Les phénomènes du vol

Les phénomènes du vol
Lock-On V1.02/1.1
Texte & schémas: Booz
Screens : Tontonjoe
Ce document est divisé en plusieurs parties à peu près indépendantes, détaillant divers
aspects du vol de base d’un aéronef, ainsi que les termes techniques qui vont de pair. Ma
préférence allant pour le SU-27, c’est donc sur lui que sera expliqué le pourquoi du comment.
Ce texte comporte surement quelques erreurs, imprécisions, ou lourdeurs, malgré mon désir
de le faire le plus complet et précis possible, aussi, je vous serait reconnaissant de me les
signaler pour correction.
Il n’est nul besoin de connaître tous les principes et choses exposées ici pour faire un
excellent lock-oneux !
Plan :
1) Tour de l’avion
2) La portance et la traînée
3) Le domaine de vol
4) La manoeuvrabilité et le centrage
1) Tour de l’avion
Présentation des différentes surfaces et sondes de l’avion. Explication sommaire de
leur rôle
Tous les pilotes vous le diront, avant de décoller, on fait le tour de l’avion ! Cette
opération appelée pré-vol se fait du modèle réduit au liner trans-pacifique. Le but est de
vérifier l’état général de l’appareil, en extérieur (en vérifiant que les gouvernes fonctionnent,
et dans le bon sens…) et en intérieur (éviter la panne sèche au milieu de l’océan).
Pour Lock-on, le réalisme n’est pas poussé jusque là, puisque vous décollez dans un
avion qui en parfait état de marche (sauf panne surprise, bien entendu…).
Pour l’instant, tous les appareils de Lock-on sont composés de deux parties :le
fuselage, et l’ensemble voilure/empennage.
Le fuselage se compose de la pointe avant, avec le nez, puis du caisson central de
voilure, et enfin de la partie arrière qui porte en général, sur les avions de combat, le/les
moteurs.
La voilure se décompose en trois ou quatre parties. Une partie fixe, qui constitue
l’essentiel de la surface de l’aile, et qui reprends tous les efforts pour les transmettre au
fuselage. C’est là que l’on place les réservoirs d’aile. A l’avant de l’aile, aussi appelé le bord
d’attaque (BA car c’est lui qui « attaque » l’air), sont installés les becs de BA, ou slats. Il
s’agit d’une mince mais longue portion de l’aile qui peut s’abaisser. Le but est d’augmenter
l’incidence de décrochage ( cf 2) ). Vers l’arrière de l’aile, aussi appelé bord de fuite (BF, car
c’est par là que l’air quitte l’aile), se trouvent les volets, surfaces augmentant la portance, et
les ailerons, permettant de contrôler l’inclinaison de l’avion (cf 2) et 5) ). Parfois, ces deux
surfaces sont regroupées en une seule, nous verrons comment plus tard.
Latéralement, la partie de l’aile qui est le plus près du centre s’appelle l’emplanture, et
la partie la plus éloignée le saumon.
Géométriquement, l’aile est caractérisée par
vrillage
plusieurs paramètres. Tout d’abord, l’envergure, ou
la longueur d’un saumon à l’autre. Ensuite, la corde,
c’est-à-dire la longueur de la coupe verticale de
l’aile. Vient ensuite sa flèche et son vrillage. Le
vrillage de l’aile consiste à « tordre » le saumon, de
façon à le faire pointer vers le bas. Ceci permet à
l’aile de présenter différentes incidences sur les
différentes partie de l’aile. Le saumon verra une
incidence plus faible, et donc décrochera plus tard,
alors que l’emplanture verra plus d’incidence et
portera plus.
