Définition de l'aérodynamisme et étude de l'air

Forces s'exercant sur un avion

Comment mesurer ces forces ?


RETOUR A L'ACCUEIL

 

Définition de l'aérodynamisme et étude de l'air

L'aérodynamique est l'étude des forces exercées par l'air sur un objet. Nous prendrons ici comme objet un avion bien entendu, cependant, l'aérodynamique est applicable sur d’autres mobiles en déplacement dans l’air, comme les voitures. Un avion est une machine assez spéciale, elle doit être le plus aérodynamique possible afin d’atteindre de hautes vitesses, mais elle doit également subir des forces suffisantes pour se maintenir en l’air, et pour être maniable.

L’air qui nous entoure est un fluide, comme n’importe quel gaz ou liquide. Trois critères permettent de le définir : La masse volumique (exprimée en kilogrammes par mètre cube), la pression (exprimée en pascal), et la température (exprimée en kelvins). Il est important de tenir compte de ces trois paramètres car l’air s’écoule différemment sur une surface selon leur valeur. Pour les schémas que vous allez pouvoir observer dans cette partie, l’air a été assimilé à des particules, dont la trajectoire indique celle de l’air, c’est la trajectoire qu’emprunte chaque atome d’air lors de son écoulement sur une surface. Autre chose encore, le point de vue adopté lors des analyses est à l’intérieur de l’avion, c’est à dire que l’on considèrera que l’avion est fixe, et que c’est l’air qui se déplace.

On peut distinguer plusieurs types d’écoulement sur une aile d’avion, de ces types d’écoulement dépend la qualité de vol de l’appareil. L’écoulement est laminaire lorsque les particules d’air suivent des trajectoires rectilignes et parallèles, l’écoulement est turbulent lorsque ces particules, tout en ayant des trajectoires parallèles, ne suivent plus une trajectoire rectiligne, mais en forme de vague. Enfin, l’écoulement est tourbillonnaire lorsque les particules d’air n’en font qu’à leur tête, les trajectoires ne sont ni rectilignes, ni parallèles entre elles, mais totalement désordonnées. En passant, c’est ce qu’il se produit sur l’extrados d’une aile lors d’un décrochage, mais nous verrons cela plus tard.

Ecoulement laminaireEcoulement turbulent Ecoulement tourbillonnaire

A l’approche d’une surface solide, l’air à la propriété de freiner, plus la particule d’air se rapproche de la surface, plus elle va ralentir, la zone ou l’air est ralenti se nomme la couche limite. Cette couche limite est responsable de la résistance de l’air, pour mettre en évidence la résistance de l’air, il suffit de tenir une surface plane verticalement, et d’exercer un fort vent dessus, plus le vent sera violent, plus on aura de difficulté à maintenir la planche. En chemin, l’écoulement de l’air est laminaire, à l’arrivée sur la plaque, il devient turbulent, et derrière la plaque, il est tourbillonnaire, créant ainsi une dépression qui aura tendance à aspirer la plaque vers l’arrière. La résistance de l’air est assimilée à l’aspiration créée par cette dépression, c’est elle qui crée la force qui pèse sur la plaque. Attention à ne pas assimiler la résistance de l’air à la poussée des particules d’air sur la plaque ! Il est important de bien connaître la résistance de l’air pour comprendre comment un avion vole, et comment il peut se diriger en l’air.

Ecoulement de l'air à l'approche d'une surface plane

Une grande partie du travail des ingénieurs aéronautique consiste à concevoir des formes d’avion telles que la résistance de l’air sera faible. On a vu comment s'exercait la résistance de l’air sur une surface plane, mais d’autres formes existent permettant de réduire cette force.

Dans le cas d’une demie-sphère, la résistance de l’air est légèrement moindre car les particules d’air contournent plus facilement la surface, cependant, la dépression est encore très forte à l’arrière de la demie-sphère. Si on prend maintenant une sphère entière, par exemple un ballon, l’écoulement de l’air se fera beaucoup plus facilement, cependant, une légère dépression subsiste à l’arrière de la sphère, ce n’est donc pas la forme aérodynamique parfaite. Il n’y a en réalité aucune forme aérodynamique parfaite, cependant, on peut déformer cette sphère de manière à obtenir une forme biseautée , de cette manière, la résistance de l’air est la plus faible.

