Fly Higher : Tutorial No 4 LA SCIENCE DU VOL

Présentation de la balance des forces Aérodynamique Les Bases Pour qu'un avion puisse voler, il faut avoir deux Forces : Thrust – La Poussée Lift – La Portance Elles agissent contre les deux forces opposées qui ont pour effet de ralentir l'avion et de le garder sur le sol, ou le tirer vers le bas : Drag – La Trainée Weight – Le Poids L = Lift  Portance, force poussant l’avion vers le haut W = Weight  Poids, force tirant l’avion vers le bas T = Thrust  Poussée, force qui pousse l’avion vers l’avant D = Drag  Trainée, force généré qui retient l’avion vers l’arrière Présentation de la balance des forces

Ce sont toutes des FORCES. Aérodynamique De quoi vous souvenez-vous ? Vous avez déjà rencontré certains de ces termes. Vous souvenez-vous de ce qu'ils représentent ? Définissez-les avec vos propres mots et rappelez-vous des éléments de science les plus pertinents : Poids Portance Poussée Trainée Ce sont toutes des FORCES. Pouvez-vous citer la définition formelle d'une force ? Comment est-il mesurée ? Quelle est la différence entre le poids et la masse ?

Les 3 lois du Mouvement de Newton Vous en souvenez-vous ? Une grande partie de la section suivante s'appuie sur les travaux de Sir Isaac Newton et ses Trois Lois du Mouvement. Elles sont très importantes en physique. Vous souvenez-vous de ces 3 lois ?

Les 3 lois du Mouvement de Newton 1ère Loi : Un objet au repos reste au repos et un objet en mouvement reste en mouvement avec la même vitesse et dans la même direction à moins qu’une force intervienne et le déséquilibre 2éme Loi : L'accélération d'un objet produite par une force est directement proportionnelle à l'intensité de la force, dans la même direction que la force, et inversement proportionnelle à la masse de l'objet On peut énoncer cela par : force = masse x accélération (f = ma) 3éme Loi : pour chaque action, il existe une réaction égale et opposée Libellé des trois lois adapté de : http://www.physicsclassroom.com/class/newtlaws 3rd Law in action

Portance Trainée Aérodynamique Portance et Trainée PORTANCE C’est la force aérodynamique perpendiculaire à la direction du flux d'air. C'est l’existence de la Portance qui déclenche le décollage d’un aéronef au-dessus du sol. Portance Trainée TRAINNEE C’est la force aérodynamique parallèle à la direction du flux d'air. La trainée est « l'ennemi » du vol et doit être surmontée pour que n'importe quel aéronef puisse voler.

POIDS POUSSEE Aérodynamique Poussée et Poids POUSSEE Elle est nécessaire pour faire avancer le véhicule (et est fournie par les moteurs). Elle ne doit pas seulement être supérieure à la résistance de l'air, mais être assez puissante pour déplacer l'avion à une vitesse suffisante pour que les ailes puissent créer la portance nécessaire. POIDS POUSSEE POIDS c’est le poids complet de l'avion, comprenant les passagers, l’équipage, le carburant et le fret. La force de Portance doit surmonter la force opposée, le poids, pour que l'avion puisse voler.

Aérodynamique Les Bases Dans la diapositive No 2, vous avez vu le diagramme des forces d'un aéronef en vol. Dessinez un diagramme de force similaire pour un aéronef: Stationné et immobile sur le tarmac En roulage, prudemment , sur les pistes de l'aéroport. Diapositive 2 : Diagramme des forces en action L = Lift  Portance, force poussant l’avion vers le haut W = Weight  Poids, force tirant l’avion vers le bas T = Thrust  Poussée, force qui pousse l’avion vers l’avant D = Drag  Trainée, force généré qui retient l’avion vers l’arrière

