Cours de pilotage 1
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Cours de pilotage 1
COURS DE PILOTAGE er 1 partie Ma partie sera en Français, et les parties théories et cours seront en anglais car de toute manière en aéronautique tout ce fait en anglais, donc… Ps : J’ai pompé les cours dans Flight Simulator X ☺ Voici un tableau de bord d’un petit avion. Tout d’abord apprendre par cœur le nom des instruments et surtout A QUOI ILS SERVENT !!!! Instrument de bord (aéronautique) Les instruments servent à présenter au pilote toutes les informations qui lui sont utiles au maintien en vol de son avion, à sa navigation, à ses communications avec les infrastructures de la gestion du trafic aérien et lui permettent d'interagir avec son avion. Ils sont regroupés sur le tableau de bord aussi près que possible du pilote. Les quatre instruments de base sont toujours disposés de la même façon (en configuration de T basique) : l'horizon artificiel au centre, l'anémomètre à sa gauche, l'altimètre à sa droite, le gyro directionnel ou plateau de route en dessous. Cette disposition permet d'optimiser le circuit visuel au cours du vol. La disposition des autres instruments est relativement standard mais varie d'un avion à l'autre. Avec la généralisation des écrans rassemblant toutes les informations du T de base sur une seule surface de visualisation, les instruments conventionnels ne sont conservés sur les planches de bord équipées d'écrans qu'à titre d'instruments de secours pour pallier une éventuelle défaillance des systèmes électroniques. Ils peuvent être présentés sous forme classique (voir la première image ci-dessous) ou leurs informations intégrées dans un écran (voir poste de pilotage de l'A319). À noter que les photos correspondent à des avions différents dans des situations de vol différentes ; les indications des instruments ne correspondent donc pas. Les différents types d'instruments [modifier] Les instruments de bord utilisent pour la saisie des informations et leur visualisation différents systèmes : instruments électromécaniques, pneumatiques, électroniques, radioélectriques etc. On pourrait les classer selon leur mode de fonctionnement ou bien leur fonction (informations de vitesse, d'attitude par rapport au milieu environnant, de navigation ou même simplement par ordre alphabétique). La liste ci-dessous ne suit actuellement aucune de ces logiques. Compas magnétique [modifier] Il utilise le champ magnétique terrestre comme référence. Il est constitué d'une lunette de lecture sur un boitier étanche rempli d'un liquide dans lequel se déplace librement un équipage mobile formé par une rose des caps et des barreaux aimantés. C'est un instrument peu précis qui donne des indications fausses dès que l'avion n'est pas stable sur une trajectoire rectiligne, horizontale et à vitesse constante. Il est néanmoins utile, notamment lors de prises de caps, ou de repères géographiques (voir article boussole). De plus, il est influencé par les champs magnétiques engendrées par les équipements électriques de l'avion. Aussi, il est accompagné d'une courbe de calibration, établie dans des conditions standard de mise sous tension des équipements proches. Enfin, comme pour tout compas magnétique, il faut tenir compte de la déclinaison du pôle magnétique et des influences locales. Instruments aérodynamiques (ou anémobarométriques) [modifier] Ils utilisent les propriétés liées à la pression de l'air environnant. Une sonde (appelée tube de Pitot) disposée sur l'avant du fuselage ou de la voilure permet de capter la pression totale à un endroit où la pression créée par l'écoulement de l'air autour de l'avion (vent relatif) et la pression atmosphérique régnante s'additionnent. Des prises d'air disposées sur le côté du fuselage de l'aéronef permettent de mesurer la pression atmosphérique pure (pression statique) à un endroit où le déplacement de l'air n'a aucun effet. La vitesse de l'avion par rapport au vent peut alors être déduite de la différence entre pression totale et pression statique. Cette différence représente la pression dynamique, proportionnelle à la vitesse de l'avion par rapport à l'air. Le système installé sur les aéronefs est désigné par le terme anémobarométrique (voir plus bas anémomètre). Altimètre [modifier] Un altimètre est un simple baromètre (exactement le même qui sert aux météorologistes pour lire une pression atmosphérique) qui est étalonné pour indiquer directement une information d'altitude exprimée en pieds ou en mètres. Les scientifiques ont mis au point une échelle, qui met en relation une pression statique directement avec une information d'altimétrie. On considère en atmosphère standard que 1 hPa (hectoPascal) correspond à 27 ft (pieds). Pour mémoire la référence de l'atmosphère standard (ou atmosphère type OACI) a été réalisée au niveau de la mer (Marseille) à une température de 15°C, 0% d'humidité et une pression atmosphérique de 1 013,25 hPa . La pression atmosphérique change constamment ; il faut donc recaler l'altimètre pour avoir une information correcte. Différents calages altimétriques : (voir langage (aéronautique), Code Q) • • QNH : indique une altitude. Le "0" de l'altimètre correspond au niveau de la mer. QFE : indique une hauteur. Le "0" de l'altimètre correspond à une altitude topographique (en cours de disparition, remplacé par les radiosondes sur les avions de ligne). • QNE, ou calage au FL (pour Flight Level, en français Niveau de Vol). Le "0" de l'atimètre correspond à l'altitude où l'on rencontre la pression atmosphérique standard ( 1013,25 hPa ). On indique ensuite l'altitude par tranches de centaines de pieds. Ex : le FL 100 correspond à une altitude de 10 000 pieds au-dessus de l'altitude "1013,25 hPa". En raison de la variation constante de la pression atmosphérique, les FL se déplacent continuellement, dans le sens vertical. Ce calage est très utilisé pour les avions de ligne, ainsi que pour la délimitation de zones aériennes fixes, telles les TMA, CTR, et autres zones d'approches ou d'interdictions de survol. Anémomètre (badin) [modifier] Les premiers instruments de mesure de la vitesse étaient constitués d'un levier vertical articulé autour d'un pivot et supportant une palette rectangulaire orientée perpendiculairement à l'écoulement du vent relatif et une aiguille. Il était maintenu en position zéro par un ressort calibré (principe du peson). La pression du vent faisait déplacer l'aiguille sur un cadran pour indiquer la vitesse air. Conçu en 1910, il était désigné indicateur Etévé du nom de son inventeur Albert Etévé. Ce système était appelé antenne à déflection sur le Stampe SV4. En 1965, certains Tiger Moth en étaient encore équipés. Aujourd'hui, le dispositif utilisé est un instrument appelé badin en France (du nom de son inventeur, Raoul Badin) associé au tube de Pitot. C'est un manomètre étalonné en fonction de la loi de Bernoulli qui détermine la « pression dynamique » qui est égale à la différence entre la pression totale et la pression statique. Cette pression dynamique, est fonction de la vitesse de l'avion par rapport à l'air et permet d'afficher une information de vitesse air sur le badin. Elle est généralement mesurée en nœuds, mais, sur quelques avions français et sur les avions russes, elle est donnée en kilomètres par heure. L'anémomètre donne la vitesse indiquée (Vi) ou vitesse lue. Cette vitesse correspond à la vitesse propre (Vp) ou vitesse vraie à la pression de 1 013,25 hPa (au niveau de la mer en atmosphère standard) et à la température de 15°C. Avec la baisse de la densité de l'air, donc en montant, la vitesse propre est supérieure à la vitesse indiquée (une approximation peut être faite en ajoutant 1% par tranche de 600 pieds au dessus de la surface 1 013 hPa). Les arcs de couleurs indique les zones de vitesses maximale : • • • • L'arc vert indique les conditions normales de vol de l'avion (braquage des commandes à fond sans risque de détérioration), L'arc jaune les vitesses interdites en air turbulent, L'arc blanc la zone où l'on peut utiliser les équipements augmentant la traînées (volets, trains d'atterrissage, etc.) Enfin le trait rouge indique vitesse limite, particulièrement pour la structure de l'appareil. Voir les vitesses aéronautiques Pour les avions volant à des vitesses proches de celle du son et au-delà, d'autres lois sont applicable et donc, d'autres instruments : machmètre. Variomètre [modifier] Dans sa version classique, cet instrument utilise les variations de pression statique pour indiquer des variations d'altitude, c'est-à-dire des vitesses verticales. De l'air à la pression statique extérieure est stocké dans une bouteille appelée capacité qui se met à pression avec un temps connu. La pression dans la capacité est donc en retard par rapport à la pression courante. Au moment de la mesure, l'instrument fait la différence entre la pression extérieure et la pression de