Commençons par le nez de l’appareil. On y trouve une antenne appelée antenne de
Pitot, servant à mesurer la vitesse de l’appareil. Elle est fixée au bout du cône radar. En
descendant, on trouve rapidement le cockpit, lieu où est installé le pilote. Le morceau
transparent qui le protège du vent s’appelle le hood, la canopée ou la verrière. Ici, elle est
constituée de deux morceaux, avec une partie avant fixe et une partie arrière mobile. La partie
avant est elle-même en une ou plusieurs « vitres ». Ce sont des contraintes de résistance,
d’aérodynamique et de visibilité qui lui impose sa forme. Conventionnellement, le pilote est
installé à l’avant du fuselage afin d’avoir la meilleure visibilité et pour laisser la place aux
équipements derrière. Derrière le cockpit, le fuselage s’élargit jusqu’au bord d’attaque de
l’aile. Cette surface est très importante et s’appelle l’apex d’aile. C’est là qu’est logé le canon,
entre autres équipements. On y trouve aussi d’autres sondes anémométriques
On arrive au caisson central de voilure. C’est le morceau de l’avion qui supporte tout
le reste en vol. C’est là qu’est fixé le train d’atterrissage principal, la roulette de nez étant
logée…dans le nez. Dessous, on trouve les entrées d’air des réacteurs. L’entrée d’air est une
partie critique concernant le bon fonctionnement du moteur. Elles sont biseautées pour le vol
supersonique et comportent des « ouies » sur la partie inférieure, pour mieux alimenter le
moteur aux basses vitesses essentiellement. Les entrées d’air et les carénage des réacteurs,
situées en dessous, constituent les nacelles moteurs. De part et d’autre du caisson central de
voilure, se trouvent les ailes, solidement attachées (en principe…). Sur le dessus, se trouve
l’aérofrein.
Derrière le caisson central, se trouve…l’arrière du fuselage. Les ingénieurs et les
techniciens ont l’art de trouver des noms pour toute choses, mais là…difficile de trouver un
qualificatif pour une partie qui rassemble beaucoup de choses. On trouve en effet les moteurs,
le cône de queue contenant le parachute, les leurres, les dérives, les profondeurs et les quilles.
Les dérives servent à stabiliser et à contrôler l’avion sur un axe, de même pour la profondeur.
A noter que la gouverne de profondeurs existe aussi en deux parties, l’une fixe et l’autre
mobile (SU-25, A-10). Ceci est du à des considération de stabilité (cf 4) ).
2) Portance et traînée
Description non formalisée de l’origine de la portance et de la traînée sur un avion,
fonctionnement des becs et volets.
Les avions volent (et s’écrasent parfois, mais c’est une autre histoire), et ce qui tient
l’avion en l’air est invisible. C’est peut-être pour çà que les explications ne sont pas toujours
aisées à présenter et à simplifier, car il s’agit d’un domaine où l’être humain n’a aucune
intuition, il ne peut « voir » qu’avec l’expérience.
On explique toujours qu’un avion vole grâce à la portance, présentée comme une force
qui s’exerce en un point mystérieux de l’avion. C’est en fait la somme d’une infinité de petites
forces de pression qui s’exercent sur toute la surface de l’avion. D’autre part, partout, des
forces de frottement (comme une main sur une table frotte) constituent la traînée. Il n’y a pas
de réelle séparation entre ces deux « actions » de l’air sur l’avion. La somme de tout çà est la
Résultante Aérodynamique, force qui s’applique en un point variable de l’avion, appelé foyer
(par définition lieu d’application de la RA). Après, c’est juste une convention pratique qui
veut qu’on décompose cette force en deux composantes, l’une perpendiculaire à la trajectoire
de l’avion (et non à un axe de l’avion !) et l’autre dans le sens de la trajectoire. On vient de
décomposer la portance F et la traînée T.
A la question où est-ce que çà porte, tout le monde répond : les ailes. Mais çà porte
dessous, ou çà aspire dessus ? La réponse est les deux. La portance est générée en parts
comparables par une surpression sur la paroi inférieure de l’aile (intrados) et une dépression
sur la partie supérieure (extrados).
Regardons un profil, (coupe verticale d’une aile), il commence par un BA, plus ou
moins bombé, puis s’effile vers le BF. On peut décomposer ce profil en plusieurs effets.
Au début était la plaque plane qui déviait un courant d’air et donc se faisait soulever.
Le problème, c’est çà ne porte pas très bien. Tant que le flux d’air arrive exactement dans
l’axe de la plaque, tout va très bien en quelque sorte, la plaque traîne très peu…mais elle ne
porte pas. Pour qu’elle porte, il faut que l’air n’arrive pas dans l’axe de la plaque, mais qu’il
fasse un angle avec celle-ci. Cet angle, c’est l’incidence. C’est un des paramètres
fondamentaux du vol. En voici une illustration assez simple.
