AÉRODYNAMIQUE et MÉCANIQUE du VOL

Module 2 Dans ce module, vous: - étudierez la variation des coefficients de portance et de traînée; - découvrirez la couche limite et apprendrez ce qu’est une polaire; - travaillerez sur la mécanique du vol et ses équations pour chaque phase de vol (montée, palier, descente, virage); - approfondirez vos connaissances sur les phénomènes qui perturbent l’écoulement aérodynamique autour de l’avion; 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.

Variation du coefficient de portance en fonction de l’incidence A/ Cas d’un profil dissymétrique: Revoir l’animation et mettre sur pause aux valeurs d’incidence pertinentes. On s’aperçoit que: - Cz et donc Fz est nul pour une une incidence négative à incidence nulle, Cz et donc Fz sont positifs Cz et donc Fz augmentent jusqu’à une valeur maxi à laquelle correspond une incidence appelée incidence maximale (i max). Si l’incidence augmente au-delà de i max, Cz et donc Fz diminuent brusquement. L’avion « décroche ».

B/ Cas d’un profil symétrique: Selon le type d’avion, le décrochage se manifeste par un piqué naturel facilement observable par le pilote et qui permet à l’appareil de revenir au faibles angles d'incidence ou par une mise en descente sans changement d’assiette, moins facilement détectable et de ce fait plus dangereuse. En utilisation normale, le pilote ne devra donc pas approcher ces grandes incidences pour des raisons de sécurité. B/ Cas d’un profil symétrique: Courbe de même type que précédemment, mais qui passe cette fois-ci par l’origine; à incidence nulle, la portance est nulle. C’est pour cette raison que ce type de profil est utilisé pour les parties de l’avion n’étant pas censées contribuer à la portance, comme l’empennage horizontal par exemple. À forte incidence, l’aile finira également par décrocher.

LA COUCHE LIMITE Pourquoi ce décrochage de l'aile ? Pour comprendre, il faut étudier le comportement des filets d'air autour du profil : Ecoulement de l'air aux faibles incidences : Il est laminaire

LA COUCHE LIMITE Écoulement de l'air aux fortes incidences : il devient turbulent puis tourbillonnaire: Incidence forte 1 Début de décollement des filets d'air sur l'extrados Incidence forte 2 > Incidence forte 1 La surface de filets d'air décollés augmente

LA COUCHE LIMITE Pour mieux étudier le phénomène, l'aérodynamicien étudie la "couche limite". Lorsque l'on se rapproche de la "peau" de l'avion, la vitesse des filets d'air diminue pour s'annuler au contact de celle-ci. Couche limite due à la viscosité de l'air

LA COUCHE LIMITE Lorsque l'incidence augmente les phénomènes ci-contre se produisent La diminution puis la perte de la portance est due au décollement de la couche limite après qu'elle soit devenue turbulente. Observez la vidéo suivante qui vous montrera le phénomène filmé depuis l’avion.

Variation du coefficient de traînée en fonction de l’incidence On constate que: à incidence nulle, Cx et donc Fx est positif; Cx et donc Fx est minimal à une incidence proche de 0; Cx et donc Fx augmentent proportionnellement à l’augmentation d’incidence. Traînée Cx i Bien noter que la traînée est toujours positive. En associant les deux courbes Cx = f(i) et Cz = f(i), on peut obtenir une seule courbe qui regroupera l’ensemble des caractéristiques aérodynamiques de l’aile ou de l’avion. Cette courbe s’appelle la polaire. Elle vous est présentée sur la page suivante.