la capacité. À noter que le variomètre fonctionne avec un léger temps de retard, dû au temps de remplissage de la capacité. Il existe une version différente, où l'instrument est appelé à énergie totale (ou variomètre compensé). Il indique la variation de la somme de l'énergie cinétique (due à la vitesse), et de l'énergie potentielle (due à l'altitude). Il est utilisé pour la pratique du vol à voile, où il est intéressant de connaître le gain d'énergie du planeur du à la vitesse verticale de la masse d'air, et ce même lors d'une ressource. En effet en vol à voile, l'absence de moteur fait que la seule cause possible d'une augmentation de l'énergie est une masse d'air ascendante (les frottements sont négligés). Le variomètre à énergie totale indique donc la variation d'énergie traduite en vitesse verticale. Lors de la prise de vitesse précédant le décollage, il indique une valeur positive bien que la vitesse verticale soit nulle. Il existe enfin des variomètres dits « netto » qui déduisent la vitesse verticale de la masse d'air, en fonction des variations de l'énergie totale et des caractéristiques du planeur. Instruments gyroscopiques [modifier] Ils utilisent les propriétés des corps en rotation rapide que sont les gyroscopes : fixité de l'axe du rotor dans l'espace absolu, couple gyroscopique, précession. Les gyroscopes classiques sont entrainés par une pompe à vide ou un moteur électrique qui leur confère une vitesse de rotation très élevée (10 000 t/mn dans le premier cas, 20 000 t/mn dans le second). Gyro compas / Gyro Directionnel [modifier] Il s'agit d'un gyroscope à deux degrés de liberté qui permet de conserver une référence de cap de façon beaucoup plus précise qu'un compas magnétique. Il est asservi à une vanne de flux (en anglais : flux valve) qui permet de le recaler automatiquement en fonction du champ magnétique terrestre. Il est aussi appelé plateau de route. Horizon artificiel [modifier] Il s'agit d'un gyroscope à deux degrés de liberté qui permet de visualiser l'attitude de l'avion par rapport à ses axes de roulis et de tangage et plus précisément de leurs angles avec un plan horizontal : assiette et inclinaison. Indicateur de virage et de dérapage (bille-aiguille) [modifier] L'indicateur de virage est un gyroscope à un degré de liberté qui permet de visualiser le taux de virage (et non l'inclinaison) de l'avion. Il est associé à une bille qui se déplace dans un tube incurvé selon la verticale apparente et qui visualise le dérapage de l'avion. La bille fonctionne simplement par gravité. En effet, quand le dérapage est nul et le vol symétrique, la gravité relative (gravité équivalente créée par le poids et la force centrifuge) est selon l'axe vertical de l'avion. Si la gravité relative forme un angle avec la verticale du planeur, c'est qu'il existe un dérapage. En vol à voile, l'indication donnée par la bille est souvent doublée par un fil de laine collé sur la verrière. Le fil de laine est collé par une de ses extrémités, et la dizaine de centimètres du fil (souvent de couleur rouge) se déplace avec le vent relatif. Le fil indique alors l'angle entre le vent relatif et l'axe du planeur, ce qui est la définition du dérapage ou de la glissade. Centrale à inertie [modifier] La centrale à inertie (en anglais Inertial Navigation System, INS) est composée de 3 gyroscopes à 3 degrés de liberté et d'un trièdre d'accéléromètres. Après une phase de stabilisation, tous les mouvements de l'avion autour de la position de référence sont connus. Elle remplace donc l'horizon artificiel et le gyro directionnel. Par intégration des signaux des accéléromètres, les vitesses de l'avion selon les trois axes sont calculées dans le référentiel terrestre. La position de l'avion est ainsi calculée toujours dans le référentiel terrestre, faisant ainsi abstraction des mouvements dus aux courants aériens. La dérive de position est de l'ordre du mile marin à l'heure. Ce système est donc insuffisant pour déterminer l'altitude avec une précision suffisante. Pour corriger les défauts, il existe plusieurs méthodes dont le couplage barométrique ou encore le couplage avec un GPS. Les avions de ligne devant franchir les océans en empruntant les espaces MNPS sont équipés de trois centrales de ce type. On trouve deux types de centrales, celles qui sont équipées de gyroscopes mécaniques ou les plus modernes qui sont équipées de gyrolasers. Gyrolaser [modifier] Un gyrolaser est composé d'un circuit de lumière parcourant un triangle équilatéral. La source de lumière (rayon laser) est appliquée au milieu de la base du triangle, ou elle est séparée en deux faisceaux vers les deux angles inférieurs du triangle où sont placés deux miroirs qui redirigent les deux faisceaux de lumière vers le troisième sommet. La vitesse de propagation de la lumière étant constante, si le triangle est animé d'un mouvement de rotation dans son plan, la distance parcourue dans les deux branches devient différente. Grâce aux propriétés du rayonnement laser, on observe alors une interférence au sommet du triangle. Un détecteur photoélectrique peut compter et déterminer le sens de défilement des raies de cette interférence, dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation du triangle sur luimême. En montant trois dispositifs de ce type selon un trièdre, et en traitant les signaux, il devient possible de déterminer tous les mouvements d'un avion selon ses trois axes comme avec un gyroscope mécanique. En ajoutant les accéléromètres et le traitement de leurs signaux, une centrale à inertie a été reconstituée. Instruments électromagnétiques [modifier] Radioaltimètre [modifier] Il utilise un radar placé sous le fuselage utilisant l'effet doppler. Il est utilisé pour les procédures d'approche finale ou dans le cadre de la prévention contre le risque de percuter le relief. Il indique de façon très précise (à 50 cm près) la hauteur de l'avion par rapport au sol. Instruments de radio-navigation [modifier] Ils utilisent des stations au sol ou des satellites pour fournir des indications sur la position de l'avion dans l'espace (voir GPS). Radiocompas (ADF - Automatic Direction Finder) [modifier] Une antenne sur l'avion capte un signal radio (dans la bande de fréquence de 190 kHz à 1750 kHz) émis par un émetteur au sol appelé NDB (Non Directional Beacon). L'information délivrée au pilote est présentée par une aiguille qui indique la direction de cette station. VOR (VHF Omnidirectional Range) [modifier] Une antenne sur l'avion capte un signal radio (dans la bande de fréquence de 108 à 118 MHz) émis par un émetteur au sol appelé VOR. L'information délivrée au pilote est présentée par une aiguille qui indique le cap à suivre pour se diriger vers (ou s'éloigner de, selon la sélection) cette station. RMI (Radio Magnetic Indicator) [modifier] Il combine sur un même instrument les fonctions ADF et VOR et donne le cap à suivre pour se diriger vers (ou s'éloigner de, selon la sélection) ces stations. DME (Distance Measuring Equipment) [modifier] Un équipement sur l'avion échange un signal radio (dans la bande de fréquence de 960 à 1215 MHz) avec une station au sol. L'information délivrée au pilote est la distance oblique à cette station, sa vitesse de rapprochement (ou d'éloignement) ainsi que le temps nécessaire pour la rejoindre. ILS (Instrument Landing System) [modifier] Une antenne sur l'avion capte deux signaux radio lors des approches. L'information délivrée au pilote est l'écart de sa trajectoire par rapport à l'axe de la piste et la pente qu'il doit tenir pour aboutir au seuil. L'ILS est utilisé pour les atterrissages tous temps en IFR. L'indication « droite-gauche » est véhiculée par une émission VHF (de 108.1 à 111.95 Mz), tandis que l'indication « haut-bas » est véhiculée par une émission UHF (de 334.7 à 330.95 Mhz) GPS (Global Positioning System) [modifier] Appareil disposant d'une antenne qui capte un signal radio UHF émis par une constellation de satellites. L'information délivrée au pilote est sa position sur le globe terrestre (latitude, longitude et, avec une mauvaise précision, altitude), sa route vraie ainsi que sa vitesse par rapport au sol. Systèmes de visualisation électronique (EFIS - Electronic Flight Instruments System) [modifier] Ils permettent de visualiser sur des écrans (PFD - Primary Flight display, ND - Navigation Display) l'ensemble des paramètres nécessaires au pilote. De la même façon, des écrans (ECAM - Electronic Centralised Aircraft Monitoring sur Airbus) permettent d'afficher les paramètres moteurs. Sur Dornier Do 328, L'EICAS (Engine Indicating and Crew Alerting System) est un écran central divisé en 2 parties, la 1ère qui symbolise les paramètres moteurs, et la 2ème, le CAS FIELD, dans laquelle sont centralisées toutes les informations et alarmes de l'avion, avec un code couleur selon l'importance du message: • • • Cyan : Informations Ambre : message de dysfonctionnement