Donc, on met notre plaque en incidence de plus en plus forte. Au début, on constate
que çà dévie bien le flux d’air sans trop traîner, tout le monde est satisfait. Mais en
augmentant l’incidence, il se produit un phénomène bizarre, les filets d’air qui courraient sur
l’extrados ne suivent plus la plaque, ils sont complètement désordonnés, instables, et la
plaque ne porte plus autant qu’avant, tout en traînant plus, c’est le décrochage. Cela peut se
voir en sortant la main en voiture, on la fait plate, puis on l’incline vers le haut, elle a
tendance à soulever notre avant-bras (voire le bras, mais là, c’est un problème de permis que
vous risquez d’avoir), puis ne peut plus le soulever, mais le fait partir en arrière.
Plaque plane = aile
Incidence faible
Incidence forte
Ecoulement non décollé
Incidence trop
forte, décrochage
Ecoulement décollé
On a donc quelque chose qui peut prendre l’air. Mais une plaque plane, ce n’est pas
réalisable en réalité, il faut nécessairement que le profil ait de l’épaisseur. De plus, on peut
souhaiter que la même surface parvienne à porter un poids plus lourd. De tout çà, on est
amené à épaissir le profil et à le cambrer. Un profil cambré porte d’autant mieux qu’un profil
plat qu’il est cambré. Le décrochage survient toujours pour une incidence de l’ordre de 20°,
mais entre-temps, la même surface est apte à soulever un poids plus important.
Cambrure ou
squelette du
profil, milieu
entre extrados et
intrados
Extrados ou
« dessus »
Bord
d’attaque
Intrados ou
« dessous »
Bord de fuite
Corde = segment
du bord d’attaque
au bord de fuite
Maintenant que l’on a notre forme de profil, on peut regarder d’où vient la portance.
On distingue grossièrement deux origines à la portance, l’effet d’épaisseur et de cambrure, et
la déflexion.
La déflexion est liée directement à l’incidence, plus cette dernière est forte, plus le
profil attaque l’air avec un angle important, le flux d’air va être dévié vers le bas, en se faisant
repousser par l’intrados (surpression) et aspirer par l’extrados (dépression). La déflexion a de
très importantes conséquences pour ce qui se passe derrière l’avion. Tout d’abord, les surfaces
derrière l’aile ne vont plus voir arriver l’air avec l’incidence de l’aile , mais avec un angle
moindre. Ceci modifie l’efficacité de la profondeur. D’autre part, en bout d’aile, au saumon,
l’air qui n’est pas rencontré par l’aile et qui passe à côté voit une dépression au-dessus et une
surpression au-dessous. Il va donc se créer un tourbillon (dans la réalité extrêmement
puissant, mais pas modélisé pour l’instant) en bout d’aile. Ce tourbillon représente une
énergie qui est perdue, de la portance convertie en traînée. C’est la raison d’être des petits
winglets sur les saumons d’airbus, qui visent à réduire l’importance de ces tourbillons,
dangereux pour les autre avions derrière. Sur les avions de chasse, ils se matérialisent avec
suffisamment d’humidité dans l’air par des filaments blancs éphémères en bout d’aile, visibles
en particulier lorsque l’avion effectue des manœuvres serrées.
Répartition de la portance
le long de l’aile
déflexion
Création du
tourbillon
Maintien du tourbillon dans
l’espace et pour 3-10 minutes
L’effet de cambrure lui, est lié plus ou moins directement à l’explication du trajet le
plus long sur l’extrados, donc la plus grande vitesse, et la plus grande dépression selon la loi
de Bernoulli ( vraie uniquement en basse vitesses, v< M0.2), tout en sachant que l’écoulement
de l’air se fait en 3D, et que la vitesse finale de l’air n’est pas parallèle à l’écoulement initial !
Note : lorsqu’il est dit dépression, cela signifie que la pression sur la surface en question est
inférieure à la pression atmosphérique à l’altitude considérée. On est limité en dépression
par le vide, et on n’y arrive jamais sur un profil, le décrochage survient bien avant.
