Aérodyne ou aérostat ? Les appareils capables de s'élever et de circuler dans l'espace aérien sont des aéronefs. On distingue : les aérodynes dont la sustentation.

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1 Aérodyne ou aérostat ? Les appareils capables de s'élever et de circuler dans l'espace aérien sont des aéronefs. On distingue : les aérodynes dont la sustentation résulte des forces aérodynamiques, les aérostats dont la sustentation est principalement assurée par la poussée d'Archimède et enfin les aérospatiaux qui relèvent surtout de la balistique.

2 Les aérostats volent car ils sont plus légers que l’air au sol.
Montgolfières à air chaud, en vol et au gonflage. On explique la sustentation des aérostats avec le principe d’Archimède. Dirigeable publicitaire à l’hélium

3 Les aérospatiaux volent car ils sont « poussés aux fesses ».
La fusée Ariane V au décollage à Kourou (Guyane française) On explique la sustentation des aérospatiaux par le principe de l’action réciproque. Atterrissage du rover « Curiosity » sur Mars en 2012 (vue d’artiste)

4 Et les aérodynes, magique ?

5 Non les aérodynes, physique !
Pour expliquer le vol des avions, faisons d’abord un peu de physique. Faisons passer un fluide incompressible dans un tube (appelé tube de Venturi). A l’entrée du tube, la vitesse du fluide est n1 (constante) et la section du tube est A1. Comme le fluide est incompressible, son débit D = n1.A1 est constant tout au long du tube. D Lorsque le fluide arrive dans l’étranglement, il accélère car n1.A1 = D = n2.A2 est constant et la section A du tube diminue. C’est l’effet Venturi.

6 Le Mistral et la Tramontane, vents accélérés par effet Venturi
Le Mistral souffle du secteur Nord Nord-Ouest. Il accélère lorsqu’il passe en vallée du Rhône (entre le Massif Central et les Alpes) par effet Venturi. C'est en Camargue (débouché de la vallée du Rhône) qu’il est le plus puissant. De la même façon, la Tramontane souffle du Nord-Ouest sur le Languedoc et accélère par effet Venturi en passant entre le Massif Central et les Pyrénées. Carte des vents

7 Et donc, pour les aérodynes ?
Pour expliquer le vol des avions, continuons notre approche physique. Le tube de Venturi est équipé de deux tubulures verticales qui permettent d’évaluer la pression au point 1 et au point 2. La différence de hauteur h+Dh permet d’affirmer que la pression au point 1 est plus élevée que la pression au point 2. On peut donc dire que, dans un tube de flux, lorsque le fluide accélère, sa pression diminue et lorsque le fluide ralentit, sa pression augmente. Le théorème de Bernouilli permet de justifier ce résultat. D

8 Application sur une aile
Établissons d’abord une nomenclature de termes techniques Le profil est la vue en coupe, on pose L la longueur de la demi-aile (2L est l’envergure de l’avion) et C (profondeur moyenne). Sur le profil : leading edge = bord d’attaque et trailing edge = bord de fuite, upper surface = extrados et lower surface = intrados chord line = corde (ligne reliant les bords d’attaque et de fuite), relative wind = vent relatif (opposé à la trajectoire de l’aéronef), thickness = épaisseur, angle of attack = angle d’incidence. L C

9 Application sur une aile
L’aile est plongée dans un flux d’air laminaire (les filets d’air sont représentés en bleu et restent bien « collés » au profil de l’aile). On observe que les filets d’air passant sur l’extrados accélèrent, il apparaît donc une dépression sur l’extrados. Les filets d’air passant sur l’intrados ralentissent, il apparaît donc une surpression sur l’intrados (cette explication basée sur le théorème de Bernouilli est jugée correcte mais incomplète). vent relatif angle d’incidence a

10 Résultante aérodynamique sur l’aile
La dépression sur l’extrados tend aspirer l’aile vers le haut (apparition d’un ensemble de force sur l’extrados en rose) et la surpression sur l’intrados tend pousser l’aile vers le haut (apparition d’un ensemble de force sur l’intrados en jaune-orangé). D = 30 % à 50 % de la longueur de la corde L’ensemble de ces forces est équivalent à une seule force R (appelée résultante aérodynamique) dont le point d’application est le centre de portance. On décompose R en RZ + RX RZ est perpendiculaire à l’axe du vent relatif s’appelle la portance (c’est la force qui va permettre la sustentation de l’avion), RX est dans l’axe du vent relatif s’appelle la traînée (c’est la force qui va s’opposer au déplacement de l’avion). On peut maintenant dire qu’un avion vole grâce à ses ailes et sa vitesse.