mineur ou illogique; Magenta : alarmes ou pannes majeures à traiter d'urgence par l'équipage. Voir aussi : HUD / Affichage tête haute Système de gestion de vol [modifier] Système de gestion de vol (FMS - Flight Management System) [modifier] Il permet grâce notamment à une centrale inertielle couplée à un calculateur d'assister le pilote pendant le vol. Il lui fournit des renseignements sur le pilotage, la navigation, les estimées, la consommation, etc. Système de pilotage automatique (PA en français ou AFCS - Automatic Flight Control System) [modifier] Il permet, grâce à un ensemble de servocommandes, d'asservir l'avion dans une configuration de vol (mode de base) ou sur une trajectoire donnée (mode supérieur). Ces 2 systèmes partagent le ou les mêmes calculateurs. Ils fonctionnent selon 3 phases : armé (le calculateur acquiert les données), capture (le calculateur indique les corrections à effectuer), maintien (le calculateur tient les paramètres). Directeur de vol (DV) [modifier] Il fournit au pilote une aide en lui indiquant le sens et l'amplitude des manœuvres à effectuer pour amener l'avion dans une configuration de vol ou sur une trajectoire sélectionnée. Il se présente sous la forme de moustaches sur l'horizon artificiel qu'il s'agit de faire correspondre avec la maquette de l'avion qui y figure, ou sur la forme d'une croix sur laquelle aligner le repère central représentant l'avion. Instruments de surveillance des paramètres moteurs et autres systèmes [modifier] Manomètres [modifier] Ils indiquent les pressions d'huile, de carburant ou d'admission. Tachymètre [modifier] Il indique le vitesse de rotation d'un moteur (en tr/min) ou d'un réacteur (en % d'un régime nominal). Systèmes d'alarmes [modifier] Avertisseur de décrochage [modifier] Il émet un signal sonore ou une vibration du manche le pilote lorsque l'avion s'approche de l'angle d'incidence maximum avant décrochage. Ce système s'appelle Stall Warning System Avertisseur de proximité du sol [modifier] L'avertisseur de proximité du sol (GPWS - Ground Proximity Warning System) permet de prévenir (par un message vocal « terrain » ou « pull up ») le pilote lorsque l'avion s'approche du sol. Une version améliorée possède en plus une cartographie plus ou moins fine du terrain qui est présentée aux pilotes sur les écrans EFIS en cas d'alarme. Sur A380, le programme présente une vue en coupe latérale du plan de vol. Dispositif d'évitement de collisions [modifier] Le dispositif d'évitement de collisions (TCAS - Traffic and Collision Avoidance System) permet de prévenir (sur un écran et par un message vocal « trafic ») le pilote lorsque l'avion s'approche d'un autre avion. Il peut également proposer (en se synchronisant avec le TCAS de l'autre appareil : coordination des manœuvres) une manœuvre d'évitement dans le plan vertical (climb: monter, descend: descendre). Le BEA préconise de suivre les instructions du TCAS en priorité sur les instructions données par le Contrôle aérien (suite à la collision en plein ciel de 2 avions au-dessus du sud de l'Allemagne - voir Vol 2937 Bashkirian Airlines). Unité en aviation Même dans les pays où le système international est en vigueur, les pilotes utilisent des unités différentes. Il y a trois raisons essentielles : • • • l'habitude, le fait qu'ils volent sur des avions souvent anciens, l'importance du marché états-unien qui influence les fabricants d'instruments de bord. Essentiellement, il s'agit des unités suivantes : • • • le pied (ft), pour mesurer des distances verticales, le mille marin, ou nautique (NM), pour mesurer des distances horizontales, le pouce de mercure (inHg), pour mesurer des pressions d'admission. Les équivalences sont les suivantes : • • • 1 ft = 0,3048 m, 1 NM = 1852 m, 1 inHg ≈ 33,86 hPa. Notons aussi des unités dérivées telles que : • • le pied par minute (ft/min), pour mesurer une vitesse verticale, le nœud (kt), ou mille nautique par heure, pour mesurer une vitesse horizontale. Les équivalences sont les suivantes : • • 100 ft/min = 0,508 m/s 1 kt ≈ 0,514 m/s Il est intéressant de noter quelques points concernant l'habitude qui tiennent à quelques relations simples entre ces unités ou à des calculs plus complexes : • • • 1 NM ~ 6000 ft (6076 ft) ; un plan de descente ou de montée exprimé en pourcents multiplié par une vitesse horizontale en nœuds donne une vitesse verticale approximative en pieds par minutes ; par exemple, à 100 kt pour descendre sur un plan de 5 % il faut compter environ 500 ft/min ; une vitesse exprimée en nœuds multipliée par 15 % donne approximativement un angle d'inclinaison en degrés permettant d'effectuer un demi-tour en une minute ; par exemple à 140 kt, il faut incliner l'avion d'environ 21° pour ce faire. Niveau de vol Un niveau de vol est en aéronautique une altitude exprimée en centaines de pieds au dessus de la surface isobare 1013.25 hPa. Un niveau de vol est exprimé en centaines de pieds, et précédé de l'acronyme FL (Flight Level, niveau de vol). Ainsi une altitude de 30 000 pieds avec un calage de 1013.25 hPa est notée FL 300. La référence 1013.25 [modifier] En altimétrie, une altitude en aviation calculée à partir d'une différence de pression entre une pression avec laquelle on calibre l'altimètre et la pression statique à l'extérieur de l'avion. Pour mesurer une altitude par rapport à un aérodrome, on entre comme pression de référence la pression au sol sur l'aérodrome, appelée QFE. Pour avoir une altitude par rapport au niveau de la mer, on calibre l'altimètre avec la pression ramenée au niveau de la mer, le QNH. On pourrait penser que le QNH est la façon la plus simple d'obtenir une altitude en vol. Mais en fait, la pression atmosphérique ramenée au niveau de la mer change suivant les endroits. Il faudrait donc, surtout pour un vol de longue durée, recalibrer constamment l'altimètre avec le QNH local pour avoir une altitude. Mais une telle précision n'est pas nécessaire dans un vol. De plus, le risque est de voir deux avions avec un calage différent se retrouver beaucoup plus proches verticalement que les altitudes indiquées sur leurs altimètres ne le laissent à penser. Par conséquent, au dessus d'une certaine altitude, quand la proximité du relief est moins importante, tous les pilotes changent leur calage en un calage standard, 1013.25, qui est la pression au niveau de la mer en atmosphère standard. Il est ainsi garanti que tous les avions au dessus de cette altitude, appelée altitude de transition, utiliseront la même référence pour calculer leurs altitudes. Utilisation des niveaux de vol [modifier] L'utilisation des niveaux de vol obéit à la règle de la semi circulaire. Pour aider les aéronefs à se séparer, notamment dans les espaces aériens non contrôlés. Les règles d'utilisation sont les suivantes : Les vols VFR utilisent les niveaux de vol se terminant par un 5 : FL 45, FL 55, etc. Les vols IFR utilisent les niveaux de vol se terminant par un 0 : FL 50, FL 60, etc. Les niveaux de vols sont qualifiés de pair et impairs suivant leur chiffre des dizaines : Pairs : FL 40, FL 45, FL 60, FL 65, FL 80, FL 85, FL 100, FL 105, FL 120 etc. Impairs : FL 50, FL 55, FL 70, FL 75, FL 90, FL 95, FL 110, FL 115, FL 130 etc. Les niveaux de vols impairs sont utilisés quand l'aéronef suit une route magnétique entre 0° et 179°. Le moyen mnémotechnique associé est : Impair comme Italie (qui est à l'est de la France) Les niveaux de vols pairs sont utilisés quand l'aéronef suit une route magnétique entre 180° et 359°. Le moyen mnémotechnique associé est : Pair comme Portugal (qui est à l'ouest de la France) Grace a ces règles, on assure un espacement de 500 pieds entre un IFR et un VFR. On assure mille pieds entre deux aéronef en régime de vol identique, mais de direction opposée. Le contrôle aérien peut déroger à la règle de la semi circulaire, soit de manière ponctuelle a l'aide d'une clairance, soit de manière systématique. Ainsi les règles d'utilisation des niveaux de vols sur certaines routes sont définis comme "Pair vers le nord, et impair vers le sud". La règle de la semi circulaire doit être considérée comme un guide, non comme une règle fixe et absolue. Cependant le respect de cette règle augmente grandement la sécurité, et il est grandement conseillé de la suivre chaque fois que cela est possible. Cette règle s'applique pour les vols d'altitudes égaux ou supérieurs à 3000 pieds ASL. COURS EN ANGLAIS Learn the elements of flight and flying The Four Forces of Flight Inventors and scientists struggled for centuries to understand the basic principles of flight, and experts still debate the details of aerodynamics. Pilots need to understand a few fundamental concepts, starting with the four forces that affect flight: lift, weight, thrust, and drag. These four forces act in pairs. Lift (the sum of all upward forces) opposes weight (the sum of all downward forces). Similarly, thrust (forward pulling