Nous avons vu de quoi était constitué la portance. Mais il est bien connu qu’un avion
a besoin de poussée pour voler, car il traîne dans l’air. La traînée est constitué d’une
multitude de petites (ou grandes) choses regroupables.
Tout d’abord, la traînée de frottement, il s’agit simplement de l’air (fluide visqueux au
même titre que l’eau ou l’huile) qui frotte sur la surface de l’avion. Vient ensuite la traînée
induite par la portance. Cette traînée est dû au fait que l’aile n’est pas infinie, et donc qu’en
un lieu, l’extrados et l’intrados se rencontrent. Elle est inversement proportionnelle au rapport
envergure sur corde moyenne de l’aile, aussi appelé allongement. L’allongement du SU-25
est supérieur à celui du SU-27. Pour les avions qui approchent mach 1 et qui le dépassent, il
apparaît une autre forme de traînée, vicieuse et brutale, la traînée de compressibilité et de
chocs. Des ondes de chocs apparaissent en divers endroits du profil et le freine dans des
proportions considérables s’il n’est pas bien étudié. C’est pour cela que tous les supersoniques
ont des profils d’ailes très fins.
A retenir : la portance croit
A peu près proportionnellement en fonction de l’incidence
Comme le carré de la vitesse
Dépend de la densité de l’air (cf altitude)
Avec les volets
La traînée augmente
Avec le carré de la vitesse
Avec le carré de l’incidence
Avec l’aérofrein
Diminue avec la densité de l’air
Nous avons vu que l’on arrivait à faire des profils relativement porteurs, mais pour les
opérations à basse vitesse, on cherche à gagner un maximum de portance. La première chose
que l’on fait, c’est d’augmenter l’incidence jusqu’à une valeur proche du décrochage.
Seulement, il n’y a guère que sur les avions légers que ceci est satisfaisant. Pour les
autres, on utilise des dispositif hypersustentateurs, à savoir les volets et les becs. Chacun à un
rôle et une fonction bien particulière. Les volets visent à augmenter la portance à incidence
constante, et les becs visent à augmenter l’incidence de décrochage (de 18 à 25+°). On obtient
ainsi une configuration de vol qui permet en général de basses vitesses (relativement à la
vitesse maximum). C’est la configuration d’atterrissage.
Note : sur les chasseurs russes, le braquage des becs est automatique à partir d’une certaine
incidence, et sur les SU-27/33, celui des volets aussi.
Un mot maintenant sur les couples engendrés par l’écoulement. Lorsqu’un profil est
dans un écoulement , il se créé autour du foyer un couple en général piqueur. C’est-à-dire que
si on fait voler le profil tout seul (aile droite) en
plaçant son centre de gravité au niveau du foyer (de
façon à équilibrer portance et poids), l’ensemble va
avoir tendance à piquer. C’est tout l’enjeu du contrôle
de l’axe de tangage des ailes volantes. C’est pour cela
qu’elle nécessite soit pas mal de flèche, soit un profil
très particulier (famille des profils auto stables).
Ce qu’il faut savoir sur ce couple piqueur, c’est
qu’il augmente avec l’incidence, et qu’il est proportionnel comme beaucoup d’autres choses
au carré de la vitesse.
L’écoulement supersonique :
Dans tout fluide/solide le son se propage avec une vitesse finie. Le son est la
succession de compressions et de détentes qui se propagent dans l’espace. Cette propagation
se fait à une vitesse déterminée dans l’air uniquement par la température (en degrés kelvin :
0°K = -273.16°C) et des constantes physiques. Il s’agit de la température statique (différente
de la température mesurée sur la paroi de l’avion pour cause d’échauffement !). La vitesse du
son (ou mach 1) diminue progressivement jusqu’à environ 11000m, et à partir de là, est
constante.