Création de la Portance Aérodynamique Création de la Portance Lorsque les flux d'air passent sur l'aile, la pression sur l'extrados de l'aile est réduite tandis que la pression sur l'intrados est augmentée BASSE PRESSION L’image est prise dans une soufflerie dans laquelle l’air souffle de gauche à droite. Bleu / Blanc : Basse pression Rouge / Orange : pression au-dessus de la normale Une forme de succion est créée, aspirant l’avion vers le haut HAUTE PRESSION

Création de la Portance Aérodynamique Création de la Portance BASSE PRESSION HAUTE PRESSION L’image est prise dans une soufflerie dans laquelle l’air souffle de gauche à droite. Bleu / Blanc : Basse pression Rouge / Orange : pression au-dessus de la normale Une forme de succion est créée, aspirant l’avion vers le haut Cette différence de pression entraîne une force nette en poussant l'aile à la fois vers le haut et en arrière. La force ascendante agit toujours perpendiculairement à la direction de l'air – C’est la PORTANCE !

Puissance du moteur pour faire avancer l’ensemble ! Aérodynamique Et la TRAINEE ? TRAINEE C’est la force de résistance, provoquée par l'avion qui pousse l'air devant lui. Il y a aussi la traînée supplémentaire causée par le frottement entre l'air et le revêtement de l'avion. Pour compléter l'explication, il faut noter que les moteurs des aéronefs permettent de contrer cette force vers l'arrière, en fournissant une force qui réagit dans une direction opposée en poussant l'aile entière et l'avion vers l'avant. Puissance du moteur pour faire avancer l’ensemble !

Aérofoil: Dessin aérodynamique La forme de l'aile Aérofoil: Dessin aérodynamique La forme et la taille de l'aile sont des éléments fondamentaux ! La forme de base est appelée un AEROFOIL. En faisant varier la forme du profil aérodynamique (donc en ajustant l'épaisseur, la courbure et la corde) on obtiendra des résultats différents. La véritable prouesse des frères Wright a consister à trouver la forme adéquate des ailes pour contrebalancer le poids, et diriger la vitesse de leur appareil par l'intermédiaire de rabats, afin de maitriser les différentes phases du vol.

L = ½ ρ V2S CL Le Coefficient de portance Chaque forme d'aile peut être testée en soufflerie et son efficacité de portance définie par un Coefficient de Portance. La Portance atteinte peut alors être calculée par une formule qui tient compte de la taille de l'aile et de la vitesse de l'avion. L = Lift - Portance V = Vitesse (m/s) S = Surface de l’aile (m²) ρ = Densité de l’air = 1.225 kg/m³ CL = Coefficient de Portance   L = ½ ρ V2S CL

Quelle est cette force ? Savez-vous comment elle est calculée ? Aérodynamique Autres facteurs Notez que la Portance dépend très fortement de la vitesse (V2 dans la formule) avec laquelle l'avion se déplace. Cela est d'autant plus important avant le décollage lorsque l'avion roule sur la piste et fait face à une force de résistance additionnelle. Quelle est cette force ? Savez-vous comment elle est calculée ? Comme la Portance dépend de manière très significative de la vitesse et du poids (carburant et moteurs compris), la technologie des moteurs est d'une importance vitale pour l'industrie aéronautique. Concorde roulant sur la piste montrant le frottement des pneus Moteur Trent Rolls Royce 1000, utilisé sur le Boeing 787 depuis 2006 (un des plus modernes moteurs turboréacteurs à double flux pour avion de ligne, actuellement en production). Le Frottement sur le sol est une force significative pour ralentir l'avion. F = μR où R est la force de réaction (c'est à dire la force exercée par le sol supportant l'avion ; R = W à ce stade)

