samedi 12 mai 2012

Notions courantes en Aéronautique (enrichi 16 / 10 / 2015)

Pour ceux qui n'ont pas l'habitude du vocabulaire de base en aéronautique, voici quelques définitions de termes que j'espère suffisamment claires.


Théorème (démontré chaque jour) : dès qu'un vol commence, on sait que la trajectoire aérienne de l'avion se terminera immanquablement sur le sol.


Dans quel état seront les occupants et l'avion lui même dépend du pilote - commandant de bord.



Vitesses : Un pilote d'avion doit connaître impérativement plusieurs notions différentes de vitesses pour rester en vie.

  • Vitesse indiquée : Vitesse lue sur le badin (anémomètre). 
    • C'est la seule vitesse que le pilote doit prendre en compte pour savoir s'il est proche du décrochage, s'il risque de détériorer la cellule (voir VNE plus loin), s'il peut sortir ses volets ou son train, et, aussi, s'il peut réaliser telle ou telle figure de voltige.
    • Elle est égale à la vitesse propre au niveau de la mer, si l'étalonnage est correct. Cet étalonnage peut se faire en chronométrant l'avion volant à basse altitude le long d'une ligne droite horizontale au sol (route, voie ferrée) et en prenant le soin de déduire (ou d'ajouter) la vitesse du vent.
    • A mesure que l'avion monte, la densité de l'air se réduit et, pour un même nombre de tours d'hélice, la vitesse indiquée se réduit. 
    • Mais, si l'avion dispose d'un compresseur, sa puissance peut être maintenue plus haut, donc sa vitesse propre augmente de manière significative. 


  • Vitesse propre : Vitesse réelle de l'avion par rapport à l'air qui l'entoure.
    • Pour l'obtenir, on corrige la vitesse indiquée d'un coefficient qui dépend de l'altitude. Les valeurs publiées sont la plupart du temps des vitesses propres. l'exemple suivant montre les malentendus qui peuvent arriver :
      • Je me souviens avoir lu un article très intéressant sur le dernier prototype de chasseur créé par l'ingénieur Herbemont (créateur des chasseurs biplans SPAD entre 1919 et 1935 qui furent plusieurs fois détenteurs du record mondial de vitesse), le Bloch 700. Il y était rapporté que son pilote, Daniel Rastel, avait lu une vitesse (donc, une Vitesse Indiquée) de 380 km/h à 4000 m. 
      • L'auteur de l'article, à l'évidence un peu trop pressé, a alors écrit sa déception à cause de la lenteur de cet avion. Plus attentif, il aurait corrigé cette vitesse indiquée par l'altitude et aurait trouvé que l'avion, brut de fonderie, volait déjà à plus de 460 km/h à 4000 m, donc nettement en-dessous de son altitude optimale (supérieure à 5 000 m). 
      • Pour mémoire, le Morane 406, après 9 mois d'essais, ne dépassait toujours pas 435 km/h de vitesse propre, comme le Bloch 150 de début 1937 (après quelques semaines de vol), comme le D 513 également... 
      • Le Bloch 700,plus rapide de 25 km/h 1 000 m plus bas était donc plutôt bien né !


  • Vitesse sol : Vitesse qui importe lorsque vous allez d'un point à un autre de notre planète. 
    • C'est ce qui compte pour les avion de transport comme pour ceux de bombardement. Le vent y prend une part fondamentale. Ainsi, ce trajet réalisé en 1938 par un Hurricane Mk I à 640 km/h entre l'Ecosse et la banlieue londonienne piloté par le Sq. Lr. Gillian n'a pu se faire ainsi que grâce à un vent arrière de l'ordre de 200 km/h ! 
    • Mais le vent suit une direction quelconque avec votre trajectoire... la prévision peut s'avérer inexacte.
  • VNE : C'est la vitesse indiquée à ne pas dépasser (en Anglais : Velocity Never Exceed), en piqué évidemment. Au dessus de cette vitesse, la cellule de l'avion (fuselage + voilure) peut subir des déformations irréversibles qui obligeront à réformer l'avion (soit pour l'envoyer à la casse, soit pour le reconstruire partiellement). 
    • Dans les dernières pages du Grand Cirque de P. Closterman, il décrit l'état d'un Spifire XIV après un piqué plein gaz qui avait permis à son pilote d'abattre un bombardier à réaction Allemand Arado 234, normalement bien plus rapide : Ses ailes étaient vrillées, le revêtement était gondolé et l'avion bon pour la casse, donc il avait largement dépassé la VNE
    • Ce n'est pas encore la VD, vitesse de destruction, à partir de laquelle l'avion se casse en vol. 