La forme de l’écoulement autour d’un profil en supersonique est assez différente de
celle en subsonique, ou du moins assez pour avoir conduit à la destruction totale de nombreux
avions par méconnaissance des phénomènes et des remèdes. Première constatation : le foyer
se déplace dans de grandes proportions. Au lieu de rester à 25% de la corde de l’aile, il se
déplace à environ 50% de l’aile. Ce déplacement se fait de façon plus ou moins continue lors
de l’accélération transsonique. De plus, le décrochage survient beaucoup plus tôt en
incidence, et un trop fort braquage des gouvernes peut les faire décrocher elles seules. Il est
aussi à noter que l’écoulement supersonique concerne aussi les réacteurs (qui ne boivent QUE
de l’air subsonique). Sur les chasseurs, ceci amène à adopter une forme d’entrée d’air
particulière de façon à ralentir le flux par chocs successifs (souris mirage III, F-104, biseau
SU-27, F-15…)
Concernant le domaine transsonique, il est définit en quelques sorte sur l’avion par la
coexistence d’écoulements supersoniques et transsoniques. C’est un domaine de vitesse
délicat car des ondes de chocs se trouvent sur les ailes et modifient (ou décollent)
l’écoulement, détériorant le contrôle de l’appareil. Sur les appareils de combat prévus pour,
cette zone se passe rapidement, on y accorde peu d’importance, d’autant plus que les
ordinateurs/stabilisateurs des commandes de vol travaillent à la place du pilote pour éviter les
grosses conneries.
3) Domaine de vol
Présentation des principaux facteurs déterminants pour les limites de l’avion
Ce que l’on appelle domaine de vol, c’est l’ensemble des vitesses, incidences, facteurs
de charges admissibles par l’avion. On distingue trois types de limites : le décrochage
(incidence maximale), la résistance du pilote (les sacro-saints 9g), et les limites de l’avion
(buffeting et flutter en particulier). Le domaine de vol est représenté par le graphe du facteur
de charge maximal en fonction de la vitesse. Sur des avions de combat, en général, les limites
de l’avion ne sont pas atteintes, car il a été construit avec des marges de solidité suffisantes.
Les « g » :
Le facteur de charge est le rapport du poids apparent sur le poids au repos, au sol.
Ainsi, lorsque vous lisez ce texte chez vous, vous êtes à 1g. Les astronautes dans la station
spatiale sont à 0g, dans votre voiture, lorsque vous prenez vite un ralentisseur, vous êtes à
1.3g maximum. En flanker, à 800km/h, si vous tirez sur le manche en butée, vous aller arriver
à 9g. Ceci veut dire que le pilote, au cours de la manœuvre, aura l’impression de peser 9 fois
son poids…Cela veut aussi dire que dans cette configuration, l’avion soulève 9 fois son poids.
Cette contrainte en g est très importante pour la santé du pilote…et de l’avion.
Un individu standard, sans être grand sportif, tombera dans les pommes sous 5-6g
continus. Avec de l’entraînement, et une bonne condition physique, il pourra tenir plus
longtemps et mieux, mais il souffrira nécessairement du voile noir. C’est ainsi que l’on
appelle la restriction progressive du champ de vision, voir de l’aveuglement par manque de
sang dans la tête. Sous l’effet du poids, tous les fluides ont tendance à descendre beaucoup
plus que d’habitude . Image : un ballon de baudruche qu’on remplit d’eau au lieu d’air. Divers
moyen permettent de retarder ces effets (qui vont jusqu’à la mort cérébrale sans précautions) :
combinaison anti g (le pantalon gonfle et comprime les jambes pour y empêcher l’afflux de
sang), position plus couchée, qui réduit les hauteurs verticales entre le cœur et les différents
organes. Heureusement pour nous, on peut tirer comme des mules sur nos joysticks sans la
moindre conséquence physique.
L’incidence maximale :
En basses vitesses, on est d’abord limité par le décrochage. On peut remarquer au
passage qu’on lit la vitesse de décrochage en palier, pour un facteur de charge égal à 1g. La
portance étant proportionnelle au carré de la vitesse, c’est une parabole qui limite les basses
vitesses. Ensuite, on arrive assez rapidement (en fonction de l’avion) à la limite des 9g, qui
devient une barrière (limite physiologique humaine). On passe rapidement Mach 1 pour un
chasseur, puis on est à nouveau limité par le décrochage. Ceci peut surprendre, mais en
supersonique, la physiologie de l’écoulement change. De plus, un braquage des gouvernes
trop important peut créer un décrochage au niveau de la charnière, et amène à des inversions
d’efficacité des gouvernes. Ceci est particulièrement vrai en transsonique, dû à un écoulement
sur l’aile qui n’est pas partout supersonique ou subsonique : des ondes de chocs se créent et
perturbent grandement l’écoulement. On est limité par les deux phénomènes qui sont intégrés
dans le limiteur d’incidence. Aussi, à mach 2 à haute altitude, ne vous étonnez pas de ne
pouvoir tirer que 4g avec 10° d’incidence…
On parle toujours de l’incidence en tangage, mais il y
a aussi le dérapage, angle primordial pour les basses vitesses.