LA POLAIRE +  Si pour chaque incidence, on porte : en abscisse la valeur de la traînée et en ordonnée la valeur de la portance, on obtient la "POLAIRE" de l'aile (ou de l'avion si l'on a étudié l'avion en entier). + 

LA POLAIRE Cette courbe élaborée par le constructeur lui permet de retrouver les caractéristiques de l'appareil et de déterminer les incidences donc les vitesses d'utilisation. Ainsi : Incidence de portance maximum (atterrissage) Incidence de décrochage Permet de déterminer la finesse maximum de l'avion  vitesse à adopter si panne Incidence de traînée minimum (vol rapide)

PORTANCE / TRAINEE AVION Si l'on considère l'avion dans son ensemble (aile + fuselage), on retrouve également - une portance perpendiculaire au sens des filets d'air - une traînée parallèle au sens des filets d'air Pour que l'avion puisse rester en vol, il faut : - que son poids soit compensé par la portance - que sa traînée soit compensée par la traction de l'hélice

MÉCANIQUE DU VOL

VOL EN PALIER Portance Traction hélice Traînée avion Il faut : Fz = P Equations du vol en palier Portance Traction hélice Traînée avion Il faut : Fz = P Fx = Tu Poids

Conséquence du braquage d'une commande de vol Fz1 Aucun braquage : incidence initiale i1 portance initiale Fz1 i1 Fz2 Braquage gouverne : nouvelle incidence i2 > i1 nouvelle portance Fz2 > Fz1 i2 L'ensemble gouverne et son support sont attirés vers le haut

Action sur le manche vers la droite Exemple inclinaison du manche vers la droite : Cas du manche incliné vers la droite L'aileron droit se lève, l'incidence diminue, la résultante aérodynamique diminue, donc la portance diminue L'aile droite s'abaisse L'aileron gauche s'abaisse, l'incidence augmente, la résultante aérodynamique augmente, donc la portance augmente Conséquence, l'avion s'incline L'aile gauche se lève

Action sur le manche vers la droite Suite à l'inclinaison de l'avion vers la droite . . . . Fz La portance s'incline Création d'une force Fc dirigée vers l'aile inclinée La trajectoire de l'avion est déviée vers la droite Fc En avion : Inclinaison = virage

Effets secondaires des commandes de vol Nous venons de voir l'effet primaire des commandes de vol, cependant dans certains cas, des effets secondaires apparaissent. Dans tous les cas l'effet secondaire agit sur un autre axe que celui de l'effet primaire. Nous allons voir : le lacet inverse qui apparaît lors du braquage des ailerons le roulis induit qui naît lors du braquage de la direction Lors des évolutions en vol, tous ces effets se conjuguent, et le pilote adaptera son pilotage en fonction de ce qu'il détecte visuellement. (ex : cas du virage) Il n'est pas question en vol de réfléchir à tous ces effets dus aux braquage des gouvernes, mais il faut comprendre pourquoi l'avion réagit ainsi.

Cas du manche incliné vers la droite LE LACET INVERSE Lors d'une mise en virage vers la droite (manche incliné vers la droite) : Cas du manche incliné vers la droite L'aileron droit se lève, l'incidence aile diminue, la portance diminue, l'aile s'abaisse L'aileron gauche s'abaisse, l'incidence augmente, la portance augmente, l'aile se lève La traînée de l'aile droite diminue La traînée de l'aile gauche augmente Portance et traînée variant dans le même sens, en conséquences :

LE LACET INVERSE Lors d'une mise en virage vers la droite (manche incliné vers la droite) : Au lieu de virer normalement vers la droite, le lacet inverse tend à faire ressortir l'avion du virage (le lacet inverse est toutefois inférieur au lacet créé par la mise en virage) ; le vol n'est plus symétrique.

