autour de son
centre de gravité et peuvent
être décomposées en trois
rotations suivant des axes bien
Page11
CoursdeM.Lecureur
des portances différentes et donc une rotation induite autour de l'axe de roulis
des trainées différentes et donc une rotation induite autour de l'axe de lacet
Ces effets dépendent beaucoup de l'avion et de sa vitesse d'évolution… Par exemple les ailerons très
éloignés de l'axe de lacet sur un planeur créent un important lacet inverse (important !) du fait du bras de
levier important de ces gouvernes, de l'envergure
et de la vitesse de l'objet volant.
CollègeP.Matraja
2016-2017
Il est donc indispensable de connaître ces effets secondaires pour comprendre le comportement de
l'avion
lors d'une action sur les
commandes.
ELACETINVERSE
UNEFFETSECONDAIREDESGOUVERNESDANGEREUX
BIA
4. L
:
II.
Le lacet inverse (BIA)
Pour débuter un virage, on commande les ailerons
pour obtenir une inclinaison autour de l'axe de roulis.
Le lacet inverse est une rotation en lacet de
l'appareil dans le sens opposé au sens du virage désiré.
…
VI
Le lacet inverse résulte d'un différentiel de traînée
entre les deux ailes. Le supplément de portance demandé
Equilibre de l'
pour faire monter l'aile extérieure au virage augmente la
traînée induite par la portance et la traînée de profil à
cause du braquage vers le bas de l'aileron (*).
Inversement, l'aile intérieure au virage voit sa traînée
Effet de lacet
I.inverse.
Trois points très particul
diminuer.
Le centre
Gravité
CG ou G (en
Le pilote annule le lacet inverse par une action sur la gouverne de direction, créant
ainsi unde
moment
de
rotation en lacet dans le sens favorable au virage. On appelle cette action la conjugaison des commandes.
Le centre de gravité (CG) ou baryc
la force de gravitation : le poids (P).
Des dispositifs automatiques ont aussi été inventés pour diminuer cet effet (voir plus loin (*) même partie).
Facteurs favorables au lacet inverse (CAEA)
Sa flèche
position
ne dépend
(*) Certains avions sont construits instables (Il existe des prototypes de chasseurs modernes avec
inversée
type que des masses des diffé
Le lacet inverse est lié à la mise en virage par les ailerons. Son effet est d'autant
fort que : chargement (passagers, essenc
se plus
déplacer
Su47…) mais seul
un ordinateur et des commandes
de ,vol
électriques permettent depeut
les faire
voler. lors du :
5.X29Lou
ECENTRAGE
:EQUILIBREDEL
’AVION
STABILITEETMANOEUVRABILITE
la stabilité en lacet est faible (petit bras de levier d'empennage vertical, grande envergure),
à
simplement déplacé pour équilibrer certains avions. Ce p
la traînée induite et donc le coefficient de portance est élevé (basses vitesses), C'est aussi le point autour duquel s'
5.1.
ES3POINTSPARTICULIERSD
’UNAVIONpar
: la tendance pour cet aéronef à revenir
LaleLstabilité
d’un aéronef est caractérisée
profil d'aile présente un chargement aérodynamique important dans sa partie arrière (profil
particulier les forces aérodynamiques s
sa
position
d’équilibre
lorsqu’une
cause
quelconque
l’en écarte.
d'intrados
creux
à
l'arrière).
dépendant du "bras de levier".
Le cas des planeurs (CAEA)
a)Lecentredegravité(CG):c’estlepointd'applicationdelaforce
Rôle
de
l'empennage
dans
la
stabilité
deLegravitation
: le
(P). Sa position
dépend que des masses
lacet inverse
estpoids
très prononcée
sur les ne
planeurs,
seule ne
peut apporter
une
stabilisation
suffisante
… ce
est tenu par l'empennage
appareils
à grande
envergure
volant
relativement
lentement
et pas
desL'aile
différentes
parties
de l'avion
et absolument
derôle
son
au m
dont
les profils sont très
cambrés
dansse
leur
partie arrière.
horizontal.
aérodynamique.
Il peut
donc
déplacer
lors du chargement
Avions très
spéciaux…(CAEA)
Si on suppose
une rafale de vent
(passagers,
essence,
bagages... etc) mais aussi en vol, lorsque
du
faisant augmenter
l'incidence de 5°.
Les avions,est
notamment
ceux
qui volent
lentement, sont
carburant
consommé
, ou
mêmeplus
simplement
déplac2
pour
de gr
La portance augmente
aussi
sujets aucertains
lacet inverse.
LeCe
Gossamer
Condor
de PAS
Paul un point FIXE.
