TPE 2008 2009 Dossier comment vole un avion

Par quels moyens et comment
se dirigent les avions ?
SOMMAIRE
I. Introduction
II. Généralités
a) Les axes de direction
b) La matériel
III. Le Virage
IV. La « Montée et Descente »
V. Conclusion
Lexique
I) Introduction
Voler fût pendant longtemps un grand rêve pour l’homme
C’est à la fin du XVIIIe siècle, période où les hommes imaginaient de
manière plus ou moins réaliste ce que pouvait être une machine volante, que
commença le début de la conquête de l’air.
Le premier homme à s'élever dans les airs fut Joseph Montgolfier grâce à
son ballon à air chaud à la fin du XVIIIe siècle.
C’est à partir du XXe siècle que les premiers vols en avion eurent lieu. Les
frères Wright effectuèrent plusieurs courts vols en 1903. Le 15 septembre
1904, ils réussirent le premier virage réalisé par un avion : c'est le début du
pilotage.
Voler était déjà une question très importante, mais la question que l’on
pouvait se poser était aussi :
Comment et par quels moyens se dirigent les avions ?
C’est à cette question que nous essaierons de répondre tout au long de ce
TPE.
Depuis le début de l’année scolaire, nous avons effectué des recherches sur
ce sujet.
En parallèle, nous avons construit une maquette afin de mettre en valeur nos
explications.
Dans un premier temps, nous étudierons, à l’intérieur des généralités, les
axes de direction et le matériel qui permettent au pilote de diriger son
aéroplane, puis dans une seconde partie nous expliquerons le virage et nous
conclurons par « la montée et de la descente » de l’avion.
II) Les généralités :
a) Les axes de direction
- Le Roulis
- Le Tangage
- Le Lacet
1) Le Roulis :
L’avion effectue une rotation sur son axe longitudinal. La
commande de pilotage servant à manœuvrer le roulis est le
manche à balais (mouvements de gauche à droite). Bougé de
gauche à droite, ce dernier actionne les ailerons, situés sur le bord
de fuite au bout de chaque aile. Attardons nous un peu sur le
roulis : si on donne une impulsion vers la droite au manche à
balais, l’avion va pivoter sur son axe longitudinal vers la droite.
Attention, il est à préciser que le retour du manche à balais vers sa
position initiale ne corrige pas le roulis de l’avion, celui-ci
conservera son angle de virage jusqu’à ce qu’une impulsion
contraire soit exercée sur le manche, c’est à dire ici vers la
gauche.
2) Le Tangage :
L’avion effectue une rotation sur son axe transversal ; Dans le
tangage c’est également le manche à balais qui est utilisé, mais
cette fois, au lieu de le déplacer de droite à gauche, il faut l’amener
vers soi ou le pousser vers l’avant. Déplacer de l’avant vers
l’arrière, le manche à balais actionne la gouverne de profondeur
qui est située à l’arrière de l’appareil sur le stabilisateur. Le
tangage est un mouvement un peu plus complexe que le roulis
puisqu’il faut tenir compte de la vitesse. En effet, si on amène le
manche vers soi, l’avion monte mais la vitesse diminue. Plus la
vitesse diminue, plus il faut tirer le manche vers soi pour garder le
même angle de montée, ou bien, il faut donner un surcroît de
puissance en augmentant la force de poussée de l’avion. L’effet est
contraire pour la descente, l’avion accélère et le nez de l’avion a
tendance à se redresser.
Voici un schéma explicatif résumant le mouvement de tangage :
3) Le Lacet :
C’est le dernier type de mouvement qu’un avion peut exécuter. Il
est généralement combiné avec le roulis. Le lacet est également
utilisé pour compenser les effets d’un vent de travers ou pour
maintenir l’avion dans l’axe de la piste au décollage et à
l’atterrissage. Avec le lacet, l’avion effectue une rotation sur son
axe vertical, contrairement au roulis et au tangage, la commande
servant à contrôler le lacet n’est pas le manche à balais, mais le
palonnier. Comme le tangage, le lacet a une forte influence sur la
vitesse, son utilisation entraîne une forte augmentation de la
traînée.