11 Coefficient de portance et coefficient de traînée
La dépression assure la majeure partie de la portance (environ 75 % contre 25 % pour la surpression.) La portance RZ et le traînée RX s’expriment en fonction de divers paramètres physiques et de valeurs propres à l’aile. r est la masse volumique de l’air (en kg/m3), S est le surface de référence de l’aile ou surface alaire (en m²), V est la vitesse de l’avion (en m/s), CZ est le coefficient de portance, CX est le coefficient de traînée.

12 Questions BIA AERO / La corde d’un profil est le segment qui joint :
a) l’emplanture à l’extrémité de l’aile b) les deux extrémités d’une aile c) le bord de fuite au bord d’attaque. d) aucune des propositions ci-dessus n’est exacte  AERO / L’intrados d’une aile ou d’un profil désigne : a) sa partie supérieure b) sa partie inférieure. c) les extrémités d) les aérofreins AERO / L'angle d’incidence de l'aile est l'angle compris entre : a) la trajectoire et l'axe longitudinal de l'avion b) la trajectoire et l'horizontale c) la corde de profil et l'horizontale d) la corde de profil et la trajectoire. MTO / Le mistral est un vent : a) d'est qui souffle sur la Provence b) du sud-ouest qui souffle sur le Languedoc c) du nord-ouest qui souffle sur le Languedoc d) du nord-ouest qui souffle sur la Provence. NSR / Un ballon libre (montgolfière, par exemple) a priorité sur : a) les avions b) les hélicoptères c) les planeurs d) tous types d'aéronefs. AERO / La portance est : a) proportionnelle à la masse volumique de l’air b) proportionnelle au carré de la vitesse c) proportionnelle au carré de la surface alaire d) les réponses a et b sont exactes.

13 Décrochage Pour a à 4°, le flux d’air autour de l’air est laminaire.
Angle a de 4° Flux d’air laminaire Angle a de 10° Augmentation de la portance Angle a supérieur à 18° Situation de décrochage Chute de la portance Pour a à 4°, le flux d’air autour de l’air est laminaire. Pour a à 10°, dépression et surpression sont plus importantes. Cela assure une meilleure portance. Mais il apparaît un point de décollement à partir duquel le flux d’air devient turbulent (voir l’image en soufflerie ci-dessous). Quand a augmente la portance augmente pour atteindre un maximum (ici à a = 18°). Parallèlement le point de décollement avance rendant inefficace (du point de vue de la portance) une partie de plus en plus importante de l’extrados. La portance chute à partir de a = 18°, pour l’avion c’est le décrochage.

14 C’est la courbe CZ = f(CX) paramétrée avec l’angle d’incidence a.
Polaire d’une aile angle d’incidence ici a = 12° C’est la courbe CZ = f(CX) paramétrée avec l’angle d’incidence a. Le coefficient de portance CZ et le coefficient de traînée CX sont propres à l’aile (le point 3 est appelé point de finesse maximale) (point 5 décrochage = chute de la portance = chute de l’avion)

15 Centre de portance et foyer
Le centre de portance (point d’application de la portance) se situe entre 30 et 50 % de la corde depuis le bord d’attaque. Il avance quand l’incidence augmente jusqu’à l’incidence de décrochage puis recule. Le foyer (point d’application des variations de portance) se situe entre 20 et 30 % de la corde depuis le bord d’attaque. Sa position varie peu.