Demie sphère Sphère Forme biseautée

 

La résistance de l’air peut se mesurer sur n’importe quel solide, pour cela, une formule à été établie. Soit R la résistance de l’air en Newton : R=K.p.V².S

K est un coefficient qui concerne la forme et la surface du solide, il n’a pas d’unité, p est la masse volumique de l’air en kilogrammes par mètre cube, V est la vitesse des particules d’air, elle est exprimée en mètres par seconde, enfin, S est l’aire de la surface, exprimée en mètres carrés.

La grande difficulté pour concevoir un avion, est qu’il doit être assez profilé pour garder de bonnes performances aérodynamiques, mais il doit aussi avoir la forme adéquate pour son type d’usage. Dans le cas d’un gros porteur, tous les passagers et les systèmes doivent trouver leur place.

RETOURNER EN HAUT DE PAGE

 

Forces s'exercant sur un avion

En vol, un avion subit quatre grandes forces, il en subit en réalité bien plus en raison des facteurs météorologiques, mais nous nous intéresserons à ces quatre forces principales. Il faut d’ores et déjà préciser que ces forces s’exercent sur le centre de gravité de l’avion.

Enumérons ces forces : il y a tout d’abord la pesanteur, qui tend à faire tomber l’avion, et la portance, qui tend au contraire à le faire monter. En vol horizontal à une vitesse constante, la portance équilibre la force exercée par la pesanteur. Ces deux forces s’exercent verticalement sur l’avion. Voyons maintenant les forces qui s’exercent horizontalement sur l’avion : il y a tout d’abord la traînée, que nous avons vu précédemment, mais aussi la force qui permet à l’avion de se mouvoir, c’est à dire soit la traction de l’hélice, soit la poussée des réacteurs. En vol horizontal à vitesse constante, la traction, ou la poussée, équilibre la traînée.

Nous savons comment s’exerce le poids et la traînée, pour comprendre comment s’exerce la poussée, je vous invite à consulter le chapitre sur les moteurs. Nous allons voir ici comment s’exerce la portance, autrement dit, comment un avion vole.

Si on reprend l’expérience de la planche tenue verticalement dans un filet d’air, on constate qu’une force s’exerce sur cette planche. Si on incline maintenant cette planche dans le filet d’air, selon le sens de l’inclinaison, la planche va avoir tendance à monter ou à descendre. Cette force qui tend à faire monter ou à faire descendre la planche se nomme la résultante aérodynamique. Cette force sera notée R.

Une aile d’avion n’a pas un profil aussi rudimentaire qu’une planche de bois, elle est beaucoup plus profilée, et puis, si l’inclinaison d’une aile d’avion influe sur la portance, ce n’est pas ce qui fait voler un avion, loin de là. Tout d’abord une aile d’avion est courbe, et non pas plane, ceci pour faciliter l’écoulement de l’air, qui « adhère » mieux à un contour courbe. Cette adhérence de l’air permet d’éviter l’écoulement tourbillonnaire qui se crée sur le dos de l’aile, cependant, une dépression est nécessaire pour faire voler l’avion. Etudions un profil d’aile, le dos de l’aile est appelé extrados, son ventre est appelé intrados, le bord le plus bombé de l’aile, celui qui fait face à l’écoulement de l’air est nommé bord d’attaque, le bord opposé est le bord de fuite. On pourra également prendre la corde (la profondeur de l’aile est égale à la corde), qui est le segment reliant le bord d’attaque au bord de fuite. Selon différentes configuration d’ailes, on mesurera une corde, une épaisseur (segment qui part du sommet de l’extrados au minimum de l’intrados), ainsi qu’une ligne moyenne. La ligne moyenne est la courbe formée par tous les points équidistants de l’intrados et de l’extrados.

On peut mesurer l’angle d’incidence en degrés, c’est tout simplement l’angle que forme la corde avec les filets d’air, cette incidence peut être positive ou négative.