Aérodynamique Autres facteurs Réduire les forces en présence – principalement et évidemment le poids – est extrêmement important. Si bien que les MATERIAUX avec lesquels sont construits les avions doivent être extrêmement solides, sans être lourds. Les Matériaux légers mais super-solides (tels que les alliages d'Aluminium) ont été déterminants pour le développement de l'aviation moderne. Dans le Boeing 787, les matériaux composites sont largement utilisés, mais n’ont par la résistance suffisante pour fournir tout ce qui est nécessaire à l’avion. Les supports pour les moteurs, par exemple, sont dans un alliage de titane qui est mélangé avec de l’aluminium (choix du métal le plus résistant mais un peu plus léger que du titane pur) et les parties structurelles essentielles sont en aluminium (choix du métal le plus léger) allié à du zinc pour ajouter de la résistance. Le “carbone sandwich” présenté ici n’est pas à strictement parlé un composite puisqu’il est composé à part égale d’une plaque d’aluminium et d’une feuille de fibre de carbone liées ensemble. Par le passé, l’aluminium était utilisé seul, mais la résistance de la fibre de carbone et sa légèreté sont des avantages. Cependant, le remplacement complet de l’aluminium par de la fibre de carbone n’est pas encore possible en raison des forces de flexion en œuvre durant le vol.

Aérodynamique: Densité de l’air Notez que la formule sur la PORTANCE inclus un élément que vous a peut être échappé : LA DENSITE DE L’AIR. Que pensez-vous que cela signifie? La Densité de l'air est symbolisée dans la formule par la lettre grecque ‘rho’, ρ Dans presque toute l'Europe au niveau de la mer ρ = 1.225 kg/m³. Ailleurs, elle est liée à la hauteur par rapport au sol. Discussion : Est-il plus facile ou plus difficile pour un avion de décoller d'un aéroport situé en haute altitude comme Daocheng (aéroport en Chine à 648 m) que d'un aéroport au niveau de la mer, tels que Schiphol aux Pays-Bas ? Un même avion a plus de mal à décoller lorsque l'air est moins dense, car cela nécessite plus d'écoulement d'air sur l'aile pour obtenir la portance nécessaire, donc une vitesse plus élevé.

Ceci est appelé l'AoA – l’Angle (of) d’Attaque Aérodynamique Comment accroître la PORTANCE ? FLUC D’AIR 6˚ 10˚ 16˚ Il est possible d’augmenter la portance d'une aile en modifiant l'angle de rencontre avec le flux d'air venant en sens inverse. Ceci est appelé l'AoA – l’Angle (of) d’Attaque Le meilleur AoA est généralement de 14-16 degrés, la plupart des avions sont calibrés à 5-10 degrés, de façon à prendre de l’altitude sans trop d’inconfort pour les passagers (voir les diapositives plus loin).

Aérodynamique Augmenter la PORTANCE Voici une courbe de la portance générée par une aile à angles d'attaque de plus en plus inclinés. Vous pouvez voir que la PORTANCE augmente de façon proportionnelle à l'AoA – jusqu'à ce que, soudain, elle chute. Ceci a des implications majeures en phase de décollage de l'avion. Pourquoi? L’Angle d'attaque est mesuré en degrés par rapport au point zéro au départ, en position horizontale : vers le haut = positif, vers le bas = négatif

Quel sera son effet lorsque l'Angle d‘Attaque augmente ? Aérodynamique L’Angle d’Attaque Mais, si vous vous souvenez, il y a deux forces créées par le profil aérodynamique de l’aile qui traverse l'air. Quel est l'autre force ? Quel sera son effet lorsque l'Angle d‘Attaque augmente ?

La TRAINEE ! L'ennemi du vol ! Aérodynamique L’Angle d’Attaque La Photo montre que, si la surface contre l'air augmente, la résistance augmente également car il n'y a plus de difficulté pour l'objet à se déplacer dans l’air. Si nous créons trop de Trainée en augmentant l'angle d'attaque, nous créons de nouveaux problèmes. Voyons cela en examinant la représentation graphique de la trainée générée par l'angle d'attaque …

Aérodynamique Augmenter la TRAINEE Voici une représentation de la Trainée générée par une aile avec des angles d'attaque de plus en plus inclinés. Vous pouvez voir que la Trainée croît de façon exponentielle par rapport aux augmentations de l'angle d'attaque. Observez la courbe, notez l’augmentation exponentielle après 10-15 degrés. Son taux de montée est donc considérablement plus raide. ( Angle d’attaque en degrés).