Quand le pilote appuie sur la pédale de droite, la gouverne de
direction s’oriente vers la droite, une dépression s’exerce alors
sur la face gauche de la partie articulée, la force horizontale qui
s’exerce, amène l’arrière de l’avion vers la gauche, ce qui fait
tourner l’avion entier vers la droite. La même chose se produit
quand le pilote appuie sur la pédale de gauche, mais dans l’autre
sens. En lacet, l'angle que forme l'avion avec sa trajectoire est
l'angle de lacet. Voici un schéma récapitulatif du mouvement de
lacet :
b) Le matériel et la mécanique pour le virage
Introduction :
Pour se diriger, le pilote utilise le manche à balais qui permet de faire
pivoter les gouvernes de profondeur ainsi que les ailerons et les palonniers
qui permettent de faire pivoter la gouverne de direction.
1. Le manche à balais :
Le manche à balais (ou joystick) sert à diriger l’avion de gauche à droite (et
inversement) et de haut en bas (et inversement).
2. Le palonnier
Le palonnier a 2 fonctions, la première étant celle de la direction et la
seconde celle du freinage.
Il est constitué de deux pédales actionnées par les pieds du pilote. Ce
dispositif est destiné à actionner la gouverne de direction qui est une partie
articulée de la dérive* située à l’arrière de l’avion.
Au moyen de cette commande, le pilote fera pivoter l’avion autour de l’axe
de tangage et le stabilisera lors de l’approche. Lorsque l’appareil est au sol,
il permet de diriger la roue avant.
En appuyant simultanément sur les 2 pédales, on actionnera la 2 ème
fonction : le freinage.
3. Les ailerons
Les ailerons sont les gouvernes qui permettent à l’avion de se déplacer sur
l’axe de roulis et agissent en sens opposés (l’un monte quand l’autre
descend et inversement). On les retrouve aux extrémités des ailes, endroit
qui leur donne un meilleur effet. Pour augmenter la force de ce mouvement,
le pilote utilisera, en plus des ailerons, les aérofreins* et le spoiler*
4. Le fonctionnement de la gouverne
a. la gouverne de direction
La gouverne de direction manipulée grâce aux palonniers permet de diriger
l’avion de gauche à droite, de réaliser un virage correct en évitant les
dérapages.
b. la gouverne de profondeur
Commandée par le manche (ou joystick), elle permet à l’avion de monter
ou de descendre
5. Le matériel dans le cockpit
Anémomètre
Horizon artificiel
Altimètre
Variomètre
Indicateur de
virage
a. Altimètre
Il évalue et indique l’altitude ou la hauteur au dessus du niveau de référence.
C’est un baromètre mesurant la pression atmosphérique et traduit cette
donnée en valeur altimétrique par un cadran gradué en pieds (ft) ou parfois
en mètre (m).
b. Horizon artificiel
Il s'agit d'un gyroscope à deux degrés de liberté qui permet de visualiser
l'attitude de l'avion par rapport à ses axes de roulis et de tangage et plus
précisément de leurs angles avec un plan horizontal : assiette et inclinaison.
c. Indicateur de virage et de dérapage
L'indicateur de virage est un gyroscope à un degré de liberté qui permet de
visualiser le taux de virage (et non l'inclinaison) de l'avion.
Il est associé à une bille qui se déplace dans un tube incurvé selon la
verticale apparente et qui visualise le dérapage de l'avion. La bille
fonctionne simplement par gravité. En effet, quand le dérapage est nul et le
vol symétrique, la gravité relative (gravité équivalente créée par le poids et
la force centrifuge) est selon l'axe vertical de l'avion. Si la gravité relative
forme un angle avec la verticale de l’avion, c'est qu'il existe un dérapage
d. Anémomètre
Il est associé au tube de Pitot* et mesure la vitesse de l’aéronef par rapport
à l’air qui l’entoure. Il définit la différence entre la pression totale (Pt) et la
pression statique (Ps) et la convertit en vitesse.
La vitesse est généralement mesurée en nœuds, mais, sur quelques avions
français et sur les avions russes, elle est donnée en kilomètres par heure.
e. Variomètre
Il évalue les vitesses verticales (Vz) de montée ou de descente par rapport
au sol. Il mesure la différence entre la pression atmosphérique aux environs
de l’aéronef à l’instant T et celle de l’instant T-t (mise en mémoire).
