CONNAISSANCES générales sur les AÉRONEFS

MODULE 1 Dans ce module, vous apprendrez : - à classer les engins volants suivant leur ordre d’ apparition historique; - à classifier les aéronefs en fonction de leurs caractéristiques; - à connaître la terminologie de base qui caractérise les avions et leur environnement. Ce module a été conçu et réalisé par Bernard GUYON, Cdb 777 à Air France et instructeur à l’Aéro-club du Béarn, et Stéphane MAYJONADE, instructeur BIA et CAEA.

QU’ EST CE QU’ UN AÉRONEF ? L’OACI (Organisation de l’Aviation Civile Internationale) a retenu pour définition du mot aéronef : « Appareil ou machine capable de s’élever dans l'atmosphère, de s’y maintenir, de s’y déplacer et/ou d’effectuer une descente contrôlée jusqu’au sol, et ce quel que soit son mode de sustentation et son mode de propulsion. » À partir de la définition ci-dessus, nommez les aéronefs qui vont vous être présentés maintenant par ordre d’apparition historique et réfléchissez à la façon dont vous pourriez les classifier.

1000 avant J.C

LE CERF - VOLANT est apparu simultanément en Asie et dans la Rome antique; est sous sa forme romaine l’ancêtre d’un objet que l’on trouve encore aujourd’hui sur tous les aérodromes et aéroports du monde; À votre avis, quel est cet objet?

LA MANCHE À AIR : c’est elle qui renseigne sur la direction et la force du vent.

Le nombre de « ballons » figurant sur la photo précédente se monte à: - 10, réponse A; - 14, réponse B; - 19, réponse C; - 22, réponse D. Non, c’était pour rire (lol), mais comment se nomment néanmoins ces ballons?

LA MONTGOLFIÈRE Inventée en 1783 par les frères Montgolfier; A d’abord été retenue au sol sous forme de ballon captif par un câble appelé élingue, avant de devenir ballon libre; A emmené des animaux de basse-cour avant d’emmener des êtres humains; Son premier vol « humain » a été effectué par Pilâtre de Rozier et le Marquis d’Arlandes.

LE PARACHUTE Inventé en 1797 par le français André Garnerin, il existe actuellement sous deux formes: - le parachute sphérique utilisé par les militaires ou de manière balistique; - le parachute rectangulaire utilisé par les civils, et qu’on appelle aussi « aile » ou « voile ».

Parachute balistique

LE DIRIGEABLE Piloté pour la première fois en 1852 par Henry Giffard; Est l’ancêtre des Zeppelins, dont l’accident tragique du « Hindenburg » en 1936 sonna le glas de ce mode de transport aérien. Revient à la mode à l’heure actuelle, avec une vocation cette fois-ci publicitaire et/ou d’observation.

1890: L’Éole de Clément Ader, qui inventa également le mot « avion ».

1894 à 1897: Otto Lilienthal effectue plus de 1000 vols en planeur.

1901: le planeur des frères WRIGHT

Un planeur à l’heure actuelle.

Pour voir la vidéo, cliquer sur le Flyer 1903: l’avion des frères WRIGHT: le « Flyer » Pour voir la vidéo, cliquer sur le Flyer

1907: naissance de l’hélicoptère. 2006: Le Tigre en démonstration à Pau.

L’AUTOGIRE Est apparenté à l’hélicoptère de par le fait qu’il utilise un rotor; Est apparenté à l’avion de par le fait qu’il utilise une hélice, tout simplement parce qu’il est dans l’impossibilité de décoller verticalement ou d’effectuer du vol stationnaire.

LE DELTAPLANE Inventé dans les années 50 à partir des cerfs-volants triangulaires de Francis ROGALLO; Conçu pour emmener une à deux personnes; A donné naissance aux premiers ULM pendulaires (Ultra Légers Motorisés).

Un ULM pendulaire.

Un ULM multiaxes: Le Skyranger

LE PARAPENTE Inventé en 1978; A donné naissance quelques années plus tard au paramoteur, connu du grand public par l’utilisation qu’en a fait Nicolas HULOT dans ses émissions « Ushuaïa »; Le paramoteur est classé dans la catégorie des ULM.

Un paramoteur

1981: lancement de la navette spatiale Columbia. Nous sommes dans l’ère des véhicules aérospatiaux

2004: Spaceship One est le premier engin suborbital conçu et réalisé par une société privée.

2005: Arrivée du « Lionceau » à l’aéro-club où vous effectuerez vos vols d’initiation. Il est classé dans la catégorie des VLA (Very Light Aircraft).

