Dans la troisième partie du chapitre 2, les parties composantes de l

CHAPITRE 2
Notions sur l'aérodynamique, la mécanique du vol et les
avions
2.1 Introduction
Dans la première partie du chapitre 2, l’étudiant sera en mesure de se familiariser avec les
principes de base en aérodynamique. Cette discipline concerne les études des
phénomènes crées autour d’un aéronef qui se déplace dans l’air. On va principalement
expliquer les forces de la portance et de la traînée ainsi que les principes de base de vol
d’un avion. Les principes de ces forces seront expliqués sur une plaque plane inclinée, les
surfaces courbes inclinées, et finalement la géométrie des profils des ailes est aussi
décrite.
Dans la deuxième partie du chapitre 2, on va expliquer les principes de la mécanique du
vol d’un aéronef pour les quatre régimes de vol rectiligne et uniforme: en palier, en
montée, en descente, et en virage symétrique.
Dans la troisième partie du chapitre 2, les parties composantes de l’avion seront décrites,
et aussi les surfaces de commande de l’avion agissant selon les trois axes : roulis, tangage
et lacet.

2.2 Aérodynamique
2.2.1 Types de l’écoulement de l’air
L’écoulement de l’air définit le déplacement de l’air. Il existent 3 types d’écoulement qui
dépendent des trajectoires suivies par les particules de l’air :
- Laminaire lorsque les trajectoires sont rectilignes et parallèles entre elles. L’air
est constitue des lames superposées, glissant les unes sur les autres.
- Turbulent lorsque les trajectoires sont quasiment parallèles entre elles, et elles ne
sont pas rectilignes. Les particules se déplacent ensemble dans la même direction
avec la même vitesse d’ensemble.
- Tourbillonnaire lorsque l’écoulement est très désordonné, certains particules
remontent le courant et forment des tourbillons.
Au voisinage d’une surface solide, la vitesse de l’écoulement ralentit au fur et à mesure
que l’on approche pour finalement s’annuler au contact de celle-ci. La couche d’air freiné
est la couche limite. Ce phénomène est causé par la viscosité de l’air : le mouvement des
particules d’air est freine par leur frottement les unes contre les autres et tout au long de
la surface.
2.2.2 Soufflerie aérodynamique
Le vol de l’avion résulte des interactions qui se produisent entre des surfaces portances
(ailes) et la masse d’air dans laquelle ces dernières se déplacent à grande vitesse. Pendant
le vol, même si c’est l’avion qui se déplace dans l’air, un observateur placé dans l’avion
peut considérer qu’il voit l’aile immobile et que c’est l’air qui se déplace. On peut
observer ce phénomène au laboratoire, par exemple dans une soufflerie en fixant une
maquette et en déplacent l’air artificiellement à une certaine vitesse. Le déplacement de
l’air sera matérialisé en utilisant la fumée ou de brins de laine très fins. Une soufflerie est
composée des 4 éléments suivants : 1) le collecteur, 2) la chambre d’expérience, 3) le
diffuseur, 4) le ou les ventilateurs.
Figure 2.1 Représentation des parties d’une soufflerie

1) Le collecteur
On va amener l’air dans la chambre d’expérience avec un minimum de perturbation.
L’écoulement est laminaire à la sortie, par l’utilisation des filtres et des grilles pour
peigner l’air. Le collecteur a une forme convergente pour accélérer l’écoulement.
2) La chambre d’expérience
On dispose le corps à étudier : maquette, élément d’avion, et avion si la soufflerie est
assez grande.
3) Le diffuseur
Est divergent pour ralentir l’écoulement sans amener de turbulences le long de la paroi.
4) Le ventilateur
Aspire l’air en amont depuis l’avant du collecteur pour le rejeter à l’extérieur. Ainsi, l’air
traversant la chambre d’expérience ne subit pas les turbulences qui sont crées à l’arrière
des pales du ventilateur.
Soufflerie à retour – La sortie de la soufflerie est reliée à l’entrée du collecteur par une
veine de section constante.
2.2.3 La résistance de l’air R
On tient une plaque plane verticalement et on la déplace horizontalement à une vitesse
dans l’air calme, alors on ressent une force qui tend à s’opposer au déplacement. Cette
force est due à la résistance de l’air R.
Figure 2.2 Illustration du placement de la plaque plane et de la perturbation de
l’écoulement