III) Le Virage
Définition :
Le virage est un changement permanent de trajectoire dans un plan
horizontal. On peut aussi dire qu’il est une déviation permanente obtenue
par la réaction et le maintien d’une force d’accélération déviatrice.
En théorie, quand le pilote tire le manche à droite, l’aileron droit se lève
afin de diminuer la portance sur l’aile droite qui s’abaissera. Seulement,
pour donner plus d’ampleur au mouvement, l’aileron gauche, au contraire,
se lève et augmente la portance sur l’aile gauche qui se lèvera, l’avion
penche à droite. Pour bénéficier au maximum de l’effet de levier, les
ailerons sont situés en bout d’aile. Si le pilote veut tourner à gauche, il dirige
le manche à gauche, l’effet inverse se produit. Dans l’absolu, les ailerons
ont des mouvements antagonistes. L’angle que fait l’avion en virage
s’appelle l’inclinaison.
I) Le virage en lui-même :
I
II
III
L’avion est en position stable donc Fz1=Fz2
Pour tourner à gauche on doit augmenter la portance sur l’aile
droite donc Fz1 > Fz2
Augmenter la portance veut dire qu’il faut augmenter le flux d’air
sous l’aile qui s’effectuera en baissant l’aileron. Cette manœuvre
allongera le chemin du flux d’air qui restera plus longtemps sous
l’aile que l’autre, alors elle se lèvera. Pour faciliter le mouvement
on lève l’aileron gauche pour augmenter le flux d’air, ainsi la
portance diminuera, entrainant la baisse de l’aile et permettra à
l’avion de virer à gauche.
III) Une fois l’inclinaison choisie, le pilote repositionnera le manche à
sa position initiale. Le virage sera alors stable
I)
II)
Pour remettre l’avion en vol rectiligne horizontal, le pilote effectuera la
manœuvre inverse jusqu’au moment où l’inclinaison sera nulle.
Il existe d’autres virages comme : le virage dérapé, le virage glissé.
Nous n’étudions que le virage stable car les autres demandent des
connaissances que nous ne sommes pas sûrs de pouvoir maîtriser.
II) Les ajustements pour un virage stable :
Pendant un virage, il faut maintenir l’altitude. Si on incline l’avion sans
augmenter la portance, la variation de FV est inférieure au poids
apparent* de l’avion. Augmenter la portance lors de l’évolution du virage
permet de maintenir l’altitude. Pour cela, on augmente soit l’incidence avec
l’aide du manche soit la vitesse.
Toutefois, l'avion tend, par inertie au cours du virage, à s'opposer à la
modification de sa trajectoire et à continuer en ligne droite.
Aussi, pour contraindre l'avion à se maintenir sur une trajectoire courbe, il
faut le soumettre à l'action d'une force perpendiculaire à cette trajectoire qui
s'appelle la force centripète (Ft).
Cette force permet de garder l’inclinaison et une stabilité durant le virage
Cette condition ne peut être remplie qu’avec les seules forces habituelles :
portance, poids, traînée et traction.
En réalité, la force centripète, nécessaire pour faire virer l'avion, est obtenue
en inclinant l'avion du côté où l'on désire virer. La portance, restant alors
perpendiculaire au plan des ailes, s'incline avec l'avion.
En général si le pilote souhaite faire un virage serré il devra incliner son
aéroplane avec un grand angle d’inclinaison, et au contraire, s’il veut faire
un long virage, il devra tourner avec un angle d’inclinaison plus faible.
Le virage permet à l’avion de se diriger autour de l’axe de roulis et de lacet
IV) La « Montée et descente »
1. le vol en palier rectiligne uniforme.
Les forces s’équilibrent ici deux à deux, soient Rz = mg et T = Rx.
a. Etude des forces exercées sur l'avion lors d'une montée rectiligne
uniforme:
Pour qu'un avion monte, il faut que la portance soit supérieure au poids,
mais aussi que la force de poussée ou de traction exercée par le ou les
moteurs soit supérieure à celle de la traînée qui augmente lorsque l'avion
monte. En montée, on peut décomposer le poids en deux forces comme nous
pouvons le constater sur le schéma ci-dessous en bleu, une force parallèle à
la trajectoire de l'avion vers l'arrière et l'autre perpendiculaire à cette
trajectoire en allant vers le bas. La résultante de ces deux forces est nommée
le poids réel.