force) opposes drag (rearward pulling force). The opposing forces balance one another in steady-state flight. Steady-state flight includes straight-and-level flight and constantrate climbs or descents at steady airspeeds. You can assume that the four forces act through a single point called the center of gravity (CG). Lift Lift is the force that makes an airplane fly. Most of an airplane's lift comes from its wings. You control the amount of lift a wing creates by adjusting airspeed and angle of attack (AOA)—the angle at which the wing meets the oncoming air. In general, as an aircraft's airspeed or angle of attack increases, so does the amount of lift created by the wings. As an airplane's speed increases, you must reduce the angle of attack—lower the nose slightly—to maintain a constant altitude. As the airplane slows down, you must increase the angle of attack—raise the nose slightly—to generate more lift and maintain altitude. Remember that even in a climb or descent, lift essentially equals weight. An aircraft's rate of climb or descent is primarily related to the amount of thrust generated by its engines, not by the amount of lift created by its wings. Weight Weight opposes lift. As a practical matter, you can assume that weight always acts along a line from the airplane's center of gravity to the center of the earth. At first you might assume that weight changes only as fuel is consumed. In fact, as an airplane maneuvers, it experiences variations in load factor, also known as G forces, which change the load supported by the wings. For example, an airplane making a level turn in a 60-degree bank experiences a load factor of 2. If that airplane weighs 2,000 pounds (907 kg) at rest on the ground, its effective weight becomes 4,000 pounds (1,814 kg) during that turn. To maintain the balance between lift and weight during maneuvers, you must adjust the angle of attack. During a steeply banked turn, for example, you must raise the nose slightly (increase the angle of attack) to produce more lift and thus balance the increased weight. Thrust Thrust provided by an aircraft's power plant propels it through the air. Thrust is opposed by drag, and in steady-state flight, thrust and drag are equal. If you increase thrust and maintain altitude, thrust momentarily exceeds drag, and the airplane accelerates. Drag increases, too, however, and soon drag once again balances thrust. The airplane stops accelerating and resumes steady-state flight at a higher, but constant airspeed. Thrust is also the most important factor in determining your airplane's ability to climb. In fact, an airplane's maximum rate of climb is related not to the amount of lift its wings create, but to the amount of power available beyond that required to maintain level flight. Drag Two kinds of drag affect an airplane. Parasite drag is friction between the air and an aircraft's structure— landing gear, struts, antennas, and so forth. Parasite drag increases as the square of an aircraft's velocity. If you double airspeed, parasite drag quadruples. Induced drag is a byproduct of lift. It is caused by air moving from the high-pressure area below a wing into the low-pressure area above the wing. This effect is most pronounced at slow airspeeds where a high angle of attack is necessary to produce enough lift to balance weight. In fact, induced drag varies inversely as the square of the airspeed. If you reduce airspeed by half, induced drag increases four times. A Balancing Act You can observe the relationship between the four forces by trying some experiments in Flight Simulator. Set up straight-and-level flight in the Cessna Skyhawk SP Model 172. Without moving the flight controls, add power. At first, airspeed increases, then the nose pitches up. Soon, however, the airplane stops accelerating and the airspeed returns to about its original value. Notice, however, that because you've added power, the airplane climbs at a steady rate. Reduce the power below the original setting, and the airspeed eventually settles near the original value, but the airplane descends at a steady rate. The Axes of Flight Aircraft rotate around three axes: the longitudinal axis, the vertical axis, and the lateral axis. In an airplane, movement about each axis is controlled by one of the three primary control surfaces. Ailerons, Rudder, and Elevator Pilots use ailerons to bank or roll about the longitudinal axis. Rudder controls yaw about the vertical axis, and the elevator controls pitch about the lateral axis. The three axes intersect at the center of gravity. Smooth, coordinated use of controls separates pilots from airplane drivers. Good pilots use all the flight controls together to produce coordinated motion about the three axes. Straight-and-Level Flight Flying straight and level may look simple, but it's actually one of the more difficult flight maneuvers to master. Because pilots want to control airplanes, they overdo it most of the time and interfere with the airplane's basic stability. Like a balancing act, straight-and-level flight requires that you make smooth, small corrections to keep the airplane from wobbling all over the sky. Divide and Conquer It's best to break down the task of establishing and maintaining straight-and-level flight into two parts: Holding a constant altitude and airspeed. This part requires that the pairs of opposing forces—lift and weight, thrust and drag—remain balanced. Holding a Constant Heading This part requires you to monitor the heading indicator and turn coordinator to hold the wings level, maintain coordinated flight, and correct minor deviations in heading. Pitch + Power = Performance Fortunately, there's a simple rule that can help you handle the first task. The basic equation "Pitch plus power equals performance" is a pilot's golden rule. It means simply that if you establish a specific pitch attitude and set power at a constant level, the airplane will fly at a particular airspeed and either maintain level flight or climb or descend at a constant rate. For example, to set up a typical cruise configuration at 3,000 feet (915 m) in the Skyhawk SP, set the throttle to deliver about 2,500 rpm. To maintain level flight, adjust the pitch attitude so that the miniature airplane on the attitude indicator is level with the horizon. The top of the instrument panel is below the real horizon when you look out the front window. If you keep the nose from rising or falling and leave the power set at 2,500 RPM, the Skyhawk SP will maintain altitude and cruise at about 110 knots indicated airspeed. If the airplane starts to gain or lose altitude, make small, smooth corrections to the pitch attitude and adjust the elevator trim so eventually the airplane flies "hands off." Keeping It Straight Maintaining a constant heading is a little easier than holding altitude, but you still need to keep a close eye on the flight instruments. Check the heading indicator frequently to make sure the nose stays pointed in the right direction. Cross-check the turn coordinator: If the wings on its miniature airplane are level, the airplane isn't turning. If the wings aren't level, you need to apply smooth, slight pressure on the ailerons and rudder to level the wings and maintain coordinated flight. Turns An airplane turns because some of the lift that the wings produce pulls it "around the corner," not because the rudder swings the nose left or right. In theory, you could skid an airplane through a turn with the rudder, but that's an inefficient (and uncomfortable) way to change direction. That's why airplanes bank to turn. The Horizontal Component of Lift Banking the wings with the ailerons deflects sideways some of the lift that the wings produce. This part of the airplane's total lift is called the horizontal component of lift. It's this force that pushes an airplane around in a turn. Adverse Yaw Banking the wings changes the angle of attack of each wing. And the deflection of ailerons changes the drag of each wing. These two factors create a tendency for the airplane to yaw opposite the turn. That is, if you bank to the left, the airplane's nose tends to swing toward the right. To compensate for this effect, called "adverse yaw," you must apply rudder pressure in the same direction as the turn. As you bank left, you should add a little left rudder, and vice-versa. Loss of Lift Because some of the lift is deflected sideways in a turn, to maintain altitude you must increase the total lift that the wings produce. To increase lift, you must increase the angle of attack, so add a little up-elevator pressure (by pulling back on the stick) as you roll into a turn. The steeper the turn, the more up-elevator pressure you must add. In steeply banked turns of 45 degrees or more, you must add considerable up-elevator pressure (and probably add power, as well) to maintain altitude. Just remember to relax that back pressure on the stick as you roll out of the turn. Turn Coordinator The turn coordinator is really two instruments. The gyro portion shows the aircraft's rate of turn—how fast it's changing direction. A ball in a tube called the "inclinometer" or "slip/skid indicator" shows the quality of the turn—whether the turn is "coordinated." How It Works The gyro in the turn coordinator is usually mounted at a 30-degree angle. When the airplane turns, forces cause the gyro to precess. The rate of precession makes a miniature airplane on the face of the instrument bank left or right. The faster the turn, the greater the precession, and the steeper the bank of the miniature airplane. Standard Rate Turn When the wings of the miniature airplane align with the small lines next to the "L" and "R," the aircraft is making a standard rate turn. For example, an aircraft with a standard rate turn of three degrees per second will complete a 360-degree turn in two minutes. Balancing Act The black ball in the slip/skid indicator stays between the two vertical reference lines when the forces in a turn are balanced and the airplane is in coordinated flight. If the ball drops toward the inside of the turn, the airplane is slipping. If the ball moves toward the outside of the turn, the airplane is skidding. To correct a skid 1. 