L’aéromodélisme s’est quant à lui pratiqué de tous temps L’aéromodélisme s’est quant à lui pratiqué de tous temps. Vous pourrez le prendre en option pour l’examen du BIA.

À PARTIR DE QUELS CRITÈRES PENSEZ-VOUS POUVOIR CLASSIFIER LES AÉRONEFS VUS PRÉCÉDEMMENT? La classification officieuse peut se faire à partir des instances fédérales qui gèrent la pratique des différents sports aériens; on trouvera ainsi: - la FFPLUM qui gère les pratiquants d’ULM; - la FFVL (Vol Libre) qui s’occupe des parachutistes; - la FFVV (Vol à Voile) qui s’intéresse aux adeptes du planeur;

- la FFAérostation qui s’occupe des ballons; - la FFGiraviation qui regroupe les pratiquants d’autogyre et d’hélicoptère; - la FFAM qui gère les adeptes d’aéromodélisme; - la FFA ou Fédération française aéronautique (ex FNA) qui concerne les pilotes d’avions. Au niveau international, la fédération qui regroupe tous les sports aériens s’appelle la FAI ou Fédération Aéronautique Internationale.

CLASSIFICATION DES AÉRONEFS La classification officielle se fait tout simplement à partir du mode de sustentation et/ou du mode de propulsion. Il existe deux modes de sustentation différents ainsi que deux modes de propulsion possibles. À votre avis, quels sont ces modes ?

Les deux modes de sustentation possibles sont: L’utilisation d’un gaz plus léger que l’air ambiant. Les appareils utilisant ce procédé sont donc appelés « plus légers que l’air » ou aérostats et leurs pilotes sont appelés aérostiers ou aéronautes. L’utilisation d’une voilure pour créer une portance (force aérodynamique s’opposant à la gravité). Les appareils utilisant ce procédé sont appelés « plus lourds que l’air » ou aérodynes.

Dans le cas des « plus lourds que l’air », cette voilure peut être: Souple (parachute, parapente, paramoteur); Rigide (deltaplane, ulm pendulaire); Fixe (planeur, avion, ulm multiaxes); Tournante (hélicoptère, autogire).

Les deux modes de propulsion possibles sont : L’utilisation de l’énergie éolienne, c’est-à-dire du vent (ex: le planeur); L’utilisation de l’énergie thermique fournie par un moteur (ex: l’avion). NB: Seul le mode de sustentation différencie les aérostats des aérodynes.

LES PLUS LÉGERS QUE L'AIR (aérostats) Le ballon : Une enveloppe en tissu contenant du gaz est reliée à la nacelle par des suspentes. On distingue : les ballons à gaz : l'enveloppe contient un gaz plus léger que l'air (par ex: l’hydrogène 14 fois plus léger que l'air ou l’hélium); - les ballons à air chaud (Montgolfières) : l'air chaud, emprisonné dans l'enveloppe, peut être réchauffé par un brûleur. L'aéronaute ne peut agir que dans le plan vertical en actionnant le brûleur ou en ouvrant une soupape d'échappement. Le déplacement horizontal d’un ballon s'effectue donc sous l'action du vent.

LES PLUS LÉGERS QUE L'AIR Le dirigeable : comme son nom l’indique, il peut se diriger dans toutes les directions et n’est donc plus tributaire uniquement de l’action du vent. Son enveloppe de forme allongée (type cigare) est dotée de gouvernes et stabilisateurs; L'enveloppe à structure souple ou rigide contient de l'hélium (plus léger que l'air mais plus lourd que l'hydrogène avec la propriété non négligeable d'être ininflammable car inerte); La nacelle carénée, fixée à l'ossature comporte toutes les commandes de vol. La propulsion est assurée par des moteurs entraînant des hélices pouvant être carénées. Pour voir la vidéo du dernier vol d’un dirigeable à hydrogène, cliquer sur l’image animée.

LES PLUS LOURDS QUE L'AIR La sustentation est assurée par le déplacement à grande vitesse d'une surface appelée voilure ou aile. Aérodyne motorisé à voilure fixe ou "avion" (depuis Clément ADER en 1890) : L'ensemble propulsif permet la mise en vitesse et le décollage . Que ce soit un avion léger type aéroclub ou un avion de ligne gros porteur, les principes aérodynamiques de base restent les mêmes. En fonction des caractéristiques requises, la forme et les dimensions vont changer.

