Notions et rappels d`aéronautique Cette partie a pour but de

Notions et rappels d’aéronautique
Cette partie a pour but de présenter et rappeler sommairement les grands points qui
caractérisent et différencient les avions, hélicoptères et drones. Il s’agit aussi de poser des
jalons pour la bonne compréhension de la suite du rapport.
1./ Les avions
Un avion possède une voilure fixe qui lui permet d’assurer sa portance, et une
motorisation (turboréacteur, moteur à hélice, …) servant à le propulser. Il est contrôlé selon
les trois axes par différents organes :
- la gouverne de direction fixée sur l’empennage vertical contrôle le lacet ;
- la gouverne de profondeur fixée sur l’empennage horizontal contrôle le tangage ;
- les ailerons fixés sur les ailes contrôlent le roulis.
Notion de stabilité longitudinale :
A vitesse constante le coefficient de portance Cz varie linéairement avec l’incidence i
de l’aile, pour de faibles valeurs de i. Le coefficient de moment de tangage Cm en un point
quelconque M de la corde l d’un profil d’aile est donné par :
CmM(i) = Cm0 + (x/l - k)*Cz(i) (aux faibles incidences), avec x la distance entre le bord
d’attaque du profil et le point M, k une constante égale à 0,25, et Cm0 le coefficient de
moment de tangage à incidence nulle.
Par conséquent, la définition du foyer est immédiate, c’est le point auquel : CmF =
Cm0 et donc le foyer est situé au quart de la corde (pour une section moyenne de l’aile). Ce
point est crucial pour la stabilité.
Le centre de poussée est défini lui par : CmP = 0. Par suite : xP/l = - Cm0/Cz + k.
Afin d’être en vol stabilisé longitudinalement, il faut que le centre de gravité G soit
confondu avec le centre de poussée P, et d’autre part que toute perturbation de l’incidence du
profil (de l’aile) soit contrebalancée par un moment de tangage ramenant à la position
d’équilibre. En d’autres termes : dCmG / dCz(i) < 0 et donc xG/l < k. Or k = xF/l (xG<xF).
D’où xG/l = xP/l = - Cm0/Cz + k = - Cm0/Cz + xF/l  Cm0>0. Il y a un moment cabreur assuré
par l’empennage, qui travaille en déportance. C’est le centrage avant. L’avion est résolument
stable.
On peut remarquer que l’aviation militaire requiert souvent des avions construits
instables. Ils ont un centrage arrière (xG>xF) avec un moment piqueur assuré par l’empennage
qui produit lui aussi une portance. Voir la figure ci-dessous pour un centrage arrière.
La notion de manoeuvrabilité est quant à elle liée également à la marge statique. Plus
la position du centre de gravité est proche du foyer, plus l’avion est maniable car le moment
de rappel va diminuer. C’est pourquoi les avions de chasse ont souvent leur marge statique
qui tend vers une limite minimale appelée : « moment de rappel minimal ».
Les traînées :
Trois traînées distinctes constituent la traînée globale d’un avion :
- la traînée de pression : elle est due à la forme des ailes et du fuselage. Mieux ces
éléments sont profilés et plus cette traînée est faible ;
- la traînée de frottement : elle est causée par la couche limite qui se forme sur les ailes
et le fuselage. Pour la minimiser sur les ailes, on cherche à ce que la couche limite soit
laminaire le plus longtemps possible (aspiration à la paroi,…) ;
- la traînée induite : la théorie du fil portant de Prandtl introduit la notion de circulation
autour de l’aile. A cause de cette circulation, la traînée induite apparaît. Des winglets
sont placés en bout d’ailes pour la réduire.
Les polaires :
La polaire ci-dessus permet d’introduire la notion importante de finesse maximale.
L’avion peut à cette valeur atteindre une vitesse dite économique où la poussée est minimale.
Chaque profil (NACA, FX,…) a sa propre polaire associée. Une autre courbe dite polaire
induite relie Cz et Cxi cette fois. Elle s’obtient par la relation : Cxi = Cz²/(π*λ) avec λ
l’allongement de l’aile (λ = Envergure²/Surface).
Le vrillage d’une aile et le calage de l’empennage horizontal :
Le vrillage α d’une aile d’avion est souvent négatif. Il implique que l’aile ne décroche
pas sur toute sa surface au même moment. L’emplanture doit décrocher avant les extrémités,
pour que les ailerons puissent encore agir même en phase de décrochage.
Le calcul du vrillage est itératif : on découpe l’aile en sections épaisses et depuis
l’emplanture jusqu’à l’extrémité, les portances sont calculées et sommées pour arriver à une
portance globale satisfaisant la condition de vol à incidence constante. Il faut ensuite s’assurer
que ce vrillage est toujours adapté à d’autres incidences (montée, descente, …).
Le calage β pour le changement de vitesse est lui appliqué à la gouverne de
profondeur. Lorsque l’avion doit accélérer en gardant une altitude constante (assiette nulle), il
est nécessaire de braquer la gouverne de profondeur vers le bas pour donner un petit moment
piqueur. De même lorsque l’on veut décélérer à assiette nulle, la gouverne de profondeur doit
se braquer vers le haut pour donner cette fois un petit moment cabreur. Bien sur les avions
sont équipés de potentiomètres pour trimer automatiquement en longitudinal, et éviter de
maintenir un effort sur le manche. De même des autres potentiomètres permettent de prendre
les virages à inclinaison constante, etc.