Quelqu'un m’a un jour demandé comment un avion pouvait virer à droite, à gauche, monter et descendre puisqu’il ne touchait pas le sol. Une voiture, c’est compréhensible puisque les roues ont un appui sur le bitume, mais l’avion…mystère. L’air est incontestablement le premier mot à dire pour répondre à cette question, si vous avez suivi le chapitre sur l’aérodynamisme, vous savez (mais vous le saviez peut-être déjà) comment un avion vole, ce chapitre vous explique comment l’avion se dirige en l’air. Sans le laisser paraître, le principe est le même que celui de la sustentation, le tout exploitant le fait que l’air peut être comprimé. Alors sans plus attendre, passons en revue les différents types de mouvement que l’avion peut effectuer en vol :
Le roulis : l’avion effectue une rotation sur son axe longitudinal, la commande de vol servant à commander le roulis est le manche à balais (mouvements de gauche à droite). Bougé de gauche à droite, le manche à balais actionne les ailerons, situés sur le bord de fuite, au bout de chaque aile. Attardons nous un peu sur le roulis, si on donne une impulsion vers la droite au manche à balais, l’avion va pivoter sur son axe longitudinal vers la droite. Attention, il est à préciser que le retour du manche à balais vers sa position initiale ne corrige pas le roulis de l’avion, celui-ci va conserver son angle de virage jusqu’à ce qu’une impulsion contraire soit exercée sur le manche à balais, c’est à dire ici vers la gauche. Penchons nous un peu plus sur ces ailerons, voici différentes images d’avions, les ailerons sont colorés en rouge :
Je précise juste pour le fun que l'avion de gauche est un Junker Ju-87 D et que celui de droite est un Caproni Ca-46 de 1918...Bon bref, quelle que soit l'époque et le type de l'avion, les ailerons sont toujours à peu près à la même place, et ont la même fonction. En théorie, quand le pilote tire le manche à droite, l’aileron droit se lève afin de diminuer la portance sur l’aile droite. L’aile va alors s’abaisser, seulement, pour donner plus d’ampleur au mouvement, l’aileron gauche, au contraire, se lève, et augmente la portance sur l’aile gauche, celle-ci se lève, l’avion penche à droite. Pour bénéficier au maximum de l’effet de levier, les ailerons sont situés en bout d’aile. Si le pilote veut tourner à gauche, il tire le manche à gauche, l’effet inverse se produit. Dans l’absolu, les ailerons ont des mouvements antagonistes. L’angle que fait l’avion en virage s’appelle l’inclinaison. Voici un schéma explicatif résumant le mouvement de roulis :
Le tangage : l’avion effectue une rotation sur son axe transversal, la commande servant à commander le tangage est également le manche à balais, mais cette fois, au lieu de le tirer de droite à gauche, il faut l’amener vers soi, ou le pousser vers l’avant. La manche à balais autorise une grande palette de mouvements, il sert à contrôler les deux principales commandes de l’avion. Bougé de l’avant vers l’arrière, le manche à balais actionne la gouverne de profondeur, elle est situé à l’arrière de l’avion, sur le stabilisateur. Le tangage est un mouvement un peu plus complexe que le roulis puisqu’il faut tenir compte de la vitesse. En effet, si on amène le manche vers soi, l’avion monte, mais la vitesse diminue, plus la vitesse diminue, plus il faut tirer le manche vers soi pour garder le même angle de montée, ou alors il faut donner un surcroît de puissance. L’effet est contraire pour la descente, l’avion accélère, et le nez de l’avion a tendance à se redresser. Voyons sur les mêmes avions que ci-dessus, la position de la gouverne de profondeur, celle-ci est colorée en bleu :
Quand le pilote tire le manche vers lui, la gouverne de profondeur se lève afin de provoquer une surpression sur sa face supérieure, l’air va alors exercer une force allant vers le bas sur la gouverne de profondeur, comme elle est à l’arrière de l’avion, celui-ci se met à monter. Quand le pilote pousse le manche vers l’avant, la gouverne de profondeur s’abaisse, l’air exerce une force d’aspiration vers le haut, l’avion se met en descente. L'angle que forme le nez de l'avion avec son axe transversal se nomme l'assiette. Voici un schéma explicatif résumant le mouvement de tangage :
Le lacet : c’est le dernier type de mouvement qu’un avion peut exécuter, il est peu exécuté seul pour diriger l’avion, en général, pour virer, on le combine avec le roulis (je reviendrai plus tard sur la combinaison roulis/lacet pour mettre l’avion en virage), le lacet est également utilisé pour compenser les effets d’un vent de travers, ou pour maintenir l’avion dans l’axe de la piste au décollage et à l’atterrissage. Avec le lacet, l’avion effectue une rotation sur son axe vertical, contrairement au roulis et au tangage, la commande servant à contrôler le lacet n’est pas le manche à balais, mais le palonnier, ce sont les deux pédales que l’on trouve au pieds du pilote. La pédale de droite sert à amener l’avion vers la droite, et la pédale de gauche, vers la gauche. Le palonnier actionne la gouverne de direction, qui est une partie articulée de la dérive, à l’arrière de l’avion. Comme le tangage, le lacet a une forte influence sur la vitesse, son utilisation entraîne une forte augmentation de la traînée. Voyons sur nos modèles habituels la position de la gouverne de direction, celle-ci est colorée en vert :
