Rappels techniques et aérodynamique

Aero Factory

Aero Factory

L’homme doit parvenir à s’élever dans le ciel tout en respectant les propriétés de l’air, qui seront dans le domaine de l’aviation des paramètres à respecter minutieusement. Cependant, pour surmonter ces obstacles, la notion d’aérodynamisme sera employée, elle désigne la caractéristique d’un objet ayant été spécialement conçu et dessiné pour offrir peu de résistance à l’air. Cette caractéristique permettra à un aéronef de s’élever dans les airs et de maintenir un vol stable grâce aux surfaces portantes que sont les ailes. Celles-ci, pendant le vol impliqueront une force dite aérodynamique due au déplacement de la masse d’air qui environne et qui s’écoule le long de la voilure de l’aéronef. De cette façon, le phénomène de vol en palier sera ainsi observable.

A) La sustentation aérodynamique

La sustentation, est l’effet porteur dû aux actions combinées de la surpression et de la dépression. Elle est associée à une force qui s’appelle la force aérodynamique, c’est la force générée par l’ensemble des surpressions à l’intrados et des dépressions à l’extrados en s’appliquant à partir du centre de poussée. En contournant l’extrados, les filets d’air créent une dépression qui aspire l’aile. En soufflant l’intrados les filets d’air créent une pression qui tend à soulever l’aile.

La pression est l’application d’une force sur une surface, mais on peut différencier deux types de forces associées à la pression, la pression statique, et la pression dynamique.
On appelle « pression statique PS », la pression exercée perpendiculairement par l’air immobile sur toute surface d’un corps au repos.
Alors que la pression dynamique PD, c’est la pression due à la vitesse du vent relatif appliqué sur une surface en mouvement, perpendiculaire aux filets d’air. La valeur de cette pression peut être déterminée par la relation de Bernoulli, ou la mécanique des fluides.
Lorsqu’on diminue la section offerte à l’écoulement d’un fluide, la vitesse de celui-ci augmente. Cette augmentation de vitesse s’accompagne d’une diminution de pression et inversement. Ainsi, les filets d’air qui circulent le long de l’extrados vont plus vite dans la partie resserrée, la pression qui y règne est donc inférieure à celle de son environnement. Si nous considérons que sous l’intrados règne une pression égale à la pression atmosphérique tandis que l’extrados est le siège d’une pression inférieure à cette dernière, cette différence de pression d’une face à l’autre de l’aile donne naissance à une force dirigée vers le haut qui sustente l’aile.

P = F / S
F : la force appliquée en Newton (N)
S : la surface en m²

PD = ½ . ρ . V²
ρ : la masse volumique de l’air
V : la vitesse du vent relatif en m. s-1

On appelle « pression totale PT », la somme des pressions statique et dynamique :
PS + PD = PT

L’air étant compressible, sa masse volumique est proportionnelle à la pression exercée et inversement proportionnelle à la température. La force résultant de la pression dynamique sur une surface perpendiculaire « S » vaut :
Force = Pression x Surface → Force aérodynamique = PD x S = ½ . ρ . S . V²

B) L’aile

Lorsque de l’air s’écoule autour d’un profil, des variations de pression ont lieu tout autour de lui. Les profils d’ailes sont dessinés de façon à ce que, en vol, une dépression se crée à l’extrados, alors qu’une surpression s’établit à l’intrados. Cette différence de pression est à l’origine d’une force tirant le profil à la fois vers le haut et vers l’arrière, appelée résultante. Cette force s’applique en un point particulier de la ligne de référence qu’est le centre de poussée. La résultante peut être décomposée en deux forces différentes : la première, perpendiculaire à la direction de l’écoulement, est la composante efficace : c’est la portance. La seconde, parallèle à l’écoulement, est l’inévitable composante parasite. Son nom : la traînée.
De ce fait, l’écoulement de l’air autour d’une aile de profil classique provoque une perturbation importante du volume d’air environnant par la présence de l’aile, ceci crée des filets d’air sur l’extrados qui sont plus déformés que sur l’intrados.
D’autre part, l’élévation de l’aile sera provoquée par un mouvement qui s’appel le vent relatif, c’est le vent de face parallèle à la trajectoire. Par ce fait, un objet se déplace à la même vitesse s’il se déplace à une certaine vitesse dans l’air immobile que s’il est immobile, mais dans un environnement ayant des déplacements d’air. Le vent relatif matérialise la vitesse, et la direction du courant d’air qui agit sur l’aile est toujours opposée à la direction du mouvement de celle-ci. Par exemple si une aile se déplace horizontalement de la droite vers la gauche, le vent relatif est dirigé horizontalement de la gauche vers la droite. L’angle sous lequel l’aile est frappée par le vent relatif est appelé angle d’incidence ; par définition c’est l’angle formé entre la corde de référence du profil considéré et la direction du vent relatif.
Le centre de poussée est le point d’application des forces de la portance et de la trainée en fonction de l’angle d’incidence.
Les coefficients Cz et Cx sont respectivement les coefficients de portance et de trainée dont la somme est égale à la résultante aérodynamique. Ils varient en fonction du profil de l’aile et de l’angle d’incidence. L’aile est ensuite associée à plusieurs notions, la polaire de l’aile, celle-ci représente dans un plan les vecteurs composant la force aérodynamique que sont la portance et la trainée, ainsi que les variations de leurs coefficients.