LES PLUS LOURDS QUE L'AIR Cas particulier des ULM ( <450 kg): Structure légère (tubes creux ou composite et toile) propulsée par un moteur à pistons de petite cylindrée entraînant une hélice. Peuvent être multiaxes ou pendulaires. Multiaxes et tout à fait comparable à un avion. Certains ont une structure métallique ou composite. Leurs performances avoisinent celles d'un avion. Pendulaire caractérisé par une aile delta qui peut pivoter autour d'un axe reliant la voilure et la structure. Une barre reliée à un trapèze permet au pilote de déplacer le centre de gravité de l'ensemble, ce qui permet les évolutions

LES PLUS LOURDS QUE L'AIR Aérodyne non motorisé à voilure fixe ou planeur Nécessite un moyen annexe pour "l'amener" en l'air : - Treuil Sandow Avion remorqueur Le pilote doit ensuite rechercher en permanence les courants ascendants des masses d'air. Caractéristiques principales : grand allongement des ailes extrêmement fins Construits en matériaux composites (tissus de verre, de carbone ou kevlar), certains sont dotés d'un petit moteur auxiliaire permettant le décollage puis après arrêt en vol, pouvant parfois se rétracter afin de diminuer la traînée.

Un motoplaneur à hélice rétractable

LES PLUS LOURDS QUE L'AIR Aérodyne à voilure tournante ou giravion (autogire) La sustentation est assurée par une hélice de grand diamètre. Le rotor incliné vers l'arrière est entraîné en rotation uniquement par le déplacement de l'appareil. Le déplacement étant lui-même réalisé par un ensemble moteur/hélice qui assure la propulsion. C'est en fait un avion dont les ailes sont remplacées par une voilure tournante libre qui assure la sustentation. Ne peut décoller verticalement, ni effectuer de vol stationnaire.

LES PLUS LOURDS QUE L'AIR Aérodyne à voilure tournante ou hélicoptère capable de décoller à la verticale. Le rotor, entraîné mécaniquement par le moteur, assure à la fois la sustentation et la propulsion. Il peut décoller et atterrir verticalement et effectuer du vol stationnaire. La poutre profilée supporte un rotor anti-couple annexe, entraîné par le moteur, tournant dans le plan vertical et qui porte parfois le nom de « fenestron ».

LES PLUS LOURDS QUE L'AIR Cas particulier d’aérodyne à voilure tournante : LE CONVERTIBLE Capable de décoller à la verticale puis de se déplacer à de très grandes vitesses. Lors du décollage, la sustentation est réalisée par les moteurs qui basculent ensuite afin de procurer progressivement à l'appareil une vitesse horizontale qui permet de transférer la sustentation à l'aile fixe. Ce type d'appareil est technologiquement très compliqué. Seuls des appareils militaires ont été développés.

LES PLUS LOURDS QUE L'AIR: LES AVIONS À partir de maintenant et pour la suite de votre formation au BIA, nous nous intéresserons exclusivement aux aérodynes appelés avions, dont nous allons commencer par découvrir les caractéristiques générales.

Les avions: caractéristiques générales Selon l’emplacement et le nombre de voilures, on dira d’un avion qu’il est: - triplan (ex: le Fokker de la 1ère guerre mondiale)

- biplan (ex: le Fokker D VII)

- monoplan (ex: le Robin DR 400)

Les avions: caractéristiques générales Un avion monoplan pourra être: à ailes basses ,comme le DR 400 précédent ou alors celui-ci:

à ailes médianes (ex: le Bréguet Br 765 « Sahara » dit Bréguet deux ponts)

à ailes hautes (ex: le Cessna Caravan)

Les avions: caractéristiques générales Selon le nombre de moteurs dont il est équipé, on dira d’un avion qu’il est: monomoteur (ex: le TB 20)

bimoteur, ces derniers pouvant être écartés comme ici ou…

… alignés sur le même axe. L’avion s’appelle alors un Push-Pull.

l’avion pourra également être trimoteur

voire quadrimoteur (ex: le DC 4)

En règle générale, dès qu’un avion a 4 moteurs ou plus, on dira qu’il est multimoteur (ex: le B 52 est équipé de 8 moteurs). Si l’avion est équipé de réacteurs,comme ci-dessus, on pourra également parler d’un biréacteur,d’un triréacteur, d’un quadriréacteur ou d’un multiréacteur. En voici d’autres exemples ci-après:

Le biréacteur le plus fabriqué au monde: le B 737.

Le biréacteur le plus puissant du monde: le B 777

Un triréacteur toujours du fabricant Boeing: le B 727.

Le quadriréacteur A 340 du constructeur européen Airbus.