Vent relatif : Vent créé par l'avion lorsqu'il se déplace dans l'air ou même au sol : C'est ce vent relatif très élevé qui explique pourquoi les voitures qui courent au Mans peuvent décoller à plus de 300 km/h et s'écraser plus loin. 


Ces voitures, dépourvues d'ailes et de gouvernes aérodynamiques, ne sont pas contrôlable quand elles n'ont aucun contact avec le sol.


Couche limite : Couche d'air "lente" (d'autant plus lente que la paroi de l'avion est proche) qui gaine la totalité d'un avion.

  • On a commencé à comprendre son existence lorsque les avions ont dépassé les 450 km/h. 
  • Les pièges à couche limite ont amélioré le rendement de toutes les prises d'air, augmentant la vitesse de pointe des avions et améliorant le refroidissement des moteurs (voir l'entrée d'air quasi parfaite du radiateur du North American P 51 Mustang).


Voilure : Ensemble formé par la réunion des ailes. Elle définit une part importante des qualités d'un avion (mais pas toutes).
  • Bord d'attaque : Partie de l'aile frappée en premier par le vent relatif.
  • Bord de fuite : Partie arrière de l'aile, la dernière à être caressée par le vent relatif.
  • Profil : Aspect de la surface d'une section d'aile réalisée parallèlement au lit du vent relatif. L'extrados désigne la face supérieure du profil pendant un vol "normal", l'intrados désigne l'autre face.
  • Ailerons : Gouvernes qui permettent de réaliser des virages à droite ou à gauche. Ils sont situés au bord de fuite des ailes et permettent d'incliner l'avion sur le côté (ou, plus exactement, sur l'axe de roulis). 
    • Ils sont commandés simultanément et en sens inverse par l'inclinaison du manche à balai. (Avant l'invention des ailerons, on tordait les ailes, ce qui était bien moins efficace)
    • Lorsque l'aileron d'une aile s'élève, cette aile va descendre ; 
    • Simultanément, l'aileron de l'autre aile s'abaisse et l'aide à monter. 
    • Ces mouvements d'ailerons constituent la manœuvre initiale d'un virage. Dès que l'inclinaison voulue est obtenue (par exemple, 60° pour un virage sous 2 g), le pilote remet le manche au centre pour stopper la prise d'inclinaison. 
    • Un peu avant ce moment, il va tirer sur le manche pour le virage proprement dit pour compenser la prise de poids due à la force centrifuge. 
    • A la fin du virage, il va supprimer l'inclinaison de l'avion en inclinant le manche dans le sens opposé à celui de la manœuvre initiale jusqu'à ce que les ailes soient horizontales. A ce moment, il remet le manche au centre.
  • Spoilers : Destructeurs de portance. Conjugués aux ailerons, ils permettent d'annuler le lacet inverse.
  • Aérofreins : Eléments aérodynamique que les pilotes mettent en action lorsqu'ils ont besoin de ralentir leur avion. Ces surfaces de petite taille sont dressées perpendiculairement à l'axe du vent relatif. Les premiers servaient de freins de piqué pour les bombardiers.
  • hypersustentation : Système aérodynamique ajouté à la voilure pour en augmenter la portance à basse vitesse. 
    • bec de bord d'attaque : Système créant, en amont de l'aile, une fente qui permet de retarder le décrochage.
    • volets : Systèmes modifiant la courbure de l'aile, ralentissant l'avion et augmentant sa portance à basse vitesse. 
  • élevons : Gouvernes que l'on trouve sur les ailes deltas. Les élevons cumulent les fonctions des ailerons et de la profondeur.


Empennage : Structure qui sert à la fois à stabiliser l'avion et à le diriger. 


  • Les avions classiques ont leur empennage à l'arrière. Dans ce cas, l'empennage est déporteur : Il équilibre l'excès de poids qui se trouve en avant du centre de gravité. 
  • Ceux qui ont un empennage à l'avant sont en disposition canard. Cet un empennage porteur.
  • Les ailes volantes n'ont pas d'empennage du tout, mais elles disposent des gouvernes correspondantes.



Northrop YB 35  en 1948 : Un excellent avion  mais des moteurs et des hélices inadaptés...
Une grande autonomie et déjà, la furtivité. Il fut abandonné en faveur de l'énorme B 36.



