Quels sont les principes de vol d’un avion ?
Comment un avion peut-il décoller puis voler malgré son poids ?
Différentes interactions permettent à un avion de voler. Au premier abord elles peuvent paraître simples mais, lorsque l’on approfondit le sujet, on remarque que ces interactions dépendent de beaucoup de paramètres différents. Nous allons voir pourquoi et comment vole un avion.
A) Les forces aérodynamiques
Figure 1. Les forces exercées sur un avion
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Une force est “ toute cause capable de provoquer ou de modifier un mouvement, ou de déformer un corps”.
Parmi ces quatre forces, on considère le poids et la poussée comme étant des forces mécaniques, et on considère la traînée et la portance comme étant des forces d'origine aérodynamiques puisque c'est l'air qui en est à l'origine.
-La portance est la force engendrée par la vitesse de déplacement qui s’exerce sur les ailes d’un avion et qui le maintient en l’air et porte l’avion vers le haut.
On calcule la force de la portance grâce à l’équation suivante :
Fz=1/2 ρ S V² Cz
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Fz : force en newton (N)
ρ : masse volumique du fluide en kilogramme par mètre cube (kg/m³)
V : vitesse en mètre par seconde (m/s)
S : surface de référence en mètre carré (m²)
C z : coefficient de portance (nombre sans unité) qui dépend de l'air.
Par exemple calculons la portance d'un avion dont :
ρ = 1.2 kg/m³
V = 360 km/h → 100 m/s
S = 20 m²
Cz = 0.2
Fz =(1/2)*1.2* 20 *100² * 0.2 * 20= 24000 N
La portance de cet avion est donc de 24000 N.
-La traînée est la force de sens opposée à la traction ou à la poussée qui crée une résistance au déplacement de l’avion et qu’il faut réduire.
Fx=1/2 ρ S V² Cx
Fx : force en newton (N)
ρ : masse volumique du fluide en kilogramme par mètre cube (kg/m³)
V : vitesse en mètre par seconde (m/s)
S : surface de référence en mètre carré (m²)
C x : coefficient de traînée (sans unité)
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Reprenons les mêmes données du calcul de la portance sauf que l’on prend un Cx à la place d’un Cz
ρ = 1.2 kg/m³
V = 360 km/h → 100 m/s
S = 20 m²
Cx = 0.014
Fx =(1/2)*1.2* 20 *100² * 0.014 * 20= 1680 N
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La traînée de ce même avion est de 1680 N.
-Le poids est une force qui résulte de la masse de l’avion soumise à la gravité terrestre que la puissance des moteurs doit vaincre pour le maintenir en l’air:
(P)= m*g
P : poids en Newton (N)
m : masse en kilogramme (kg)
g : accélération de la pesanteur en newton par kilogramme (N/kg)
Calculons par exemple le poids d’un Airbus A-380:
Un Airbus a une masse de 560 tonnes au décollage. Lorsqu’il est encore sur terre, l’avion est soumis à l’intensité de la pesanteur g = 9,81 N.kg-1
P= 560*9.81= 5493.6 N
Un Airbus A-380 a un poids de 5493.6 N.
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-La poussée est la force exercée par l'accélération de gaz grâce à un moteur, dans le sens inverse de l'avancement de l’aéronef.
La relation donnant la valeur de la force de poussée est la suivante :
F=ve.qm+A1.(P1-Pa)
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F : poussée en newton (N)
ve : vitesse d'éjection des gaz en mètre par seconde (m/s)
qm : débit massique en kilogramme par seconde (kg/s)
A1 : air de la section de sortie de la tuyère en mètre carré (m²)
P1 : pression à la sortie de la tuyère (conduit terminal d'une turbine à gaz) en Pascal (Pa)
Pa : pression ambiante ou pression à l'extérieur en Pascal (Pa)
L’avion est en équilibre si la somme de toutes les forces qui agissent sur lui est nulle. Dans le cas d’un vol plané, seulement trois forces s’appliquent sur l’avion; la portance, la traînée et le poids. Pour pouvoir avancer, l’avion doit être en descente. Dans ce cas, l’équilibre peut être atteint. Sinon, l’avion est freiné.
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Un avion peut voler en palier stabilisé, ce qui correspond à un vol horizontal à vitesse et altitude constantes. Pour que la vitesse soit constante, il faut que la poussée soit plus grande que la traînée et pour que l’altitude soit constante il faut que le poids soit égal à la portance.
La force aérodynamique est la somme de la traînée et de la portance:
Fa =1/2 ρ S V² Cx + 1/2 ρ S V² Cz
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Elle correspond à la force générée par l’écoulement de l’air autour du profil d’une aile.
B) L’aile d’un avion
Une aile d’avion se désigne par son profil. De ce profil découle la portance et la traînée. Le profil d’une aile correspond à la coupe verticale de l’aile. Il est spécifique à l’application de l’avion. On distingue par exemple des avions de ligne, de transport, de chasse et de tourisme. Les différents types de profil sont classés par famille.
Tout d’abord un peu de vocabulaire permettant la description d’une aile. (voir Figure 2)
Bord d’attaque : partie du profil qui entre en premier en contact avec le fluide.
Bord de fuite : partie du profil qui entre en dernier en contact avec le fluide.
Corde : segment de droite reliant le bord d’attaque au bord de fuite en ligne droite.
Corde moyenne : ligne située à égale distance entre l’intrados et l’extrados.
Epaisseur : distance maximale entre l’extrados et l’intrados.