équilibrer
avions.
point n'est
donc
de ro
MacCready, engin à grande envergure, à faible stabilité
Le
centre
de
poussée
avance
Ce point est également l’intersection (ou l'origine) des trois axes de
directionnelle et volant très lentement, avait un lacet inverse
Tout
ceci
crée
une
augmentation
rotationdel'avion(Roulis,tangageetlacet).
Centre de poussée CP
tellement
fort que la technique de virage n'a pu être maîtrisée
supplémentaire du cabrage !
qu'en vrillant l'aile en sens inverse du sens normal : le lacet
Pour le plan fixe
estportance
le même.
se forces
crée sur chaque par
inverse
généré
entraînait
une rotation
en lacet
dans
sens désiré
b) Le
centre
de poussée
(CP):
c’est
lele point
d'application
del'effet
la La
résultante
des
La portance
augmente
négligeable)
. Le point d'application de la por
quiaérodynamiques.Pourlesavionsclassiqueslecentredepousséeestunpointquisesitueauniveaudu
était suffisante pour amener du roulis induit dans le bon sens
Gossamer Condor
!
Une force
supplémentaire
s'exerce
point
d'application
de la résultante des f
profilentre30et50%delacordedepuislebordd’attaque.Cepointn'estdoncPASunpointFIXE:
sur l'empennage.
Elle est
dirigée vers
le qui rassemble une mul
"barycentre"
c'est-à-dire
un point
ilsedéplaceenfonctiondel’angled’incidencesurl’aile.
haut.
Pour les avions classiques le centr
30c'est
et 50%
de la corde
c) Le foyer (F): Le foyer est un point trè s important pour un avion.entre
En fait
sa position
par depuis le bor
Page 49 surcar
103 retour vers l'assiette initiale) qui 16/11/2014
crée un couple piqueur (stabilisateur
rapport au centre de gravité qui a une trè s grande importance qui dé termine
sa stabilité
et sa
Le
foyer
F
s'oppose à l'effet cabreur de l'aile.
maniabilité
. Il est dé fini comme le point d’application des variations de portance.
En pratique il se
L'avion sera STABLE si l'effet redresseur produit par le plan fixe est supérieur Le
à l'effet
foyer est un point très important
situeentre20et30%delacordedepuislebordd’attaque.SAPOSITIONVARIEPEU.
perturbateur créé par l'aile.
1 - AMV Au
- BIA
& CAEA.doc
bilan
l'empennage
de gravité qui a une très grande importan
comme le point d’application des varia
5.2.
LESCENTRAGED’UNAVION :
Le centrage
la corde depuis le bord d’attaque. Sa pos
Pour obtenir la stabilité il faut positionner le centrage en respectant certaines règles dictées par la
Ce point difficile à définir de manièr
mécanique et l'aérodynamique.
Commençons par l'identifier sur une
Considérons une girouette, articulée autour d'un axe pa
Centrer un aéronef signifie placer son centre de gravité à une
certaine
distance
du le vent et changera de dire
indique
bien la direction
d'où vient
l'écarte, à la main, de cette position d'équilibre, elle y reviend
foyer.
Pour
la seconde
La règle absolue de la stabilité est de placer le centre de gravité en
avant
du girouette,
foyer. l'axe, toujours en G, se trouv
Si G se rapproche un peu trop de F l'avion
devient très réactif à la moindre sollicitation des
commandes. On veillera donc à garder une marge.
tourne le dos au vent ! Si on la remet dans le bon sens, elle s'é
d'équilibre précédente (fig 2). Cette girouette fonctionne à l'e
La dernière girouette présente un axe placé dans une po
plus ! Quel que soit le vent elle reste dans la position dans laq
fig 3), ignorant totalement la direction d'où vient le vent. L'axe
Détermination expérimentale du foy
La détermination de la position du f
La distance G F s'appelle la marge statique.
démarche que pour la girouette. Le fusela
perçages. Le système (maquette traversé
La zone de positionnement de G (en vert sur le
schéma) par rapport à F s'appelle la plage de
s'affranchir de la pesanteur puis placé da
centrage.
Cas n° 1 : pour un perçage situé p
flux d'air.
En dehors de cette plage le centrage devient dangereux. (En pratique la plage de centrage
avec
Casa été
n°calculée
2 : pour
un perçage situé p
une tolérance raisonnable… mais il ne vaut mieux pas explorer cette zone de tolérance)
d'air.
Le cas intéressant ! On comprend
Page12
CoursdeM.Lecureur
position
pour laquelle l'avion est indifféren
déterminé est le foyer de l'avion.
Le foyer est le point pour lequel le