  • Plan fixe : c'est la partie fixe de l'empennage horizontal.
  • Profondeur : c'est la gouverne horizontale qui se situe en arrière de la partie fixe de l'empennage horizontal. 
    • Tirer sur le manche élève la gouverne, ce qui tend à faire monter l'avion. 
    • Pousser sur le manche baisse la gouverne, ce qui tend à faire descendre  l'avion. 
    • La profondeur joue un rôle essentiel en virage : une fois que l'angle de la voilure avec l'horizon est obtenu, le fait de tirer sur le manche permet de maintenir l'avion en vol horizontal. 
    • L'angle de la voilure avec l'horizon définit le facteur de charge du virage, donc la force centrifuge qui s'exercera sur l'avion et son pilote (et ses passagers).
  • Plan canard : Empennage situé en avant de l'avion. à la différence d'un empennage traditionnel arrière, il est porteur. La mise au point des avions canard s'est révélée d'autant plus difficile à obtenir que l'on avait tout une série d'habitude de conception et de pilotage issues des avions issus du Blériot de 1909. Le Dassault Rafale démontre pourtant tous les jours la perfection accessible à ce système. 
  • Dérive : Stabilisateur vertical qui aide à maintenir l'avion dans une direction donnée.
  • Direction :  Gouverne verticale située en aval de la dérive dans le lit du vent relatif. En réalité, elle est appelée direction par analogie avec les navires mais son rôle directeur est faible. Elle sert surtout à maintenir la symétrie du vol sur les avions monomoteurs à hélice, ce qui réduit le risque d'entrée en vrille. Mais pas uniquement.

Portance : force propre à une voilure qui permet à l'avion de s'envoler.

  • Elle est proportionnelle au carré de la vitesse, donc lorsque la vitesse se réduit, elle chute. 
  • C'est la différence de vitesse entre l'air - plus rapide - qui passe sur le dessus de l'aile et celui - plus lent - qui passe en dessous, qui crée la portance.                                    
  • Elle dépend directement de la surface et du profil de la voilure (qui définit un coefficient de portance ou Cz). 

Traînée : Qualité (et force) d'un avion (mais pas seulement, c'est vrai pour tout véhicule mais aussi tout bâtiment architectural) qui représente sa résistance au vent.
  • Elle aussi est proportionnelle au carré de la vitesse (en m/s) ;
  • Elle est formée de deux éléments : Le coefficient de traîné (Cx) et le maître-couple, qui est la plus grande surface dans une section frontale de l'avion.
  •  L'essentiel de la traînée est due à la voilure. 
  • Une aile de faible épaisseur relative traîne moins qu'une aile épaisse ; à épaisseur égale, une aile plus allongée traîne moins.
La traînée d'un chasseur doit toujours être aussi faible que possible.


Finesse : Qualité d'une cellule correspondant au rapport entre la portance et la traînée. Elle dépend de la vitesse propre. 
  • Un pilote doit connaître la finesse de l'avion qu'il pilote pour être capable, en cas de panne moteur, de poser son avion en urgence dans les meilleures conditions possibles. 
  • La distance maximale qu'il peut atteindre est fonction d'une part de l'altitude d'où il part et d'autre part de sa promptitude à acquérir la vitesse de finesse maximale de son avion. 



Décrochage : lorsqu'un avion est cabré, la valeur de l'angle (d'incidence) de l'aile avec le vent relatif créé par sa vitesse augmente.

  • Dans les faibles valeurs d'incidence, la portance croit, mais la traînée aussi.
  • Passé un certain angle, propre à la voilure, la portance décroit brutalement. 
  • L'avion ne peut plus voler : C'est le décrochage.
  • Lorsque l'avion est très près du sol (moins d'une envergure), la traînée diminue, ce qui réduit la vitesse de décrochage. Cela explique en partie la résistance des pilotes d'autrefois face aux avions de chasse à aile basse : Ils avaient du mal à atterrir.
  • En vol rectiligne, la baisse de la vitesse, en maintenant la même altitude, se fait en tirant de plus en plus sur le manche. 
  • A une certaine vitesse, l'avion décroche, ce qui est appelé par commodité vitesse de décrochage (en abréviation Anglophone : Vs pour Velocity of stall - Autrefois, on parlait de perte de vitesse, ce qui n'avait pas vraiment de sens). 
  • Il faut bien dire que rares sont les avions qui disposent d'un incidence-mètre pour connaître l'angle d'incidence de la voilure par rapport au vent relatif.
  • L'empennage arrière des avions les plus courants, depuis le Blériot de 1909, est dé-porteur, ce qui signifie qu'en vol "normal" (lorsque l'aile assure la portance), il empêche l'avion de piquer du nez. 
    • Pendant un décrochage, son angle par rapport au vent relatif redevient porteur, donc l'avion pique du nez (il fait une abattée) ce qui lui permet de reprendre de la vitesse, et donc de redevenir contrôlable et de voler à nouveau.
  • L'entraînement au décrochage est la clef d'un pilotage conscient
  • Un pilote bien entraîné au décrochage est considérablement plus sûr qu'un autre qui serait incapable de détecter les signaux qui sont associés au décrochage (accident du vol AF 447 Rio-Paris le 31 05 2009, où une anomalie d'entraînement sur ce plan s'est ajoutée à d'autres anomalies pour perturber les réactions des pilotes).