16 Centre de portance et foyer

17 Résultante aérodynamique :
Sur l’avion Avec : S surface alaire (en rouge et vert à gauche), V vitesse de l’avion, r masse volumique de l’air, CX coefficient de portance, CZ coefficient de traînée. (CX et CZ sont propres à l’avion) Résultante aérodynamique : Polaire : On retrouve une polaire qui ressemble à celle d’une aile avec les même points caractéristiques : 4 (4) Portance maximale 5 (5) Décrochage (3) Finesse maximale 3 (0) Vol à l’envers 1 (1) Portance nulle 2 (2) Traînée minimale

18 Finesse définition

19 La vitesse verticale est de 2,7 km/h qu’il faut traduire en m/s :
Exemple AERO / Un planeur de finesse 40 vole en air calme, sa vitesse-air est de 108 km/h. Sa vitesse verticale est donc : a) 0,75 m/s. b) 1,08 m/s c) 1,33 m/s d) 40 km/h FINESSE DE 40 108 km/h soit 108 km en 1 h 108 km en 1 h Comme la finesse est grande, on peut dire que les longueurs des côtés vert et rouge sont identiques d’où D = 108 km en 1 heure et comme D / Dh = 40 (définition de la finesse) ; Dh = 108 / 40 d’où Dh = 2,7 km en 1 heure. D Dh La vitesse verticale est de 2,7 km/h qu’il faut traduire en m/s : 2,7 km/h = 2,7 x 1000m/3600s = = = 0,75 m/s 2,7 x 1000 3600 3 4

20 Finesses comparées Albatros Vautour fauve Hippopotame ?

21 Bilan des forces sur l’avion
Cas simplifié Attention, sur ce second schéma, seules les forces sur l’axe vertical sont représentées. Cas réel : CP est le centre de poussée (point d’application de la résultante aérodynamique), CG est le centre de gravité (point d’application du poids), le Foyer est le point d’application des variations de portance, la gouverne arrière permet de compenser l’effet piqueur ou cabreur de la paire de forces portance + poids.

22 Vol en palier (vitesse stabilisée en vol horizontal)
Centre de gravité, centre de poussée Lors d’un vol en palier à vitesse constante : la portance équilibre le poids : P = Rz, et la traction (ici développée par l’hélice) équilibre la traînée : T = Rx.

23 Application AERO / Un avion de transport de masse m = 30 tonnes a une surface alaire S de 100 m2. Il vole en palier à la vitesse constante V de 180 km/h. Calculer son coefficient de portance Cz (prendre g = 10 m/s2 pour la gravitation terrestre et une masse volumique de l’air r de 1,2 kg/m3) : a) 0,3 b) 1,6 c) 2 d) 2,4 Lors d’un vol en palier à vitesse constante : la portance équilibre le poids : P = Rz, et la traction équilibre la traînée : T = Rx. On sait en outre que Rz = (1/2).r.S.V².Cz et P = m.g D’où (1/2).r.S.V².Cz = mg Cz = r.S.V² 2.m.g Application numérique : m = 30 tonnes = 30000kg g = 10 m/s² S = 100 m² r = 1,2 kg/m3 V = 180 km/h = m/3600s = 50 m/s Cz = = 2 1, ² Centre de gravité, centre de poussée

24 Vol en montée (trajectoire rectiligne et vitesse constante)
T - m.g.sin(a) = Rx et m.g.cos(a) = Rz

25 Vol en descente (trajectoire rectiligne et vitesse constante)
T + m.g.sin(a) = Rx et m.g.cos(a) = Rz

26 Cas du planeur P Ra a Trajectoire du planeur Le bilan des forces sur le planeur ne fait apparaître que le poids et la résultante aérodynamique (pas de moteur). Ainsi à vitesse stabilisée : P.sin(a) = traînée et P.cos(a) = portance. Pour baisser la vitesse du planeur, on dispose d’aérofreins. Pour augmenter la vitesse, on peut sur certains planeurs jouer sur le poids. CONN / Un ballast d'eau (water ballast) est : a- une poche d'eau, placée dans la cloison pare-feu des petits avions de tourisme pour limiter la progression d'un début d'incendie. b- un équipement de toilettes compact spécialement destiné à l'aviation légère. c- un réservoir permettant d'emporter de l'eau sur certains planeurs afin d'augmenter leur vitesse dans certaines phases de vol. d- un système de délestage des flotteurs améliorant le décollage des hydravions.

