MECANIQUE DU VOL

Mécanique du vol : Impossible de parler du vol sans s’intéresser à la théorie. Partie plus ardue, et plus mathématique, tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur le mécanisme du vol (ou presque).

Le choix des mots

Comme tout milieu technique, l’aéronautique a son jargon. Un peu de lexicographie avant de nous plonger au le cœur du problème.

  • Extrados = le dessus de l’aile
  • Intrados = le dessous de l’aile
  • Bord d’attaque = bord avant de l’aile qui va “attaquer” la masse d’air.
  • Bord de fuite = bord arrière de l’aile par ou vont s’échapper les filets d’air.
  • Vent relatif : Du point de vue aérodynamique souffler ou se déplacer ont les mêmes effets. La vitesse par rapport à l’air est donc une notion relative. Elle peut être obtenue soit par déplacement de l’objet dans un volume d’air au repos (la vitesse de déplacement de l’objet), soit par la vitesse de l’air arrivant sur l’objet au repos (le souffle). Ce mouvement de l’air par rapport à l’objet est appelé “vent relatif”.

Modélisation :

Pour les besoins d’explication, imaginons une aile placée dans un courant d’air et observons ce qui se passe.
Nous allons suivre deux particules d’air. Celle qui va passer par l’extrados va faire un plus grand chemin que celle qui va passer par l’intrados. Par conséquent, elle va devoir accélérer pour arriver en même temps que l’autre.

Une règle physique veut que la pression varie dans le sens inverse de la vitesse : donc plus un fluide s’accélère, plus la pression de ce fluide diminue. Cette différence de vitesse va générer des écarts de pression entre le dessus et le dessous de l’aile.

Comme nous venons de le voir, les tubes d’air qui vont voyager sur le dessus de l’aile vont avoir une vitesse plus importante que celles qui vont voyager sur le dessous de l’aile (la distance à parcourir sur l’extrado est plus importante que pour l’intrado).

Nous avons illustré sur ce schéma les champs de pression exercés sur une aile. Vous constaterez que le dessus de l’aile (l’extrado) subit une pression moindre que le dessous de l’aile (l’intrado), il se trouve donc en depression.

La dépression sur l’extrados et la pression sur l’intrados de l’aile engendrent une force portante dirigée vers le haut.

Cette force est appelée “résultante aérodynamique”.
Cette force peut être portante si le profil de l’aile a la forme adéquate.La résultante aérodynamique est orientée vers le haut, et légèrement vers l’arrière.

Nous pouvons voir que la résultante aérodynamique (R) agit de deux manières sur le planeur.

Elle a un effet porteur, entraînant le planeur vers le haut.
Elle tend à s’opposer au déplacement du planeur dans l’ecoulement.

Remarquons que la portance est perpendiculaire au vent relatif, et qu’ainsi elle n’est pas toujours verticale (imaginons un planeur en train de faire de la voltige).

L’expérimentation montre que la portance Rz et la traînée Rx dépendent :

  • De la densité de l’air (rhô)
  • de la vitesse d’écoulement de l’air V
  • de la surface alaire S
  • du coefficient aérodynamique que l’on note Cz et Cx par analogie avec Rz et Rx et qui varient avec l’incidence, la forme de l’aile, l’état de sa surface

Nous décomposerons conventionnellement la résultant aérodynamique “R” (RA sur le schéma) en deux forces correspondant à ces deux effets :

  • “portance” notez RZ, perpendiculaire au vent relatif, qui permet la sustentation,
  • “traînée”, notez RX, parallèle au vent relatif, qui s’oppose au déplacement.

Chaque fois qu’il y a portance, il y a nécessairement tourbillon autour du profil. Ce tourbillon est responsable de certaines nuisances. Que ce passe-t-il en bout d’aile ?
Ne rencontrant plus de surface pour le guider, le tourbillon se replie en bout d’aile sous l’effet du vent relatif.
Cette partie du tourbillon est appelé “tourbillon marginal”. Il a deux conséquences :

  • il génère de la traînée induite (induite par la portance),
  • il génère de la traînée de frottement.

Ces traînées vont bien entendu opposer une résistance à l’avancement du planeur.

C’est une des raisons qui font que les ailes des planeurs sont étroites et longues, en effet le vortex est moins important sur ce type de profil (baisse de la traînée induite) par rapport aux profils classiques (avion), qui eux recherches d’autres performances et vont compenser avec le moteur .

Un planeur évolue sur 3 axes autour de son centre de gravité.
Pour lui permettre d’évoluer sur ces 3 axes, il est doté de gouvernes (les appendices mobiles en bout d’aile et sur la queue).
Avant de voir comment ces gouvernes commandent les changements de direction ou d’incidence, revenons à la théorie.
Comme nous venons de le voir, les filets d’air génèrent des pressions différentes en fonction de leur vitesse.
C’est en faisant varier ces pressions que l’on va contrôler les évolutions d’un planeur (ou d’un avion, c’est du pareil au même).
Imaginons notre gouverne, elles est mobile et peut s’orienter de bas en haut (gouverne de profondeur ou ailerons en rouge et vert) ou de gauche à droite (gouverne de direction en bleu).

