Principes de vol d`un avion

Principes de vol d’un avion
Airbus A380
mercredi 30 mai 2007
par Yannick Schlaeppi
popularité : 15%
Tout féru d’aviation n’est pas sans ignorer comment fonctionne et vole un avion. Cependant
lorsque l’on examine en détail les interactions qui régissent le vol motorisé, on se rend compte
que ces concepts à l’abord simple sont en réalité bien plus complexes et qu’ils dépendent de
bien des paramètres. Le but de ce travail est d’essayer d’y voir plus clair, ce qui explique mon
choix de ce sujet, étant tout particulièrement concerné.
1. Introduction :
Le transport aérien est aujourd’hui devenu banal. Fini le temps où chaque vol était une
aventure qui pouvait réserver n’importe quelle surprise, l’aviation pratique aujourd’hui le
transport de masse, comme avec l’A380, prévu pour une mise en service à fin 2007-début
2008 et une capacité standard de 555 passagers.
D’apparence très massive, cet avion peut sembler impossible à faire voler, voir à contrôler.
Pourtant, les essais qui ont eu lieu et continuent de se dérouler montrent un avion au
comportement sain. Comment cela est-il possible ?
2. Principes de vol d’un avion :
Le vol d’un aéronef peut se résumer en 4 forces qui agissent dessus 2 à 2 et se contrecarrent.
Schéma des forces agissant sur un aéronef
Pour qu’un avion avance, il faut bien évidemment une force motrice ou traction qui s’oppose
au frottement de l’air, cette force résistante étant appelé traînée.
La traînée s’exprime de la façon suivante :
où
correspond au coefficient de traînée,
dans lequel se trouve l’avion (ici en l’occurrence l’air),
la masse volumique du fluide
sa surface exposée au frottement et
sa vitesse.
Dans le plan vertical, un avion a bien évidemment un poids qui, si l’on veut s’élever, doit être
compensé par une force agissant vers le haut appelée portance, qui est assurée par les ailes.
Le poids s’exprime sous la forme
.
La portance, quant à elle, peut être calculée via la formule :
où est la surface des ailes et
le coefficient de portance de l’aile. On peut
immédiatement remarquer une similitude avec la traînée, ces 2 forces ayant toutes les deux
trait à la mécanique des fluides.
La propulsion (traction) est assurée par les réacteurs (principe d’action-réaction), un flux d’air
chaud est éjecté vers l’arrière de l’avion, provoquant ainsi une poussée vers l’avant.
Dans le cas d’un moteur à pistons ou d’un turbopropulseur, les pales de l’hélice (qui peut être
tractive ou propulsive) agissent comme de mini-ailes (voir ci-dessous), une fois entraînées par
le moteur.
Le principe fondamental de la dynamique nous dit que la somme des forces
qui agissent
sur le mobile est égale à la masse dudit mobile multipliée par l’accélération (
).
Ainsi, si l’avion veut voler en palier ( = vecteur accélération nul), cette somme des forces
(composée de la traction, la traînée, le poids et la portance) doit être nulle. Tout mouvement
de l’avion dans l’espace est ainsi fonction de la somme de ces 4 forces qui sont toutes liées
(par exemple, une augmentation de la traction va créer une accélération et entraîner une
augmentation de la vitesse et donc de la portance et de la traînée qui sont dépendantes de
celle-ci).
3. Ailes et gouvernes
Du temps des pionniers, bien des solutions furent explorées pour fournir une portance
nécessaire à l’évolution dans les airs. La solution fut trouvée dans l’aile à profil cambré.
Ainsi, lorsque l’on examine une aile, on remarque que son profil est particulièrement bombé
sur le dessus (extrados) et bien moins sur le dessous (intrados). C’est cette différence qui va
produire la portance.
En effet, lorsque le flux d’air arrive sur le devant de l’aile (ou bord d’attaque), les molécules
se trouvent confrontées à deux chemins possibles. En considérant l’air comme un fluide
incompressible, celles qui passent par le dessus de l’aile vont se trouver accélérées pour se
retrouver en même temps au bout (ou bord de fuite) de l’aile que les molécules étant passées
dessous.
Cette différence de vitesse va donc créer une dépression sur l’extrados de l’aile grâce à la
différence de pression des 2 faces, l’air accéléré faisant baisser la pression sur l’extrados.
L’aile (et donc l’avion, si l’aile y est correctement attachée) va se retrouver comme aspirée
vers le haut, provoquant ainsi la portance nécessaire au décollage lorsque la vitesse y est
suffisamment élevée.
Schéma de fonctionnement d’une aile
Lorsque l’avion se meut dans les airs, ses gouvernes agissent de la même manière que des
ailes. Ainsi, la gouverne de profondeur située à l’arrière de l’avion sur le stabilisateur
horizontal va faire fonctionner l’ensemble de ce plan de l’empennage comme une aile attirée
vers le haut quand la gouverne s’abaisse (pour descendre) et vers le bas quand la gouverne se
lève (pour monter) faisant ainsi basculer l’avion.
À noter que le stabilisateur horizontal exerce généralement une portance vers le bas en vol
normal dans le cas d’un avion de ligne, afin de compenser le couple cabreur des ailes.
Gouvernes de l’empennage d’un avion
Elevator : gouverne de profondeur. Horiz. stab. : stabilisateur horizontal. Rudder :
volet de dérive. Vert. stab : dérive.
Pour faire tourner l’avion, les ailerons situés sur les ailes jouent sur la portance de celles-ci
afin de faire basculer l’avion sur les côtés, aidées de la gouverne de dérive pour assurer la
stabilité du virage (et empêcher un dérapage). Les volets permettent d’augmenter la portance
et sont ainsi utilisés lors du décollage, de l’atterrissage, ainsi que de l’approche. Ils autorisent
une vitesse moindre ainsi qu’un angle d’attaque plus élevé (angle par rapport au flux d’air
arrivant sur les ailes) et retardent le décrochage. Le décrochage est le phénomène associé à la
perte de portance des ailes, celui-ci pouvant survenir dans deux configurations :
La première manière de décrocher se passe lorsque l’avion n’a plus une vitesse suffisante
pour maintenir la portance. Dans des conditions normales, l’avion s’enfonce alors
uniformément.
La deuxième façon de décrocher survient lorsque 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. La portance est alors détruite et l’avion va s’enfoncer aussi.
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.
Structures de l’aile d’un avion
Aileron : aileron. Flaps : volets. Engine : moteurs. Slats : becs de bord d’attaque.
4. Cas de l’Airbus A380
Atterrissage de l’A380 à l’issue de son premier vol
Prenons comme exemple le nouvel Airbus A380. Les données constructeurs donnent une
masse maximum au décollage de 560 tonnes soit un poids de 5’493’600
la portance soit supérieure à ce chiffre pour pouvoir décoller.
Selon ces mêmes données la voilure fait 845
déduire que
avec
valant 1,293
. En partant de
et en prenant un
. Il faut donc que
on peut ainsi
de 0.7 (données
Wikipédia). Ainsi, la vitesse trouvée vaut
, soit 432 km/h. Pour compenser le poids et
s’élever, la vitesse de l’Airbus doit ainsi être supérieure.
Ce résultat est à prendre avec précautions et peut être considéré comme étant la vitesse de
l’air sur l’extrados de la voilure. Par comparaison, la vitesse de décollage d’un MD-11, moitié
moins lourd que l’A380, est de l’ordre de 340 km/h.