Il traduit la symétrie de l’écoulement de l’air autour de
l’avion. Ce qu’il faut savoir, c’est de le dérapage la première cause de décrochages
dissymétriques se traduisant par un départ en vrille. Le dérapage à grande incidence favorise
toujours l’aile « au vent » par rapport à l’aile « sous le vent ». Cette dernière, voit un
écoulement perturbé par le fuselage, ou avec plus de flèche, ce qui induit un décrochage de
cette aile alors que l’autre porte encore. C’est le départ en vrille. Néanmoins, d’excellentes
qualités de vol et un faible allongement rendent les chasseurs de Lock-On peu sensibles à ce
phénomène. Par contre, les avions d’attaque au sol y sont plus sujets, particulièrement le
SU-25T qui est très chargé et très sensible en lacet. Dans ces conditions, il est primordial de
surveiller la symétrie par la « bille », instrument situé sous l’horizon artificiel (c’est juste un
pendule amorti, toujours mettre du pied du côté de la bille !!!)
Les limitations avion :
Concernant les avions subsoniques (A-10 et SU-25), ils sont fondamentalement
conçus pour NE PAS dépasser mach 1. Les profils d’ailes sont très épais, et il se créent à
partir de mach 0.75 des ondes de chocs sur les ailes qui induisent de très forts tremblements.
Dans la réalité, ces tremblements peuvent être colossaux et des pilotes ont rapportés ne plus
pouvoir « voir » leurs instruments par la force et l’amplitude des oscillations. Cette vitesse
limite de buffeting est incontournable. La physique qui se trouve derrière est un décollement
non stationnaire des filets d’air après l’onde de choc sur l’extrados de l’aile. Contrairement
aux idées reçues, en subsonique, il n’y a pas de choc sur le bord d’attaque de l’aile, tout se
déroule derrière (rappelez-vous que sur l’extrados, le flux d’air est très accéléré). De
nombreux avions se sont disloqués en vol sous de telles contraintes, avec en plus des
phénomènes de résonance dans la structure ou dans les gouvernes. Ceci arrive pour tous les
avions subsoniques, quelque soit leur taille (L’A380 y sera sensible). Cela définit un mach
limite qui signe l’apparition d’ondes de chocs sur la voilure. Ce mach est nécessairement
inférieur à 1 (environ 0.75 sur le SU-25). Les voilures aux profils très fins sont beaucoup
moins sensibles.
Concernant les avions supersoniques, c’est en général les moteurs qui induisent des
limites, soit par manque de poussée, soit par limitations techniques (désamorçage, extinction).
Domaine de vol d’un chasseur supersonique :
Altitude
Domaine de vol
accessible
temporairement
Domaine de vol
inaccessible
Mach 1
Limite = portance
Limite = poussée
Energie totale constante maximale
(cinétique+potentielle (= altitude))
Domaine de
vol accessible
Limite = poussée
Vitesse
On sait maintenant ce qui se passe quand on reste dans le domaine de vol. Mais il peut
aussi être intéressant de savoir ce qui se passe quand on en sort. C’est le rôle des essais en vol,
et un de vos objectifs lorsque vous pilotez une machine VIRTUELLE. Dans la réalité, les
essais qui dépassent 9g, ou qui sont très susceptibles de détruire l’avion sont réalisés au sol,
sans mettre en danger une seule vie. Pour les autres, il faut voir… Un programme d’essai que
je recommande commence par un décollage tranquille, une prise d’altitude, et des évolution à
basse vitesse et grande incidence pour voir les choses tranquillement. Avec assez d’eau sous
la quille (5000-8000m), une mise en vrille puis une sortie, pour explorer les basses vitesses.