Si nous faisons monter la gouverne de l’aile gauche, nous allons faire augmenter le chemin à parcourir à notre particule d’air qui passe en dessous, c’est cette fois si le dessous de la gouverne qui va exercer une pression moindre, donc un abaissement de la portance. L’aile va donc descendre.
Dans le même temps, nous faisons l’inverse sur l’aile droite, la gouverne orientée vers le bas va allonger le trajet de la particule qui passe sur l’extrados, la portance augmente, l’aile monte.

Vous avez tout compris ? Alors continuons. Nous voilà en l’air en train de piloter notre planeur. Manche à droite pour virer à droite. On constate immédiatement un phénomène bizarre.
L’aile gauche recule par rapport à l’aile droite,et plus qu’on ne le souhaite, le nez du planeur monte vers la gauche.

Explication : en orientant nos gouvernes, nous jouons sur la portance. (réduction à droite, augmentation à gauche). Oui mais voilà, dans la mise en virage, l’aile extérieure au virage va subir un vent relatif plus important (elle va plus vite ) que l’aile intérieure. Résultat la portance va augmenter, mais la traînée aussi !

Ces phénomènes vont freiner l’aile, nous les appelons “lacet inverse” et “roulis induit”.

A noter qu’un planeur ou un avion vole même dans cette situation, mais génère une traînée importante, (donc perte de vitesse, et augmentation du taux de chute) c’est parfois dangereux.

Pour annuler les effets du lacet inverse, on a placé sur la queue du planeur une gouverne verticale nommée “dérive” ou “gouverne de direction”. Son action est commandée par le palonnier.

En l’actionnant le palonnier (donc la gouverne) dans le sens du virage, on remet le planeur en vol symétrique par rapport au vent relatif.
Cette manipulation ajouté au mouvement du manche est appelée “conjugaison”.

Il y a sur un planeur 2 instruments qui nous permettent de contrôler la justesse de la “symétrie” du vol.
Le “brin de laine” (orienté dans le lit du vent relatif, voir schéma), et la “bille”. Si le planeur dérape, il suffit de jouer ou sur les ailerons ou sur la gouverne de direction pour remettre le planeur droit.

Cette notion est importante car elle génère comme nous venons de le voir, une traînée importante qui nuit aux performances du planeur.

Tout au long du vol, le pilote va donc contrôler et corriger les tendances naturelles du planeur à partir en dérapage lors des mises en virage.

Voici schématiquement les actions de conjugaison pour respectivement :

  • virage à droite
  • virage à gauche

Nous vous présentons ici les actions sur le manche à cabrer et à piquer avec leurs influence sur la résultante aérodynamique.

Dans le cas du planeur à cabrer, l’augmentation de l’incidence (l’angle entre la corde de profil de l’aile et le vent relatif) entraîne une augmentation de portance. La résultante aérodynamique est supérieure au poids apparent du planeur, il monte.

Ici le phénomène est inverse, en piquant, on réduit l’incidence et par la même la portance. La résultante aérodynamique est inférieure au poids apparent du planeur, il chute.

Dans le vol stabilisé, la résultante aérodynamique équilibre le poids du planeur. Il est stable.

A noter que sur un planeur dans le cas présent, le planeur est systématiquement dans une légère configuration à piquer.

Nous allons aborder les effets de la mise en virage sur les différentes forces en action.

Dans le schéma ci-contre, le planeur est à l’équilibre, la résultant aérodynamique équilibre le poids apparent.

Pour provoquer un virage, il faut créer une force latérale perpendiculaire à la trajectoire. Cette force est obtenue en inclinant le planeur. La résultante aérodynamique reste perpendiculaire aux ailes, il apparaît une force horizontale qui dévie la trajectoire et créer ainsi le virage.

Lorsque l’on incline le planeur on incline sa résultant aérodynamique sans la changer, mais sa composante verticale opposée au poids devient insuffisante, il y a déséquilibre.

Pour rétablir l’équilibre dans le plan vertical, il va falloir augmenter la valeur de la résultante jusqu’à ce que la composante verticale redevienne égale au poids.

Lorsque le planeur est en virage stabilisé, sa résultant aérodynamique est supérieure à sa résultant aérodynamique en ligne droite.

On exprime cette relation de la manière suivante :
RA/PA = RA’/RA, RA’ étant la résultant aérodynamique en virage.
Le résultat de ce ration est appelé “facteur de charge” (n).

On va voir sur les schémas suivant l’influence grandissante du facteur de charge dans l’inclinaison du planeur, et ses conséquences.
A 30° d’inclinaison, le facteur de charge est de 1.15, soit 1.15 G. ce facteur de charge va agir sur le poids apparent en l’augmentant d’un facteur 1.15, ce qui veut dire que sur un planeur pesant 300 Kg, il en fera 345 Kg.
Pour compenser ce facteur de charge, nous allons devoir augmenter la vitesse (et par la même la portance). En effet, si il y a trop grand déséquilibre entre la résultant aérodynamique et le poids apparent, le planeur décroche.

A 45° d’inclinaison, le facteur de charge monte à 1,5 G

A 60° il est de 2 G, c’est à dire 2 fois la masse du planeur (soit 600 Kg dans l’exemple du haut).

A noter que le pilote subit les mêmes contraintes liées au facteur de charge.