Maintenant que nous savons comment se profile une aile, nous allons pouvoir comprendre comment vole un avion. Daniel Bernoulli, un physicien du XVIIIème siècle à montré que plus l’air circulait vite, moins la pression exercée par celui-ci était faible, c’est une loi capitale. Il faut également savoir qu’un filet d’air circulant dans un espace réduit ira plus vite qu’un filet d’air circulant dans un espace vaste, vous pouvez facilement observer ce phénomène en étant dans une rue étroite, les courants d’air y sont beaucoup plus violent que dans une grande avenue, ou alors tout simplement en dégonflant un ballon. A première vue, cela n’a rien à voir avec l’avion, mais détrompez vous, une aile est profilée de manière à exploiter ces propriétés. Lorsque l’aile se déplace dans l’air, une partie des particules d’air va passer sous l’aile, c’est à dire suivre l’intrados, et une autre partie va passer au dessus, en suivant l’extrados. Or, on a vu que l’extrados était bombé, la distance à parcourir par les particules d’air suivant l’extrados est donc supérieure à celle que doivent parcourir les particules suivant l’intrados. Une des propriété énoncées entre alors en jeu : deux particules d’air se séparant doivent se retrouver côte à côte lorsqu’elles se rejoignent, autrement dit, le filet d’air longeant l’extrados va circuler plus vite que celui longeant l’intrados puisqu’il a plus de distance à parcourir. A ce moment là, la loi de Bernoulli entre également en jeu : un filet d’air circulant rapidement exercera une pression inférieure à celle d’un filet d’air circulant lentement, autrement dit, la pression sur l’extrados est inférieure à la pression sur l’intrados. Je vous laisse faire le rapprochement avec l’expérience de la planche, le résultat est une résultante aérodynamique vers le haut, d’où la force de portance. Attention à ne pas faire l’erreur ! L’avion est aspiré vers le haut, et non pas poussé !

Plus le filet d’air supérieur se rapproche du bord de fuite, plus il devient instable, mais un bon profil d’aile doit empêcher l’écoulement de devenir tourbillonnaire. Il se peut, lorsque l’incidence de l’aile est trop élevée, autrement dit, quand l’avion monte trop fort, que le filet d’air sur l’extrados devienne tourbillonnaire, car il « n’accroche » plus à l’extrados de l’aile, à ce moment là, la portance devient presque nulle, et l’avion tombe comme une pierre, on dit qu’il décroche, et que cette incidence est une incidence de décrochage. Attention, un décrochage peut être meurtrier à une altitude trop faible ! La configuration du profil d’aile dépend du type d’avion (chasseur, gros porteur, avion de tourisme…).

Vous avez sûrement déjà remarqué si vous avez pris un avion de ligne, les bouts d’ailes recourbés sur certains modèles d’avion, ne vous imaginez pas qu’ils sont là pour faire joli, rien ne sert à faire beau sur un avion, sauf la peinture (et encore, elle empêche la corrosion). Ces petits ailerons s’appellent des winglets, ils servent en réalité à diminuer la traînée de l’avion, et donc à améliorer ses performances et diminuer sa consommation en carburant. Nous avons vu que la pression est inférieure sur l’extrados que sur l’intrados, ces différences de pression sont présentes sur toute la surface de l’aile. Arrivé en bout d’aile, l’air va en faire qu’à sa tête, plus précisément, le filet d’air de l’intrados va avoir tendance à passer par le bord de l’aile pour aller sur l’extrados, rien de bien méchant. Seulement, l’avion avance, et avance même vite, et plus il avance vite, plus ces filets d’air seront rapides, ce qui va créer des tourbillons violents dans le sillage de l’avion, ces tourbillons sont appelés tourbillons marginaux.

Ces tourbillons accroissent la trainée de l'avion, mais sont aussi dangereux pour les avions qui arrivent derrière, je parle pour le cas d'un atterrissage par exemple, ils peuvent être destabilisés par ces turbulences, surtout les plus petits. Les winglets, comme vous le constatez sur le schéma ci-dessous, empêchent les filets d'air de contourner l'aile, et réduisent donc considérablement la trainée.

Passez votre curseur sur l'image

Récapitulons les forces qui s’exercent sur un avion : la poussée (voir la section moteurs), la traînée, la portance et le poids. Nous connaissons désormais l’aérodynamique que l’on peut observer sur un avion, du moins dans ses grandes lignes, mais je tiens avant de passer aux formules permettant de calculer ces forces, à faire un point rapide sur les dispositifs hypersustentateurs que l’on peut trouver sur tous les avions.