Quand le pilote appuie sur la pédale de droite, la gouverne de direction s’oriente vers la droite, une dépression s’exerce alors sur la face gauche de la partie articulée, la force horizontale qui s’exerce amène l’arrière de l’avion vers la gauche, ce qui fait tourner l’avion entier vers la droite. La même chose se produit quand le pilote appuie sur la pédale de gauche, mais dans l’autre sens. En lacet, l'angle que forme l'avion avec sa trajetoire est l'angle de lacet. Voici un schéma récapitulatif du mouvement de lacet :
J’en viens maintenant à l’utilisation de la gouverne de direction en virage, prenons l’exemple d’un virage à gauche, le pilote tire le manche à gauche, il actionne les ailerons et l’avion se met à pencher à gauche, seulement, l’aileron qui s’abaisse sur l’aile droite augmente la traînée sur celle-ci, et provoque une mise en virage inverse à celle désirée par le pilote, donc ici, à droite. On appelle ce phénomène le lacet inverse. Pour compenser la force de traînée produite par l’abaissement de l’aileron sur l’aile droite, le pilote va également donner un coup de palonnier à gauche, afin de maintenirle nez de l’avion dans l’axe du virage. C’est pourquoi le virage provoque une grosse perte de puissance, deux commandes sont nécessaires pour réaliser un bon virage. Il est à noter que l’utilisation de la gouverne de direction, et la mise en évidence du lacet inverse a été démontré par les frères Wright.
Cas particuliers : certains avions modernes, en particulier les chasseurs ont des gouvernes de direction placées de manière originale, afin d’êtres plus efficaces (ce qui ne change pas leur principe de fonctionnement), je pense notamment à l’aileron « canard », la gouverne de profondeur est dans ce cas-ci, placée de part et d’autre de la cabine du pilote, sur des petits ailerons stabilisateurs. Voici un avion possédant une configuration « canard » :
Certains chasseurs ont également des tuyères orientables afin de donner un surcroît de maniabilité en virage, celles-ci s’orientent de manière adéquate lorsque le pilote agit sur les commandes.
La mécanique du vol ne doit pas être confondue avec l’aérodynamique, en effet, l’aérodynamique est l’étude des forces exercées par l’air sur un solide (pas seulement un avion d’ailleurs), tandis que la mécanique du vol est propre aux avions, et consiste à étudier toutes les forces s’exerçant sur un aéronef, et non pas seulement celles exercées par l’air. On peut d’ores et déjà distinguer les trois origines principales de ces forces : origine aérodynamique (voir le chapitre sur l’aérodynamisme), l’origine inertielle (due aux accélérations de l’avion) et l’origine propulsive (forces dégagées par le(s) moteur(s)). On considèrera pour ce chapitre que les forces sont exercées sur le centre de gravité de l’avion, c’est à dire à peu près là où est le pilote. On ne peut guère couper à la physique pour étudier ces forces, tant mieux pour les physiciens nés, tant pis pour ceux qui, comme moi, en sont allergiques, mais vous verrez que ce n’est pas si compliqué que ça :)
Commençons par le cas le plus simple du vol d’un avion : le vol en palier rectiligne uniforme. Voici tout d’abord un rappel du schéma des quatre forces s’exerçant sur un avion dans cette configuration, ces forces sont nommées comme le veut le système international :
Les forces s’équilibrent ici deux à deux : Rz = mg et T = Rx. Or, on sait que Rz = ½.p.V².S.Cz, et que Rx = ½.p.V².S.Cx, on peut alors développer ces deux relations, ce qui nous donne deux équations fondamentales dans l’aéronautique, l’équation de sustentation : mg = ½.p.V².S.Cz , et l’équation de propulsion : T = ½.p.V².S.Cx. Il est à préciser que le poids se note ainsi car on le calcule en faisant le produit de la masse (m) avec la pesanteur (g). Les unités de mesures dans ces calculs sont : m en kg, g en m.s-2 (sur Terre, g est à peu près égal à 9,81), T en Newtons, p en kilogrammes par mètre cube, V en mètres par seconde, S en m², Cz et Cx sont sans unité. Faisons maintenant le rapport de ses deux équations, on obtient : mg/T = Cz/Cx. Or Cz/Cx représente comme nous l’avons vu la finesse de l’avion (f). On a donc la relation finale T = mg/f.
Le vol en palier rectiligne uniforme est assez simple, voyons maintenant des configurations plus complexes.