Braquage de la direction pour rétablir la symétrie du vol LE LACET INVERSE Symétrie du vol : Mise en virage Remède : Braquage de la direction pour rétablir la symétrie du vol

LE LACET INVERSE Maintenir le braquage de la direction Lorsque l'inclinaison voulue est atteinte, le pilote ramène les ailerons dans le plan des ailes; les ailerons ne sont plus braqués Durant le virage Cependant durant le virage; la vitesse de l'aile extérieure est supérieure à celle de l'aile intérieure d'ou des traînées différentes. L'avion tend à nouveau à sortir du virage (vol non symétrique) Remède : Maintenir le braquage de la direction

LE ROULIS INDUIT Lors d'un braquage de la direction : (ex : appui sur palonnier droit entraînant un braquage direction à droite) Par réaction autour de l'axe de lacet, le nez de l'avion se déplace vers la droite, provoquant une accélération de l'aile gauche . . . .

LE ROULIS INDUIT Ceci entraîne une différence de portance des ailes : la portance de l'aile gauche augmente la portance de l'aile droite diminue Le résultat est une mise en inclinaison de l'avion vers la droite, par roulis induit du fait du braquage de la direction Les 2 effets que nous venons de voir apparaissent lors des virages (surtout avec des appareils à grand allongement type planeurs)

Conséquence du braquage des volets Augmentation de l'incidence aile Augmentation de la surface de l'aile Volets sortis Volets rentrés Ceci entraîne : augmentation de la portance augmentation de la traînée augmentation de l'incidence de décrochage soit en résumé une diminution des vitesses de décollage et d’atterrissage. Avant : décollage : sortie des volets en position décollage (position moyenne afin de ne pas trop augmenter la traînée) atterrissage : sortie des volets en position atterrissage (position maximum afin de privilégier la portance)

Braquage des volets Commande électrique ou manuelle sur les avions de faible tonnage, hydraulique pour les gros porteurs. Un indicateur permet de vérifier la quantité de volets braqués

LE COMPENSATEUR OU TRIM But : diminuer les efforts du pilote sur certaines commandes de vol lors des phases de vol stabilisées On dit souvent que l'on "trimme" l'avion Il existe des compensateurs sur les 3 axes, cependant sur les avions légers ne sont présents que ceux sur la profondeur et parfois sur la direction

LES COMPENSATEURS Quelques compensateurs existants Compensateur d'aileron (fixe en général sur avions légers et réglé pour la croisière) Compensateur ou "trim" de profondeur Compensateur ou "trim" de direction Quelques compensateurs existants

Force dirigée vers le haut Braquage compensateur : LE COMPENSATEUR Principe : Par braquage d’une partie de la gouverne dans le sens contraire de celle-ci, se crée une force qui participe à maintenir cette gouverne dans le sens souhaité Braquage gouverne : Force dirigée vers le haut Braquage compensateur : Force dirigée vers le bas qui annule l’effort nécessaire au braquage initial de la gouverne

LE COMPENSATEUR Réalisation pratique

LE COMPENSATEUR Compensateur automatique :

LE COMPENSATEUR Compensateur dit "anti-tab"

LE COMPENSATEUR DE PROFONDEUR Type de compensateur actionné par le pilote

LE COMPENSATEUR Type de compensateur fixe (réglé pour la croisière) Compensateur d’aileron

LE COMPENSATEUR Type de compensateur fixe (réglé pour la croisière) Compensateur de direction fixe

Influence de l'allongement : traînée induite La surpression de l'intrados tend à venir combler la dépression de l'extrados en contournant l'extrémité de la voilure. Comme l'avion se déplace, à chaque extrémité d'aile se crée un tourbillon marginal ou "vortex" Ce vortex est directement proportionnel à la portance et inversement proportionnel à l'allongement de l'aile La traînée induite est cette traînée supplémentaire qui s'oppose au déplacement

Influence de l'allongement : traînée induite Ces tourbillons marginaux représentent un danger pour l'appareil pouvant les rencontrer  ne pas suivre de trop près les avions générant d'importants vortex (avions lourds à faible allongement). Voir une vidéo au format Quicktime sur le sujet Pour diminuer cette traînée supplémentaire, on ajoute sur les avions modernes et rapides des cloisons en extrémité de voilure appelées "winglets".

FIN DU MODULE QUITTER