2. Reduce rudder pressure in the direction of the turn. - and/or Increase the bank angle. To correct a slip 1. 2. Add rudder pressure in the direction of the turn. - and/or Decrease the bank angle. The auto-coordination feature in Flight Simulator automatically moves the rudder to maintain coordinated flight. Climbs An airplane climbs when its engine or engines produce more power (thrust) than is required to maintain level flight at a particular weight and angle of attack. Airplanes do not climb because the wings generate more lift. This point may seem confusing, but it makes sense if you remember that whenever an airplane is in steadystate flight—for example, a climb at a constant airspeed and rate—lift equals weight. If lift exceeded weight during a climb, an airplane would accelerate upward. A Steady Pull During a steady-state climb, the component of lift acting vertically toward the ground is actually slightly less than weight, because when the airplane is in a climb attitude, some of the lift vector is directed rearward, not upward. So a climb is caused by the thrust vector pulling the airplane up at an angle. Imagine someone tugging a sled up a hill, and you'll get the general idea. More Power If power determines rate of climb, then it's apparent that the throttle, not the control yoke, is the primary "updown" control in an airplane. Pulling back on the yoke to increase an airplane's pitch attitude usually does start a climb. But an increase in induced drag quickly counteracts the boost in lift, and the airplane, having gained a little altitude, settles into level flight at a lower airspeed or into a slow, constant-rate climb. To establish and maintain a steady rate of climb, excess thrust must be available, and you must add power. Descents Many people assume that to descend you simply push forward on the control yoke or stick to point the airplane's nose down. In fact, the pilot must adjust both pitch and power to establish a stable descent at a constant airspeed. You can descend with the airplane in a level or even nose-up attitude. Remember that if you hold an airplane's pitch attitude constant, thrust—power—determines whether the airplane maintains altitude, climbs, or descends. If the engine produces more thrust than is required to maintain level flight, the airplane climbs. It descends if you reduce power. As a rule of thumb, limit descents in unpressurized airplanes to about 500 feet per minute (152 m/min). This rate allows passenger's ears to adjust to pressure changes during the descent. Spend some time with the airplanes in Flight Simulator to familiarize yourself with the performance that you can expect at different power settings and airspeeds. Remember, the lower the power, the greater the rate of descent. Practice stopping a descent by smoothly adding power. How Wings Work Wings—not engines—are what make an airplane fly. Although wings come in many shapes, they all produce lift by splitting the oncoming air, called the relative wind. Air flowing under the wing maintains its ambient pressure. Air flowing over the curved upper surface accelerates, and due to several factors, including Bernoulli's principle, drops in pressure. The difference between the relatively high pressure below a wing and the relatively low pressure above creates a force, called lift. Deflection of the air downward from the bottom of the surface of the wing also contributes to the total lift that a wing produces. Pilots change a wing's lift by using the elevator to adjust the airplane's pitch attitude, and thus the wing's angle of attack. Flight Path vs. Pitch Attitude It's important to remember that the relative wind does not necessarily come from the direction in which the airplane's nose is pointed. To put it another way, angle of attack is not measured relative to the horizon. It's the angle between an airplane's flight path and its wings. Stalls A stall occurs when a wing reaches its critical angle of attack. Regardless of load factor, airspeed, bank angle, or atmospheric conditions, a wing always stalls at the same critical angle of attack. Pilots control angle of attack with the elevator. A stall is an aerodynamic phenomenon—it has nothing to do with an airplane's engine. Gliders, airliners, jet fighters, and prop-driven trainers all stall when their wings reach a specific angle of attack—not because their engines falter. Anatomy of a Stall Up to a point, increasing the angle of attack increases the amount of lift a wing produces. Eventually, however, air flowing over the top of the wing can no longer follow the wing's contour and it begins to swirl like water flowing over rocks in a stream. At this point, called the critical angle of attack, total lift drops suddenly, and the wing stalls. Every wing has a specific critical angle of attack, and it always stalls at that angle. Most general aviation aircraft have wings with a critical angle of attack of about 15 degrees. Inexperienced pilots often mistake pitch attitude for angle of attack. Remember that the airplane's flight path (and therefore the relative wind) may not be in the direction that the nose of the airplane is pointing. Warning Signs A slight shaking or buffeting often precedes a stall. This vibration begins as the air flowing over the top of the wing becomes turbulent. When this air hits the horizontal stabilizer and elevator you may feel a slight vibration in the stick. Most airplanes have a stall warning horn to alert you as the airplane approaches a stall. Recovering from a Stall There is only one way to recover from a stall—reduce the angle of attack. Apply forward pressure on the stick to reduce the angle of attack, and add power to minimize loss of altitude. Center of Gravity The center of gravity (CG) is the point at which an airplane would hang in perfect balance if it were suspended by a cable. The CG is also the point at which the longitudinal, vertical, and lateral axes intersect and the point at which the four fundamental forces of flight—lift, weight, thrust, and drag—are assumed to act. . To ensure that an airplane is stable in flight and responds properly to control inputs, you must load your airplane carefully to keep the CG within its design range. The CG Seesaw An empty airplane is like a seesaw: It balances on its center of gravity. Each item added to the airplane shifts the CG slightly. Objects placed forward of the original CG tend to tip the airplane forward. Objects placed behind the CG tend to tip it backward. The amount of tipping force, or "moment," depends on the weight of the object and its "arm"—the distance between the object and an arbitrary reference line called the datum. In many airplanes the datum is the firewall that separates the engine compartment from the cockpit. Managing the CG Pilots manage the CG by controlling how weight is distributed in the aircraft cabin. In most small airplanes, the fuel tanks and seats are located close to the optimum CG, so the CG doesn't move much as fuel, people, and luggage are added. Nevertheless, before every flight a pilot must ensure that the CG of the loaded airplane falls between the forward and aft limits specified by the manufacturer. The CG and Stability Keeping the CG within its design limits is critical because the position of the CG affects an airplane's stability, just as the position of a child on a seesaw changes the board's balance point. As the CG moves aft (toward the tail), an airplane becomes less stable in pitch. If the CG is too far aft, it may be impossible to lower the nose to recover from a stall. If