27 Questions BIA AERO / L’allongement d’une aile est :
a) le rapport entre l’envergure et la profondeur moyenne de l’aile. b) le rapport entre la longueur du fuselage et l’épaisseur de l’aile c) proportionnel à la surface de l’aile d) égal à la longueur de l’aile AERO / Sur la polaire d'aile dessinée ci-dessous, on appelle point de traînée minimum : a) le point A   b) le point B.   c) le point C   d) le point D CONN / On appelle surface alaire : a) la surface d'une aile b) la somme des surfaces de deux ailes c) la surface totale de l’intrados d’une aile y compris celle qui traverse le fuselage. d) la somme de la surface des ailes et de la totalité du fuselage CONN / Pour déterminer l’envergure de cet avion, vous effectuez la somme des longueurs suivantes : a) A + A b) B + B c) A + C + A d) B + C + B.

28 Profil d’une aile C’est la vue en coupe :
vision 3D vision 3D C’est la vue en coupe : du plus stable au moins stable La plupart des avions de voltige ont un profil d'aile symétrique, ce qui leur permet de voler (presque) aussi bien à l'envers qu’à l'endroit Le profil le plus utilisé pour les avions légers est le profil biconvexe dissymétrique.

29 Position d’une aile Aile haute (Cessna 206) Aile médiane (Piper PA60) Aile basse (Cirrus SR20) Une aile cantilever est en porte à faux. Retrouver parmi ces appareils ceux qui ont une aile cantilever.

30 Forme d’une aile Airbus A300 Piper PA28 Cherokee Spitfire Grumman X-29

31 Forme d’une aile (suite)
Convair XF-92A (première aile delta au USA) Concorde (aile delta gothique) Piper PA28 Cherokee Vought F4U Corsair (aile en mouette inversée) Planeur Habicht (aile en mouette)

32 Charge alaire et allongement
La charge alaire est le rapport Portance / Surface alaire (en N/m²). Elle est aussi égale au rapport Poids de l'avion/Surface alaire quand la portance est égale au poids de l'avion comme dans le cas du vol horizontal stabilisé. L'allongement λ d'une aile est le rapport du carré de l'envergure par la surface des ailes (λ = L² / S, c’est un nombre sans dimension). Plus simplement, c'est aussi le rapport de l’envergure par la longueur de la corde moyenne C, mais la corde moyenne est parfois difficile à définir (λ = L² / S = L² / (L.C) = L / C). Piper PA28 Cherokee Question : On approxime l’aile delta du Mirage 2000 ci-contre par le triangle en rouge. C’est un triangle équilatéral dont les trois côtés mesurent 9 m. Quel est l’allongement l de l'aile ainsi approximée ? a) l = 1,5 b) l = 2.   c) l = 3 d) l = 5

33 Angle de calage d’une aile
Piper PA28 Cherokee C’est l’angle entre l’horizontale et la corde de l’aile

34 Perpendiculaire à l’axe longitudinal de l’avion
Flèche d’une aile Piper PA28 Cherokee Perpendiculaire à l’axe longitudinal de l’avion

35 Dièdre d’une aile Piper PA28 Cherokee horizontale Harrier II Awacs

36 Questions BIA CONN / Un avion a les caractéristiques suivantes : envergure 10 mètres, épaisseur relative de l'aile 0, 20 mètre, profondeur moyenne de l'aile 1 mètre. Sachant que cette aile est rectangulaire, quel est son allongement ? a) 50 b) 5 c) 10. d) 100 AERO / Classer les avions ci-dessous dans l’ordre du plus stable au moins stable : a) 1, 2, 3, 4 b) 3, 1, 4, 2 c) 1, 3, 4, 2. d) 3, 4, 2, 1 AERO / En montée rectiligne uniforme, la portance : a) est inférieure au poids. b) est supérieure au poids c) est égale au poids d) est égale à la traîné AERO / Un corps se déplace à la vitesse de 100 km/h ; en passant à la vitesse de 300 km/h, sa résistance aérodynamique : a) ne change pas b) est multipliée par 9. c) est multipliée par 3 d) diminue légèrement MTO / Les phénomènes météorologiques qui peuvent dégrader notablement la visibilité horizontale sont : a) la pluie, le vent, la neige. b) le givre, le vent, la neige. c) la brume, le brouillard, la neige. d) la brume, le vent, la neige. 1 2 3 4

37 Description de l’avion (all in english !)
Green light White beacon (rotating or flashing) White light Red light

38 Description de l’avion (cellule et groupe motopropulseur)

39 …