Puis, pleins gaz, et montée à 12000m pour atteindre la vitesse maxi. Eventuellement, à la fin,
avec plus beaucoup de kérosène et pas mal de vitesse, une ressource souple pour aller
atteindre le plafond max (en général, 30000m). Sur les chasseurs, il est important de savoir
jouer avec le décrochage et toujours contrôler son avion avec le palonnier. (cf 4) )
4) Centrage et manoeuvrabilité.
Notion de centrage de l’avion, présentation des différents foyers sans profondeur,
avec gouvernes libres, avec gouvernes bloquées, relations entre eux, le centre de gravité, et la
stabilité/maniabilité. Limites mettant en jeu la maniabilité
Tout d’abord, un point capital est la relation (en l’absence de commandes de vol
électriques évoluées) entre la maniabilité et la stabilité. Ce sont deux notions opposées, et il
est impossible de maximiser les deux à la fois. Pour les avions classiques, c’est un choix de
conception éventuellement modifiable en jouant sur la position du centre de gravité de
l’avion.
Faisons un petit point sur l’avion et les différents points qui nous intéressent. On
résume ici l’avion à son centre de gravité. On va ensuite considérer différents cas de
configuration aérodynamique : une sans gouvernes de profondeur (partie fixe et mobiles en
moins), une avec les parties fixes (profondeur monobloc : cas identique au précédent), et une
avec toutes les gouvernes, mais bloquées. Ces différentes configurations montreront les divers
centrages que l’on peut adopter, et leurs intérêts.
Voilure sans gouverne :
Le foyer de l’avion est alors celui de la voilure. On va comme dans chaque cas considérer la
stabilité (perturbation d’incidence) de l’appareil en fonction du positionnement du centre de
gravité par rapport à celui du foyer considéré. C’est-à-dire que si une rafale de vent vient
augmenter l’incidence, l’avion est stable si la tendance est à la diminution de l’incidence.
Dans le cas contraire, l’incidence va continuer à augmenter, l’avion est dit instable.
Dans ce cas présent, si le centre de gravité se trouve derrière le foyer, une
augmentation d’incidence va accroître la portance, ce qui va créer un moment à cabrer, donc à
augmenter l’incidence. L’avion est dit instable. Cette situation ne peut être gérée dans le long
terme (plus de temps qu’un atterrissage en catastrophe…) que par des commandes de vol
électriques évoluées (F-16, mirage 2000, rafale, typhoon). On peut rechercher cette
configuration pour gagner en réactivité, et en rendement général de la voilure (moins de
traînée).
Si maintenant, le centre de gravité est placé en avant du foyer, la même perturbation
d’incidence va augmenter la portance qui cette fois va créer un moment à piquer, et donc à
réduire l’incidence. L’avion est stable.
On vient de voir ici un critère fondamental de stabilité : centre de gravité en avant du
foyer de la voilure = avion stable (hors configurations exotiques genre canards ou triplans. Le
cas du SU-33 est traité en fin chapitre).
Voilure avec gouvernes bloquées
Mais dans la configuration précédente, on avait un avion sans gouvernes de
profondeur, donc incontrôlable. On considère maintenant que ces surfaces sont présentes.
Bien sur, le foyer que l’on va considérer n’est plus celui de la voilure mais celui de
l’ensemble. Concrètement, c’est le barycentre des foyers de voilure et d’empennages pondérés
par leur efficacité (surface x éventuellement rendement si différent de la voilure). Ce foyer est
le nouveau point où s’applique la résultante aérodynamique.
On avait vu que l’aile crée un couple piqueur, l’avion a tendance à piquer. On corrige
çà de deux façons, soit on met de la profondeur à cabrer, soit on recule le centre de gravité.
Lorsque l’on met de la profondeur à cabrer et que le centre de gravité est loin du foyer,
l’avion est très stable, et peu maniable. Mais lorsque l’on recule le foyer, la profondeur
déporte de moins en moins, et devient porteuse. Tant que l’on est en avant du centre de
gravité, l’avion est stable, mais il devient de plus en plus réactif, sensible. Un même braquage
de gouverne aura bien plus d’influence.