Soient «a» l'angle d'incidence, «Rz» la portance, «T» la traction et «mg»
le poids, alors on peut donner les calculs suivants :
Rz = mg.cos a et T = Rx + mg.sina ce qui est l'équivalence de
sina = (T – Rx)/mg
La pente de montée est notée en pourcentage, elle est donc égale à
100.sin-1{((T – Rx)/mg)}
b. Etude des forces exercées sur un avion en descente rectiligne
uniforme:
Lors d'un vol en descente rectiligne uniforme, les forces exercées sur
l'avion ne sont pas complètement différentes de celles durant la montée.
Pendant la descente de l'avion, la portance ne diminue pas mais la
puissance du ou des moteurs est réduite. Le changement majeur entre la
montée et la descente est que la composante du poids (qui est ici indiqué en
bleu sur le schéma ci-dessous) est une force perpendiculaire à la trajectoire
de l'avion allant vers le bas et une autre force parallèle à la trajectoire de
l'avion mais cette fois-ci vers l'avant; ce qui forme donc le poids réel.
Soient «a» l'angle d'incidence, «Rz» la portance, «T» la traction et «mg»
le poids, alors on peut donner les calculs suivants:
Rz = mg.cos a et
a = (Rz - T)/mg
T + mg.sin a = Rx ce qui revient à dire que
La pente en descente est notée en pourcentage, elle est donc égale à
100. ((Rx – T)/mg)
c. Formules:
Des formules ont été établies afin de mesurer les forces s’exerçant sur un
avion en vol:
La traînée, notée par convention Rx peut se calculer de cette façon:
Rx = ½ . p .V² . S. Cx
ρ est la masse volumique de l’air en kilogrammes par mètre cube, V est la
vitesse de l’avion en mètres par seconde, S est la superficie de la voilure de
l’avion exprimée en mètres carré, enfin, Cx est un coefficient appelé
coefficient de traînée, il n’a pas d’unité.
La portance, notée par convention Rz peut se calculer de cette façon:
Rz = ½. p. V². S. Cz
Tous les éléments du calcul, sauf Cz sont les mêmes que pour la traînée, Cz
est un coefficient sans unité: le coefficient de portance.
d. application sur la maquette:
Masse=32g
Quand l’avion monte, la portance (soit le poids) devrait diminuer, en effet m
passe de 32g à 27g.
A l’inverse, quand l’avion va descendre sa portance augmente, c’est le cas
sur notre maquette, la masse passe de 32g à 40g.
V) Conclusion
Dans ce TPE nous avons étudié les moyens de direction d’un avion. Tout
d’abord l’avion peut se déplacer de gauche à droite et inversement grâce aux
palonniers et au manche. Celui-ci peut aussi se déplacer de bas en haut à
l’aide du mouvement du manche à balais.
On ne pouvait pas parler de la direction sans expliquer comment fonctionne
le matériel et son utilisation.
Suite à ce TPE nous avons acquis des connaissances bien précises. En effet,
piloter un avion demande de grandes connaissances intellectuelles et
physiques.
Cause de manque de temps, nous aurions pu parler des autres virages
comme les virage glissé, dérapé et le looping.
LEXIQUE
Un spoiler : est une surface mobile actionnée pour diminuer (détruire) la
portance d'une partie d'une aile. Les spoilers sont également très utiles lors
de l'atterrissage puisqu'en diminuant la portance des ailes, le poids de l'avion
est alors supporté en plus grande partie par le train d'atterrissage, ce qui est
une condition nécessaire à un freinage efficace.
Les aérofreins : permettent de diminuer la portance.
Poids apparent : est supérieur au poids se qui donne une sensation que notre
poids est plus lourd, le pilote subit la pression de parfois plusieurs g
(accélération de pesanteur). C’est la somme entre le poids réel et la force
d’inertie.
Dérive: plan fixe vertical empêchant un avion de dériver.
Un tube de Pitot : est un appareil de mesure de vitesse des fluides.