TPE avion

HENNION – BEERNAERT – MORONVAL
1S1
L’aéronautique
Comment calculer et déterminer la vitesse en
vol d’un avion?
Sommaire
I
II
III
IV
V
VI
VII
Vue d’ensemble de l’avion
• Les principaux éléments de l’avion
• Les trois axes
Instrument de mesures
• Les instruments principaux
• L’anémomètre
Un peu d’histoire
• Henri Pitot
• Ludwig Prandtl
Tube de Pitot
• La pression
• Les formules
• Risques et solutions
Théorème de Bernoulli
Production
Conclusion
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1) Vue d’ensemble de l’avion
Les éléments principaux de l’avion sont le nez endroit où se
trouvent le pilote et le copilote, le turboréacteur qui sert à avancer, les
ailes qui servent à planer, le stabilisateur qui sert à stabiliser l’avion et la
gouverne de direction qui elle sert à modifier le lacet de l’avion.
L’avion possède trois principaux axes qui sont le lacet, le roulis et
le tangage. Le Lacet sert à incliner l’avion sur un axe vertical et est
contrôlé par la gouverne de direction. Le roulis incline l’avion sur un axe
horizontal et est contrôlé par les ailerons. Le tanguage va faire cabrer ou
piquer (basculer) l’avion et est contrôlé par la gouverne de profondeur.
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2) Instruments de mesure
Le cockpit est composé de plusieurs instruments de mesures
comme l’anémomètre qui va permettre au pilote de connaitre la vitesse à
laquelle il vole.
L’altimètre va permettre d’informer le pilote sur l’altitude à laquelle il vole.
Le variomètre va permettre de savoir si le pilote monte ou descend.
La bille et le fil de laine permettent de savoir la direction du vent relatif et
son intensité.
Le compas permet au pilote de connaitre son cap et fait office de
boussole.
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La radio va permettre au pilote de communiquer avec la tour de contrôle
et de savoir sur quelle piste il va atterrir et donc d’éviter les collisions.
Sur l’anémomètre: l’arc blanc correspond à la configuration « volets
sortis ». La vitesse inférieure à cet arc notée VS0 correspond à la vitesse
de décrochage volets sortis. La vitesse supérieure à cet arc est notée
VFE.
L’arc vert correspond à la configuration en « lisse », la vitesse inférieure
à cet arc notée VS est la vitesse de décrochage en lisse. La vitesse
supérieure à cet arc, notée VNO (Vitesse normal opération) ne pourra
pas être franchie si il y a des turbulences dans l’air.
L’arc jaune correspond à la vitesse élevée que le pilote ne peut atteindre
que dans des conditions en air calme. Enfin le trait rouge correspond à la
vitesse à ne jamais dépasser (Vitess never exceed, notée VNE) sous
peine de dégâts irréversibles sur l’appareil et de mort potentielle du
pilote.
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3. Un peu d’histoire
Henri Pitot est né à Aramon (Gard) le 29 mai 1695 et est mort à
Aramon le 27 décembre 1771. C’est un Ingénieur en hydraulique
français.
Pitot s'intéresse ensuite aux problèmes de fluides, notamment à
l'écoulement de l'eau dans les rivières, et découvre que beaucoup de
théories de son époque sont infondées. Il invente par la suite un
instrument destiné à la mesure de la vitesse des fluides connu
aujourd’hui sous le nom de Tube de Pitot et est employé dans de
nombreux domaines notamment en aéronautique pour les anémomètres.
Ludwig Prandtl est né le 4 février 1875 à Freising et est mort le 15
Août 1953 à Göttingen. C’est un ingénieur et physicien allemand. Il a
apporté d’importantes contributions à la mécanique des fluides et à la
théorie de la résistance des solides. Prandtl pense à utiliser le tube de
Pitot dans une canalisation pour mesurer les vitesses locales
d'écoulement des fluides.
4. Tube de Pitot
La pression d’un fluide en mouvement peut dépendre de trois
critères qui sont la vitesse de ce fluide, la pression statique environnante
et la hauteur de ce fluide. La mesure de la pression peut nous faire
connaitre la vitesse. L’avion, pour cela, possède un instrument simple
qui mesure ces pressions (statique, dynamique et totale) : le tube de
Pitot.
Le dernier ayant amélioré le tube est Ludwig Prandtl, aujourd’hui,
cet instrument ultrasimple, n’a plus évolué depuis un siècle. Mais il y a
toujours des dangers car l’eau, la glace et les insectes risquent
d’obstruer le tube et donc le pilote perd des informations vitales car sa
vitesse devient fausse et il peut ne pas sentir un décrochage et donc
peut mourir (une des conséquences du vol Rio-Paris).
Pour éviter ça, l’inspection des tubes de Pitot est OBLIGATOIRE
avant le vol. Pour éviter la glace l’hiver, chaque aéroport est équipé d’un
système de dégivrage. A la fin des vols, au parking, les tubes de Pitot
seront protégés par un manchon spécial « REMOVE BEFORE FLIGHT »
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5) Théorème de Bernoulli
La pression peut aussi être trouvée par le calcul mais cela se fait
uniquement au sol car le pilote, en vol, n’a pas le temps d’effectuer ce
calcul :
- La pression totale, mesurée avec le tube de Pitot, est trouvée par
l’expression ½.ρ.v2 + Ps = Pt
- La pression dynamique, mesurée avec l’antenne de Prandtl, se
calcule avec l’expression ½.ρ.v2
Avec un Tube en U, la mesure de la différence entre la pression totale et
la pression statique en millimètre permet de calculer la vitesse avec la
formule de Bernoulli modifiée qui est :
6) Production
Notre production est une vidéo d’une expérience réalisée à
l’atelier de Lille Planeurs. Au fond de cet atelier, se trouve la
représentation d’un tube en U. Un tube en U est un tube en
forme de U relié à une sonde Pitot dans lequel est contenu un
certain volume de liquide (eau en général). La différence (en
millimètres) entre les deux ménisques du liquide peut, avec
Bernoulli, donner l’information de vitesse au pilote.
Trois cas sont montrés dans la vidéo :
- Dans le premier cas, le souffle représente un vent plutôt
faible. La différence entre les deux ménisques est faible et
donc la vitesse de l’appareil sera faible.
- Dans le deuxième cas, le souffle représente un vent
moyennement fort. La différence entre les deux ménisques
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est plus grande que dans le premier cas et donc l’avion
volera plus vite.
- Dans le troisième et dernier cas, le souffle représente un
vent très fort. La différence entre les deux ménisques est
très grande et l’appareil volera à une vitesse importante
voire dangereuse si elle est trop importante.
7) Conclusion
Notre réponse à la problématique qui est : « comment
calculer et déterminer la vitesse en vol d’un avion ? » est donc
qu’on peut la déterminer grâce au Tube de Pitot et qu’on peut la
calculer avec le théorème de Bernoulli une fois revenu au sol
(sauf s’il y a deux pilotes dans l’appareil : un qui calcule et un
qui maintient l’avion).
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