Les avions: caractéristiques générales Ce ou ces moteurs pourront être: - à pistons (GMP) - à turbopropulseur (GTP) Les GMP et les GTP entraînent une hélice qui pourra être bipale, tripale, quadripale … et on parlera alors de traction moteur. - à turboréacteur (GTR) - à statoréacteur (GSR) - à pulsoréacteur (GPR) Dans les GxR, il n’y a plus d’hélice et on parlera alors de poussée moteur.

Les avions: caractéristiques générales Un avion-fusée est quant à lui propulsé par un moteur utilisant comme carburant du propergol liquide (ex: le Bell X-15).

Les avions: caractéristiques générales Un turboréacteur pourra être à: simple flux: Il est composé de: - une entrée d’air - un compresseur - une chambre de combustion - une turbine - une tuyère d’éjection Le turboréacteur à simple flux pourra éventuellement être équipé d’une réchauffe ou post-combustion (ex: le Concorde) permettant d’obtenir une poussée plus importante dans certaines phases de vol.

Les moteurs du Concorde sont à post-combustion - turboréacteur à simple flux et post combustion Les moteurs du Concorde sont à post-combustion turboréacteur à double flux Turboréacteur à double-flux du B 777

LE STATORÉACTEUR (ramjet) Réacteur sans turbine ni compresseur composé de: - une entrée d’air où ce dernier est ralenti à vitesse subsonique et comprimé; - une chambre de combustion où le carburant est vaporisé avec l’air et enflammé; - une tuyère d’éjection où les gaz chauds s’accélèrent et se détendent. Le statoréacteur nécessite une vitesse minimale de fonctionnement, donc un autre système de propulsion ou un avion porteur. Idéal pour les vitesses allant de Mach 3 à Mach 6 (3600 à 7200 km/h) Le statoréacteur couplé à un turboréacteur se comporte comme une post-combustion

LE STATORÉACTEUR (ramjet) Le « Griffon » fut le premier avion français à statoréacteur capable de dépasser Mach 2 Sachez qu’il existe également des superstatoréacteurs (scramjet) pour lesquels la vitesse de l’air à l’entrée de la chambre de combustion est supersonique. Certains sont capables d’atteindre Mach 9 !

LE PULSORÉACTEUR C’est un statoréacteur muni de clapets automatiques situés à l’entrée de la chambre de combustion. Lors de l’inflammation de l’air avec le combustible, la force de l’explosion ferme les clapets, qui se rouvriront grâce à la pression de l’air entrant, quand le mélange aura été éjecté. C’est donc un phénomène pulsatile, d’où son nom. Pendant la seconde guerre mondiale, les allemands utilisèrent des pulsoréacteurs sur les premiers avions sans pilote, les V1. Les Spitfire anglais ne pouvaient les détruire qu’en les touchant du bout de l’aile, ce qui déstabilisait leurs gyroscopes.

Les avions sans pilote existent encore de nos jours, même si ce ne sont plus des « bombes volantes » équipées de pulsoréacteurs; on appelle désormais ces avions des drones ou UAV (Unmanned Air Vehicle). D’autres drones sont de taille microscopique ou fonctionnent à l’énergie solaire. Ce drone est équipé d’un système de propulsion à l’énergie nucléaire, ce qui lui donne une autonomie presque illimitée.

GTP (turbopropulseur) GTR (Turboréacteur) LES DIFFÉRENTS TYPES DE PROPULSION AVION Tableau récapitulatif des éléments à retenir GMP (moteur à piston) Engendrent une TRACTION Entraînent une HÉLICE Principe du moteur à explosion (cf CGA module 3) GTP (turbopropulseur) Donnent des puissances supérieures à celles des GMP GTR (Turboréacteur) Simple flux Engendrent une POUSSÉE (réaction) Une turbine entraîne un compresseur Les éléments le composant se présentent dans l’ordre suivant: Entrée d’air, compresseur, chambre de combustion, turbine, tuyère. S. Flux + PC Double Flux GSR (Statoréacteur) Absence d’éléments mobiles Nécessitent une vitesse initiale importante afin de pouvoir fonctionner. GPR (Pulsoréacteur)

ADAPTATION DES PROPULSEURS À LA VITESSE Les caractéristiques des propulseurs leur permettent d’évoluer dans des plages de vitesses plus ou moins importantes Transsonique Subsonique Supersonique Hypersonique GMP GTP GTR Double Flux GTR Simple Flux à PC Statoréacteur (ramjet) Superstatoréacteur (scramjet) Mach 1 Mach 2.5 Mach 5 350 km/h 700 km/h

NOMBRE DE MACH On définit le nombre de Mach comme le rapport entre la vitesse air de l’avion et la vitesse du son (a). M = V / a La vitesse du son est fonction de la température mais on peut retenir qu’à Mach 1 correspond une vitesse d’environ 1200 km/h au niveau de la mer. Le passage du « mur du son » (Mach 1) provoque une onde de choc conique à l’origine du « bang » sonique. Le 1er vol à Mach 1 a été effectué en 1947 par Chuck Yaeger xur le Bell X1 (pour voir les vidéos, cliquer une seule fois sur chacune des photos).

