La technique du vol

Voler est l'un des plus vieux rêve de l'homme mais il a mis très longtemps avant de pouvoir l'accomplir, cependant les principes régissant le vol d'un avion n'ont rien de très complexe mais nécessitent une compréhension de la façon dont réagit un fluide. Sur cette page je vais tenter de mettre en valeur les principaux effets qui permettent à notre avion de se maintenir dans les airs.

Je ne m'attarderai pas sur l'avion en lui même et je pense qu'un petit dessin vaut mieux qu'une longue explication :

Le milieu de l'avion est l'air qui compose notre atmosphère et qui comme tous les gaz est constitué de molécules en mouvement continu et désordonné (mouvement Brownien). On pourra distinguer quatre propriétés caractéristiques de l'air :
- L'air est expansible, c'est à dire qu'il occupe tout l'espace qui lui est offert contrairement au liquide tel que l'eau.
- L'air est compressible, c'est à dire que sous l'action d'une force ont peut réduire le volume qu'elle occupe.
- L'air est élastique, il reprend son volume initial lorsqu'on le replace dans les mêmes conditions.
- L'air est pesant, même si sa masse reste faible (1,255kg pour 1m³)

En raison de son expansibilité et de sa pesanteur, l'air exerce donc une pression sur les surfaces qui sont en contact avec lui. Cette pression est égale au poids de la colonne d'air qui nous surmonte, cependant comme elle s'applique de part et d'autre des surfaces on n'en ressent que très peu les effets.
Enfin la dernière propriété importante de l'air est sa viscosité, ou sa cohésion interne. Ainsi si une masse d'air est au repos et une autre en mouvement alors qu'il y a un contact entre elles, la couche inerte sera entraînée par celle qui est en mouvement.
Cette viscosité est responsable des tourbillons que l'on peut parfois observer. Ainsi on distinguera l'écoulement laminaire, l'air peut alors être considéré comme constitué d'une multitude de filets d'air. A l'inverse de l'écoulement turbulent ou l'air semble avoir un mouvement désordonné et où la vitesse et la direction de l'air varient en fonction des différents points de l'espace. Le régime tourbillonnaire est un régime turbulent particulier puisque certains tourbillons sont réguliers et semblent avoir une cause bien définie.

Pour finir l'air se caractérise par sa résistance qui dépend des caractéristiques du corps en mouvement. On pourra alors distinguer deux forces distinctes, une force élémentaire de pression perpendiculaire à la surface et une force élémentaire de frottement tangente à la surface. La première dépend de la forme et de la position par rapport à la vitesse relative du corps et la deuxième dépend en grande partie de l'état de la surface et ses dimensions.

L'aile et les empennages de l'avion constituent les deux surfaces portantes de celui-ci. L'aile permet à l'avion de se maintenir dans les airs tandis que l'empennage assure sa stabilité.
Dans cette partie nous nous intéresserons donc particulièrement à l'aile. Je vais commencer par définir quelques termes qui permettent de caractériser une aile.
L'envergure est la plus grande distance entre l'emplanture et le saumon de l'aile mesurée perpendiculairement à l'axe de l'avion.
Le bord d'attaque est la partie avant de l'aile tandis que l'arrière est appelé bord de fuite.
Sa surface qui est celle de sa vue en plan :

L'allongement quand à lui est le rapport de l'envergure de l'aile sur la corde moyenne. L'effilement est le rapport entre la corde au saumon et la corde à l'emplanture.
La dièdre est l'angle que fait l'aile par rapport à l'horizontale et la flèche l'angle que fait chaque demi-aile avec une droite perpendiculaire à l'axe de l'avion.

Pour finir, la performance d'une aile varie de manière considérable en fonction du profil utilisé. Le profil étant représenté par la coupe d'un plan vertical de l'aile :

Il existe une multitude de paramètres pour caractériser l'aérodynamique d'une aile. Nous retiendrons la corde de référence qui est la droite joignant le bord d'attaque au bord de fuite. Il ne faut pas la confondre avec la ligne moyenne qui caractérise le profil, elle joint le bord d'attaque et le bord de fuite en restant équidistant de l'intrados et de l'extrados. Une aile est aussi caractérisée par son épaisseur soit la distance entre l'intrados et l'extrados.

Pour en finir avec l'aile, on retiendra l'angle d'incidence qui est formé par la corde de référence et le vent relatif. Celui-ci à une grande influence sur les paramètres de vol mais nous y reviendrons.