Extrados : c’est la ligne joignant le bord d’attaque au bord de fuite par le dessus.
Flèche : distance entre la corde et la corde moyenne.
Intrados : c’est la ligne joignant le bord d’attaque au bord de fuite par le dessous.
Figure 2. Profil d’une aile
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Ecoulement de l’air sur un profil et notion de pression
Les différents profils d’aile sont fabriqués de telle sorte que l’air se déplace plus rapidement sur l’extrados que sur l’intrados. Cela crée une dépression sur l’extrados et une surpression sur l’intrados. C’est l’effet Venturi. C’est le physicien italien Giovanni Battista Venturi qui a décrit ce phénomène.
Figure 3. Schématisation de l'effet Venturi. La pression au point 1 est plus grande qu'au point 2. Et la vitesse du fluide au point 2 est plus grande qu'au point 1.
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Cette différence de pression de chaque côté de l’aile crée la portance Fz dont le point d'application est le centre de poussée Cp. La portance est la force qui permet aux avions de voler.
L’air est donc aspiré vers le haut et l’avion peut s’envoler.
Figure 4. Forces aérodynamiques exercées sur une aile d’avion
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Sur les figures 4 et 5 on observe donc que la traînée est la composante aérodynamique parallèle au vent relatif, sachant que le vent relatif correspond au vent créé par un objet en mouvement. La portance est la composante aérodynamique perpendiculaire au vent relatif. Le centre de poussée correspond au point d’application de la force aérodynamique. Sa position sur le profil de l’aile varie en fonction de l’incidence du profil. L’angle d’incidence est l’angle compris entre la corde et la direction du vent relatif ou l’angle compris entre la corde et la trajectoire.​​
Figure 5. Les composants des forces aérodynamiques
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Paramètres influençant les forces aérodynamiques
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Différents paramètres influencent la portance et la traînée qui sont d’autant plus grandes que:
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La masse volumique de l’aire est grande (en air froid ou à basse altitude)
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La vitesse de l’avion est élevée
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La surface alaire S est grande (zone grise sur la figure 6)
Les coefficients de portance et de traînée varient en fonction du profil et aussi en fonction de l’angle d’incidence (angle formé entre la corde et le vent relatif) .
Figure 6. Surface alaire
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La traînée induite
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La surpression à l’intrados et la dépression à l’extrados engendrent, en bout d’aile, un mouvement de l’air de l’intrados vers l’extrados.
Figure 7. La traînée induite
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Comme la pression est plus importante à l’intrados, l’air a tendance à se déplacer vers l’extrados pour équilibrer les pressions.
Cet écoulement de l’air de l’intrados vers l’extrados forme les tourbillons marginaux qui génèrent une traînée induite en plus d’une turbulence de sillage (tourbillons créés aux extrémités d'une voilure) .
Figure 8. Les tourbillons marginaux
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Des winglets sont donc installés pour diminuer ces tourbillons marginaux.
Figure 9. Un "winglet"
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Etude de la polaire
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La polaire est une courbe qui représente les variations de la portance en fonction de la traînée pour différentes incidences.
Figure 10. La polaire d'un avion
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Le décrochage est le phénomène associé à la perte de portance des ailes et peut arriver dans deux cas :
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- Dans le premier cas, l’avion n’a plus une vitesse suffisante pour maintenir la portance.
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- Dans le deuxième cas, l’angle d’attaque de l’aile est trop élevé, le flux d’air ne collant plus à l’extrados de l’aile. Celui-ci va avoir alors tendance à tourbillonner sur le dessus sachant que les filets d’air doivent être parallèles entre eux et suivre une trajectoire rectiligne le plus longtemps possible le long du profil. La portance est alors détruite.
Les becs de bord d’attaque sont là pour retarder ce décollement du flux d’air sur l’aile. Ils permettent ainsi à l’avion une plus forte incidence lors des phases critiques d’approche.
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La finesse (f) représente la capacité d’un aéronef à planer.
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f= Portance/Traînée = Vitesse horizontale/Vitesse verticale = Cz/Cx
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La finesse varie en fonction de l’avion. Par exemple, la finesse d’un avion de chasse est comprise entre 5 et 8, celle d’un avion de tourisme entre 8 et 12 et celle d’un avion de ligne entre 20 et 26.
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Cette polaire permet de déterminer les caractéristiques d’un profil d’aile. Grâce à cette courbe, on peut déterminer l’angle d’incidence pour lequel la finesse d’un avion est maximale. On choisit cet angle d’incidence lorsque l’on veut aller le plus loin possible avec une consommation minimale.
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La motorisation d’un avion
De nos jours, il existe deux types de moteurs sur les avions de transport :
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- les turboréacteurs sur des avions dits “à réaction”
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- les turbopropulseurs sur des avions dits “à hélices”
Ces deux moteurs fonctionnent sur le principe de la turbine.
Pour les turboréacteurs, une masse d’air importante entre dans le réacteur à une vitesse V1 et en sort à une vitesse V2 telle que V2 > V1. Cela produit une force de réaction qui donne une force de poussée propulsive. L’air est d’abord aspiré par la soufflante, puis compressé dans le compresseur, brûlé dans la chambre de combustion à l’aide du kérosène, et est finalement recraché par la turbine pour fournir une force propulsive. Il s'agit de la force de poussée.
Figure 11. Turboréacteur
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Ces moteurs sont très puissants mais ont en même temps une consommation importante de kérosène...