the CG is too far forward, the airplane is "nose heavy," making it difficult or impossible to flare during the final phase of landing. Landings For most pilots, landing is the most challenging part of flying. The secret to a soft, smooth landing, odd as it sounds, is to try to keep the airplane from touching down too quickly. POUR COMPLEMENT ET EN FRANCAIS SVP …. Aérodynamique L'aérodynamique est une branche de la dynamique des fluides qui porte sur la compréhension et l'analyse des écoulements d'air, ainsi qu'éventuellement sur leurs effets sur des éléments solides qu’ils environnent. L'aérodynamisme (terme non technique) qualifie un corps en mouvement dans l’air. Le champ d’études peut se subdiviser en aérodynamique incompressible et compressible en fonction du nombre de Mach auquel on se place. • • L’aérodynamique incompressible concerne les écoulements pour lesquels le nombre de Mach est inférieur à 0.2 environ, et se placer dans cette classe d'écoulements permet de prendre certaines hypothèses simplificatrices lors de l'étude des ces écoulements. L’aérodynamique compressible quant à elle se subdivise en aérodynamique subsonique, transsonique, supersonique et hypersonique. L'aérodynamique s'applique aux corps en mouvements (aéronefs, véhicules automobiles, trains) et aux bâtiments. Elle s'applique aussi aux applications industrielles utilisant l'air ou les gaz telles que la propulsion aérienne (hélices, turboréacteurs) ou la production d'énergie (éoliennes, turbines). Modèle mathématique [modifier] L'aérodynamique est une science qui fait partie de la mécanique des fluides, appliquée dans le cas particulier de l'air. A ce titre, les modèles mathématiques qui s'appliquent sont : • • • • les équations de Navier-Stokes lorsque les effets visqueux ne sont pas négligeables. Le paramètre principal quantifiant ces effets est le nombre de Reynolds. les équations d'Euler ou de fluide parfait, lorsque les effets visqueux sont négligeables. les équations de Stokes lorsque les effets visqueux sont prépondérants. l'équation d'état du gaz (gaz idéal pour l'air). Efforts aérodynamiques [modifier] Forces et Coefficients [modifier] Le champ de pression s'exerçant sur un obstacle induit globalement un torseur d'efforts où l'on considère généralement: • • • Une force de traînée: Fx, parallèle à la direction moyenne de l'écoulement Une force de dérive: Fy, perpendiculaire à la direction moyenne de l'écoulement, dans le plan horizontal Une force de portance: Fz, perpendiculaire à la direction moyenne de l'écoulement, dans le plan vertical L'expression de la force est de la forme générale: F = q . S . C avec : q = pression dynamique = 1/2. rho . V² S = surface de référence C = coefficient aérodynamique Les coefficients aérodynamiques sont des coefficients adimensionnels servant à quantifier les forces en x, y, z : • • • Cx: le coefficient de traînée Cy: le coefficient de dérive Cz: le coefficient de portance Les forces étant mesurées expérimentalement (en soufflerie), les coefficients sont déterminés en posant C = F / (q . S) où S est une surface de référence de l'objet concerné et V le vent relatif sur l'objet. Définition de la surface de référence : • • pour une surface portante généralement bien profilée, S est la surface projetée dans le plan horizontal (ou dans le plan vertical pour un empennage vertical ou une dérive), pour un objet à forte traînée de forme (traînée de pression) comme une automobile, dont le Cx est 5 à 8 fois celui d'un fuselage d'avion, on prend plutôt le maître-couple (la surface frontale). La traînée [modifier] Le coefficient de traînée est le rapport de la traînée de l'objet étudié à celui d'un corps de même surface qui aurait un Cx de 1. En aviation, le coefficient de résistance est désigné par le coefficient de traînée, rapporté dans le cas de l'aile à sa surface projetée. On peut qualifier la traînée totale par un coefficient global rapporté à la surface de l'aile ou à la surface mouillée totale de l'avion. En aérodynamique automobile, connaître le Cx n’est pas suffisant, il est nécessaire de connaître aussi la surface frontale du véhicule. Dans un bilan de traînées comparées, on utilise le produit S . Cx. On obtient une "surface de traînée" équivalente qui aurait un Cx = 1. • la force de traînée est : F = q . S . Cx = 1/2 . ρair . V² . S . Cx ρair : masse volumique de l’air (1,225 kg/m3 à 15°C au niveau de la mer) V : vitesse de déplacement (en m/s) S : surface frontale du véhicule (maître couple) Cx : coefficient de pénétration dans l’air • L'équation fondamentale F = ma permet de calculer cette force de traînée : la masse d'air concernée est (à un coefficient caractéristique près) : l'accélération est (à un autre coefficient caractéristique près) : La force de traînée est : La portance [modifier] L’équation de la portance est similaire à celle de la résistance avec Cx remplacé par Cz ou bien Cy pour une portance latérale. Dans la littérature anglo-saxonne le coefficient Cx est désigné par Cd (drag) et Cz par Cl (lift) la portance. Dans la littérature allemande, Cx et Cz sont désignés respectivement par Cw (Widerstand) et Ca (Achsauftrieb). Les termes Cx et Cz sont sans dimension (ils n'ont pas d’unité). Portance / Traînée [modifier] La "finesse" d'une aile est définie par son rapport portance/traînée Cz / Cx. Bilan des traînées et Puissance de vol [modifier] Nous considérerons ici seulement l’aérodynamique en régime subsonique (pas de compressibilité). La connaissance des forces agissantes et résultantes sur un profil d’aile permet d’en déduire le comportement dans les différentes phases du vol. La traînée totale [modifier] En aérodynamique, il est d’usage de décomposer la traînée totale d’un avion en trois grandes catégories : • • 1. la traînée induite (par la portance) 2. la traînée parasite que l’on décompose elle-même en : . traînée de frottement . traînée de forme ou traînée de pression . traînée d’interférence • 3. la traînée de compressibilité, ou traînée d'onde. Cette multiplicité de dénomination est un découpage pratique visant à mettre en avant la contribution à la traînée de tel ou tel phénomène aérodynamique. Par exemple, la traînée induite renvoie à la notion de l'effort induit par la portance de l'aile. La traînée d'onde renvoie à l'idée de dissipation au niveau de l'onde de choc. (Voir aussi Traînée) En conséquence, Il convient de garder en mémoire qu'en termes physiques, seuls deux mécanismes contribuent à la traînée : le bilan de pression et le frottement pariétal (tangentiel). Ainsi, si on considère un élément de surface élémentaire de l'avion dS au point M muni d'une normale et d'une tangente , l'effort élémentaire sur cette surface s'écrit : On voit que si on connaît en tout point de la surface de l'avion la pression p(M) et le frottement Tw(M), on est en mesure d'exprimer l'ensemble des efforts aérodynamiques s'excerçant sur celui-ci. Pour ce faire, il suffit d'intégrer particulier, la traînée s'obtient en projetant l'avion. On obtient alors : sur toute la surface de l'avion. En sur un vecteur unitaire opposé à la vitesse de Dans cette expression de la traînée, le premier terme donne la contribution de la pression. C'est dans ce terme qu'intervient, via une altération du champ de pression, la traînée induite et la traînée d'onde. Le seconde terme regroupe la traînée de frottement, due au phénomène de Couche limite Traînée induite [modifier] L'expression complète est traînée induite par la portance. Elle est proportionnelle au carré du coefficient de portance (Cz en français, Cl en anglais), et inversement proportionnelle à l'allongement de l'aile. La forme en plan de l'aile joue également : la traînée induite minimale est obtenue en théorie par une distribution de portance elliptique en envergure. Calcul de la résistance induite Ri • Ri = 1/2 rho . V². S . Ci avec S surface de référence et Ci coefficient de traînée induite • Ci = Cz² / ( pi . lambda . e) lambda = allongement effectif de l'aile (allongement géométrique corrigé) e = Oswald factor, inférieur à 1 (valeur variable, environ 0.75 à 0.85), pour tenir compte d'une répartition de portance en envergure non optimale. La traînée induite est maximale à Cz élevé, donc à basse vitesse et/ou à haute altitude (jusqu’à plus de 50 % de la traînée totale). Le mécanisme de la traînée induite a été théorisé par Ludwig Prandtl (1918) de la manière suivante : Pour avoir une portance, il faut une surpression à l’intrados de l’aile et/ou une dépression à l’extrados de l’aile. Sous l'effet de cette différence de pression, l’air passe directement de l’intrados à l’extrados en contournant l'extrémité de l'aile. Il en résulte que, sous l’intrados, le flux d’air général se trouve dévié de quelques degrés vers l’extrémité de l’aile, et que sur l’extrados le flux d’air se trouve dévié vers le centre de l’aile. Lorsque les flux respectifs de l’intrados et de l’extrados finissent