Optimisation des pro..

Optimisation des profils :
Définition : On appelle profil une ligne plane dont le tracé a été réalisé pour provoquer certaines propriétés
aérodynamiques de l'aile qui sera construite à partir de celui-ci.
Un profil est défini point par point à l'aide de formules plus ou moins compliquées, à partir d'un repère
orthonormé ( A ; AT ; AN ) avec AT axe de référence du profil.
Mais les profils sont des compromis adaptés à un cas particulier : il n'existe pas de profil miracle, intégralement
laminaire donnant une portance élevée, n'ayant qu'une faible trainée et décrochant en douceur; si un tel profil
existait, il serait universellement utilisé.
Les familles de profil :
Il existe de très nombreuses familles de profil et on ne peut d'une
manière générale toutes les présenter. On se propose ici de voir les
plus utilisées.
Les profils symétriques ont pour particularité d'avoir leur ligne
moyenne et leur corde confondue. Soit l'extrados et l'intrados sont
symétriques par rapport à la corde
Les profils convexes ne sont eux travaillés que sur l'extrados et
l'intrados reste plat.
Les biconvexes dissymétriques ont l'extrados plus courbe que
l'intrados.
Quand aux profil supercritiques, ils sont peu employés car réservé à
des performances très particulières et commence d'être employé sur
les avions de ligne
Revenons maintenant à des familles encore plus générales :
Le profil autostable est lui tout à fait déroutant, il alterne courbure positive et négative en partant du bord
d'attaque, mais nous en reparlerons plus tard.
Ces quelques familles données, essayons à présent de comprendre quels critères permettent de choisir le meilleur
en fonction des performances.
Performances :
La polaire de l'aile :
La polaire présente l'intérêt de mettre en évidences les points
importants de performance de l'aile.
Pour la tracer, on augmente l'incidence et on reporte sur le graphique
les valeurs de Cz (portance) et Cx (trainée) correspondantes. Mais
laissons ce travail aux ingénieurs spécialisés et analysons plutôt une
polaire.
On constate que Cz connaît un maximum pour une valeur donnée,
lorsque le maximum est dépassé, la portance n'équilibre plus le poids
et l'avion décroche. Cela correspond à la partie décroissante de la
courbe.
Chaque aile a donc sa polaire et donc chaque profil a une polaire particulière. Or sur la polaire on relève 4 points
essentiels
Le point de décrochage
Le taux de chute de l'aile minimum
La finesse maximale
Et la vitesse maximale
Lors de la conception, les ingénieurs déterminent ces 4 valeurs en fonction du cahier des charges puis choisissent
ensuite le profil adapté. Mais on a évoqué la finesse, qu'est ce donc ?
La finesse :
La finesse peut être définie de 2 façons et représente dans les 2 cas la possibilité de l'avion a planer, c'est à dire à
faire "le planeur", moteur coupé (ou tout du moins hélice en transparence pour les puristes)
D'un point de vue mathématique, la finesse est calculée de la façon suivante :
Mais c'est la vue théorique de la finesse. En effet, on décrit plus souvent la finesse comme la distance en plané
franchissable en fonction de l'altitude.
Exemple : Un avion a une finesse de 8, il vole à 1000 Ft ( 300m), il parcoura donc si son moteur venait à
s'arrêter
, soit 1500m
Pour l'aviation générale, les appareils ont généralement une finesse comprise entre 8 et 12, et pour les planeurs
les plus performant elle est de 60 !
On l'a donc compris plus l'avion aura un finesse importante, mieux cela vaudra...Et cette finesse dépend
directement du profil.
Vitesse :
Dernier point au sujet des performances des profils exigées, la vitesse. Ou plutôt les vitesses, ce problème est
mineur pour les petits avions d'aéroclubs, mais pour des avions plus gros qui croisent à 500Km/h voir plus pour
les avions de ligne, le profil utilisé doit donner les mêmes performances en croisière à 500Km/h et au moment
d'atterrir à 150Km/h...