Aérodynamique Trop de Trainée ! Fusionner ces deux courbes montre qu'à un certain point, la traînée dépasse la portance à partir d’un certain angle d'attaque. C'est ce qu'on appelle le POINT de DECROCHAGE Qu’arrive t’il à un aéronef qui atteint ce point? Questions aux élèves : Où est le point de décrochage sur le graphique ? (23 degrés) Où est la portance maximale en fonction de l'angle d'attaque ? (environ 18 degrés) Quel est le bon angle d'attaque pour stabiliser l'appareil ? (12-15 degrés représente une bonne sécurité et c'est aussi l'angle maximal au cours duquel les passagers sont en situation confortable lors de la montée)

Aérodynamique Tout dans le Design La forme aérodyna-mique de base peut être vu lors de la conception de l’aile. Bien que la partie centrale de l'aile soit fixée à l'arrière, elle permet de modifier les bords d'attaque. Pourquoi ? Les volets et les ailerons modifient la forme des ailes selon l’action que doit accomplir l'avion – par ex. abaisser le degré de portance lors d'un atterrissage, diriger l'avion à gauche ou droite.

1. 2. Aérodynamique Tout dans le Design 3. Les pièces mobiles sont fixées sur l'aile afin d'aider à manœuvrer l'avion en modifiant la forme du profil aérodynamique de l'aile Pouvez-vous identifier quelle forme est utilisée pour l'atterrissage, pour la croisière et pour le décollage ? Pouvez-vous suggérer pourquoi ils ont la forme présentée ici ? 1= Vol en mode Croisière 2 = Phase de décollage - Cette forme permet de pénétrer dans l’air plus rapidement et donc mettre moins à contribution les moteurs 3 = Phase d’atterrissage - Cette configuration annule les force de ‘levage’ et facilite donc la descente et l'atterrissage

Aérodynamique Manœuvres en Vol C'est la combinaison de ces gouvernes qui permet à l'avion de changer de direction dans les airs. Il y a trois façons pour un avion de se déplacer et de modifier sa position… Roulis: L'aéronef peut pivoter autour de son axe central durant le vol Tangage: Modification des angles vers le haut ou vers le bas pour l’ascension et la descente (affecte également les AoA) Lacet: Permet de faire tourner l’avion vers la gauche ou vers la droite tout en restant dans un axe uniquement horizontal

Aérodynamique Manœuvres en Vol Roulis – Contrôlé par l'arrière de la surface des ailes. Le roulis ne se produit que lorsque les deux surfaces de fuite des ailes (les ailerons) bougent dans des directions opposées. Tangage – Contrôlé par la zone de la queue avec modification des angles verticaux (encore une fois sur le bord de fuite) Lacet – Contrôle la direction (gauche ou droite) grâce à la surface horizontale à l'arrière de l'empennage.

Aérodynamique Manœuvres en Vol Quelle partie de l'avion déplace l'axe de l'avion ? ROULIS  Ailerons déplacés vers le haut ou vers le bas dans des directions opposées LACET  Mouvement de la gouverne de direction à gauche ou à droite TANGAGE  Eléments de queue se déplacent vers le haut ou vers le bas ensemble

Peut-être, un jour, serez-vous un ingénieur aéronautique! Et FINALEMENT... L'aéronautique est une étude complexe mais fascinante. Cette présentation a à peine effleuré le sujet. Néanmoins, les principes de base décrits ici s'appliquent à tous les aéronefs à voilure fixe et sont le socle qui sous-tendent la Science du vol. Et ces principes fondamentaux, comme nous l'avons vu, se retrouvent dans les sciences que vous étudiez en classe. Nous espérons que vous souhaiterez en savoir plus et que vous poursuivrez vos investigations sur internet – vous y trouverez une foule d'informations à divers niveaux de compréhension scientifique. Photo – Airbus « concepts d’avion civil» issu des projections à 2050 ! Peut-être, un jour, serez-vous un ingénieur aéronautique!