par se rejoindre au bord de fuite de l’aile, leurs directions divergent, ce qui cause à la fois la traînée induite et des tourbillons en arrière du bord de fuite. La puissance de ces tourbillons est maximale à l’extrémité de l’aile (tourbillons marginaux). L'énergie invisible contenue dans ces masses d'air en rotation constitue un danger pour la navigation aérienne. Elle impose une distance de séparation minimale entre avions, spécialement pour des avions légers suivant des avions de ligne. La traînée induite est une composante importante de la traînée totale, notamment aux basses vitesses (forts coefficients de portance, et de même pour les voiles de bateaux). Réduire la traînée induite suppose de diminuer le Cz de vol (diminuer la charge alaire), augmenter l'allongement effectif et répartir la portance de façon décroissante en envergure (répartition elliptique). Concrètement, c’est pour diminuer la traînée induite que : • • les planeurs ont des ailes à grand allongement, les avions rapides ont des ailes dont la forme en plan donne une répartition de portance proche de l'ellipse : soit un trapèze d'effilement voisin de 0.5, soit une ellipse comme l'aile du Spitfire. Il semble néanmoins que le plan en ellipse n'amène pas d'avantage vraiment significatif; il n'a pas été repris depuis. • • Les avions de ligne qui volent à Mach élevé (0.85) présentent une effilement supérieur, de l'ordre de 0.3, à cause de l'angle de flèche des ailes (environ 25-30°) qui a pour effet de surcharger les extrémités de la voilure. les extrémités d’ailes des Airbus, et de certains Boeing récents, portent des ailettes verticales ou winglets qui augmentent l'allongement effectif en récupérant une partie de l’énergie du tourbillon marginal. Traînée de frottement [modifier] Dans l’écoulement d’un fluide sur un plan on constate au voisinage immédiat du plan un ralentissement du fluide. L’épaisseur où le fluide est ralenti s’appelle la couche limite et varie de quelques dixièmes de mm en écoulement laminaire à plus ou moins 10 mm en écoulement turbulent. Dans la couche limite les molécules d'air sont ralenties, ce qui se traduit en une perte d'énergie qui doit être compensée par l’énergie fournie par la propulsion de l’avion. • Nombre de Reynolds (à développer) Re = V . L / nu avec V : vitesse en m/s L : longueur du corps ou corde du profil en m, nu : viscosité cinématique du fluide (variable avec la température, environ 1.15 10e-6 à 15°C). Traînée de forme [modifier] La résistance aérodynamique d’un objet dépend de sa forme. Si l’on compare un plan perpendiculaire à l'écoulement à une sphère et à une forme en goutte d’eau, on constate que la sphère présente 50 % de la résistance du plan, et la goutte d’eau à peine 5 % de la résistance du plan. La traînée de forme est minimale quand l'écoulement n'est pas décroché. Les variations de section brutales du corps amènent des décollements, de la turbulence et donc de la traînée. Afin de réduire ces turbulences, il faut "profiler" le corps. Traînée de profil [modifier] Le coefficient de traînée d'un profil, valable pour une incidence, un allongement et un Nombre de Reynolds]] donnés, est la somme de la traînée de frottement et de la traînée de forme (décollements). Un corps bien profilé a une composante de traînée de forme nettement plus faible que sa traînée de frottement. Les avions les mieux profilés (les planeurs) ont un coefficient de traînée global rapporté à leur surface mouillée à peine supérieur au coefficient de frottement d'une plaque plane de même surface. Traînée d’interférence [modifier] La traînée d’interférence apparaît par exemple aux intersections des surfaces portantes et du fuselage. La distribution de portance en envergure est localement perturbée et présente des pics (à l'emplanture) et des manques (au niveau du fuselage). Traînée de compressibilité [modifier] Traînée engendrée par des phénomènes spécifiques rencontrés lorsque les écoulements imposent une variation de densité au fluide, comme par exemple les ondes de chocs en aérodynamique transsonique et supersonique. La puissance totale de vol [modifier] La puissance de vol est le produit de la somme des traînées par la vitesse : P = Rtot . V avec Rtot en newton et P en Watt La puissance résistante (l'énergie dépensée par unité de temps) est en Watts : (En revanche, la puissance dépensée pour le maintien en l'air est nulle : sans déplacement il n'y a pas de travail. C'est donc le Cx seul qui intervient dans la formule de puissance). Puissance minimale de vol [modifier] La traînée de frottement varie (et augmente) à peu de choses près (influence du Reynolds) avec le carré de la vitesse. Par contre la traînée induite diminue avec la vitesse et tend vers zéro à très grande vitesse. Il existe une vitesse, supérieure à la vitesse de décrochage mais inférieure à la vitesse de finesse max où la puissance de vol est minimale. Les termes de l’aérodynamique de l’aile [modifier] Allongement L’allongement, sur un aérodyne à voilure non tournante, est le rapport entre l’envergure et la profondeur ou "corde moyenne" ; c'est aussi le rapport du carré de l'envergure à la surface. C’est un des facteurs qui contribuent à l’augmentation de la finesse. Plus l’allongement est grand, plus la finesse de l’aile est grande (plus l’angle de plané est faible). La pente de portance dépend de l'allongement. Angle de calage Angle formé par la corde de l’aile et l’axe de référence du fuselage. Angle d’incidence Angle formé par la corde de profil de l’aile et le vecteur vitesse, aussi appelé angle d’attaque. Angle de plané Angle compris entre la trajectoire descendante et l’horizontale. Bord d’attaque Dans le sens de l'écoulement, partie avant du profil. Il est généralement de forme arrondie, de rayon plus important sur les machines subsoniques et plus fin sur les machines supersoniques. Bord de fuite Dans le sens de l'écoulement, partie arrière et amincie du profil. Corde de profil Droite reliant le bord d’attaque (partie arrondie à l'avant de l’aile) au bord de fuite (partie fine à l’arrière de l’aile) (voir aussi Profil (aéronautique)). Couche limite Couche d’air au contact de la surface de l’aile. Les particules au voisinage immédiat de l’aile sont dotées d’une vitesse propre inférieure à celles situées dans la couche plus externe. Des études récentes montrent que dans ce cadre la traînée aérodynamique d'une surface très finement striée peut être inférieure à celle d'une surface lisse. Décrochage du profil Lorsque, à vitesse constante du fluide on accroît la valeur de l'angle d'incidence, la portance générée par le profil augmente, passe par un maximum (entre 15 et 18 degrés, approx.) et diminue plus ou moins brutalement, cela dépend du profil. C’est en fait la couche limite qui a décroché sur 90 % de l’extrados. Décrochage de l'aile le décrochage commence localement à l'endroit le plus chargé aérodynamiquement, et s'étend plus ou moins brusquement à toute la surface de l'aile. L'assymétrie du décrochage (qui peut amener une perte de contrôle en roulis) est plus dangereuse que le décrochage lui même. Dièdre voir Dièdre (avion) Emplanture Partie de l’aile en contact avec le fuselage. Envergure Distance entre les deux bouts d’aile. Épaisseur relative Rapport de l'épaisseur (distance maximum entre intrados et extrados) à la corde du profil. Extrados Surface supérieure de l’aile. Finesse Rapport entre le coefficient de portance et le coefficient de traînée. C'est aussi le rapport de la vitesse de la machine sur la vitesse de chute : pour un appareil volant à 180 km/h (soit 50 m/s) et une vitesse de chute de 5 m/s la valeur du rapport est de 10. C'est aussi le rapport entre la distance parcourue et la perte d'altitude : quand l'avion parcourt 10 m, il descend de 1 m. La finesse maximum est indépendante du poids mais la vitesse de finesse maximum augmente avec le poids pour un même avion. La finesse dépend du coefficient de portance et donc de l'incidence de l’aile. Intrados Surface inférieure de l’aile. Hypersustentateurs Les dispositifs hypersustentateurs sont des surfaces mobiles dont la fonction est de modifier la courbure de profil de l’aile afin d’en augmenter la portance. Ils sont généralement constitués de becs de bord d’attaque et de volets de courbure disposés au bord de fuite. Le bec de bord d’attaque prolonge vers l’avant et vers le bas la courbure du profil pour augmenter l'incidence maximale et donc la portance maximale du profil. Les volets de courbure sont braqués vers le bas pour augmenter la portance, mais cela augmente aussi la traînée aérodynamique (cet effet de freinage est recherché à l'atterrissage, mais pas au décollage). Ils sont utilisés pour les phases de vol à basse vitesse (décollage, atterrissage, ravitaillement en vol d'un chasseur à réaction supersonique par un avion ravitailleur subsonique). Les volets de courbure sont parfois braqués vers le haut à vitesse