1/Comment vole un avion
L’aérodynamique, qui est l’étude des phénomènes liés au mouvement des objets dans l’air, a permis de trouver des solutions pour faire voler des appareils plus lourds que l’air.
En effet, en vol, l’avion est soumis à plusieurs forces, dont la portance qui permet de compenser le poids de l’avion.
Le mouvement de l’air autour des ailes de l’avion engendre une sustentation, c’est à dire que les ailes sont aspirées vers le haut : c’est le phénomène de la portance, qui compense le poids.
C’est pour cela que l’aile a une forme particulière (c’est ce qu’on appelle le profil de l’aile) : l’air circule plus vite au dessus qu’en dessous de l’aile, cela crée une dépression sur la partie supérieure de l’aile, qui est de ce fait aspirée vers le haut.
La traînée, quant à elle, est la résistance que l’air oppose à l’avion. C’est ce que l’on peut constater quand on sort la main par la fenêtre d’une voiture : on sent une force qui pousse la main vers l’arrière.
La poussée est la force développée par les moteurs, qui propulse l’avion vers l’avant. Elle permet d’annuler la traînée.
En résumé la forme aérodynamique de l’avion permet d’obtenir un maximum de portance et un minimum de traînée.
Lors d’un vol en palier, c’est à dire à vitesse et altitude constante, on a :
- Portance Rz = Poids P
- Traînée Rx = Traction T
2/Portance et traînée
La PORTANCE : composante perpendiculaire au vent relatif, c’est à dire à la trajectoire.
La TRAINEE : composante parallèle au vent relatif, c’est à dire à la trajectoire et qui s’oppose à l’avancement.
75% de la portance est assurée par la dépression liée à l’extrados de l’aile, alors que la surpression liée à l’intrados y participe à hauteur de 25%.
On a :
- La portance et la traînée en newton N.
- ρ (Rho) est la masse volumique de l’air, en kg/m³
- S la surface totale de la voilure (constituée de l’aile gauche et de l’aile droite),en m²
- V la vitesse de l’avion par rapport à l’air, en m/s²
- Cz et Cx les coefficients de portance et de traînée (sans dimension) qui dépendent de l’angle d’incidence i.
Les facteurs qui influent sur la portance et la traînée.
- L’angle d’incidence i
- La forme du profil, la forme et l’allongement de l’aile qui induisent les coefficients de portance et de traînée.
- La vitesse relative en fonction du vent et de la vitesse de l’avion.
- La surface de l’ail.
- La densité de l’air en fonction de l’altitude.
Remarque :
- A l’altitude 0 m , la masse volumique de l’air est de 1,22 kg/m³
- A l’altitude 13000 m , la masse volumique de l’air est de 0,3 kg/m³
On a donc pour un vol en palier, c’est à dire à vitesse et altitude constante :
- Rz = 1/2 x ρ x V² x Cz = Poids P = m x g
- Rx = 1/2 x ρ x V² x Cx = Traction T
3/Coefficient de Portance Cz et Traînée Cx
La résultante aérodynamique varie selon de nombreux paramètres (surface, vitesse du vent relatif, densité de l’air, etc. .). La résultante varie également en fonction de la forme en plan de l’aile, de son profil, de son état de surface et de son incidence., dit coefficients aérodynamiques.
- Cz est en quelque sorte l’aptitude à transformer le courant d’air en portance.
- Cx est la caractérisation d’un défaut qui est de fabriquer de la traînée avec le même courant d’air.
Exemples de courbe Cz et Cx
Remarque : Cz et Cx varient en fonction de l’incidence. Si le coefficient de portance Cz augmente alors le coefficient de traînée Cx aussi.
Polaire d’une aile d’avion.
Les expériences effectuées en soufflerie pour un profil donné, permettent de connaître les différentes valeurs des coefficients Cx et Cz.
La représentation graphique de Cz fonction de Cx se nomme polaire. (Cz = f (Cx ))
Exemple de polaire dune aile d’avion ci-contre.
- La finesse maxi correspond à l’incidence ou le rapport Cz / Cx (finesse max) est maximum.
Cet angle d’incidence correspond à la vitesse que l’avion doit adopter par vent nul
afin d’obtenir le maximum de rayon d’action.
Distance de plané = Hauteur x Finesse ou Finesse = Distance / Hauteur.
- Le Taux de chute mini, c’est la vitesse à
adopter pour avoir le temps maximum de vol.
4/Les systèmes hypersustentateurs
La longueur des pistes sur les aéroports étant limitée, les vitesses de décollage et d’atterrissage sont très différentes des conditions aérodynamiques optimales. Il est donc nécessaire pour ces configurations de vol à basse vitesse d’améliorer le comportement aérodynamique en modifiant temporairement le profil de la voilure : c’est le rôle des volets de bord de fuite et des becs de bord d’attaque.
Les systèmes hypersustentateurs modifient les courbes Cz et Cx d’une aile régulière ou lisse.
Exemple d’une courbe du coefficient de portance en fonction de l’aile.
LES DISPOSITIFS HYPERSUSTENTATEURS