Les avions: caractéristiques générales Un avion pourra décoller ou atterrir: - sur l’eau: l’hydravion fréquente des hydrobases. Il peut être caréné en forme de coque de bateau ou être équipé de flotteurs.

Le Catalina est un hydravion caréné comme un bateau

Les avions: caractéristiques générales Un avion pourra décoller ou atterrir: -sur la neige: il est équipé de skis et peut se poser en hiver sur des altisurfaces, des glaciers,… Sa base est un altiport. NB: pour un hélicoptère, on parlera d’hélisurface et d’héliport.

Un exemple d’hélisurface

Les avions: caractéristiques générales Un avion pourra décoller ou atterrir: sur l’herbe ou le bitume: il est équipé d’un train d’atterrissage et opère à partir d’aérodromes et/ou d’aéroports. S’il est à décollage et atterrissage verticaux, on dira de lui qu’il est VTOL (Vertical Take Off and Landing) comme par exemple le Hawker Harrier britannique.

Les avions: caractéristiques générales S’il est à décollage et atterrissage courts, on dira qu’il a la capacité STOL (Short Take Off and Landing) comme par exemple le Pilatus Porter.

Les avions: caractéristiques générales Le train d’atterrissage pourra être fixe ou rentrant et se divise en deux parties: - un train principal situé généralement au niveau des ailes; - une roulette située sous le nez ou sous la queue de l’appareil et qui sert à guider l’avion au sol. Un avion muni d’une roulette de nez sera dit à train tricycle (par analogie au tricycle des enfants) alors qu’un avion muni d’une roulette de queue sera dit à train classique, les premiers aéroplanes de l’histoire étant équipés ainsi.

Le P51 Mustang, avion à train classique Le Rafale, avion à train tricycle

Les avions: caractéristiques générales Selon le nombre de personnes qu’il pourra transporter, un avion sera dit : monoplace s’il ne peut emmener que le pilote (à ne pas confondre avec un avion certifié pour être monopilote, ce qui n’implique pas forcément la notion de monoplace);

l’avion sera dit biplace s’il peut emmener deux personnes, soit en configuration côte à côte, soit en tandem; Le Piper J3 est un biplace en tandem, alors que le Cap10 est un biplace en côte à côte.

triplace si un passager dispose d’un siège à l’arrière; Le Lion, avion triplace, est le grand-frère du Lionceau biplace.

quadriplace s’il est équipé d’une banquette située derrière les sièges pilotes. Le Robin DR400 est un appareil quadriplace Il ne faut jamais emmener plus de personnes qu’il n’y a de ceintures ou de harnais de sécurité à bord. Un enfant de moins de 2 ans peut quant à lui être tenu dans les bras d’un adulte, mais à l’arrière seulement.

Les avions: caractéristiques générales Un avion est certifié dans une ou plusieurs catégories d’utilisation, ce qui détermine l’usage que l’on peut en faire ainsi que les limites à ne pas dépasser, qui varient d’une catégorie à l’autre. Les quatre catégories existantes sont: - la catégorie N (pour Normale): usage en école, en voyage. - la catégorie U (pour Utilitaire): usage en remorquage de planeurs ou de banderoles, en épandage, en lutte contre l’incendie… Vive le BIA ! - la catégorie A (pour Acrobatique): usage en voltige aérienne. - la catégorie T (pour Transport): usage commercial avec Pax. Il ne faut pas confondre les catégories d’utilisation avec les catégories dites de « navigabilité » (CNRA, CNSK…)

Un avion d’épandage agricole Pawnee, certifié en catégorie U.

Les avions bombardiers d’eau, comme ce Boeing 747 modifié ou ce Canadair, sont également certifiés en catégorie U. Ce module est maintenant terminé. Dans le prochain, vous découvrirez et apprendrez la terminologie relative aux éléments constitutifs de l’avion, aussi bien extérieurs qu’intérieurs.