Roulis induit : Lorsque le pilote actionne la seule gouverne de direction avec son palonnier, donc en gardant les autres commandes au point neutre, l'avion s'incline (relativement lentement) vers le côté où le pied s'est appuyé.
  • C'est une manière de virer si les commandes d'ailerons sont coupées ou bloquées.
  • Un pilote doit donc s'y entraîner.


Lacet inverse : Lorsque le pilote veut incliner l'avion d'un côté, l'avion commence à virer en sens inverse de ce que le pilote désire.
  • La direction sert à contrôler ce comportement plutôt malvenu (c'est la conjugaison pieds - manche). 
  • Le constructeur de l'avion va combattre ce comportement en trouvant une loi de mouvement des ailerons qui réduit leur élévation au dessus de l'extrados. 
  • Une voie plus simple a été trouvée au début de la seconde guerre mondiale avec l'intervention d'un destructeur de portance (spoiler) sur l'aile abaissée pendant le virage.


Centrage : Il définit la position du centre de gravité de l'avion par rapport à son centre de portance.

  • Il est fondamental pour définir la stabilité longitudinale.
  • Un avion mal centré par centrage arrière aura tendance à se cabrer et donc à ralentir. La reprise de contrôle sera bien difficile si l'avion est près du sol... La mise en vrille devient le risque principal. La recherche du centrage arrière n'est pas facile pour les pilotes d'essais, mais les accidents, parfois mortels, de ces derniers mettent en évidence une configuration à éviter à tout prix.
  • Un avion centré trop avant sera difficile à faire atterrir.


Stabilité : Capacité d'un avion à rétablir sa position d'équilibre après avoir subi une perturbation quelconque.
  • Un avion stable revient tout seul à sa position d'équilibre lorsque sa trajectoire a été perturbée.
  • Un avion indifférent reste dans l'état où la perturbation l'a mis. Il est dit presque indifférent lorsque le temps de retour à l'équilibre est long.
  • Un avion instablelorsque sa trajectoire a été perturbée, va s'éloigner de plus en plus de sa position d'équilibre.



Stabilité Longitudinale : Si l'avion est centré trop arrière, il est instable et risque à tout moment d'entrer dans une série d'oscillations d'amplitude croissante dans un plan vertical (montagnes russes).
  • En général, si l'avion n'est pas immédiatement repris en main par le pilote rapidement, les oscillations se terminent soit par un éjection soit par un crash.
  • Une description parfaite de ces phénomènes d'instabilité longitudinale a été donnée par Didier Daurat - l'homme clef de l'Aéropostale - dans ses mémoires (Dans le vent des hélices) lorsqu'il a appris à piloter un avion Voisin à moteur arrière (certainement centré très arrière).
  • En restant à l'intérieur de limites raisonnables, un centrage avant favorise la stabilité, un centrage arrière favorise la maniabilité. Mais un centrage arrière marqué va être très fatigant pour leurs pilotes et seuls ceux qui réagissent rapidement et sans exagération ont bénéficié d'une longue survie (exemple : Sopwith Camel).
  • Les avions de chasse modernes sont volontairement conçus instables car la rapidité de réaction de leurs ordinateurs interdit les pertes de contrôle.
  • Les essayeurs Britanniques du Messerschmitt 109 E, en 1940, trouvèrent que ce chasseur était bien trop stable.

Stabilité en Lacet : Lorsqu'un avion est soumis à une perturbation latérale, tout se passe comme s'il était monté comme une girouette libre de tourner sur un axe vertical passant par son centre de gravité

  • Il est stable s'il revient de lui-même à sa position initiale. 
  • Le rôle de la dérive (partie fixe de l'empennage vertical), dans un avion classique, est justement de donner une force de rappel s'opposant à la perturbation latérale, favorisant donc la stabilité. 
  • Cette force de rappel sera d'autant plus grande que la dérive aura plus de surface et sera bien alimentée (ainsi, la stabilité en lacet du chasseur léger Payen PA 112 devait être très problématique).
  • Si l'avion est centré très avant, la stabilité en lacet est favorisée mais la maniabilité sur cet axe sera moindre. 
  • Par contre, si l'avion est centré plus en arrière, la maniabilité sera supérieure et la stabilité sera moindre.