Pour mettre en évidence cette force, on va utiliser la soufflerie en fixant dans la chambre
d’expérience une plaque plane perpendiculaire à un écoulement d’air laminaire se
déplaçant à une vitesse constante et on va observer comment elle va perturber
l’écoulement.
À l’avant de la plaque, l’air va exercer une pression grande, à l’arrière un vide relatif va
se former qui tend à aspirer la plaque et qui entraîne l’écoulement dans un régime très
tourbillonnaire sous l’effet de cette dépression. Donc, la plaque est soumise a une force
horizontale, la résistance de l’air. À l’aide d’un dynamomètre relié à la plaque dans la
soufflerie aérodynamique, on va mesurer la force exercée par l’air et on va étudier les
facteurs qui la font varier. Ces paramètres sont :
1) Aire A ( R ~ A ). Si l’aire de la plaque plane A est doublée, la force R mesurée
par le dynamomètre double.
2) Vitesse V ( R ~ V2 ). Si la vitesse de l’écoulement V augmente, la force exercée par
l’air R augmente. On trouve que R est proportionnelle au carré de la vitesse V.
3) Masse volumique ( R ~ ). Si on monte dans l’altitude, la densité de l’air
diminue. On peut considérer qu’il y a moins de particules d’air dans le même
volume, et si le nombre de particules d’air diminue, la résistance de l’air diminue
aussi.
4) Forme du corps K. On va placer des corps différents dans la soufflerie : un disque,
une demi - sphère, une sphère et un corps fuselé.
Si on place un disque plat et perpendiculaire à l’écoulement, on observe que l’écoulement
a de la difficulté à contourner l’obstacle, et qu’il va se créer une pression forte a l’avant
(amont) ainsi qu’une zone tourbillonnaire dépressionnaire à l’arrière (aval). Si on place
une demi - sphère face à l’écoulement, l’air va contourner facilement l’avant de la demi –
sphère, mais à l’arrière il existe toujours la zone tourbillonnaire. Dans le cas d’une
sphère, la zone tourbillonnaire est fortement diminuée, mais n’est pas complètement
résorbée. Dans le cas d’un corps fuselé, les filets d’air se rejoignent à l’arrière sans
présenter de tourbillons, alors la résistance de l’air est plus faible que dans le cas du
disque initial.
On peut voir que la résistance de l’air R est proportionnelle à la surface perpendiculaire à
l’écoulement, au carre de la vitesse de l’écoulement, à la masse volumique de l’air et
dépendait de la forme du corps. R <N> peut s’écrire sous la forme R = K V2 S, où K est
le coefficient qui tient compte de la forme du corps et de son état de surface, est la
masse volumique de l’air (kg/m3), V est la vitesse (m/s) et S est l’aire (m2). Dans le cas
des ailes d’un avion, on choisit le profile d’aile sous la forme d’un corps fuselé.
2.2.4 Explication de la portance et des principes de base du vol d’un avion
Les ailes avec des surfaces courbes sur l’extrados et la surface plate sur l’intrados auront
la
forme qui va actuellement créer la portance.

Figure 2.3 Profile d’aile pour expliquer la portance
La portance est la force qui monte l’objet (ici, l’avion) vers le haut, et s’oppose à la force
naturelle de la gravité. La portance aide l’avion de monter et rester dans l’air. On sait que
la gravité est la force qui attire tous les objets vers le sol.
On vit au fond d’un océan d’air. L’air presse sur tout, et on l’appelle la pression de l’air.
Bernoulli a découvert que l’air ne presse pas si fort lorsqu’il bouge. Aussi rapidement
qu’il bouge, moins qu’il presse.
Figure 2.4 Circulation de l’air autour d’une aile
Quand les avions volent, l’air est poussé vers le haut et le bas des ailes. L’air passant sur
l’extrados de l’aile arrive sur le dos de l’aile au même moment que l’air passant sur
l’intrados de l’aile. L’air traversant sur l’aile, qui devrait voyager aussi sur la surface
courbe – devrait bouger plus vite que l’air bougeant sur l’intrados.
L’air qui bouge lentement (l’air sur l’intrados de l’aile) va créer plus de pression que l’air
qui bouge rapidement (sur l’extrados de l’aile). Ceci vaut dire que la pression de l’air qui
presse en haut sur le bas de l’aile est plus grande que la pression de l’air qui presse en bas
sur le haut de l’aile.
Figure 2.5 Distribution de pression autour d’une aile
Lorsqu’il y a plus de pression d’air qui pousse sur le haut sur l’aile, cette pression va
créer la portance. Et l’avion va monter naturellement dans l’air.