Faisons un point lorsque le centre de gravité se trouve au même emplacement que le
foyer. Le poids devrait être repris en même proportion par l’aile et la profondeur (charge
alaire égale pour les deux surfaces), mais comme la cambrure de l’aile produit un couple
piqueur, la profondeur va, par rapport à sa surface, porter moins que l’aile. On a dans ce cas
un avion très maniable, mais qui va être perturbé par la moindre turbulence. Et la moindre
action sur les commandes sera très efficace. Après moult observations du SU-27, il me semble
qu’il est dans ce cas, avion peu stable, et très maniable.
Concernant la manoeuvrabilité, il faut prendre en compte plusieurs facteurs dont le
centrage, l’inertie (à savoir si la masse est répartie aux extrémités ou autour du centre de
gravité), le braquage et la surface des gouvernes, et tenir compte des non linéarités du
domaine de vol (décrochage et phénomènes tourbillonnaires).
Un avion sera d’autant plus manoeuvrant que ses gouvernes seront grandes et avec un
grand débattement, mais il sera plus dur de le manœuvrer si son centrage est trop en avant. Il
faut souligner que les commentaires qui suivent sont tirés uniquement de l’observation du
modèle extérieur de l’avion ainsi que de ses réactions dans le simulateur.
Ainsi, un SU-25, même avec plus de surfaces de contrôle, n’en sera pas beaucoup plus
manoeuvrant. C’est un avion centré très avant, et qui se révèle très stable au sens ou la
turbulence ou des perturbations l’affectent peu. Son pilotage se rapproche énormément de
celui d’un avion d’aéroclub, et le A-10 se trouve dans la même situation.
Le cas du F-15 semble être un peu à part. Il semble être centré relativement avant, et
pourtant assez manoeuvrant grâce à d’importantes surfaces de contrôle, et une bonne
motorisation. Il n’est pas particulièrement affecté par des comportements inhabituels.
Le Mig-29, A ou S, ne possède pas de commandes de vol électriques, et pourtant se
révèle très maniable. Ceci apparaît comme le résultat d’une bonne optimisation
aérodynamique.
Le SU-27 et le SU-33 sont des cas particuliers vu qu’ils exploitent des phénomènes
aérodynamiques inhabituels. Tous deux sont centrés très légèrement avant, et profitent d’une
très (trop) bonne réactivité en tangage. Ils sont aussi équipés d’apex d’ailes très importants en
surface, et ces apex génèrent des tourbillons analogues au tourbillons marginaux de bout
d’ailes. Ces tourbillons, de plus en plus importants avec l’incidence, empêchent localement le
décollement de l’écoulement, et permettent ainsi de retarder le moment où toute la voilure
sera décrochée. En effet, lorsque ce phénomènes devient important, l’incidence est élevée
(>20°) et la majeure partie des ailes est décrochée. La portance provient alors principalement
de l’apex et d’un morceau du fuselage (qui rappelons-le est dit « porteur » non sans raisons).
Le point d’application de cette force est bien plus en avant que le foyer de l’avion. Mis dans
cette configuration, l’avion a automatiquement tendance à cabrer. C’est l’autocabrage, qui
conduit au final à un décrochage complet si une limite n’est pas posée (limiteur d’incidence).
Pour le Su-33, une observation fine permet de voir que dans la majorité du temps, les
plans canards sont réglés en déporteur, spécialement aux grandes incidences. L’existence de
ces plans est justifiée par l’avancement du centre de gravité de l’avion (électronique plus
lourde dans le nez, et raccourcissement de la poutre de queue pour cause d’appontage). Le
centre de gravité ayant avancé, pour ne pas avoir un avion trop stable (pas idéal pour un
chasseur), l’ajout de surfaces de contrôle à l’avant avance le foyer de l’avion. Le deuxième
rôle de ces plans est de d’étendre l’effet des apex sur une portion non négligeable des ailes.
Les canards étant des surfaces braquées dans un flux d’air, elles génèrent des tourbillons
marginaux qui passent ensuite au-dessus de l’aile et y empêchent (ou retardent) un
décollement sur l’extrados.