Mais ce problème devient plus grave et change de nature pour les avions supersoniques, en effet, les contraintes
d'écoulement de l'air changent après Mach 1, à cause de problèmes de compression de l'air et les performances
peuvent alors être dégradées si le profil est le même qu'un petit avion ROBIN...
Propriétés des profils :
L'optimisation des profils a été peu à peu amélioré grâce à de nombreux et très coûteux essais en soufflerie, puis
à partir des années 90 à l'aide de simulations numériques toujours plus pointues.
Simulations numériques d'écoulement et de pression de l'air autour de profils
De ces expériences, il est ressorti les principales propriétés d'optimisation que nous allons à présent exposer :
Profils et vitesse :
Les études en laboratoires ont permis de mettre en évidence la grande influence de la courbure (ligne moyenne)
et de l'épaisseur.
Ainsi si on se réfère à la mécanique du vol, on s'aperçoit que plus la courbure est importante, plus la portance est
importante mais l'épaisseur augmente aussi ce qui fait également augmenter la trainée. En fait, une aile à forte
cambrure décrochera à un angle d'incidence plus fort, elle aura donc un meilleur Cz. Une aile à faible cambrure
conviendra mieux aux faibles incidences et donc aux vitesses élevées. D'autre part les profils très minces
induisent un décrochage brutal, pouvant se révéler dangereux.
Au niveau de la forme du profil, il a été déterminé que la forme en larme est idéale au vitesse subsonique mais
fortement déconseillée pour les vitesses supérieures. En effet son épaisseur n'est pas négligeable et sa surface
frontale en est d'autant plus importante, ce qui comprime l'air au niveau d'impact et engendre des ondes de choc
de grande amplitude, ce qui équivaut à une forte trainée. Et l'épaisseur est un critère fondamental, car plus elle est
croissante plus la structure est résistante et permettra de construire un longeron d'autant plus résistant.(le
longeron est la pièce qui supporte les efforts srtucturaux de l'aile)
Mais parler d'un profil pour un avion est la plus part du temps inexact, ou tout du moins simplificateur. Car bien
souvent une aile n'a pas le même profil en son centre et à ses extrémités.
Cela se veut plus performant de façon à répondre de façon optimale à l'écoulement de l'air selon la structure. Et
pour aller encore plus loin, on peut citer le cas des ailes à géométrie variable qui se veulent une solution aux
avions ayant une plage de vitesse très étendue(de Mach 2 à 200km/h)
Familles de profils et optimisation :
On l'a déjà vu il existe une multitude de familles de profils. Mais d'après le paragraphe précédent, on connaît à
présent des notions d'optimisation qui vont nous permettre de les classer plus précisément.
Les biconvexes et dissymétriques : la fameuse forme en goutte d'eau, la
courbure est plus prononcée à l'extrados, l'écoulement de l'air est ralenti, la
portance optimisée. Ce sont les profils les plus utilisés surtout sur les avions
de loisirs.
Les plans convexes : c'est une évolution du biconvexe dissymétrique, il
optimise au maximum la portance et permet alors une plage de vitesse
infinie surtout orientée vers celles des parachutes et autres parapentes.
Les profils creux :la particularité est que l'extrados y est concave,
l'écoulement d'air est le meilleur lorsqu'il est faible, peu de phénomène de
décollement et donc de décrochage, optimisé pour les avions destinés au
vol lent.
Vient ensuite le profil laminaire, il est mince, biconvexe, symétrique, dit "en lame de couteau".Son épaisseur est
faible,n'entraînant pas d'onde de choc importante. Il est donc destiné aux avions très rapides.
A présent le profil à double courbure, qui est plus anecdotique
qu'essentiel. Des études ont démontré qu'il était auto-stable, c'est à dire le
profil parfait qui se suffit à lui seul pour sustenter l'avion en toute
situation; Mais contrairement à ce qu'on pourrait croire, ce profil est assez
peu répandu, et est utilisé pour les ailes volantes, avions du reste assez rares et complexes.