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 :
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•
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:
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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 :
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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 :
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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 :
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1 ft = 0,3048 m,
1 NM = 1852 m,
1 inHg ≈ 33,86 hPa.
Notons aussi des unités dérivées telles que :
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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 :
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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 :
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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]
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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 :
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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.
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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).
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Xrotor, écrit également par M. Drela, concerne spécialement les hélices. Le logiciel
prend en compte hélices classiques, contra-rotatives, rotors d'hélicoptères, éoliennes.