Un dispositif hyper sustentateur est, comme son nom l’indique une dispositif permettant d’augmenter la portance, les pilotes s’en servent lors des phases de décollage et d’atterrissage afin de pouvoir voler plus lentement de manière stable. Les moindre petit coucou possède un dispositif hypersustentateur, cependant, celui des avions de lignes est plus élaboré que sur un avion de tourisme. Prenons le cas d’un dispositif hypersustentateur simple : le volet Fowler. Tous ceux qui se sont amusés sur Flight Simulator l’on aperçu, et ont joué avec, il s’agit tout simplement d’abaisser le bord de fuite de l’aile, afin d’augmenter la pression sur l’intrados de l’aile, et donc augmenter la portance. Sur les avions de lignes, le dispositif hypersustentateur est composé de deux parties : le bec de bord d’attaque, et le volet de bord de fuite (celui-ci fonctionne sur le même principe que sur les avions de tourisme, mais est plus élaboré). Le bec de bord d’attaque sert à mieux rabattre le filet d’air sur l’extrados, afin de rabaisser la vitesse ou il devient instable, et donc de diminuer la vitesse de décrochage. On peut trouver des becs de bord de fuite sur les avions de tourisme également, notamment ceux qui tractent les planeurs.

Avion de tourismeAvion de ligne

Outre les dispositifs hypersustentateurs, il y a sur pratiquement tous les avions des dispositifs hyposustentateurs, qui à l'inverse des volets et des becs de bord d'attaque, détruisent la portance, on les appelle des spoilers, ou plus courament, des aérofreins. Vous les avez certainements apperçus lors d'un atterrissage à bord d'un avion de ligne, ce sont les grandes plaques qui se déploient sur l'extrados de l'aile à l'atterrissage, une fois que l'avion a touché le sol. En coupant le filet d'air qui crée la depression sur l'extrados de l'aile, ces dispositifs détruisent la portance, et font perdre de l'altitude à l'avion. Dans des avions de ligne, ces dispositifs sont utilisés très rarement en vol, sauf à l'approche, si l'avion est trop haut pour prendre sa finale.

RETOURNER EN HAUT DE PAGE

 

Comment mesurer ces forces ?

Pour mesurer les forces exercées par l’air sur un solide, il faut disposer d’une chambre d’expérience, dans le cas de l’aérodynamique, cette chambre d’expérience est une soufflerie. Une soufflerie peut être à aspiration, c’est à dire que le ventilateur géant qui sert à produire le courant d’air est à l’arrière du solide, mais elle peut également fournir le courant d’air directement sur le solide. Dans les cas d’une soufflerie à aspiration, dans l’ordre d’apparition, il y a le collecteur, la chambre d’expérience, et le ventilateur.

Des formules ont été établies afin de mesurer les forces s’exerçant sur un avion en vol :

La traînée, notée par convention Rx peut se calculer de cette façon : Rx = ½ . p .V² . S . Cx

p est la masse volumique de l’air en kilogrammes par mètre cube, V est la vitesse de l’avion en mètres par seconde, S est la superficie de la voilure de l’avion exprimée en mètres carré, enfin, Cx est un coefficient appelé coefficient de traînée, il n’a pas d’unité.

La portance, notée par convention Rz peut se calculer de cette façon : Rz = ½ . p . V² . S . Cz

Tous les éléments du calcul, sauf Cz sont les mêmes que pour la traînée, Cz est un coefficient sans unité : le coefficient de portance.

Ces deux coefficients Cx et Cz varient en fonction de l’angle d’incidence de l’aile, on peut tracer des courbes représentant la variation du coefficient en fonction de l’angle d’incidence :

Il existe une courbe très importante, calculable pour tous les avions, elle permet de mesurer et d’apprécier la finesse de l’aile, c’est à dire son plus ou moins fort rapport portance/traînée. Cette courbe est la polaire de l’aile, la polaire est très utile lorsque l’ont veut comparer plusieurs types d’ailes entre elles, plus l’aile est fine, meilleure est sa capacité à faire voler un avion, le but étant bien sur d’obtenir un maximum de portance pour un minimum de traînée. Pour obtenir la finesse d’une aile avec des valeurs précises de coefficient, on divise le coefficient de portance par le coefficient de traînée, soit, finesse = Cz/Cx. Voici la courbe type de la polaire d’une aile (ici, l’angle d’incidence est noté i) :

Attention ! Il faut noter que cette courbe est la polaire de l'aile seule ! Pour obtenir la polaire de l'avion entier, il faut tenir compte de la trainée rajoutée par le fuselages et les différends composants de l'avion, la courbe sera la même, mais déplacée par une translation de vecteur xCx, où x tiens compte de la trainée rajoutée par le corps de l'avion.

RETOURNER EN HAUT DE PAGE

RETOUR A L'ACCUEIL