1/ La portance

La portance est la composante perpendiculaire au filet d’air au vent relatif, elle augmente avec l’incidence :
Portance = ½ . Cz . ρ . S . V²
ρ : la masse volumique du fluide en kg. m-3
S : la surface maximale projetée au sol en m²
V : la vitesse relative au fluide en m. s-1
La portance s’exprime en Newton (N)

2/ La traînée

La traînée est la composante parallèle au filet d’air, est toujours positive, et s’exprime en Newton :
Traînée = ½ . Cx . ρ . S . V²
ρ : la masse volumique du fluide en kg. m-3
S : la surface maximale projetée au sol en m²
V : la vitesse relative au fluide en m. s-1

A traînée minimale, l’incidence est nulle, à partir de ce point, la traînée augmente du fait l’avion perd sa position à profil aérodynamique avec l’angle d’incidence.

3/ La finesse

La notion de finesse sera employée pour exprimer le rapport entre la portance et la traînée. Le quotient de ces deux forces exprime le coefficient de finesse, celui-ci détermine la distance que peut parcourir un avion tout en étant en absence de poussée, c’est-à-dire en planant (la finesse n’a pas d’unité).

4/ La polaire

La polaire d’un profil décrit les variations des coefficients de portance (CZ) en fonction de la traînée (Cx). Cependant, la variation de ces composantes vectorielles formera en conséquence des points décrivant les limites qu’un profil peut atteindre.
La polaire de l’aile est la courbe d’équation : Cz = f (Cx)

C) La stabilité

Le vol en palier est un phénomène observable lorsqu’un avion vol à l’horizontale, à vitesse constante.
Pour que la vitesse soit constante, il faut que :
Traction = Traînée
Pour que l’altitude soit constante, il faut que :
Portance = Poids

La stabilité de route se caractérise par l’effet du vent sur les surfaces verticales. Cet effet produit un redressement de l’avion par sa rotation autour de l’axe de lacet. De cette façon, l’effet de flèche produit une traînée plus importante de la part de l’aile en avant, alors qu’en arrière, l’aile est face au vent plus à l’oblique. Le dérapage d’un avion est du à un écoulement de l’air qui n’est pas parallèle au plan de symétrie de l’avion. On dit que cet écoulement est dissymétrique.
D’une autre part, nous pouvons observer le phénomène de stabilité latérale, lorsque l’aile en arrière « sous le vent », attaque les filets d’air en oblique, sa traînée et sa portance sont moins importantes que celles de l’aile « en avant ». La différence de portance entraîne une rotation autour de l’axe de roulis, et une contre-réaction tend à réduire le déplacement latéral de l’avion. Cet effet est accentué par le dièdre de chaque demi-aile de l’avion.
Enfin, la glissade est le phénomène décrivant l’appareil étant incliné (sans mise en virage), il glisse vers le bas. L’aile au vent, par effet du au dièdre, a une portance supérieure à celle de l’aile sous le vent. Il s’ensuit une rotation autour de l’axe de roulis. L’attaque du vent relatif latéral sur la dérive ajoute à cette correction mais avec un effet de rotation autour de l’axe de lacet.

Quelques explications techniques, et un peu d’aérodynamique.

Mach1 et au delà.

Les systèmes de propulsion.

Deux ou trois trucs en plus.

Les instruments.

La structure des avions.

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s