Stabilité de roulis : Un avion soumis à une perturbation sur l'axe de roulis ne tendra à revenir à sa position initiale que si sa voilure comporte du dièdre positif, ce qui veut dire que lorsque l'on regarde l'avion par devant, les 2 ailes dessinent un V assez aplati.

Bien sûr, dans les conditions de vol courantes, les ailerons aident à contrôler ce type de perturbation.  

Mais lorsque l'avion vole à très faible vitesse, donc à forte incidence, il est courant que les ailerons répondent mollement. L'avion peut partir simultanément en abattée et en virage.

La dissymétrie de la configuration peut alors entraîner le décrochage d'une aile tandis que l'autre ne décroche pas. C'est l'amorce d'une auto-rotation, ou vrille, qui est, le plus souvent, caractérisée par une importante vitesse de descente, ce qui la rend très dangereuse à faible altitude.

Le rattrapage d'une vrille dépend de la configuration aérodynamique de l'avion. 

Le grand voltigeur Suisse Eric Mueller expliquait (dans son excellent livre Libre Intégral, AirPress, 1987):
  • avec un empennage en T, la profondeur est mise à piquer et, ensuite, la direction en sens contraire à celui de la vrille ;
  • Dans la plupart des autres cas, la profondeur est mise à cabrer et la direction en sens contraire à la vrille.

Dans le cas du D 520, les pilotes Bulgares, vers 1943, furent victimes d'accidents mortels lors de leurs premiers entraînements. 


Un pilote français leur montra qu'en cas de vrille, il suffisait de lâcher toutes les commandes et l'avion se rétablissait tout seul. 

Apparemment, plus aucun pilote Bulgare ne fut victime de vrille sur D. 520. 



Stabilité spirale : Elle permet à un avion engagé dans un virage circulaire de maintenir le rayon de ce virage sans le resserrer ni l'agrandir. 

Elle est obtenue par un dosage fin de la surface de la dérive et par l'angle de dièdre donné à la voilure.





4 commentaires:

  1. Je tiens tout d'abord à saluer votre travail dans ce blog.

    Les articles sont passionnants et l'analyse très fines des faits qui y sont présentés en font une vraie mine d'or pour tout passionné d'aéronautique.

    Cet article, pertinemment détaillé, permet de bien vulgariser les savoirs en mécanique du vol à un large public .

    Je me permets seulement, et en toute modestie, de revenir sur l'explication de la portance, car il me semble que l'effet Coanda s'ajoute en partie à l'explication que vous donnez, un certain nombre de sources en attestent, ce site par exemple : http://lehollandaisvolant.net/?d=2011/01/15/22/46/21-comment-vole-un-avion

    Je souhaitais ainsi connaître votre avis sur cette question.

    En espérant pouvoir vous lire très prochainement,

    MAD

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  2. Ce commentaire a été supprimé par l'auteur.

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    1. Merci Marc-Amaury pour votre contribution stimulante.

      Ma définition de la portance est centrée sur les lois de Bernoulli et de Venturi.

      Elles sont vérifiées dans la plus grande partie du domaine de vol des avions des 2 guerres mondiales et l'essentiel des avions de nos jours.

      Il est exact que d'autres mécanismes entrent en jeu dans des circonstances particulières. Ainsi, comme le dit la NASA (http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/wrong1.html), certaines phases du vol d'une navette spatiale imposent une explication différente.

      C'est aussi - partiellement - le cas du vol instationnaire (hélicoptères, oiseaux et insectes) qui sort du cadre de ce dont je discute dans ce blog.

      Je ne me suis pas encore suffisamment penché sur le rôle de l'effet Coanda dans la portance générale pour pouvoir en discuter actuellement.

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    2. Je tiens à vous remercier pour votre réponse si prompte.

      Vous avez raison pour cette définition de la portance qui s'applique a toutes les configurations de vol. Il est vrai que cette explication avec l'effet Coanda donne un éclairage intéressant sur les phénomènes aérodynamiques parfois moins connus ou méconnus.
      Je dois avouer que j'ai eu connaissance de cette explication que récemment, mais les travaux de Coanda, dans un spectre plus large sont passionnants

      Merci pour le lien de la NASA, les explications y sont claires, précises et intéressantes.

      Je tiens à vous renouveler mes remerciements pour la rédaction de ce blog, qui apporte un regard neuf sur les événements historiques ; et qui m'a permis, avec des articles de grande subtilité et toujours plus intéressants, d'assouvir de belles heures de lecture et qui m'en promettent encore !

      MAD

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