élevée pour réduire et adapter la cambrure (courbure) du profil au Cz de vol, ce qui réduit légèrement la traînée (planeurs). Moments aérodynamiques Ce sont les couples qui s’appliquent sur les trois axes d'un aéronef. On distingue les moments de tangage, de roulis et de lacet. Portance Force perpendiculaire au flux de l’air et orientée vers l’extrados (surface extérieure de l’aile située sur le dessus). Pour comprendre la portance, il faut se remémorer nos cours de physique newtonienne. Tout corps au repos reste au repos, et tout corps animé d’un mouvement continu rectiligne conserve cette quantité de mouvement jusqu’à ce qu’il soit soumis à l’application d’une force extérieure. Si l’on observe une déviation dans le flux de l’air, ou si l’air à l’origine au repos est accéléré, alors une force y a été imprimée. La physique newtonienne stipule que pour chaque action il existe une réaction opposée de force égale. Ainsi, pour générer une portance, l’aile doit créer une action sur l’air qui génère une réaction appelée portance. Cette portance est égale à la modification de la quantité de mouvement de l’air qu’elle dévie vers le bas. La quantité de mouvement est le produit de la masse par la vitesse. La portance d’une aile est donc proportionnelle à la quantité d’air dévié vers le bas multipliée par la vitesse verticale de cet air. Pour obtenir plus de portance, l’aile peut soit dévier plus d’air, soit augmenter la vitesse verticale de cet air. Cette vitesse verticale derrière l’aile est le flux descendant. Profil voir Profil (aéronautique). Nombre de Reynolds Nombre sans dimension représentant le ratio entre les forces d'inerties et les forces visqueuses. Pour une viscosité et une géométrie données il donne aussi la transition entre un écoulement laminaire et un écoulement turbulent. Saumon Carénage de forme variable, le plus souvent arrondi, disposé à l'extrémité de l’aile. Une aile peut cependant être coupée net, sans présenter de saumon. Surface alaire C’est la surface projetée de l’aile dans le plan horizontal, y compris la surface incluse dans le fuselage. Tourbillon marginal Tourbillon présent à l'extrémité de l'aile, généré par la différence de pression entre l’intrados et l’extrados. Ce tourbillon peu être très marqué dans le cas d'aile à faible allongement et à forte incidence (Concorde au décollage). Cet effet tourbillonnaire peut être utilisé en prolongeant l'aile par des ailettes (ou winglets). Traînée La traînée aérodynamique est une force qui s’oppose au mouvement d’un mobile dans un gaz; c’est la résistance à l’avancement. Elle s’exerce dans la direction opposée à la vitesse du mobile et s’accroît avec le carré de la vitesse, excepté pour la composante de traînée induite par la portance qui diminue avec la vitesse. La traînée aérodynamique dépend de la finesse : de 2 à 3 % de la portance pour un planeur de compétition, de 12 % jusqu'à 20 à 25 % pour une machine à faible allongement (Concorde) ou peu profilée (ULM pendulaire). À vitesse constante, la traînée est équilibrée par une force propulsive (avion à moteur) ou par une perte d’énergie potentielle (perte d'altitude dans le cas d'un planeur). Winglet Ce sont de petites extensions verticales fixées à l’extrémité de l’aile dans le but d’augmenter la longueur effective de l’aile (et donc l'allongement effectif) pour diminuer la traînée induite. Les winglets récupèrent une partie de l'énergie des tourbillons marginaux. Actions du vent sur les ouvrages [modifier] Cette section est vide ou n'est pas assez détaillée, votre aide est la bienvenue ! Aérodynamique en soufflerie [modifier] Voir Soufflerie Aérodynamique numérique [modifier] Les essais en soufflerie sont le plus souvent inaccessibles aux particuliers de par leur coût très élevé. Depuis les années 1980, plusieurs logiciels ont été développés permettant de traiter numériquement l'aérodynamique de corps fuselés (en écoulement peu ou pas décroché) et sont maintenant disponibles sur Internet. La puissance de calcul des ordinateurs personnels a rendu certains de ces logiciels facilement exploitables, avec des temps de calcul très courts (ce qui n'était pas le cas il y a quelques années). La plupart reprennent le logiciel Xfoil établi par Mark Drela du MIT aux USA. Ce sont principalement : • Xfoil, qui calcule l'écoulement sur un profil en 2D (allongement infini). L'écoulement peut être choisi de type parfait ou visqueux, avec dans ce cas la prise en compte d'une couche limite conforme à la réalité et le calcul de l'emplacement de la transition laminaire-turbulent qui est essentiel pour établir le coefficient de traînée. Profil. La saisie du fichier de profil demande de respecter certaines règles, notamment une bonne définition géométrique au bord d'attaque (densité des points et régularité de la variation de courbure). Les profils disponibles sur Internet (NASG ou UIUC database) manquent souvent de définition, ce qui fait planter le calcul : les itérations d'équilibre ne convergent pas. Ceci peut être corrigé (mais pas toujours) par un lissage mathématique dans Xfoil ou par un lissage graphique, en utilisant un outil de dessin gérant les courbes (curve radius dans Rhino par exemple). Volets. Le profil étudié peut être cambré localement (déflexion d'une partie de la surface), mais reste monoprofil. Xfoil ne traite pas les configurations multi-profils comme les profils équipés de becs de bord d'attaque et de volets à fente. Les polaires obtenues sont à allongement infini, et doivent être corrigées pour une application réelle à allongement fini. Validité . La pente de portance (relation Cz / incidence) calculée est légèrement supérieure à celle donnée par les essais en soufflerie. Le niveau de coefficient de traînée calculé est le plus souvent inférieur de 15 à 20 % à celui donné par les essais en soufflerie. Il faut noter que les conditions d'écoulement en soufflerie sont inévitablement plus ou moins turbulentes, ce qui augmente la traînée mesurée (transition turbulente plus avancée). Des mesures visuelles en vol portant sur l'emplacement de la transition ont confirmé les calculs faits avec Xfoil. • • • • Xfoil, forum de discussion en anglais, dans Yahoo Groups. XFLR5, basé sur le moteur de Xfoil, et ajoutant des possibilités 3D dans une interface Windows. Ce logiciel permet d'étudier le comportement des profils et des ailes. Il reprend les développements prototypés dans MIAReX pour ce qui est des aspect 3D en mode "ligne portante non-linéaire". Glider3d, Profili2, sont basés également sur Xfoil, dans une interface Windows. AVL (Athena Vortex Lattice), calcule l'équilibre, la portance et la traînée induite d'une configuration complète à plusieurs surfaces portantes et en 3D. Les parties mobiles (volets, ailerons, etc...) sont définies par une déformation de la ligne moyenne du profil. Cette fois çi, le calcul considère un écoulement de type fluide parfait : - pas de viscosité, donc pas de frottement (donnée externe qui doit être calculée séparément), - pas de séparation; les pentes de portance sont linéaires : les indications obtenues ne sont vraiment valides qu'aux faibles angles d'attaque, hors décrochements aérodynamiques (disons moins de 7°), - l'écoulement est incompressible; le calcul reste valide en subsonique subcritique (Mach < 0.7) La définition détaillée des masses permet de calculer les inerties et les modes propres (Eigenmode) en tangage et en roulis-lacet. Visualisation du comportement en dynamique. L'intérêt majeur d'AVL est de pouvoir explorer rapidement des conditions de vol équilibrées ou non. On peut rechercher un décrochage (un excès de Cz) local, la répartition de portance en envergure, les valeurs de déflexion des surfaces mobiles, les valeurs définissant les stabilités (moments et dérivées en tangage, lacet), etc... Si un problème est mis en évidence, la configuration peut être modifiée dans le fichier de définition et réexaminée très rapidement. Essayer de faire la même chose à la main, ou avec une feuille de calcul (tableur), ou bien avec un outil qui demande un maillage complet de la surface (comme Fluent) demanderait beaucoup plus de temps : des heures au lieu de secondes. Des comparaisons AVL-Fluent montrent qu'AVL, par sa souplesse et sa rapidité, est mieux adapté aux phases initiales de projet (voir liens 5 et 6). AVL n'a pas été conçu pour traiter les interactions des surfaces portantes avec le fuselage, ce qui demande des corrections délicates. Des comparaisons entre AVL et des essais en soufflerie donnent une idée des corrections nécessaires. Les effets de propulsion (souffle d'hélice) ne sont pas traités non plus. AVL a été écrit et développé à partir de 1988 par Harold Youngren et Mark Drela, et porté sur Windows en 2004 (AVL 3.26). • Xrotor, écrit également par M. Drela, concerne spécialement les hélices. Le logiciel prend en compte hélices classiques, contra-rotatives, rotors d'hélicoptères, éoliennes.