Le vol en montée rectiligne uniforme : pour qu’un avion monte, il faut que la portance soit cette fois supérieure au poids, logique, mais il faut également que la force de poussée ou de traction exercée par le ou les moteur(s) soit supérieure à celle du vol en palier, car lorsque l’avion monte, la traînée se fait plus forte. En montée, comme en descente d’ailleurs, on peut décomposer le poids de l’avion en deux forces : l’une parallèle à la trajectoire de l’avion, allant vers l’arrière, l’autre perpendiculaire à cette trajectoire, et allant vers le bas. Le poids réel est la résultante de ces deux forces. Supposons maintenant que l’avion monte en faisant un angle noté « a » avec l’horizontale. On peut calculer la portance, ainsi que la poussée / traction nécessaire pour faire monter l’avion, en fonction de cet angle de montée. Les calculs sont les suivants : Rz = mg.cos a et T = Rx + mg.sin a. Un avion monte généralement sur une pente assez faible, on considère donc que cos a = 1, et que sin a = tan a. On peut donc ramener, dans le cas d’une montée normale, les équations précédentes à celles-ci : Rz = mg et T = Rx + mg.a. Ce qui permet d’exprimer a comme ceci : a = (T-Rx)/mg. La pente de montée est notée en %, elle est donc égale à 100.((T-Rx)/mg). Voici un schéma mettant en évidence les forces et résultantes qui s’exercent lors de la montée :
On peut également calculer la vitesse ascensionnelle de l’avion, c’est à dire la vitesse à laquelle il grimpe sur un axe vertical, cette vitesse est notée Vz et est exprimée en mètres par seconde, elle s’obtient par ce calcul : Vz = V.((T-Rx)/mg) V étant la vitesse de l’avion en mètres par seconde.
Le vol en descente rectiligne uniforme : la configuration du vol en descente rectiligne uniforme n’est pas bien différente de celle du vol en montée rectiligne uniforme. La portance ne diminue pas, mais la puissance du / des moteur(s) est réduite. « a » désigne toujours l’angle que fais l’avion avec son axe horizontal, la vitesse de l’avion est constante sur sa trajectoire. Le changement majeur ici est que la composante du poids qui est parallèle à la trajectoire va dans le même sens que la force de traction / propulsion. Les calculs servant à déterminer la portance et la poussée / traction lors d’une descente sont les suivants : Rz = mg.cos a et T + mg.sin a = Rx. On considère toujours pour les mêmes raisons que dans une montée, que cos a = 1 et que sin a = tan a. Les équations s’écrivent alors : Rz = mg et T + mg.a = Rx, ce qui reviens à dire que a = (Rz – T)/mg. La pente de descente, notée en % comme pour la montée, est notée 100.((Rx – T)/mg). Voici comme d’habitude un schéma illustrant le vol en descente rectiligne uniforme :
On peut calculer la vitesse verticale de descente, autrement appelée taux de chute, et notée Vz, comme pour la vitesse ascensionnelle : Vz = V.((Rz – T)/mg). Le mètre par seconde est l’unité de référence.
Le vol en virage symétrique en palier : voici une configuration bien différente du vol en descente, en montée et en palier, le vol en virage met en jeu une force qui lui permet de virer, cette force influe sur la portance. On dit que le virage est symétrique lorsque le vecteur vitesse de l’avion reste dans l’axe de vol de l’avion. Dans notre cas, la vitesse est constante et, dois-je le rappeler, horizontale. L’équilibre des forces est ici plus complexe, il faut en effet que la portance soit supérieure au poids pour que l’équilibre soit fait, en raison de l’inclinaison de l’avion (voir partie sur les ailerons), l’augmentation de la portance permet également de conserver la vitesse que l’avion avait avant le virage, seulement, pour cela le pilote tire légèrement le manche vers lui afin d’augmenter l’incidence de l’avion, ce qui a aussi pour effet d’augmenter la traînée, il faut donc compenser en augmentant légèrement la puissance du/des moteur(s). Le vol en virage met en scène un nouveau rapport que l’on nomme facteur de charge, il est noté « n » dans le système international : n = Rz/mg. Le facteur de charge dépend de l’inclinaison, en conséquent, on peut le calculer en fonction de l’angle de virage par ce calcul : n = 1/cos a (a étant l’angle d’inclinaison en degré). Le facteur de charge est plutôt connu, il s’agit en fait des fameux « G’s » que les pilotes de chasse ou d’acrobatie encaissent lorsqu’ils sont en action. 1 G correspond au poids du mobile considéré, si le pilote encaisse 3 G’s, il pèse 3 fois son poids. Voici le schéma illustrant le vol en virage symétrique en palier :
Il se peut que le virage ne soit pas symétrique, il est alors dérapé. A ce moment là, les propriétés que nous avons vu ne s’appliquent pas.
Voilà, c’est l’essentiel pour la mécanique du vol. La seconde partie n’était pas passionnante je vous l’accorde, c’est principalement des calculs bêtes et méchants (et pourtant pas si bêtes que ça !), mais on ne peut couper en aéronautique aux calculs de bases comme ceux-ci. Je reconnais qu’il n’y a pas grand chose à expliquer, néanmoins j’aurais essayé de vous les présenter dans un cadre un peu plus agréable qu’un livre noir et blanc, j’espère y être parvenu. Mais bon, après tout il ne faut rien exagérer, ce n’était pas la mer à boire ;)