Nous y voilà enfin ! Commençons par observer l'écoulement de l'air sur notre aile :

On remarque ainsi qu'un volume important d'air est dévié par l'aile. Mais au fur et à mesure que l'on s'éloigne de celle-ci, les filets reprennent peu à peu leur écoulement normal. En outre sur l'extrados, les filets sont plus déformés que sur l'intrados.
En effet lorsque l'on réduit la section d'écoulement d'un fluide, sa vitesse augmente. Or ici la vitesse de l'air est inférieure à 340m/s et on peut considérer l'air comme un fluide incompressible. Cette augmentation de vitesse s'accompagne donc d'une diminution de la pression. Ainsi la forme du profil crée un étranglement sur l'extrados et la pression de l'air est donc inférieure à la pression sur l'intrados ce qui crée une force portante.
Ceci est valable si l'incidence est nulle mais si l'aile a une incidence positive par rapport à l'écoulement de l'air, les chocs des molécules sur l'intrados créent une surpression qui crée une nouvelle force s'additionnant avec la précédente. Cependant sur une aile classique cette surpression ne fournit que 25% de la poussée totale, on voit donc que le choix d'un profil est primordial pour sustenter l'avion.

Chaque portion de l'aile est donc soumise à une force mais pour simplifier on symbolise ces forces par un unique vecteur symbolisant la résultante aérodynamique qui s'applique au niveau du centre de poussée de l'aile. Cette résultante peut se décomposer en deux forces, l'une perpendiculaire au vent apparent appelée portance et l'autre parallèle appelée traînée.

De nombreux facteurs font varier simultanément la traînée et la portance :

• l'angle d'incidence
• la forme du profil
• l'allongement de l'aile
• la vitesse relative
• la surface de l'aile
• la densité de l'air

Si l'angle d'incidence de l'aile est nul, on observe que seule la dépression crée par la forme du profil permet la sustentation. Seul le bord d'attaque est soumis à une surpression et cela n'a que très peu d'influence sur la portance. Si on augmente cet angle on s'aperçoit que la portance et la traînée augmentent. En effet on voit apparaître une surpression sur l'intrados tandis qu'à l'extrados la dépression s'amplifie. Cependant il se forme aussi un régime turbulent au niveau du bord de fuite. Plus on augmentera l'angle d'incidence plus l'écoulement de l'air sera perturbé et donc plus la portance augmentera ; cependant la traîné augmentera aussi parallèlement.
Ainsi lorsque cet angle atteint une valeur critique, on observe que l'air décroche et l'écoulement devient fortement turbulent ce qui s'accompagne par une brusque décroissance de la portance et une forte augmentation de la traînée.

Enfin si l'angle d'incidence prend une valeur négative, une dépression se forme sur l'intrados tandis que la dépression de l'extrados diminue. La portance tend alors à disparaître.
Pour finir on observe que sur un profil classique, si l'angle d'incidence augmente, le centre de poussée avance tandis que si l'angle diminue, le centre de poussée recule.

Il parait évident que la forme du profil à une importance capitale. On distinguera trois types de profil :

On observe ainsi que la portance sera plus grande sur un profil ayant une forte courbure, en outre, un profil épais est plus porteur qu'un profil mince.
Cependant la traînée augmente avec la portance et un profil à forte courbure ou à forte épaisseur traînera plus.
Notons aussi que la forme d'un profil influe sur l'amplitude du mouvement du centre de poussée. Ainsi un profil ayant une faible courbure aura un centre de poussée quasiment fixe alors qu'un profil à forte courbure aura un centre de poussée dont la position varie fortement.

Tout d'abord l'allongement influe sur la traînée. En effet, la traînée induite est créée par la portance elle-même et il n'est possible de s'en affranchir qu'en supprimant cette même portance. Alors qu'on observe une surpression sur l'intrados, il y a aussi une dépression sur l'extrados. Ainsi l'air situé sous l'aile tend à migrer au dessus et ceci proportionnellement à la différence de pression entre les deux masses d'air. Des tourbillons se forment donc au niveau des saumons de l'aile ce qui augmente la traînée.

En outre les filets de l'extrados convergent vers le fuselage alors que ceux de l'intrados convergent vers le saumon. Quand ceux-ci se rencontrent au niveau du bord de fuite, il y a donc de nouveau la création de tourbillons.

Il faut donc augmenter l'allongement de l'avion pour limiter ce phénomène. Ainsi en planeur l'allongement est très important, cependant il est limité pour ne pas alourdir la structure. En outre l'allongement étant un facteur d'inertie, il est réduit sur un avion de voltige. En outre, la surface de l'aile influe à la fois sur la portance et sur la traînée qui augmente proportionnellement avec elle. Cependant en général on choisit cette surface en fonction de la masse de l'avion de manière à obtenir une charge alaire faible.

La portance et la traînée sont proportionnelles au carré de la vitesse car les différences de pression s'accentuent avec la vitesse. En outre plus la pression est faible plus la portance sera faible.
De tous ces paramètres, on peut déduire la finesse de l'avion, c'est-à-dire la rapport entre la distance parcourue et l'altitude perdue. Pour obtenir une finesse maximum, il faudra donc diminuer la traînée tout en maximisant la portance.